江蘇省淮陰船閘管理所 王寧波

現(xiàn)代直線電機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)及其應(yīng)用研究

江蘇省淮陰船閘管理所 王寧波

隨著機(jī)械技術(shù)的逐漸研發(fā)，電機(jī)控制設(shè)備被廣泛應(yīng)用到不同的領(lǐng)域中。直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的機(jī)械能，一方面省去了中間傳動機(jī)制，另一方面降低了系統(tǒng)的耗能，能夠在直線直驅(qū)式系統(tǒng)中應(yīng)用，決定著直線電機(jī)運(yùn)行效率的是其控制系統(tǒng)。為了便于研究，在本文中對現(xiàn)代直線電機(jī)的關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行研究，并且分析其在具體設(shè)備中的應(yīng)用。

直線電機(jī)；關(guān)鍵控制技術(shù)；應(yīng)用；研究

前言

直線電機(jī)自身結(jié)構(gòu)比較簡單，其中間的傳統(tǒng)連接附件比較少，能夠有效的簡化了運(yùn)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)的可靠性有效的提升。在現(xiàn)代直線電機(jī)運(yùn)行中，其電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中常見的三種的控制技術(shù)為：v/f控制、適量控制、直接推力控制?；谥本€電機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)的優(yōu)勢，其應(yīng)用更加的廣泛。

1.直線電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理介紹

1.1直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)

對直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以與選擇電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比性分析，以便于在二者的異同之處了解直線電機(jī)。將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿著徑向剖開，并且平鋪，就可以現(xiàn)場直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)包含定子和轉(zhuǎn)子，而在相對應(yīng)的直線電機(jī)中，定子對應(yīng)直線電機(jī)的初級、轉(zhuǎn)子對應(yīng)直線電機(jī)的次級。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子相對于定子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在直線電機(jī)中次級相對于初級進(jìn)行直線運(yùn)動。直線電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)中，主要采用的動次級結(jié)構(gòu)或者是動初級結(jié)構(gòu)。根據(jù)直線電機(jī)的運(yùn)動特征將其運(yùn)動部分定義為動子，靜止部分稱為定子[1]。

1.2直線電機(jī)的工作原理

直線電機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)原理相同，直線電機(jī)初級、次級相對運(yùn)動能夠產(chǎn)生氣隙磁場，但是由于兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式不同，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而在直線電機(jī)中產(chǎn)生行波磁場。借助輸入電能通過行波磁場轉(zhuǎn)化為電磁推力，從而驅(qū)使直線電機(jī)的初級與次級產(chǎn)生相對運(yùn)動。在初次級之間的相互運(yùn)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(jié)構(gòu)。初級的制造費(fèi)用高于次級，因而在直線電機(jī)中常采用短初級長次級結(jié)構(gòu)[2]。

2.直線電機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)方式

2.1v/f控制

V/f控制方式是直線電機(jī)控制中的關(guān)鍵控制方式，該種控制方式與其他控制技術(shù)相比具有較好的適應(yīng)性，并且比較容易實(shí)現(xiàn)。該種控制形式能夠應(yīng)用于對于負(fù)載變化、調(diào)速性能等要求不高的控制系統(tǒng)中。常見的系統(tǒng)有風(fēng)機(jī)、水泵等，在這些不同的系統(tǒng)中，應(yīng)用v/f控制方式，一方面能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際要求，另一方面也能夠便于系統(tǒng)的實(shí)際控制。該種控制方式在額定頻率以下進(jìn)行調(diào)速時(shí)，能夠保持時(shí)壓頻比實(shí)現(xiàn)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(diào)速控制方式。但是v/f控制方式也存在一些缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)使得該種直線電機(jī)控制方式在特殊的環(huán)境中不適應(yīng)。由于該種控制方式比較簡單化，導(dǎo)致其實(shí)際的控制精度不高。例如，在系統(tǒng)中出現(xiàn)負(fù)載突變的情況時(shí)，直線電機(jī)的速度變化將會更加的明顯，并且調(diào)整時(shí)間逐漸增長。此外，當(dāng)在該種控制方式下的直流電機(jī)處于低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、推力輸出能力變差，如果不存在電壓補(bǔ)償?shù)那闆r下，將會出現(xiàn)系統(tǒng)欠補(bǔ)償?shù)那闆r[3]。

2.2矢量控制

與v/f直線電機(jī)控制技術(shù)相比，矢量控制的優(yōu)越性比較突出，該種技術(shù)是由德國西門子公司在上世紀(jì)七十年代所提出的感應(yīng)電機(jī)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(shù)出現(xiàn)之后，憑借其較為優(yōu)異的控制性能，被廣泛的應(yīng)用到了感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中。在不同的電機(jī)控制系統(tǒng)中，其應(yīng)用方式不同。例如，在感應(yīng)電機(jī)矢量控制中，可以分為直接矢量控制和間接矢量控制?；谑噶靠刂频姆绞匠踔跃褪且宰鴺?biāo)變換為基礎(chǔ)，將電機(jī)定子電流進(jìn)行分解，分別分解為兩個(gè)相互垂直的分量。其中一個(gè)是直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分量，另一個(gè)時(shí)直流電動機(jī)的勵磁電流分量。在對電流進(jìn)行分解之后，能夠保障不同類型的電流進(jìn)行分別控制，最終實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)矩與勵磁的分開控制。分開控制的形式與傳統(tǒng)的統(tǒng)一控制方式相比，有效的提升了直線電機(jī)控制效率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)微調(diào)。特別的，該種控制方式對不同類型電流進(jìn)行解耦方面發(fā)揮著重要的作用[4]。

