CN104578681A - 一种触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法，包括：在预设的铁芯上绕制初级线圈、将多个初级线圈排成列，组成电动机的初级绕组，将初级绕组横向划分为相；一个由永磁体和导磁板组成的永磁次级；一条平行于次级并随次级运动的双极触发磁条；电动机的驱动电路由多个以相为单位的控制单元组成，各控制单元由传感器、H桥、相绕组组成；各控制单元的电流方向传感器、有效工作区传感器在双极触发磁条的触发下接通相电流并控制相电流的方向，使流经初级线圈的电流激发出驱动永磁次级作直线运动的有效工作区；有效工作区传感器在脱离触发后关断有效工作区外各相电流；与现有技术相比较，本发明具有调速，往复运动控制方便，驱动电路简单等优点。

Description

一种触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法

技术领域

本发明涉及一种电动机，特别涉及直线电动机，尤其是机电一体化的无刷直流直线电动机。

背景技术

在现有技术中，直线电动机多数为交流异步直线电动机，也有用直流电供电、采用三相逆变电路驱动的直线电动机，但这种用三相方波工作的直线电动机应不属直流直线电动机范畴。

目前，用于工业用途的直流直线电动机都带电刷，由于电刷的固有缺点限制了它的应用和发展。因此，在实际应用中直流直线电动机并不常见，特别在数控伺服系统中，更是少之又少。

那么，到底有没有用直流电运行、又不需电刷的无刷直流直线电动机？在现有技术中，尚无此类信息披露。

发明内容

为了解决现有技术中有刷直流直线电动机必须带电刷运行的问题。本发明提出一种触发式无刷直流直线电动机的构成和驱动方法。

本发明在实现直流电直线动机无刷运行的同时，也克服了有刷直流直线电动机的调速、往复运动控制困难的缺点。

本发明的触发式无刷直流直线电动机不但可以广泛应用于数控伺服系统中，还可应用于一些特定的物体弹射系统中。

为实现直流直线电动机的无刷驱动，本发明用带铁芯的线圈排列后组成直流直线电动机初级，即相当于普通直流电动机的定子绕组；采用永磁体作直流直线电动机次级，即相当于普通直流电动机的永磁转子。

在本说明书的以下论述中，是根椐电动机的驱动电路优选的主要元器件的逻揖真值关系而作具体阐述。

本发明是通过采用以下的技术方案来实现的：

实施一种触发式永磁无刷直流电动机的构成及驱动方法，所述的构成和驱动方法包括如下步骤：

A、首先是设置直流直线电动机的初级：

在预设的铁芯上绕制线圈组成初级线圈，然后将多个绕向相同的初级线圈固定在基座上排成单列或多列组成直流直线电动机的初级绕组；

B、接下来设置直线电动机的次级：

在导磁板上固定N极永磁体和S极永磁体组成直流直线电动机的永磁次级；

C、接下设置一条双极触发磁条：

双极触发磁条由一段条状N极永磁体和一段条状S极永磁体拼接而成；

D、接下来设置一印刷电路板：

印刷电路板被用来容纳电动机的驱动电路。

步骤A所述在预设的铁芯上绕制线圈组成初级线圈，然后将多个初级线圈固定在基座上排成单列或多列组成直线电动机的初级绕组，所述的预设铁芯有U字形或工字型二种，U字型铁芯适配内置永磁次级，工字型铁芯适配外置型永磁次级。

所述的将多个绕向相同的初级线圈被固定在基座上排成单列或多列组成直线电动机的初级绕组，列的纵向长度决定直线电动机的有效行程；

将初级绕组分为相绕组，当初级线圈为纵向单列设置时，每个初级线圈为一个相绕组；当初级线圈为纵向多列设置时，将各列横向同一行的多个绕向相同的初级线圈串连或并连后为一个相绕组；

为便于识别各相绕组所处位置，将相绕组按顺序编号：起始的第一相编号为L1、第二相编号为L2，其余各相的编号按顺序如此类推；相绕组的两个输入端也按相序偏号：L1的线头偏号为IN1a，线尾偏号为IN1b、L2的线头偏号为IN2a，线尾偏号为IN2b，其余各相的输入端的编号如此类推。

在所述的基座上安装有直线轴承，直线轴承上的滑块用来安装永磁次级；直线轴承同时有定位和承重功能。

步骤B所述的在导磁板上固定一块N极永磁体和一块S极永磁体组成直线电动机的永磁次级，当初级线圈的铁芯为U字型时，所配的导磁板为I字型，将一块N极永磁体和一块S极永磁体分别固定在I字型导磁板的两侧，组成内置式永磁次级的两个极；

