CN104852667A - 一种直线电机控制系统及应用该系统的电磁弹射器试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机控制系统及应用该系统的电磁弹射器试验台，属于永磁同步直线电机控制系统领域。本发明的一种直线电机控制系统，包括初级和次级，初级与次级之间留有气隙，初级包括沿着次级运动方向排布的线圈，每个线圈都配置有一套线圈驱动模块；线圈驱动模块包括H桥驱动模块、电磁作用区域传感器、磁极极性传感器、可编辑逻辑器件，测量模块通过主控制器与线圈驱动模块内的可编辑逻辑器件相连，将集中驱动变分散驱动，为每个线圈都配置一套独立的线圈驱动器，降低了能耗，提高了效率，同时也能实现直线加速度运动。本发明的一种电磁弹射器试验台，结构简单，设计巧妙，应用直线电机控制系统，既能用于教学演示，也能用于科研。

Description

一种直线电机控制系统及应用该系统的电磁弹射器试验台

技术领域

本发明涉及一种直线电机控制系统及其应用，更具体地说，涉及一种直线电机控制系统及应用该系统的电磁弹射器试验台。

背景技术

电磁弹射器是未来航空母舰上的一种舰载机起飞辅助装置，其发展趋势是必将取代现役航母上的蒸汽弹射器。为此，美国人在海军航母电磁弹射器上不惜花费了28年的时间和32亿美金的经费，进行研发。电磁弹射器按其原理来分，一种是感应式直线电动机，一种是永磁式同步直线电动机。感应式直线电机控制简单，效率低，发热量大；永磁式直线电机效率高，发热量比感应式的小，但控制复杂。永磁式同步电动机是研究的热点和发展趋势。其中电磁弹射器的核心是大功率的循环变频调速器，其技术复杂，价格昂贵，是我们所无法企及的。而直线电机不同于圆柱形电机，圆柱形电机的定子和转子始终处在电磁有效作用区域内，而对于短初级长次级的直线电机，定子和动子始终处在电磁有效作用区域内，对于长初级短次级和初级次级等长的直线电机，只有定子和动子的电磁作用区有交集时，才处在有效电磁作用区内，否则，定子线圈将白白消耗电能。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有上述的不足，提供了一种直线电机控制系统及应用该系统的电磁弹射器试验台，采用本发明的技术方案，将集中驱动变分散驱动，为每个线圈都配置一套独立的线圈驱动器，降低了能耗，提高了效率，同时也能实现直线加速度运动。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种直线电机控制系统，包括初级、次级、主控制器、测量模块和主控制电源，所述的初级与次级之间留有气隙，所述的初级包括沿着次级运动方向排布的线圈，每个线圈都配置有一套线圈驱动模块；所述的线圈驱动模块包括H桥驱动模块、电磁作用区域传感器、磁极极性传感器、可编辑逻辑器件，所述的电磁作用区域传感器和磁极极性传感器分别与可编辑逻辑器件的输入端相连，可编辑逻辑器件的输出端通过H桥驱动模块与线圈相连，H桥驱动模块通过超级电容模组与快速充电器相连，电磁作用区域传感器和磁极极性传感器的控制开关设置在次级上，次级上的控制开关与每个线圈对应的电磁作用区域传感器和磁极极性传感器共同作用产生电磁作用区域信息和磁极极性信息；所述的用于测量次级速度及加速度的测量模块通过主控制器与上述的可编辑逻辑器件相连，主控制器在获得测量模块传来的速度和加速度信息后，与预置的速度和加速度信息一起进行运算后，向可编程逻辑器件发出PWM信息和次级运动方向信息，可编程逻辑器件通过处理PWM信息、次级运动方向信息、电磁作用区域信息和磁极极性信息的结果驱动H桥驱动模块控制线圈工作；所述的主控制电源分别与可编辑逻辑器件、主控制器、测量模块、电磁作用区域传感器和磁极极性传感器相连。