2.3直接控制

關(guān)于直接推力控制的研究比較多，最初該種控制技術(shù)是在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制方面中演化而來。經(jīng)過較長時(shí)間的研究，日本學(xué)者和德國學(xué)者都針對交流感應(yīng)電機(jī)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論。其中日本學(xué)者認(rèn)為直接轉(zhuǎn)矩控制方式的實(shí)現(xiàn)，主要是通過查詢電壓矢量表，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的相互調(diào)節(jié)。該種直接控制方式直接轉(zhuǎn)矩中應(yīng)用比較廣泛，也被認(rèn)為時(shí)一種圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制方式。在此基礎(chǔ)上，德國學(xué)者提出了直接轉(zhuǎn)矩控制思想，該種思想也被稱為直接自控制技術(shù)。直接控制技術(shù)與矢量控制技術(shù)相比，最大的優(yōu)勢在于能夠不需要進(jìn)行矢量分解以及坐標(biāo)分量的轉(zhuǎn)換就能夠?qū)崿F(xiàn)直線電機(jī)的控制。通過在電動機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)中引入零矢量，能夠直接在坐標(biāo)系中進(jìn)行電機(jī)定子坐標(biāo)系中磁鏈與轉(zhuǎn)矩的相互轉(zhuǎn)換，更不需要電機(jī)數(shù)學(xué)模型，具體的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩與磁鏈脈動的問題?；诖?，很多學(xué)者針對該問題進(jìn)行了比較深入的研究，相繼提出了固定載波頻率的直接轉(zhuǎn)矩控制方式，和自適應(yīng)磁鏈觀測器技術(shù)[5]。

3.直線電機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)的應(yīng)用研究

在本文中以直線電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動控制技術(shù)為例進(jìn)行分析，針對直線電機(jī)往復(fù)運(yùn)動過程，需要分析系統(tǒng)在加速、減速、空載、負(fù)載等不同的運(yùn)行狀態(tài)下的位置跟蹤時(shí)誤差，并且提出相應(yīng)的直接電機(jī)控制系統(tǒng)位置誤差的補(bǔ)償方式。在直線電機(jī)運(yùn)動環(huán)節(jié)中，位置曲線設(shè)置可以為斜坡曲線，該種曲線實(shí)際上也是一種所給定的階躍速度信號。在直線電機(jī)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動環(huán)節(jié)中，需要進(jìn)行啟動和停止，在不同的系統(tǒng)下其位置的超調(diào)都比較大。該系統(tǒng)存在著一定的慣性，為PI調(diào)節(jié)器的性能實(shí)現(xiàn)帶來了一定的限制。在斜坡位置曲線之下，直線電機(jī)系統(tǒng)中比較容易產(chǎn)生震蕩的情況。為了實(shí)現(xiàn)對直線電機(jī)系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)中的位置曲線一般由上位機(jī)系統(tǒng)給定，而對于獨(dú)立變頻器控制系統(tǒng)，需要首先在變頻器系統(tǒng)中設(shè)置復(fù)位移曲線。在對直線電機(jī)的位置跟蹤誤差進(jìn)行補(bǔ)償環(huán)節(jié)中，可以采用速度前饋矯正方式，或者是采用加速度、負(fù)載阻力和粘滯摩擦系數(shù)進(jìn)行矯正[6]。

4.結(jié)論

綜上所述，在本文中對直線電機(jī)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動原理進(jìn)行分析，并且研究其關(guān)鍵控制技術(shù)，以及在實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行中的應(yīng)用。直線電機(jī)借助輸入電能通過行波磁場轉(zhuǎn)化為電磁推力，從而驅(qū)使直線電機(jī)的初級與次級產(chǎn)生相對運(yùn)動。直線電機(jī)運(yùn)行具有三種控制技術(shù)，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(shù)的應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效的提升電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

[1]鄒積浩.永磁直線同步電機(jī)控制策略的研究[D].浙江大學(xué),2005.

[2]李子鑫.基于微機(jī)控制的直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué),2004.

[3]張勇.永磁直線同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué),2014.

[4]尚冬冬.基于電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)的永磁直線同步電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)[D].杭州電子科技大學(xué),2014.

[5]李秋林.面向直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床伺服控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].廣東工業(yè)大學(xué),2014.

[6]韓明文.永磁同步直線電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)的研究[D].華東理工大學(xué),2013.

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