当初级线圈铁芯为工字型时，所配的导磁板为门字型，将一块N极永磁体和一块S极永磁体分别固定在门字型导磁板的两个竖臂内则，组成外置式永磁次级的两个极。

永磁次级被固定在一个作为动力输出的门字型框架上，动力输出框架被安装在基座上的直线轴承的滑块上；所述的动力输出框架上预设有安装双极触发磁条的位置。

步骤C所述的双极触发磁条由一段条状N极永磁体和一段条状S极永磁体拼接而成；所述的N极永磁体和S极永磁体长度相等，拼接后的总长要比永磁次级的永磁体长一个或两个初级线圈的位置，双极触发磁条的总长决定初级绕组的有效工作区的范围。

双极触发磁条被固定在永磁次级的动力输出框架上随永磁次级一起前后移动；双极触发磁条被固定后平行于与永磁次级的磁极。

步骤D所述的印刷电路板被用来容纳电动机的驱动电路，并将相绕组的两个输入端接入到印刷电路板的相应接口上，与所属的H桥开关电路的两个输出端连接。

电动机的驱动电路由多个以相为单位的控制单元组成，各控制单元由电流方向传感器、工作区识别传感器、H桥开关电路、相绕组组成。

印刷电路板被固定在基座上，安装在印刷电路板上的电流方向传感器、工作区识别传感器要与动力输出框架上的双极触发磁条近距离耦合；以保证两种传感器被可靠触发；

所述的电流方向传感器、工作区识别传感器跟随各相的初级线圈分布，并与各初级线圈处在同一中心轴线上。

所述的控制单元还包括往复运动控制电路、调速信号隔离电路、电源接入、电源滤波、控制信号接入等；外接的正反转控制、脉冲调宽(PWM)调速信号源供驱动电路的全部控制单元共用；

电机工作时，多只电流方向传感器和工作区识别传感器同时被双极触发磁条的两个极触发，电流方向传感器被触发后输出电流方向控制信号、工作区识别传感器被触发后输出有效工作区识别信号，控制所属的控制单元独立地接通各相电流并控制相电流的方向，建立起驱动永磁次级作直线运动的有效工作区。

在有效工作区内，工作区识别传感器被触发后输出开关打开，将所属的控制单元中的H桥开关电路的Drake端口电压拉为L，使H桥开关电路工作正常；被双极触发磁条N极触发的电流方向传感器输出的控制信号为L，控制所属控制单元接通次级线圈的反向电流；被双极触发磁条S极触发的电流方向传感器输出的控制信号为H，控制所属控制单元接通次级线圈的正向电流；

反向电流在次级线圈的两个极靴上激发出与永磁次级的两个极相反的磁极，对永磁次级形成异极相吸；正向电流在次级线圈的两个极靴上激发出与永磁次级的两个极相同的磁极，对永磁次级形成同极相斥，合力驱动永磁次级沿直线运动，实现直流直线电动机无刷运行。

随着永磁次级的向前运动，在永磁次级运动方向的后面，工作区识别传感器就会依次脱离双极触发磁条的触发输出识别信号为H，使所属的控制单元中的H桥开关电路的Drake端口翻转为H，导致H桥开关电路的两个输出端电位相同无负载电流输出，依次关断有效工作区外各相绕组的电流。

当选用的H桥开关电路的带Enable端口时，也可利用H桥开关电路的Enable端口作为无效关断控制端口，当利用Enable端口作为无效关断控制时，工作区识别传感器要选用常开型全极霍尔开关。

所述的有效工作区识别电路，是针对选用现有双极锁存霍尔开关作为H桥开关电路的电流方向传感器而设。因为双极锁存霍尔开关被双极触发磁条触发后其输出状态会被锁定，使有效工作区外的控制单元接通的相电流也被锁定，造成有效工作区外所有相绕组都有空载电流流过。所以在驱动电路中特设有效工作区识别电路，用以接通有效工作区内的相电流、关断有效工作区外所有相电流。

根据上述方法制造一种触发式无刷直流直线电动机，所述电动机包括：

在预设的铁芯上绕制线圈成初级线圈，由多个绕向相同的初级线圈排列后成纵向的直列初级绕组；初级绕组有单列或多列两种，由列的横向每一行的初级线圈组成一个相绕组；

一块N极永磁体、一块S极永磁体被固定在导磁板上组成永磁次级；永磁次级被固定在一个动力输出框架上向外传递次级的动力；每列初级绕组配置一个永磁次级；

动力输出框架上预设有双极触发磁条的安装位置，用于安装双极触发磁条；双极触发磁条所覆盖的区域便是初绕组的有效工作区；

一印刷电路板用来容纳电动机的驱动电路，并将各个相绕组的两个输入端接入刷电路板的相应接口；电动机的驱动电路由多个控制单元组成，各控制单元由电流方向传感器、工作区识别传感器、H桥开关电路、相绕组组成；

各控制单元电流方向传感器、工作区识别传感器在双极触发磁条的触发下，接通相绕组的电流并控制各相电流方向，使流过相绕组的直流电流在初级线圈的极靴上激发出相对永磁次级在同极相斥、异极相吸的方向都向着同一方向的有效工作区，驱动永磁次级作直线运动，实现直流直线电动机无刷运行。

