CN101719712B - 一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法 - Google Patents
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Abstract
一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，该方法是将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成n个划分区域，每个划分区域分为工作状态区域和过渡状态区域，根据每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量，组成驱动器阵列，将驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接，并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接。本发明根据动子磁钢阵列所在位置，确定线圈阵列的作用范围，利用过渡状态区域的限定，控制线圈通断及电流，实现动子的大行程直线运动。本发明可解决定子线圈数量多，引起的驱动器数量过多而带来结构复杂及驱动器设备总费用过于昂贵问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种动铁式直线电机线圈阵列与驱动器连接方式，特别涉及一种驱动器分配方法。
背景技术
直线电机是一种将电能转换成直线运动机械能而不需要中间任何转换装置的电机。它改变过去以链条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠等传统的中间转换体系，克服了传统机械转换机构的传动链长、体积大、效率低、精度差等缺陷，具有起动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高、行程长度不受限制等优点。其应用范围十分广泛，如机床工作、列车驱动、物料运送、自动绘图仪、家用电器、半导体等方面。就直线电机结构而言，分为多种形式，专利200410046893.X、专利200610033455.9及专利01803670.8描述了几种不同结构的直线电机及其应用。
其中，动铁式直线电机是其中一种应用较为广泛的直线电机。对于直线电机而言，行程长度是衡量其性能的一个重要方面。而对于本发明研究的动铁式直线电机，若想使行程长度变长，其定子线圈务必会随着行程的增大而增多，从而引起用于驱动线圈的功率驱动器数量的增多，这是一笔昂贵的费用。因此，一种既能减少驱动器数量，又能保证直线电机大行程直线运动的驱动分配方法亟待提出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，在采用指定数量驱动器的情况下，实现动铁式直线电机大行程直线运动。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，所述的动铁式直线电机包含定子线圈阵列和动子磁钢阵列，其特征在于所述方法包括以下步骤：
1)将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成n个划分区域，每个划分区域再分为工作状态区域和过渡状态区域，所述的工作状态区域内包含工作线圈，所述的状态过渡区域内包含过渡线圈，其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的两侧，动子磁钢阵列尺寸小于定子线圈阵列；
2)根据步骤1)中每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量与一个划分区域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致，所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3)设置开关设备，将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接，并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接，且同一时刻一个驱动器只能与一个对应线圈连通；
4)利用位移传感器，测量当前时刻动子的位置X；
5)根据所述的动子位置X以及步骤1)所划分区域，确定当前时刻工作状态区域内工作线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置，并给工作线圈通上工作电流，给过渡线圈通上零电流；
6)在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，从过渡状态区域进入工作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流，从工作状态区域进入到过渡状态区域的线圈电流切换至零；
7)动子在不断的运动过程中，依次重复步骤5)~6)，从而实现动铁式直线电机线圈阵列功率驱动的分配。
上述技术方案中，其特征在于，所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算：
设L为过渡状态区域宽度，Vmax为所述动子运动的最大速度，T为定子线圈阵列通过开关设备接通或断开驱动器的最大转换时间，则满足：L≥Vmax*T。
本发明所述的工作状态区域大小的确定方法为：在保证动子磁钢阵列下方覆盖线圈与磁钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下，工作状态区域取覆盖线圈外围最大尺寸，过渡状态区域内框与所述工作状态区域大小一致，并在过渡状态区域内框沿运动方向两侧扩展所述过渡状态区域宽度L，形成过渡状态区域外框，通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区域。
本发明步骤1)中所述n的确定方法如下：
设S为定子线圈阵列沿运动方向的长度，a为过渡状态区域外框沿运动方向的长度；
计算S除以a，结果若刚好为整数m1，则n＝m1，即定子线圈阵列刚好分成n个划分区域，结果若不是整数值，则向上取整到m2，则n＝m2+1，即定子线圈阵列分成n个划分区域，其中，前m2个划分区域为完整划分区域，最后一个划分区域为不完整划分区域。
