彭培成,石軍亮,張家旗,王子文

(河南理工大學, 河南 焦作 454000)

0 引言

近年來，礦難經(jīng)常發(fā)生，已經(jīng)造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。礦難發(fā)生后，救援機器人順利快速進入礦井并將探測到的信息準確及時傳達到地面是救援的首要任務。但礦難過后的礦井環(huán)境惡劣，存在著一些形狀固定與結(jié)構(gòu)化的地形，如道床、斜坡和連續(xù)臺階常常會給搜救工作帶來困難，在搜救過程需要機器人具有較強的爬坡越障能力，并具有快速的反應能力[1-2]。因此，驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究成為至關重要的任務。

雙筒直線電動機結(jié)構(gòu)軸向?qū)ΨQ，內(nèi)、外定子共用一個動子(次級)，不存在橫向邊端效應，也不存在法向磁拉力，動子和定子間氣息均勻，能產(chǎn)生較大的電磁推力，相較于直流電動機和步進電動機在動子進行大推力運動的場合，雙筒直線電動機有著明顯的優(yōu)勢[3]，而且雙筒直線電動機具有較好的適應復雜環(huán)境能力和高速度、高效率、無打滑現(xiàn)象等優(yōu)點。

驅(qū)動控制系統(tǒng)中，其電動機是動力源。面對復雜的環(huán)境，其性能成為了驅(qū)動控制系統(tǒng)的關鍵[4]。鑒于研究雙圓筒直線電動機控制系統(tǒng)的文獻很少，本文從內(nèi)、外定子并聯(lián)共用一個動子的角度出發(fā)，建立了雙圓筒直線電動機矢量控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，并進行了在線仿真，仿真結(jié)果驗證了模型的有效性，為雙筒直線電動機控制系統(tǒng)在礦難救援機器人上的進一步研究應用奠定了理論基礎。

1 雙筒直線電動機數(shù)學模型

雙筒直線電動機可以看作是將雙邊扁平型直線電動機沿著和直線運動相垂直的方向卷接成筒型變化而來，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-外定子銅復合次級；2-鐵復合次級；3-內(nèi)定子銅復合次級；4-內(nèi)定子軛部；5-外定子軛部；6-外定子線圈；7-外定子鐵心；8-內(nèi)定子線圈；9-內(nèi)定子鐵心。

圖1中，D1為內(nèi)定子軛內(nèi)徑，D3、D4分別為鋼次級內(nèi)、外徑。由于雙筒直線電動機克服了雙邊扁平型直線電動機的缺陷，不存在橫向邊端效應，動子的內(nèi)、外法向磁拉力相互抵消，故電動機的磁通通過方式如圖2所示。

圖2 雙圓筒電動機的磁通通過方式

由于雙筒直線電動機存在著靜態(tài)、動態(tài)縱向邊端效應，兩者都能使電動機氣隙磁場發(fā)生畸變[5]，故可以選取較多的繞組極對數(shù)來減小消除靜態(tài)縱向邊端效應。因此，電動機建模只考慮動態(tài)縱向邊端效應的影響。

動態(tài)縱向邊端效應是動子進入定子區(qū)域或離開定子區(qū)域，在動子導體板上感應出的渦流ie，此渦流會削弱勵磁電流且在動子導體板上產(chǎn)生的熱量，削弱值iMe及渦流在動子上消耗的功率Pe分別為[6]：

(1)

(2)

(3)

參考異步旋轉(zhuǎn)電動機的磁場定向控制原理，雙筒直線電動機磁場定向的基本方程為：

1) 電壓方程：

(4)

2) 磁鏈方程：

(5)

3) 運動方程：

(6)

將式(4)和式(5)用等效電路表示，如圖3和圖4所示。

圖3 M軸等效電路

圖4 T軸等效電路

2 磁場定向控制原理

旋轉(zhuǎn)異步電動機磁場定向控制是對轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行控制的，而直線電動機磁場定向控制是對動子磁鏈和電磁推力進行控制的[7]。故由式(4)～(6)可得：

(7)

(8)

由式(8)可以看出：電磁推力Fe與轉(zhuǎn)矩電流并不是線性關系。

(9)

(10)

3 雙筒直線電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真及實驗

由數(shù)學模型得到雙筒直線電動機矢量控制系統(tǒng)，其原理如圖5所示。

圖5 電動機矢量控制系統(tǒng)原理

根據(jù)圖5進行在線仿真，并對樣機進行了實驗。仿真時電動機是空載啟動，在運行4 s時加500 N的負載得到仿真曲線，如圖6和圖7所示。

圖6 電動機仿真電磁推力

圖7 電動機仿真動子速度

由圖7可知，電動機的動子速度由前期增長逐漸變得平穩(wěn)，在4s左右頗有降低。由樣機的實驗采樣數(shù)據(jù)得到電磁推力圖形和電動機動子速度圖形，見圖8和圖9。

圖8 電動機實驗電磁推力

圖9 電動機實驗動子速度

由仿真圖形可以看出，仿真曲線和實驗結(jié)果基本吻合，從而驗證了所建立的雙筒直線電動機矢量控制系統(tǒng)模型的真確性。

4 結(jié)論

考慮到雙筒直線電動機的縱向邊端效應，建立了電動機磁場定向的矢量控制系統(tǒng)模型。

根據(jù)建立的數(shù)學模型，對電動機的矢量控制系統(tǒng)進行了在線仿真，通過圖形比擬，驗證了模型的有效性，也為雙筒直線電動機控制系統(tǒng),在礦難救援機器人上的進一步研究應用奠定了理論基礎。