各控制单元的工作区识别传感器在脱离双极触发磁条触发后控制所属控制单元关断有效工作区外所有相绕组的电流。

综合如上所述：一种触发式无刷直流直线电动机的特点在于：

一、设置一个基座，基座中间用于固定直线电机的初级绕组，两个直线轴承分别安装在初级绕组的两边，直线轴承用于安装永磁次级的动力输出框架；还要在基座上安装电动机驱动电路的印刷电路板。

二、在预设的铁芯上绕制线圈组成初级线圈，然后将多个绕向相同的初级线圈固定在基座上排成单列或多列组成直线电动机的初级绕组；将初级绕组横向同一行的初级线圈组合成相，单列时每个初级线圈是一个相绕组；多列时，将横向同一行的多个铁芯线串连或并联后组成一个相绕组；

预设的铁芯有U型或工字型两种，U型铁芯适配I型内置永磁次级；工字型铁芯适配门字型外置型永磁次级。

三、在导磁板上固定N极永磁体和S极永磁体组成直线电动机的永磁次级；内置型永磁次级是将一块N极永磁体和一块S极永磁体固定在I型导磁板两侧，组成永磁次级的两个极；外置型永磁次级是将一块N极永磁体和一块S极永磁体固定在门字型导磁板两个竖臂的内侧，组成永磁次级的两个极；将永磁次级固定在一个动力输出框架上向外传递永磁次级的动力，然后将动力输出框架固定在直线轴承的滑块上；动力输出框架还预设有安装双极触发磁条的位置。

四、在动力输出框架上固定一条平行于永磁次级永磁体的双极触发磁条，双极触发磁条由一段条状N极永磁体和一段条状S极永磁体拼接而成，两段磁条长度相等，拼接后的总长比永磁次级的永磁体要长。

五、在基座上固定一印刷电路板，印刷电路板被用来容纳电动机的驱动电路，并将各个相绕组的两个输入端接入刷电路板的相应接口；

电动机的驱动电路由多个控制单元组成，各控制单元由一个电流方向传感器、一个工作区识别传感器、一个H桥开关电路、一个相绕组以及往复运动控制电路、PWM调速信号隔离电路组成；

各控制单元的电流方向传感器、工作区识别传感器与相绕组的初级线圈处在同一中心轴线上；

各控制单元的电流方向传感器、工作区识别传感器在双极触发磁条的触发下接通相电流并控制相电流的方向，使流过各相绕组的直流电流在初级线圈的极靴上激发出相对永磁次级在同极相斥、异极相吸的方向都向着同一方向的有效工作区，驱动永磁次级作直线运动，实现直流直线电动机无刷运行。

各控制单元的工作区识别传感器在脱离双极触发磁条触发后关断有效工作区外所有相绕组的电流。

附图说明

图1、是本发明一种触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法中的单列初级、外置式永磁次级无刷直流直线电动机构成示意图；

图中的初级线圈1采用工字型铁芯1t，永磁次级3采用门字型外置式永磁次级。

图2是本发明一种触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法中的单列初级、内置式永磁次级无刷直流直线电动机构成示意图；

图中的初级线圈1采用U字型铁芯，永磁次级3采用内置式永磁次级。

图3是本发明一种触发式永磁无刷直流电动机的构成及驱动方法中的多列初级、外置式永磁次级无刷直流直线电动机的构成示意图：

直流直线电动机在需要大推力时，其优选方法是采用多列初、次级模式，多列初、次级模式可缩短永磁次级的长度，增加直流直线电动机的有效行程，从而缩短直流直线电动机的总长度；

图中将多列初级绕组的横向同一行的初级线圈串连后成一个相绕组。

图4是本发明一种触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法中的多列初级、外置式永磁次级无刷直流直线电动机的组相方法和电流方向传感器6、工作区识别传感器7的分布示意图：

图中的电流方向传感器6、工作区识别传感器7跟随各相绕组的初级线圈1分布，并与各相绕组的初级线圈1处在同一中心轴线上；

永磁次级1的长度取决于电动机的输出推力，推力要求大时，永磁次级1覆盖的相绕组就多；

双极触发磁条5的长度比永磁次级3的长度长一个初级线圈1的长度；

图中的11是行程终点阻尼永磁体。

图5是无刷直流直线电动机驱动电路中一个控制单元电路原理图：

图6是无刷直流直线电动机的驱动原理示意图：

图中两条物理分界线22之间的区域是初级绕组的有效工作区；

图中的电流方向传感器6、工作区识别传感器7跟随各相绕组的初级线圈1分布，并与各相绕组的初级线圈1处在同一中心轴线上；

图中的外置型永磁次级3左边是N极、右边是S极；

图中，电流方向传感器Ha2、Ha3、Ha4、Ha5和工作区识别传感器Hb2、Hb3、Hb4、Hb5同时被双极触发磁条触发，接通L2、L3、L4、L5的电流并控制各相电流的方向，在初级绕组上建立起驱动永磁次级作直线运动的有效工作区。