本发明的技术特征还在于：步骤1)中所述过渡状态区域内的过渡线圈数量由所述过渡状态区域宽度及单个线圈尺寸大小确定，每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵列所覆盖区域的大小。
由于采用了以上的技术方案，本发明具有以下优点及突出性效果，即在所述定子线圈阵列包括的线圈数量较大的情况下，通过不同驱动分配状态的转换，使位于磁钢阵列下方或附近的线圈处于实际通电工作状态，减少驱动线圈的功率驱动器数量，保障要求通电线圈的正常工作，节约成本，提高工作效率，实现直线电机的大行程直线运动。
附图说明
图1是本发明采用的动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配装置的整体结构示意图。
图2是本发明动子磁钢阵列从下往上看的平面示意图。
图3a、3b是本发明定子线圈阵列不同划分区域平面示意图。
图4a、4b是本发明工作过程中驱动分配状态的转换图。
其中，1-动子；2-动子磁钢阵列；3-工作状态区域；4-过渡状态区域；5-定子；6-定子线圈阵列；7-驱动器阵列；8-开关设备；9-线路电缆；10-不完整划分区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1为本发明采用的动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配装置的整体结构示意图，包括动铁式直线电机、驱动器阵列7、开关设备8及过渡状态区域4，所述动铁式直线电机包括定子5和与之相配合的动子1，定子5包括由若干个线圈组成的定子线圈阵列6，动子下表面设置有动子磁钢阵列2，所述的开关设备8通过电缆9分别与驱动器阵列7及定子线圈阵列6连接，开关设备可以进行软切换、硬切换，并可在连续或不连续的状态下都能够正常工作。
本发明提供的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，该方法包括以下步骤：
1)将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成n个划分区域，每个划分区域再分为工作状态区域和过渡状态区域，所述的工作状态区域内包含工作线圈，所述的状态过渡区域内包含过渡线圈，其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的两侧，动子磁钢阵列尺寸小于定子线圈阵列；
2)根据步骤1)中每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量与一个划分区域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致，所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3)设置开关设备，将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接，并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接，且同一时刻一个驱动器只能与一个对应线圈连通；
4)利用位移传感器，测量当前时刻动子的位置X；
5)根据所述的动子位置X以及步骤1)所划分区域，确定当前时刻工作状态区域内工作线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置，并给工作线圈通上工作电流，给过渡线圈通上零电流；
6)在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，从过渡状态区域进入工作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流，从工作状态区域进入到过渡状态区域的线圈电流切换至零；
7)动子在不断的运动过程中，依次重复步骤5)~6)，从而实现动铁式直线电机线圈阵列功率驱动的分配。
参考图1，所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算：
设L为过渡状态区域宽度，Vmax为所述动子运动的最大速度，T为定子线圈阵列通过开关设备接通或断开驱动器的最大转换时间，则满足：L≥Vmax*T。
所述的工作状态区域大小的确定方法为：在保证动子磁钢阵列下方覆盖线圈与磁钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下，工作状态区域取覆盖线圈外围最大尺寸，过渡状态区域内框与所述工作状态区域大小一致，并在过渡状态区域内框沿运动方向两侧扩展所述过渡状态区域宽度L，形成过渡状态区域外框，通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区域。
所述n的确定方法如下：
设S为定子线圈阵列沿运动方向的长度，a为过渡状态区域外框沿运动方向的长度；
计算S除以a，结果若刚好为整数m1，则n＝m1，即定子线圈阵列刚好分成n个划分区域，结果若不是整数值，则向上取整到m2，则n＝m2+1，即定子线圈阵列分成n个划分区域，其中，前m2个划分区域为完整划分区域，最后一个划分区域为不完整划分区域。
所述过渡状态区域内的过渡线圈数量由所述过渡状态区域宽度及单个线圈尺寸大小确定，每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵列所覆盖区域的大小。
实施例：
参考图1、4，演示动子1在运动过程中驱动分配状态的转换过程，以便进一步理解本发明。
所述动子1运动的最大速度Vmax＝1m/s，所述定子线圈阵列6通过开关设备8接通或断开驱动器的最大转换时间T＝0.1ms，根据过渡状态区域4宽度计算公式L≥Vmax*T，取L＝30mm。
在保证动子磁钢阵列2下方覆盖线圈与磁钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下，工作状态区域3取所覆盖线圈外围最大尺寸，即工作状态区域3沿运动方向的长度为60mm。过渡状态区域内框与所述工作状态区域大小一致，在过渡状态区域内框沿运动方向两侧扩展所述过渡状态区域4宽度L，形成过渡状态区域外框，则过渡状态区域外框沿运动方向的长度a＝120mm，通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区域4。
定子线圈阵列6沿运动方向的长度S＝480mm，所述过渡状态区域外框沿运动方向的长度a＝120mm，计算S除以a，结果为m1＝4。
