CN102480210A - 模块化、长行程电磁直线执行器及其电流换相技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化、长行程电磁直线执行器及其电流换相技术，电磁直线执行器包括线圈组、线圈组骨架、外磁轭、若干励磁模块，所述若干励磁模块轴向排列，励磁模块的外周设置外磁轭，励磁模块与外磁轭之间设置线圈组骨架，线圈组骨架上绕有等间隔排列的等宽线圈组，线圈组中相邻线圈的间距与单个线圈的宽度相同，上述线圈组、线圈组骨架、外磁轭为同轴心线的圆筒形，励磁模块的功能为在气隙内产生基本均匀的径向磁场，可以有多种形式。本发明的电磁直线执行器气隙磁场密度分布均匀，控制特性好，有效地减小了推力波动，有利于高精度运动控制的实现，通过若干励磁模块的轴向排列以及电流换相技术，可以实现模块化、长行程的直线运动。

Description

模块化、长行程电磁直线执行器及其电流换相技术

技术领域

本发明属于一种直线执行器及其电流换相技术，特别是一种适用于长行程、高速和高精度的直线执行器（直线电机）及其电流换相技术。

背景技术

电磁直线执行器是一种将电能直接转换成直线运动形式的机械能而不需通过中间任何转换装置的元件，它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、维护方便等优点。

电磁直线执行器有着多种类型或结构形式，本文是在一种已获专利授权的动圈式直线执行器（常思勤，刘梁．高功率密度的动圈式永磁直线电机：中国，2007 10132009．8）的基础上进一步的改进，克服其有限行程的不足之处。

永磁直线同步电机由于存在推力波动、齿槽效应、端部效应等非线性因素，影响了高精度的运动控制的实现。近年来通过结构设计优化（如初级长度变化、磁极斜排等）或控制算法的改进（推力波动的补偿和抑制）来减小推力波动的问题成为研究的热点之一。而执行精度较高的永磁直线直流电机（如音圈电机）由于磁场分布、加工水平和工艺等原因，行程往往很小，应用于特定的场合。

如何兼顾长行程和高速高精度的直线运动要求是电磁直线执行器技术发展及得到更广泛应用的关键问题之一。例如作为六自由度运动平台的致动器，现有结构形式的直线电机难以达到其较高的技术要求。

目前有一种利用双层台的叠层方式实现大行程高速高精度运动的方案，下层台为大行程高速运动的粗动台，上层台为小行程高精度的精动台。但粗精叠层工作台在运动方向构成冗余，且增加了系统结构的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种长行程电磁直线执行器的结构及其电流换相技术，通过多模块的集成以及电流换相技术使其行程理论上可达无限长，并能够有效地减小推力波动，使其达到高速、高精度的性能要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种模块化、长行程电磁直线执行器，包括线圈组、线圈组骨架、外磁轭、若干励磁模块，所述若干励磁模块轴向排列，励磁模块的外周设置外磁轭，励磁模块与外磁轭之间设置线圈组骨架，线圈组骨架上绕有等间隔排列的等宽线圈组，线圈组中相邻线圈的间距与单个线圈的宽度相同，上述线圈组、线圈组骨架、外磁轭为同轴心线的圆筒形，线圈组、线圈组骨架可沿轴向方向往复运动，励磁模块在气隙内产生均匀的径向磁场，驱动模块与线圈组相连，并在控制器的控制下调节线圈组的电流大小及方向。励磁模块的功能为在气隙内产生基本均匀的径向磁场，其具体形式可以有多种。

一种模块化、长行程电磁直线执行器的换相技术，控制器通过驱动模块进行电流换相控制，其中第一线圈与第三线圈同时导通或者第二线圈与第四线圈同时导通，同时导通的两个线圈电流方向相反，通过控制线圈的导通顺序以及导通线圈的电流方向从而控制线圈组骨架的运动方向，实现长行程的直线运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）发明的电磁直线执行器气隙磁场密度分布均匀，控制特性好，有效地减小了推力波动，有利于高精度运动控制的实现；2）功率密度高，具备高速运动的能力；3）采用多个励磁模块轴向排列以及电流换相技术，电磁直线执行器的行程可达无限长。 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的长行程电磁直线执行器结构示意图。

图2为本发明的长行程电磁直线执行器一个实施例的结构示意图。

图3为直线运动引出结构示意图。

图4为长行程电磁直线执行器控制系统结构框图。

图5为长行程电磁直线执行器功率逆变桥电路图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种模块化、长行程电磁直线执行器，包括气隙1、线圈组2、线圈组骨架3、外磁轭4、若干励磁模块5，所述若干励磁模块5轴向排列，励磁模块的外周设置外磁轭4，励磁模块5与外磁轭4之间形成气隙1，气隙内设置线圈组骨架3，线圈组骨架3上绕有等间隔排列的等宽线圈组2，线圈组骨架3上线圈的数量为4个，线圈组2中相邻线圈的间距与单个线圈的宽度相同，上述线圈组2、线圈组骨架3、外磁轭4为同轴心线的圆筒形，线圈组2、线圈组骨架3可沿轴向方向往复运动，励磁模块5在气隙1内产生均匀的径向磁场，驱动模块7与线圈组2相连，并在控制器6的控制下调节线圈组2的电流大小及方向。励磁模块5的数量为3+n个，n为不小于0的整数。