更进一步地，所述的测量模块为激光测距仪。

更进一步地，所述的测量模块为速度及加速度测量传感器，该速度及加速度测量传感器的控制开关设置在次级上。

本发明的一种电磁弹射器试验台，包括工作台、主控制器、测量模块和主控制电源，所述的工作台上设置有导轨，该导轨通过滑块与动子小车相连，动子小车的前后两端面上均镶嵌有磁铁，该磁铁的长度为2a；所述的动子小车的前后两侧均设置有一排沿着动子小车运动方向间隔排布的定子线圈，相邻两定子线圈之间的中心距为a；上述的定子线圈与磁铁之间留有气隙；每个所述的定子线圈均配置有一套线圈驱动模块；所述的线圈驱动模块包括H桥驱动模块、可编辑逻辑器件和并排设置的用于获取电磁作用区域信息的光电位置传感器一、用于获取磁极极性信息的光电位置传感器二，光电位置传感器一和光电位置传感器二均设置在相邻两定子线圈的中间位置处；所述的光电位置传感器一、光电位置传感器二分别与可编辑逻辑器件的输入端相连，可编辑逻辑器件的输出端通过H桥驱动模块与定子线圈相连，H桥驱动模块通过超级电容模组与快速充电器相连；所述的光电位置传感器一的控制开关为遮光板一，遮光板一设置在动子小车的底端面上，遮光板一的长度与动子小车的长度一致；所述的光电位置传感器二的控制开关为遮光板二，遮光板二设置在动子小车的底端面上，遮光板二的长度与动子小车的一致，其中遮光板二的中部设置有缺口，该缺口的长度为2a；所述的用于测量次级速度及加速度的测量模块通过主控制器与上述的可编辑逻辑器件相连；所述的主控制电源分别与可编辑逻辑器件、主控制器、测量模块、电磁作用区域传感器和磁极极性传感器相连。

更进一步地，所述的测量模块为激光测距仪。

更进一步地，所述的测量模块为一排沿着动子小车运动方向排布的光电位置传感器三，该设置在相邻两定子线圈的中间位置处，且与光电位置传感器一和光电位置传感器二并排排布；所述的光电位置传感器三的控制开关为遮光板三，遮光板三设置在动子小车的底端面。

更进一步地，每个所述的定子线圈上均连接有可直观了解定子线圈是否工作的显示装置，该显示装置主要由双色发光二极管、快恢复二极管和限流电阻构成。

更进一步地，所述的光电位置传感器二设置有两排，并设置在导轨的两侧。

更进一步地，所述的导轨的一端设置有可以对动子小车预加动力的预加动力装置，该导轨的另一端设置有缓冲刹车装置；所述的预加动力装置包括横截面形状为倒置的“凵”字形的支架和缓冲刹车装置，所述的支架安装在工作台；所述的支架的顶板上安装有电机，该电机的活塞杆穿过支架的顶板与锁紧杆的中部固连；所述的锁紧杆的一端与支架的侧板铰连接，锁紧杆的另一端为倒钩一，该倒钩一与设置在动子小车上的倒钩二相卡合；所述的缓冲刹车装置包括气体弹簧；所述的气体弹簧的一端与设置在工作台上的安装座相连，该气体弹簧的另一端与缓冲滑块相连。

更进一步地，还包括针对H桥驱动模块散热的冷却装置，该冷却装置主要由高速涡轮风扇和梳状铝制散热片构成。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种直线电机控制系统，其每个线圈都配置有一套线圈驱动模块，将集中驱动变分散驱动，降低了直线电机的控制难度，省去了技术复杂、价格昂贵的变频调速器，降低了直线电机的制造成本，便于推广应用；

(2)本发明的一种直线电机控制系统，其电磁作用区域传感器和设于次级上的控制开关构成直线电机的编码器，用于控制电磁的作用区域，定子线圈只有在有效电磁作用区域内通电工作，降低能耗；

(3)本发明的一种直线电机控制系统，其磁极极性传感器和设于次级上的控制开关构成直线电机的编码器，用于控制定子线圈电流的方向；

(4)本发明的一种直线电机控制系统，其用于测量次级速度及加速度的测量模块通过主控制器与上述的可编辑逻辑器件相连，主控制器在获得测量模块传来的速度和加速度信息后，与预置的速度和加速度信息一起进行运算后，向可编程逻辑器件发出PWM信息和次级运动方向信息，可编程逻辑器件通过处理PWM信息、次级运动方向信息、电磁作用区域信息和磁极极性信息的结果驱动H桥驱动模块控制线圈工作，主控制器只要获得速度和加速度信息，发出PWM信息和次级运动方向信息，就实现了对次级的运动控制，无需处理变频调速信息，使控制系统变得简单；