其中Ha2、Ha3被双极触发磁条3下端的S极触发输出高电平信号H，控制Ha2、Ha3所属控制单元接通L2、L3的正向电流，正向电流在L2、L3的极靴上激发出与永磁次级相同的磁极，在同极相斥下将永磁次级向上推；

Ha4、Ha5被双极触发磁条上端的N极触发输出低电平信号L，控制Ha4、Ha5所属控制单元接通L4、L5的反向电流，反向电流在L4、L5的极靴上激发出与永磁次级相反的磁极，在异极相吸下将永磁次级向上拉，与L2、L3在下将永磁次级向上推的方向相同。在下推上拉的作用下，驱动永磁次级向上运动。

图中的Hb1已脱离双极触发磁条5的触发而输出识别信号为H，使H1b所属的控制单元的H桥开关电路的Brake端口的控制电压为H，导致H桥开关电路的两个输出端电位相同无负载电流输出，从而关断L1的电流。

附图中标号：

1t－工字型或U字型初级线圈铁芯；1c－线圈；1－初级线圈，由铁芯1t、线圈1c组成；2－基座；

3t－导磁板；3n－永磁体N极；3s－永磁体S极；3－永磁次级，由导磁板3t、永磁体3n、3s组成；4－次级动力输出框架；

5n－永磁体N极；5s－永磁体S极；5－双极触发磁条，由条状永磁体5n、5s组成；

6－电流方向传感器；7－工作区识别传感器；8－初级线圈中轴线；9－直线轴承；10－印刷电路板；11－行程终点阻尼永磁体；22－物理分界线。

具体实施方式

下面参照附图所示的最佳实施方式进行详细说明。

如图1至图6所示，设计制造一种触发式无刷直流直线电动机，所述电动机包括：

在预设的铁芯1t绕制线圈1c组成初级线圈1，然后将多个绕向相同的初级线圈1固定在基座2上排成单列或多列组成直线电动机的初级绕组；将初绕组分相：当初级绕组为单列时，每个初级线圈为一个相绕组L，当初级绕组为多列时，将各列横向同一行的初级线圈串连或并连后成一个相绕组L；为区分各相，将相绕组按顺序编号，将第一相编号为L1、第二相编号为L2，其余各相的编号按顺序如此类推；

将各个相绕组的两个输入端按相序编号，L1的线头编号为IN1a、线尾编号为IN1b、L2的线头编号为IN2a、线尾编号为IN2b，其余各个相绕组的两个输入端的编号如此类推；

在基座2上固定有直线轴承9。

在导磁板3t上固定N极永磁体3n和S极永磁体3s组成直线电动机的永磁次级3；3n和3s是永磁次级的两个极；永磁次级被安装在一个次级动力输出框架4上，在动力输出框架4上预设有固定双极触发磁条的位置，动力输出框架4被固定在直线轴承9的滑块上。

一条双极触发磁条5由一段条状N极永磁体5n和一段条状S极永磁体5s拼接而成，其长度要比永磁次级3的磁极长一个初级线圈的位置；双极触发磁条5被固定在次级动力输出框架4上与永磁次级3的磁极平行，并随永磁次级3一起移动。

印刷电路板10被用来容纳电动机的驱动电路，并将各个相绕组的两个输入端接入印刷电路板的相应接口，与印刷电路板中的各相所属的H桥开关电路的两个输出端连接。

印刷电路板10被固定在基座2上，并使印刷电路板上的电流方向传感器6、工作区识别传感器7与动力输出框架4上的双极触发磁条5近距离耦合；印刷电路板10上的两传感器，要与基座上所属的初级线圈1处在同一中心轴线上。

电动机的驱动电路由多个以相为单位的控制单元组成，各控制单元由电流方向传感器6、工作区识别传感器7、H桥开关电路、相绕组L组成。

各控制单元的电流方向传感器6、工作区识别传感器7在双极触发磁条的触发下，接通各相电流并控制各相电流方向，使流经相绕组的电流在初级线圈的极靴上激发出相对永磁次级的磁极在同极相斥、异极相吸的方向都向着同一方向，驱动永磁次级直线运动的有效工作区，实现直流直线电动机无刷运行。

各控制单元的工作区识别传感器在脱离触发后关断有效工作区外所有相绕组的电流。

实施例

一个有脉冲调宽(PWM)调速、往复运动控制功能的触发式无刷直流直线电动机的实施例：

本发明的优选实施例如图1、图5、图6所示：

A、电动机的构造如图1，其各部份的构成分别如下：

1、初级单列绕组的构成：

在预设的工字型铁芯1t上绕制线圈1c组成初级线圈1；

如图1、图6所示：设置一个基座2，将多个绕向相同的初级线圈1固定在基座2上排成纵向单列，本实施例的初级绕组由20个初级线圈1排列而成；每个初级线圈1为一个相绕组L，将列的第一个初级线圈设为第一相，编号为L1；其余依次编号为L2、L3、L4、L5直到L20。