结合图2，每个励磁模块包括两个圆锥台状的永磁体8、内磁轭9，内磁轭9位于两个永磁体8之间，永磁体8半径大的底部朝外，内磁轭9的外型面与永磁体8的外型面互补，二者同轴心线，该轴心线与外磁轭4的轴心线重合，整个励磁模块呈圆柱体状，该圆柱体外圆周面上永磁体8的高度为内磁轭9的高度的六分之一，线圈组骨架3上单个线圈的宽度为励磁模块轴向高度的四分之一，上述永磁体8的磁化方向为轴向，每个励磁模块中的两个永磁体磁化方向相反，相邻两个励磁模块中相紧靠的永磁体磁化方向相同。励磁模块的数量优选三个，线圈组骨架3上线圈的数量优选四个。

线圈组由4个匝数相等的线圈组成，固定在线圈骨架内，线圈组和线圈骨架合称为动子，可在气隙内作直线运动。其中第一线圈A和第三线圈X绕向相反串联组成第一相绕组，第二线圈B和第四线圈Y绕向相反串联组成第二相绕组。不同绕向的线圈通电后所产生的电枢反应在一定程度上可以互相抵消，可有效地减小电枢反应。先给第一相绕组通正向电流，载流线圈在由永磁体产生的磁场中受到电磁力，产生直线运动；当运动至换相位置处，将第一相绕组断电（此时该相绕组称为关断相），给第二相绕组通反向电流（此时该相绕组称为开通相），载流线圈在反向磁场中将沿着原先的运动方向继续前进。改变绕组中电流方向就可以改变其运动方向，通过调节电流大小就可以实现不同大小的推力或功率的输出。简而言之，在换相位置处对电流换相过程进行控制，根据电磁直线执行器的运行速度，高速运行时降低关断相的电流下降速度，低速运行时降低开通相的电流上升速度，保证换相时关断相的电流下降速度与开通相的电流上升速度一致，消除由电流换相引起的推力波动，实现平滑的推力输出。

内磁轭外圆面的高度是永磁体外圆面高度的6倍，各线圈的宽度与两线圈之间的间距相等，且为内磁轭外圆面高度的1/3，这样可以保证任一时刻至少有一相绕组完全处于均匀的气隙磁密中。动子每移动两倍于线圈宽度的距离，便进行一次电流换相。

线圈组骨架中部开一键槽，嵌入联接件10，并穿过外磁轭上沿轴线方向的狭长通槽与外部直线导轨11的轴承相连，将线圈组的直线运动引出，如图3所示。

长行程电磁直线执行器的控制系统由控制器20、功率驱动模块30、执行器40和传感器模块50组成，如图4所示。其中控制器20为数字信号处理器，功率驱动模块30包括驱动器和功率逆变桥，执行器40为本发明的长行程电磁直线执行器，传感器模块50包括电流传感器和位移传感器。传感器模块50与执行器40、控制器20相连接，传感器模块50检测执行器40的电流量、位置量，并将此电流、位置信号提供给控制器20；控制器20与传感器模块50、功率驱动模块30相连接，控制器20根据传感器模块50提供的电流、位置信号，给出开关逻辑和脉宽调制信号，并通过功率驱动模块30中的驱动器进行信号放大，对功率逆变桥中的功率开关管进行开关控制；功率驱动模块30与控制器20、执行器40相连接，功率驱动模块30根据控制器20提供的开关逻辑和脉宽调制信号，对执行器40的相电流进行控制。

一种模块化、长行程电磁直线执行器的换相技术，电磁直线执行器通过功率逆变桥进行电流换相，功率逆变桥控制线圈电流的通断及其方向，其中第一线圈A与第三圈X同时导通或者第二线圈B与第四线圈Y同时导通，同时导通的两个线圈电流方向相反；通过控制线圈的导通顺序以及导通线圈的电流方向从而控制线圈组骨架3的运动方向，实现长行程的直线运动。

如图5所示，两相绕组分别由两个功率逆变桥进行功率驱动，两个功率逆变桥并联，由同一个直流电源供电。功率逆变桥一31由第一功率开关管K11、第二功率开关管K12、第三功率开关管K13、第四功率开关管K14组成；功率逆变桥二32由第五功率开关管K21、第六功率开关管K22、第七功率开关管K23、第八功率开关管K24组成。功率逆变桥一31的输出端与第一相绕组（Phase 1）的两端相连，功率逆变桥二32的输出端与第二相绕组（Phase 2）的两端相连。

模块化、长行程电磁直线执行器的电流换相技术包括电流换相逻辑以及换相期间电流控制方法。如图2所示，整个电磁直线执行器的长度为120mm，每个励磁模块的长度为40mm，外磁轭的长度为120mm，每个线圈的宽度为10mm。

