現代直線電機關鍵控制技術及其應用研究

江蘇省淮陰船閘管理所 王寧波

現代直線電機關鍵控制技術及其應用研究

江蘇省淮陰船閘管理所 王寧波

隨著機械技術的逐漸研發，電機控制設備被廣泛應用到不同的領域中。直線電機將電能直接轉化為直線運動的機械能，一方面省去了中間傳動機制，另一方面降低了系統的耗能，能夠在直線直驅式系統中應用，決定著直線電機運行效率的是其控制系統。為了便于研究，在本文中對現代直線電機的關鍵控制技術進行研究，并且分析其在具體設備中的應用。

直線電機；關鍵控制技術；應用；研究

前言

直線電機自身結構比較簡單，其中間的傳統連接附件比較少，能夠有效的簡化了運動系統的結構，將系統的可靠性有效的提升。在現代直線電機運行中，其電機調速系統中常見的三種的控制技術為：v/f控制、適量控制、直接推力控制。基于直線電機關鍵控制技術的優勢，其應用更加的廣泛。

1.直線電機結構與工作原理介紹

1.1直線電機的結構

對直線電機的結構進行分析，可以與選擇電機結構進行對比性分析，以便于在二者的異同之處了解直線電機。將旋轉電機沿著徑向剖開，并且平鋪，就可以現場直線電機的結構。旋轉電機包含定子和轉子，而在相對應的直線電機中，定子對應直線電機的初級、轉子對應直線電機的次級。在旋轉電機中，轉子相對于定子進行旋轉運動，在直線電機中次級相對于初級進行直線運動。直線電機在實際運行環節中，主要采用的動次級結構或者是動初級結構。根據直線電機的運動特征將其運動部分定義為動子，靜止部分稱為定子[1]。

1.2直線電機的工作原理

直線電機的工作原理與旋轉電機原理相同，直線電機初級、次級相對運動能夠產生氣隙磁場，但是由于兩種電機的結構形式不同，在旋轉電機中產生旋轉磁場，而在直線電機中產生行波磁場。借助輸入電能通過行波磁場轉化為電磁推力，從而驅使直線電機的初級與次級產生相對運動。在初次級之間的相互運動中，需要保障有效氣隙范圍不變，在初級與次級的長度不同的情況下，主要分為長初級短次級、短初級長次級兩種結構。初級的制造費用高于次級，因而在直線電機中常采用短初級長次級結構[2]。

2.直線電機關鍵控制技術方式

2.1v/f控制

V/f控制方式是直線電機控制中的關鍵控制方式，該種控制方式與其他控制技術相比具有較好的適應性，并且比較容易實現。該種控制形式能夠應用于對于負載變化、調速性能等要求不高的控制系統中。常見的系統有風機、水泵等，在這些不同的系統中，應用v/f控制方式，一方面能夠滿足系統運行的實際要求，另一方面也能夠便于系統的實際控制。該種控制方式在額定頻率以下進行調速時，能夠保持時壓頻比實現恒定，在額定頻率之上，還能夠保障電壓輸出不變，因此該種方式可以被視為是一種恒功率調速控制方式。但是v/f控制方式也存在一些缺點，這些缺點使得該種直線電機控制方式在特殊的環境中不適應。由于該種控制方式比較簡單化，導致其實際的控制精度不高。例如，在系統中出現負載突變的情況時，直線電機的速度變化將會更加的明顯，并且調整時間逐漸增長。此外，當在該種控制方式下的直流電機處于低速運行時，電機的轉矩、推力輸出能力變差，如果不存在電壓補償的情況下，將會出現系統欠補償的情況[3]。

2.2矢量控制

與v/f直線電機控制技術相比，矢量控制的優越性比較突出，該種技術是由德國西門子公司在上世紀七十年代所提出的感應電機矢量控制理論研制出，也被稱為磁場定向控制。該種矢量控制技術出現之后，憑借其較為優異的控制性能，被廣泛的應用到了感應電機和同步電機調速控制系統中。在不同的電機控制系統中，其應用方式不同。例如，在感應電機矢量控制中，可以分為直接矢量控制和間接矢量控制。基于矢量控制的方式初衷就是以坐標變換為基礎，將電機定子電流進行分解，分別分解為兩個相互垂直的分量。其中一個是直流電動機的轉矩電流分量，另一個時直流電動機的勵磁電流分量。在對電流進行分解之后，能夠保障不同類型的電流進行分別控制，最終實現了電機轉矩與勵磁的分開控制。分開控制的形式與傳統的統一控制方式相比，有效的提升了直線電機控制效率，并且能夠實現微調。特別的，該種控制方式對不同類型電流進行解耦方面發揮著重要的作用[4]。