将L1的两个输入端中的线头编号为IN1a、线尾编号为IN1b，L2的两个输入端中的线头编号为IN2a、线尾编号为IN2b，其余各相的两个输入端编号如此类推；

在基座2的两边各固定一个直线轴承9，用于安装永磁次级的动力输出框架4；直线轴承兼有对永磁次级的定位和承重功能。

2、外置型永磁次级3的组成：

在门字型的导磁板3t的两个竖臂的左边内侧固定一块N极永磁体3n，右边内侧固定一块S极永磁体3s组成外置型永磁次级3；3n和3s是永磁次级的两个极，两极之间的空间用来容纳初级绕组。

3、初级绕组与永磁次级的组合及定位：

设置一个门字型的动力输出框架4，在动力输出框架4的右竖臂的外侧顶部预设置安装双极触发磁条的安装位置，双极触发磁条被固定后一要平行于永磁次级的磁极，二要将双极触发磁条的两极中间接缝与永磁次级磁极总长的二分之一处的中线重合；在门字型动力输出框架4的两个竖臂的底端预设有直线轴承滑块的安装座。

如图1所示将永磁次级3固定在门字型动力输出框架4的横梁下，然后将动力输出框架4安装在基座2的两个直线轴承9的滑块上，使初级绕组处在永磁次级3的3n、3s两个极之间，初级与次级的两边气隙控制在1mm之内；由于初级绕组在内、永磁次级3的磁极在外，所以这种门字型永磁次级称为外置型永磁次级；

电动机工作时，永磁次级3带动动力输出框架4作直线运动，向外输出动力，同时也带着双极触发磁条5随永磁次级3移动。

4、驱动电路各元器件的选型：

以下根据图6中的永磁次级3的两个磁极的分布、双极触发磁条5的磁极组合为前提对驱动电路中的主要元器件选型。

图5是驱动电路中一个控制单元的电路原理图，图中各主要元器件在满足最大工作电压和最大工作电流的前提下，所选择的主要器件的逻辑功能要满足本实施例的要求。

(1)、H桥功率开关电路的选型：

本实施例的H桥开关电路选用带脉冲调宽(PWM)调速、正反转(DIR)控制功能的LMD18200，LMD18200模块带Brake输入端口，当Brake端口电压为L时，LMD18200输出正常；当Brake端口电压为H时，LMD18200的两个输出端电位相同，无负载电流输出；封装模式选用TO-220-11。

LMD18200最高工作电压为55V、最大连续工作电流为3A。3、4、5三个脚的有效输入信号电压为0.8V-12V。表一是LMD18200的逻辑真值表：

表一：LMD18200的逻辑真值表

(2)、电流方向传感器的选型：

本实施例的电流方向传感器选用双极锁存霍开关US1881，选用TSOT-3L贴片封装。US1881的工作电压3.5V-24V、输出电流50mA，输出的信号电压＝工作电压。

表二：

US1881的逻揖真值表

触发磁极	开关状态	输出电平
			N	开	L
S	关	H

(3)、工作区识别传感器的选型：

本实施例的工作区识别传感器选用全极霍尔开关A1126，全名是A1126LLHLX-T、封装为SOT23W贴片。A1126被永磁体N或S极触发时，输出开关被打开，输出信号电平为L；脱离触发永磁体的触发后输出开关关闭，输出电平为H；其它指标与US1881基本相同。

(4)、受控可倒相门电路的选型：

本实施例的受控可倒相门电路选用54HC266，54HC266内部有四个独立的异或非门电路，每个异或非门电路有A和B两个输入端，一个输出端Y。两个输入端中的A可作为控制端，B是信号输入端。当输入端A为H时，输入端B的输入信号与输出端Y的输出信号同相；当输入端A为L时，输出端Y的输出信号被倒相。本实施例就是利用输入端A作为控制输入端，在控制输入端A输入H或L来实现电动机的往复运动可控控制。表三是54HC266的逻辑真值表：

表三 54HC266逻辑真值表

5、电流方向传感器6、工作区识别传感器7的分布：

如图4、图6所示：电流方向传感器6、工作区识别传感器7跟随本相绕组的初级线圈1分布，并与所属的初级线圈处在同一中心轴线上。

为区分电流方向传感器所属的相绕组，将各电流方向传感器按所属相的相序分别编号为：Ha1、Ha2、Ha3、Ha4、Ha5至Ha20。

为区分工作区识别传感器所属的相绕组，将各工作区识别传感器按所属相的相序分别编号为：Hb1、Hb2、Hb3、Hb4、Hb5至Hb20。

由于电流方向传感器6、工作区识别传感器7代表各相绕组初级线圈的准确位置，所以在设计和安装印刷电路板时，要有相对应的定位措施，确保印刷板被固定后印刷电路板上的传感器6和7与基座2上的各初级线圈1的中心轴线重合；印刷电路板10上传感器6和7距离触发磁条1--2mm。