电流换相逻辑详述如下：

第一步，动子处于图2所示的初始位置，即图2中x = 5 mm处。开通第一功率开关管K11、第三功率开关管K13，关断第二功率开关管K12、第四功率开关管K14以及功率逆变桥二32中的所有功率开关管，即给第一相绕组（Phase 1）通正向电流，第二相绕组（Phase 2）电流为零。动子在电磁力的作用下开始作直线运动。

第二步，动子运动到第一换相位置，即图2中x = 25 mm处。开通第六功率开关管K22、第八功率开关管K24，关断第五功率开关管K21、第七功率开关管K23以及功率逆变桥一31中的所有功率开关管，即给第二相绕组（Phase 2）通反向电流，第一相绕组（Phase 1）电流为零。动子在电磁力的作用下按原先的运动方向作直线运动。

第三步，动子运动到第二换相位置，即图2中x = 45 mm处。开通第二功率开关管K12、第四功率开关管K14，关断第一功率开关管K11、第三功率开关管K13以及功率逆变桥二32中的所有功率开关管，即给第一相绕组（Phase 1）通反向电流，第二相绕组（Phase 2）电流为零。动子在电磁力的作用下继续按原先的运动方向作直线运动。

第四步，动子运动到第三换相位置，即图2中x = 65 mm处。开通第五功率开关管K21、第七功率开关管K23，关断第六功率开关管K22、第八功率开关管K24以及功率逆变桥一31中的所有功率开关管，即给第二相绕组（Phase 2）通正向电流，第一相绕组（Phase 1）电流为零。动子在电磁力的作用下继续按原先的运动方向作直线运动。

第五步，动子运动到第四换相位置，即图2中x = 85 mm处。此时动子所处的磁场状态与初始位置完全相同，重复第一步到第四步，动子将沿着同一方向持续运动。

换相期间电流控制方法详述如下：

以第二步所处的换相位置的电流换相过程为例。换相前，开通的第一功率开关管K11以占空比D1进行脉宽调制。换相时，先判断电磁直线执行器的运行速度，若高速运行，则开通的第一功率开关管K11以占空比D2进行脉宽调制，开通的第六功率开关管K22保持恒通；若低速运行，则关断第一功率开关管K11，开通的第六功率开关管K22以占空比D3进行脉宽调制。换相后，开通的第六功率开关管K22以占空比D1进行脉宽调制。这样电流就从第一相绕组（Phase 1）换到了第二相绕组（Phase 2），也即第一相绕组（Phase 1）电流下降为零、第二相绕组（Phase 2）电流上升至换相前第一相绕组（Phase 1）的电流值，且换相期间第一相绕组（Phase 1）的电流下降速度与第二相绕组（Phase 2）的电流上升速度一致。其余换相位置的电流换相过程与此类似。

Claims (4)

1.一种模块化、长行程电磁直线执行器，其特征在于，包括线圈组[2]、线圈组骨架[3]、外磁轭[4]、若干励磁模块[5]，所述若干励磁模块[5]轴向排列，励磁模块[5]的外周设置外磁轭[4]，励磁模块[5]与外磁轭[4]之间形成气隙[1]，气隙内设置线圈组骨架[3]，线圈组骨架[3]上绕有等间隔排列的等宽线圈组[2]，线圈组骨架[3]上线圈的数量为4个，线圈组[2]中相邻线圈的间距与单个线圈的宽度相同，上述线圈组[2]、线圈组骨架[3]、外磁轭[4]为同轴心线的圆筒形，线圈组[2]、线圈组骨架[3]可沿轴向方向往复运动，励磁模块[5]在气隙[1]内产生均匀的径向磁场，驱动模块[7]与线圈组[2]相连，并在控制器[6]的控制下调节线圈组[2]的电流大小及方向。

2.根据权利要求1所述的模块化、长行程电磁直线执行器，其特征在于，励磁模块[5]的数量为3+n个，n为不小于0的整数。

3.根据权利要求1或2所述的模块化、长行程电磁直线执行器，其特征在于，励磁模块[5]包括两个圆锥台状的永磁体[8]、内磁轭[9]，内磁轭[9]位于两个永磁体[8]之间，永磁体[8]半径大的底部朝外，内磁轭[9]的外型面与永磁体[8]的外型面互补，二者同轴心线，该轴心线与外磁轭[4]的轴心线重合，整个励磁模块呈圆柱体状，该圆柱体外圆周面上永磁体[8]的高度为内磁轭[9]的高度的六分之一，线圈组骨架[3]上单个线圈的宽度为励磁模块轴向高度的四分之一，上述永磁体[8]的磁化方向为轴向，每个励磁模块中的两个永磁体磁化方向相反，相邻两个励磁模块中相紧靠的永磁体磁化方向相同。

4.一种基于权利要求1或2所述模块化、长行程电磁直线执行器的电流换相技术，其特征在于，四个线圈中第一线圈[A]与第三线圈[X]同时导通或者第二线圈[B]与第四线圈[Y]同时导通，同时导通的两个线圈电流方向相反，通过控制线圈的导通顺序以及导通线圈的电流方向从而控制线圈组骨架[3]的运动方向，实现长行程的直线运动。

Images