2.3直接控制

關于直接推力控制的研究比較多，最初該種控制技術是在旋轉電機的轉矩控制方面中演化而來。經過較長時間的研究，日本學者和德國學者都針對交流感應電機提出了直接轉矩控制理論。其中日本學者認為直接轉矩控制方式的實現，主要是通過查詢電壓矢量表，從而實現電動機定子磁鏈和轉矩的相互調節。該種直接控制方式直接轉矩中應用比較廣泛，也被認為時一種圓形磁鏈直接轉矩控制方式。在此基礎上，德國學者提出了直接轉矩控制思想，該種思想也被稱為直接自控制技術。直接控制技術與矢量控制技術相比，最大的優勢在于能夠不需要進行矢量分解以及坐標分量的轉換就能夠實現直線電機的控制。通過在電動機轉矩調節中引入零矢量，能夠直接在坐標系中進行電機定子坐標系中磁鏈與轉矩的相互轉換，更不需要電機數學模型，具體的結構控制上更加的簡單。但是該種控制方式也存在著一定的問題，如，轉矩與磁鏈脈動的問題。基于此，很多學者針對該問題進行了比較深入的研究，相繼提出了固定載波頻率的直接轉矩控制方式，和自適應磁鏈觀測器技術[5]。

3.直線電機關鍵控制技術的應用研究

在本文中以直線電機的往復運動控制技術為例進行分析，針對直線電機往復運動過程，需要分析系統在加速、減速、空載、負載等不同的運行狀態下的位置跟蹤時誤差，并且提出相應的直接電機控制系統位置誤差的補償方式。在直線電機運動環節中，位置曲線設置可以為斜坡曲線，該種曲線實際上也是一種所給定的階躍速度信號。在直線電機進行往復運動環節中，需要進行啟動和停止，在不同的系統下其位置的超調都比較大。該系統存在著一定的慣性，為PI調節器的性能實現帶來了一定的限制。在斜坡位置曲線之下，直線電機系統中比較容易產生震蕩的情況。為了實現對直線電機系統的控制，系統中的位置曲線一般由上位機系統給定，而對于獨立變頻器控制系統，需要首先在變頻器系統中設置復位移曲線。在對直線電機的位置跟蹤誤差進行補償環節中，可以采用速度前饋矯正方式，或者是采用加速度、負載阻力和粘滯摩擦系數進行矯正[6]。

4.結論

綜上所述，在本文中對直線電機結構以及運動原理進行分析，并且研究其關鍵控制技術，以及在實際的電機運行中的應用。直線電機借助輸入電能通過行波磁場轉化為電磁推力，從而驅使直線電機的初級與次級產生相對運動。直線電機運行具有三種控制技術，分別為v/f控制、適量控制以及直接控制方式。這些控制技術的應用在實際應用中能夠有效的提升電機系統的運行效率。

[1]鄒積浩.永磁直線同步電機控制策略的研究[D].浙江大學,2005.

[2]李子鑫.基于微機控制的直線電機驅動系統研究[D].浙江大學,2004.

[3]張勇.永磁直線同步電機伺服控制系統研究[D].浙江大學,2014.

[4]尚冬冬.基于電機參數自學習的永磁直線同步電動機伺服控制系統[D].杭州電子科技大學,2014.

[5]李秋林.面向直線電機的數控機床伺服控制系統的研究與設計[D].廣東工業大學,2014.

[6]韓明文.永磁同步直線電機神經網絡PID控制系統的研究[D].華東理工大學,2013.

王寧波（1975－），男，江蘇淮陰人，大學本科，畢業于鹽城工學院，中級工程師，研究方向：港航工程機電類。