(5)本发明的一种电磁弹射器试验台，其结构简单，设计巧妙，应用直线电机控制系统，既能用于教学演示，也能用于科研。

附图说明

图1为本发明的一种直线电机控制系统的示意图；

图2为本发明的一种直线电机控制系统中线圈驱动模块的示意图；

图3为本发明的一种电磁弹射器试验台的俯视图；

图4为本发明的一种电磁弹射器试验台的侧视图；

图5为本发明的一种电磁弹射器试验台的主视图。

示意图中的标号说明：1、工作台；2、导轨；3、定子线圈；4、动子小车；41、磁铁；5、光电传感器一；6、光电传感器二；7、光电传感器三；8、滑块；9、遮光板一；10、遮光板二；11、遮光板三；12、定子线圈工作状态显示装置；13、支架；14、电机；15、锁紧杆；151、倒钩一；152、倒钩二；16、缓冲滑块；17、气体弹簧；18、安装座。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1和图2，本实施例的一种直线电机控制系统，包括初级、次级、主控制器、测量模块和主控制电源，初级与次级之间留有气隙，初级包括沿着次级运动方向排布的线圈，每个线圈都配置有一套线圈驱动模块；线圈驱动模块包括H桥驱动模块、电磁作用区域传感器、磁极极性传感器、可编辑逻辑器件，电磁作用区域传感器和磁极极性传感器分别与可编辑逻辑器件的输入端相连；可编辑逻辑器件的输出端通过H桥驱动模块与线圈相连，H桥驱动模块通过超级电容模组与快速充电器相连；电磁作用区域传感器和磁极极性传感器的控制开关设置在次级上，次级上的控制开关与每个线圈对应的电磁作用区域传感器和磁极极性传感器共同作用产生电磁作用区域信息和磁极极性信息，电磁作用区域传感器和设于次级上的控制开关构成直线电机的编码器，用于控制电磁的作用区域，定子线圈3只有在有效电磁作用区域内通电工作，降低能耗；磁极极性传感器和设于次级上的控制开关构成直线电机的编码器，用于控制定子线圈3电流的方向；用于测量次级速度及加速度的测量模块通过主控制器与上述的可编辑逻辑器件相连，本实施例中测量模块为激光测距仪，以获取次级的位置，主控制器在获得测量模块传来的速度和加速度信息后，与预置的速度和加速度信息一起进行运算后，向可编程逻辑器件发出PWM信息和次级运动方向信息，可编程逻辑器件通过处理PWM信息、次级运动方向信息、电磁作用区域信息和磁极极性信息的结果驱动H桥驱动模块控制线圈工作；主控制器只要获得速度和加速度信息，发出PWM信息和次级运动方向信息，就实现了对次级的运动控制，无需处理变频调速信息，使控制系统变得简单；主控制电源分别与可编辑逻辑器件、主控制器、测量模块、电磁作用区域传感器和磁极极性传感器相连。

结合图3、图4和图5，本发明的一种电磁弹射器试验台，结构简单，设计巧妙，应用直线电机控制系统，既能用于教学演示，也能用于科研，包括工作台1、主控制器、测量模块和主控制电源，本实施例中测量模块为激光测距仪，用以测量动子小车4的位置即动子小车4的速度、加速度；工作台1上设置有导轨2，该导轨2通过滑块8与动子小车4相连，动子小车4的前后两端面上均镶嵌有磁铁41，该磁铁41的长度为2a；导轨2的一端设置有可以对动子小车4预加动力的预加动力装置，该导轨2的另一端设置有缓冲刹车装置；预加动力装置包括横截面形状为倒置的“凵”字形的支架13和缓冲刹车装置，支架13安装在工作台1；支架13的顶板上安装有电机14，该电机14的活塞杆穿过支架13的顶板与锁紧杆15的中部固连；锁紧杆15的一端与支架13的侧板铰连接，锁紧杆15的另一端为倒钩一151，该倒钩一151与设置在动子小车4上的倒钩二152相卡合；缓冲刹车装置包括气体弹簧17；气体弹簧17的一端与设置在工作台1上的安装座18相连，该气体弹簧17的另一端与缓冲滑块16相连；