1)根据上述计算，取n＝m1＝4，将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成4个划分区域，每个划分区域再分为工作状态区域和过渡状态区域，所述的工作状态区域内包含工作线圈2个，所述的状态过渡区域内包含过渡线圈2个，其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的两侧，动子磁钢阵列尺寸小于定子线圈阵列；
2)根据步骤1)中每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量与一个划分区域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致，即为4个，所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3)设置开关设备，将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接，并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接，且同一时刻一个驱动器只能与一个对应线圈连通；
4)参考图4a、4b，利用位移传感器，测量当前时刻动子的位置X；
5)根据所述的动子位置X以及步骤1)所划分区域，确定当前时刻工作状态区域内工作线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置，并给工作线圈通上工作电流，给过渡线圈通上零电流；
6)在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的一个线圈与所对应驱动器的连接，连通进入过渡状态区域的一个线圈与所对应驱动器的连接，从过渡状态区域进入工作状态区域的一个线圈从零电流切换至工作电流，从工作状态区域进入到过渡状态区域的一个线圈电流切换至零；
7)动子1在不断的运动过程中，依次重复步骤5)～6)，从而实现了动铁式平面电机线圈阵列功率驱动的分配。
在上述步骤中，处于过渡状态区域4的线圈电流大小都为零，目的是保证开关转换过程平缓过渡，避免电流不连续带来的冲击。
通过上述步骤，在所述定子线圈阵列6包括的线圈数量较大的情况下，减少驱动线圈的功率驱动器数量，保障要求通电线圈的正常工作，节约成本，提高工作效率，实现直线电机的大行程直线运动。
Claims (4)
1.一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，所述的动铁式直线电机包含定子线圈阵列和动子磁钢阵列，其特征在于，所述方法包括：
1)将动铁式直线电机长方形定子线圈阵列分成n个划分区域，每个划分区域再分为工作状态区域和过渡状态区域，所述的工作状态区域内包含工作线圈，所述的过渡状态区域内包含过渡线圈，其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的两侧，动子磁钢阵列尺寸小于定子线圈阵列；所述的工作状态区域大小的确定方法为：在保证动子磁钢阵列下方覆盖线圈与磁钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下，工作状态区域取覆盖线圈外围最大尺寸，过渡状态区域内框与所述工作状态区域大小一致，并在过渡状态区域内框沿运动方向两侧扩展过渡状态区域宽度L，形成过渡状态区域外框，通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区域；
2)根据步骤1)中每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量与一个划分区域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致，所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3)设置开关设备，将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接，并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接，且同一时刻一个驱动器只能与一个对应线圈连通；
4)利用位移传感器，测量当前时刻动子的位置X；
5)根据所述的动子位置X以及步骤1)所划分区域，确定当前时刻工作状态区域内工作线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置，并给工作线圈通上工作电流，给过渡线圈通上零电流；
6)在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，从过渡状态区域进入工作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流，从工作状态区域进入到过渡状态区域的线圈电流切换至零；
7)动子在不断的运动过程中，依次重复步骤5)～6)，从而实现动铁式直线电机线圈阵列功率驱动的分配。
2.根据权利要求1所述的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征在于，所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算：
设L为过渡状态区域宽度，Vmax为所述动子运动的最大速度，T为定子线圈阵列通过开关设备接通或断开驱动器的最大转换时间，则满足：L≥Vmax*T。
3.根据权利要求1所述的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征在于，步骤1)中所述n的确定方法如下：
设S为定子线圈阵列沿运动方向的长度，a为过渡状态区域外框沿运动方向的长度；
计算S除以a，结果若刚好为整数m1，则n＝m1，即定子线圈阵列刚好分成n个划分区域，结果若不是整数值，则向上取整到m2，则n＝m2+1，即定子线圈阵列分成n个划分区域，其中，前m2个划分区域为完整划分区域，最后一个划分区域为不完整划分区域。
4.根据权利要求1所述的一种动铁式直线电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征在于，步骤1)中所述过渡状态区域内的过渡线圈数量由所述过渡状态区域宽度及单个线圈尺寸大小确定，每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵列所覆盖区域的大小。
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