6、驱动电路的电路的组成：

如图5所示：由电流方向传感器6、工作区识别传感器7、H桥开关模块LMD18200、相绕组L组成以相为单位的控制单元。本实施例的整机的驱动电路共由20个图5的控制单元组成。

由于本实施例的无刷直流直线电动机的行程较长，整机的驱动电路由四块相同的印刷电路板拼接而成，每块板容纳5个图5的控制单元电路。

7、无刷直流直线电动机的驱动原理：

由于图5中的54HC266的控制输入端口A上有上拉电阻的存在，当A端口无输入时为H，门电路的输出、输入信号同相，所以在以下分析中暂不考虑异或非门电路的存在。

当永磁次级3处于图6位置时，在电动机通电的瞬间，电流方向传感器Ha2、Ha3、Ha4、Ha5、工作区识别传感器Hb2、Hb3、Hb4、Hb5被双极触发磁条5同时触发输出控制信号，控制第二、第三、第四、第五控制单元接通L2、L3、L4、L5的电流，建立起驱动永磁次级运动的有效工作区。

图6中：电流方向传感器Ha2、Ha3被双极触发磁条5下端的S极触发输出信号为H，控制第二、第三控制单元接通处于永磁次级下半部的L2、L3的正向电流，正向电流在L2、L3所属的极靴上激发出左N右S的两个磁极，相对左N右S的永磁次级3的两个磁极形成同极相斥，从下方将永磁次级3向上推；

而Ha4、Ha5被双极触发磁条5上端的N极触发输出信号为L，控制第四、第五控制单元接通处于永磁次级上半部的L4、L5的反向电流，反向电流在L4、L5所属的极靴上激发出左S右N的两个磁极，相对左N右S的永磁次级3的两个磁极形成异极相吸，从上方将永磁次级3向上拉。

L2、L3在下将永磁次级3往上推、L4、L5在上将永磁次级3往上拉，合力驱动永磁次级3向上运动。

随着永磁次级3向上运动，双极触发磁条5也跟随永磁次级3向上移动，当双极触发磁条5的N极上端到达Ha6时，Ha6被N极触发输出控制信号L，控制第六控制单元接通L6的反向电流，在L6的极靴上激发出左S右N的两个磁极；同时，双极触发磁条5下面的S极也到达Ha4，使Ha4脱离N极转而被S极触发，Ha4的输出由L翻转成H，控制第四控制单元接通L4的电流从原来的反向翻转成正向。在正向电流的激发下，L4的两个极靴的电磁极向也翻转成左N右S。此时L3、L4相对永磁次级在下面同极相斥、L5、L6相对永磁次级在上面异极相吸，驱动永磁次级继续向上运动。

之后，永磁次级3每向上运动一个初级线圈位置，在前进方向上就有一个控制单元依次被N极触发而接通一个相绕组的反向电流；同时，也有一个处于永磁次级3中间的控制单元依次脱离N极被S触发，使一个相绕组从反向电流翻转成正向电流。其结果是有效工作区依次跟随永磁次级3向上移动，在有效工作区内的永磁次级3始终有两个接通正向电流的相绕组在下面相斥、两个接通反向电流的相绕组在上面相吸，驱动永磁次级一直向上运动，实现直流直线电动机无刷运行。

8、有效工作区的识别和无效区的电流关断：

由于作为电流方向传感器6的双极锁存霍尔开关US1881在被触发后的输出状态被锁存，使有效工作区外所有控制单元的输出状态被锁存而继续接通各相电流，造成有效工作区外的次级空载损耗。

为解决效工作区外的次级空载损耗，本发明利用LMD18200的Brake端口在低电平时两个输出端输出正常、Brake端口在高电平时LMD18200两个输出端电位相同无负载电流输出的特性，在控制单元中加入了有效工作区识别电路。如图5所示，在每个控制单元中的LMD18200的Brake端口与地之间插入一个全极霍尔开关A1126作为工作区识别传感器7，利用全极霍尔开关被永磁体触发时和脱离触发后输出L和H作为有效工作区识别信号，控制LMD18200接通有效工作区内的各相电流、关断有效工作区外相绕组的电流。

图6中，工作区识别传感器Hb2、Hb3、Hb4、Hb5被双极触发磁条触发后输出开关被打开将各自所属的LMD18200的Brake端口电压拉为L，两个输出端输出正常从而接通L2、L3、L4、L5的电流。

图6中处于永磁次级运动方向后面的Hb1已脱离双极触发磁条5的触发，Hb1的输出开关关闭，使Hb1所属的第一控制单元的LMD18200的Brake端口的电压被上拉电阻拉为H，两输出端电位相同无负载电流输出，关断L1的电流。