动子小车4的前后两侧均设置有一排沿着动子小车4运动方向间隔排布的定子线圈3，相邻两定子线圈3之间的中心距为a；上述的定子线圈3与磁铁41之间留有气隙；每个定子线圈3均配置有一套线圈驱动模块；线圈驱动模块包括H桥驱动模块、可编辑逻辑器件和并排设置的用于获取电磁作用区域信息的光电位置传感器一5、用于获取磁极极性信息的光电位置传感器二6，本实施例中光电位置传感器二6设置有两排，并设置在导轨2的两侧，光电位置传感器一5和光电位置传感器二6均设置在相邻两定子线圈3的中间位置处；光电位置传感器一5、光电位置传感器二6分别与可编辑逻辑器件的输入端相连，可编辑逻辑器件的输出端通过H桥驱动模块与定子线圈3相连，H桥驱动模块通过超级电容模组与快速充电器相连；光电位置传感器一5的控制开关为遮光板一9，遮光板一9设置在动子小车4的底端面上，遮光板一9的长度与动子小车4的长度一致；光电位置传感器二6的控制开关为遮光板二10，遮光板二10设置在动子小车4的底端面上，遮光板二10的长度与动子小车4的一致，其中遮光板二10的中部设置有缺口，该缺口的长度为2a，该缺口长度即为磁极长度；用于测量次级速度及加速度的测量模块通过主控制器与上述的可编辑逻辑器件相连；主控制电源分别与可编辑逻辑器件、主控制器、测量模块、电磁作用区域传感器和磁极极性传感器相连；为了直观显示定子线圈3是否工作以及定子线圈3电流方向，每个定子线圈3上均连接有可直观了解定子线圈3是否工作的显示装置12，该显示装置12主要由双色发光二极管、快恢复二极管和限流电阻构成；为了H桥驱动模块散热，还包括针对H桥驱动模块散热的冷却装置，该冷却装置主要由高速涡轮风扇和梳状铝制散热片构成。

实施例2

本实施例的一种直线电机控制系统的基本结构同实施例1，不同之处在于：测量模块为速度及加速度测量传感器，该速度及加速度测量传感器的控制开关设置在次级上，速度及加速度测量传感器与控制开关构成直线电机的编码器，用于获取次级的位置信息。

本实施例的一种电磁弹射器试验台的基本结构同实施例1，不同之处在于：测量模块为一排沿着动子小车4运动方向排布的光电位置传感器三7，该设置在相邻两定子线圈3的中间位置处，且与光电位置传感器一5和光电位置传感器二6并排排布；光电位置传感器三7的控制开关为遮光板三11，遮光板三11设置在动子小车4的底端面，结构简单，设计巧妙，用于获取动子小车4的位置信息。

本发明的一种直线电机控制系统及应用该系统的电磁弹射器试验台，将集中驱动变分散驱动，为每个线圈都配置一套独立的线圈驱动器，降低了能耗，提高了效率，同时也能实现直线加速度运动，电磁弹射器试验台既能用于教学演示，也能用于科研。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直线电机控制系统，包括初级和次级，所述的初级与次级之间留有气隙，其特征在于：还包括主控制器、测量模块、主控制电源，所述的初级包括沿着次级运动方向排布的线圈，每个线圈都配置有一套线圈驱动模块；所述的线圈驱动模块包括H桥驱动模块、电磁作用区域传感器、磁极极性传感器、可编辑逻辑器件，所述的电磁作用区域传感器和磁极极性传感器分别与可编辑逻辑器件的输入端相连，可编辑逻辑器件的输出端通过H桥驱动模块与线圈相连，H桥驱动模块通过超级电容模组与快速充电器相连，电磁作用区域传感器和磁极极性传感器的控制开关设置在次级上，次级上的控制开关与每个线圈对应的电磁作用区域传感器和磁极极性传感器共同作用产生电磁作用区域信息和磁极极性信息；所述的用于测量次级速度及加速度的测量模块通过主控制器与上述的可编辑逻辑器件相连，主控制器在获得测量模块传来的速度和加速度信息后，与预置的速度和加速度信息一起进行运算后，向可编程逻辑器件发出PWM信息和次级运动方向信息，可编程逻辑器件通过处理PWM信息、次级运动方向信息、电磁作用区域信息和磁极极性信息的结果驱动H桥驱动模块控制线圈工作；所述的主控制电源分别与可编辑逻辑器件、主控制器、测量模块、电磁作用区域传感器和磁极极性传感器相连。