随着永磁次级的向上移动，处于永磁次级移动方向后面的工作区识别传感器7将依次脱离双极触发磁条5的触发而使输出电压为H，控制所属控制单元的LMD18200相继关断有效工作区外的各相电流。

9、电动机的脉冲调宽(PWM)调速：

图5中的PWM调速端口是外接PWM调速信号端口，在这个端口上输入一个频率为30KHz、脉冲宽度从5％--95％连续可调的脉冲信号，就可实现电动机的运动速度的无级连续可调。值得注意的是：由于隔离光耦的存在，脉宽调速脉冲信号经过隔离电路后会被倒相。

10、直流直线电动机的往复运动控制：

图5中的往复运动控制端口是外接往复运动控制信号输入端口。由于图5中54HC266控制输入端A有上拉电阻的存在，当在往复运动控制端口无输入时，控制输入端A的控制信号为H，54HC266的输入、输出同相，电动机向前行；当将往复运动控制端口接地时，控制信号被拉为L，54HC266的输入、输出反相，电动机反向返回。

综上所述，实施例的特点包括：

一、设置一个基座，基座中间用于固定直线电机的初级绕组，两个直线轴承分别安装在初级绕组的两边，用于安装永磁次级动力输出框架；还要在基座上安装电动机驱动电路的印刷电路板。

二、在预设的工字铁芯上绕制初级线圈，然后将多个绕向相同的初级线圈固定在基座上排成纵向单列组成直线电动机的初级绕组；每个初级线圈设为一个相绕组。

三、在门字型导磁板上固定N极永磁体和S极永磁体组成直线电动机的永磁次级的两个极；将永磁次级固定在一个门字型动力输出框架上向外传递永磁次级的动力，然后将动力输出框架固定在直线轴承的滑块上；动力输出框架还预设有安装双极触发磁条的位置。

四、在动力输出框架上固定一条双极触发磁条，双极触发磁条由一段条状N极永磁体和一段条状S极永磁体拼接而成，两段磁条的长度相等，拼接后的总长比永磁次级的磁块要长。

五、在基座上固定一印刷电路板，印刷电路板被用来容纳电动机的驱动电路；

电动机的驱动电路由20个以相为单位的控制单元组成，每个相绕组配置一个；每个控制单元由一个电流方向传感器、一个工作区识别传感器、一块H桥开关电路模块、一个相绕组以及往复运动控制电路、PWM调速信号隔离电路组成；

各控制单元的电流方向传感器、工作区识别传感器与所属相绕组的初级线圈处在同一中心轴线上；在设计、安装印刷电路板时，要使电流方向传感器、工作区识别传感器与动力输出框架上的双极触发磁条近距离耦合，以确保两种类型的传感器被有效触发；

七、采用脉调宽(PWM)调速技术，并在控制信号通道上嵌入受控可倒相门电路，实现电动机的调速、往复运动由外接电信号控制。

各控制单元的电流方向传感器、工作区识别传感器在双极触发磁条的触发下，接通各相电流并控制各相电流方向，使各相电流在初级线圈的极靴上激发出相对永磁次级的磁极在同极相斥、异极相吸的方向都向着同一方向，驱动永磁次级直线运动的有效工作区，实现直流直线电动机无刷运行。

各控制单元的工作区识别传感器在脱离双极触发磁条的触发后，关闭有效工作区外所有相绕组的电流，以节约能耗。

上述的《有脉冲调宽(PWM)调速、往复运动控制功能的触发式无刷直流直线电动机》是结合具体的优选实施方案对本发明所作的进一步详细说明。

本发明中所述的多列初级绕组直流直线电动机的驱动原理与本实例的单列初级绕组直线电动机相同。

本实施例中的说明不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。

对于本发明所属技术领域来说，在不脱离本发明构思的前提下，一般的技术人员还可以做出若干因选用元器件不同而推演出与本发明相同的技术特征，比如用光电器件采用遮断或反射方法来代替触发磁条和霍尔传感器输出H和L两个信号，控制H桥开关电路的输出状态；用无铁芯初级线圈组成直流直线电动机的初绕组；采用一块永磁体作为永磁次级的两个极等而达到与本发明同样技术效果的，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

 A、首先是设置直线电动机的初级：

 在预设的铁芯（1t）上绕制线圈（1c）组成初级线圈(1)，然后将多个绕向相同的初级线圈(1)固定在基座（2）上排成单列或多列，组成直线电动机的初级绕组；

 B、接下来设置直线电动机的次级(3)：

在导磁板（3t）上固定一块N极永磁体(3n)和一块S极永磁体(3s)组成直线电动机的永磁次级(3)；

C、接下设置一双极触发磁条(5)：

双极触发磁条(5)由一段条状N极永磁体(5n)和一段条状S极永磁体(5s)拼接而成；

D、接下来设置一印刷电路板(10)：

印刷电路板(10)被用来容纳电动机的驱动电路。

2.根据权利要求1所述的触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法，其特征在于：

步骤A所述在预设的铁芯（1t）上绕制线圈（1c）组成初级线圈(1)，然后将多个绕向相同的初级线圈(1)固定在基座(2)上排成单列或多列组成直线电动机的初级绕组，所述的在预设的铁芯（1t）有U字形或工字型二种；将初级绕组分为相绕组(L)：当初级绕组为单列时，每个初级线圈就是一个相绕组(L)；当初级绕组为多列时，将各列横向同一行的初级线圈(1)串连或并连后组合成一个相绕组(L)；

在所述的基座（2）上安装直线轴承(9)，直线轴承(9)上的滑块用来安装永磁次级(3)。

3.根据权利要求1所述的触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法，其特征在于：

步骤B所述的在导磁板（3t）上固定一块N极永磁体(3n)和一块S极永磁体(3s)组成直线电动机的永磁次级(3)，（3n）和(3s)是永磁次级的两个极；导磁板(3t)有I型或门字型两种，以适配不同的初级线圈铁芯；

每列初级绕组配置一个永磁次级(3)，永磁次级(3)被固定在一个作为动力输出的框架(4)上，动力输出框架(4)被安装在基座(2)上的直线轴承(9)的滑块上；动力输出框架(4)上设置双极触发磁条(5)。

4.根据权利要求1所述的触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法，其特征在于：

步骤C所述双极触发磁条(5)由一段条状N极永磁体(5n)和一段条状S极永磁体(5s)拼接而成，(5n)和(5s)长度相等，拼接后的总长比永磁次级(3)的永磁体(3n)、(3s)长一个或二个初级线圈的位置；双极触发磁条(5)被固定在动力输出框架(4)上随永磁次级(3)一起前后移动；双极触发磁条(5)与永磁次级(3)的永磁体(3n)、(3s)平行设置。

5.根据权利要求1所述的触发式无刷直流直线电动机的构成及驱动方法，其特征在于：

步骤D所述的印刷电路板(10)被用来容纳电动机的驱动电路，并将各个相绕组的两个输入端接入刷电路板(10)的相应接口与所属的H桥开关电路的两个输出端连接；电动机的驱动电路由多个以相为单位的控制单元组成；各控制单元由电流方向传感器(6)、工作区识别传感器(7)、H桥开关电路、相绕组(L)组成；

所述的电流方向传感器(6)、工作区识别传感器(7)在双极触发磁条(5)的触发下接通相绕组的电流并控制相电流的方向，使流经各个相绕组的电流在初级线圈的极靴上激发出磁性，驱动永磁次级沿直线运动；

所述的工作区识别传感器(7)在脱离双极触发磁条(5)的触发后，输出的识别信号控制各控制单元关断电流；

所述的控制单元还包括往复运动控制电路、调速信号隔离电路；印刷电路板(10)被固定在基座(2)上。

6.一种触发式无刷直流直线电动机，所述电动机包括：

由铁芯(1t)和线圈（1c）组成初级线圈(1)；

多个绕向相同的初级线圈(1)排列在基座(2)组成单列或多列的初级绕组；将成列的初级绕组横向每一行的初级线圈(1)组合成一个相绕组(L)；

永磁次级(3)，由在导磁板(3t)上固定一块N极永磁体(3n)、一块S极永磁体(3s)组成永磁次级(3)的两个极；

永磁次级(3)被固定在一个动力输出框架(4)上向外传递永磁次级(3)的动力；

每列初级绕组配置一个永磁次级(3)；

动力输出框架(4)上设置双极触发磁条(5)；

双极触发磁条(5)由一段条状N极永磁体(5n)和一段条状S极永磁体(5s)拼接而成，拼接后的总长比永磁次级(3)的永磁体(3n)、(3s)要长；

双极触发磁条(5)与永磁次级(3)的永磁体平行并随永磁次级(3)移动；

一印刷电路板(10)；其用来容纳电动机的驱动电路，并将各个相绕组(L)的两个输入端接入刷电路板(10)的相应接口，与所属H桥开关电路的两个输出端连接；

电动机的驱动电路由多个以相为单位的控制单元组成，各控制单元由电流方向传感器(6)、H桥开关电路、相绕组(L)组成；

各控制单元的电流方向传感器(6)在双极触发磁条(5)的触发下，接通相绕组(L)的电流并控制相电流方向，使流经各相绕组(L)的直流电流在初级线圈(1)的极靴上激发出磁性；驱动永磁次级(3)作直线运动。

7.根据权利要求6所述的触发式无刷直流直线电动机，其特征在于：所述控制单元还包括工作区识别传感器(7)，所述工作区识别传感器(7) 与电流方向传感器(6)配合，在双极触发磁条(5)的触发下，接通H桥开关电路；

工作区识别传感器(7)在脱离双极触发磁条(5)的触发后，输出识别信号，控制有效工作区外的各控制单元关断电流。