2.根据权利要求1所述的一种直线电机控制系统，其特征在于：所述的测量模块为激光测距仪。

3.根据权利要求2所述的一种直线电机控制系统，其特征在于：所述的测量模块为速度及加速度测量传感器，该速度及加速度测量传感器的控制开关设置在次级上。

4.一种电磁弹射器试验台，包括工作台(1)，其特征在于：还包括主控制器、测量模块和主控制电源，所述的工作台(1)上设置有导轨(2)，该导轨(2)通过滑块(8)与动子小车(4)相连，动子小车(4)的前后两端面上均镶嵌有磁铁(41)，该磁铁(41)的长度为2a；所述的动子小车(4)的前后两侧均设置有一排沿着动子小车(4)运动方向间隔排布的定子线圈(3)，相邻两定子线圈(3)之间的中心距为a；上述的定子线圈(3)与磁铁(41)之间留有气隙；每个所述的定子线圈(3)均配置有一套线圈驱动模块；所述的线圈驱动模块包括H桥驱动模块、可编辑逻辑器件和并排设置的用于获取电磁作用区域信息的光电位置传感器一(5)、用于获取磁极极性信息的光电位置传感器二(6)，光电位置传感器一(5)和光电位置传感器二(6)均设置在相邻两定子线圈(3)的中间位置处；所述的光电位置传感器一(5)、光电位置传感器二(6)分别与可编辑逻辑器件的输入端相连，可编辑逻辑器件的输出端通过H桥驱动模块与定子线圈(3)相连，H桥驱动模块通过超级电容模组与快速充电器相连；所述的光电位置传感器一(5)的控制开关为遮光板一(9)，遮光板一(9)设置在动子小车(4)的底端面上，遮光板一(9)的长度与动子小车(4)的长度一致；所述的光电位置传感器二(6)的控制开关为遮光板二(10)，遮光板二(10)设置在动子小车(4)的底端面上，遮光板二(10)的长度与动子小车(4)的一致，其中遮光板二(10)的中部设置有缺口，该缺口的长度为2a；所述的用于测量次级速度及加速度的测量模块通过主控制器与上述的可编辑逻辑器件相连；所述的主控制电源分别与可编辑逻辑器件、主控制器、测量模块、电磁作用区域传感器和磁极极性传感器相连。

5.根据权利要求4所述的一种直线电机控制系统，其特征在于：所述的测量模块为激光测距仪。

6.根据权利要求4所述的一种直线电机控制系统，其特征在于：所述的测量模块为一排沿着动子小车(4)运动方向排布的光电位置传感器三(7)，该设置在相邻两定子线圈(3)的中间位置处，且与光电位置传感器一(5)和光电位置传感器二(6)并排排布；所述的光电位置传感器三(7)的控制开关为遮光板三(11)，遮光板三(11)设置在动子小车(4)的底端面。

7.根据权利要求5或6所述的一种直线电机控制系统，其特征在于：每个所述的定子线圈(3)上均连接有可直观了解定子线圈(3)是否工作的显示装置(12)，该显示装置(12)主要由双色发光二极管、快恢复二极管和限流电阻构成。

8.根据权利要求7所述的一种直线电机控制系统，其特征在于：所述的光电位置传感器二(6)设置有两排，并设置在导轨(2)的两侧。

9.根据权利要求8所述的一种直线电机控制系统，其特征在于：所述的导轨(2)的一端设置有可以对动子小车(4)预加动力的预加动力装置，该导轨(2)的另一端设置有缓冲刹车装置；所述的预加动力装置包括横截面形状为倒置的“凵”字形的支架(13)和缓冲刹车装置，所述的支架(13)安装在工作台(1)；所述的支架(13)的顶板上安装有电机(14)，该电机(14)的活塞杆穿过支架(13)的顶板与锁紧杆(15)的中部固连；所述的锁紧杆(15)的一端与支架(13)的侧板铰连接，锁紧杆(15)的另一端为倒钩一(151)，该倒钩一(151)与设置在动子小车(4)上的倒钩二(152)相卡合；所述的缓冲刹车装置包括气体弹簧(17)；所述的气体弹簧(17)的一端与设置在工作台(1)上的安装座(18)相连，该气体弹簧(17)的另一端与缓冲滑块(16)相连。

10.根据权利要求9所述的一种直线电机控制系统，其特征在于：还包括针对H桥驱动模块散热的冷却装置，该冷却装置主要由高速涡轮风扇和梳状铝制散热片构成。