CN105591519B

CN105591519B - 快速响应直线电机及控制方法与集成控制芯片

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Publication number: CN105591519B
Application number: CN201610101220.2A
Authority: CN
Inventors: 刘华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: CN105591519A

Abstract

本发明适用于电机领域，提供了一种快速响应直线电机，及该快速响应直线电机的控制方法与集成控制芯片。该快速响应直线电机，包括机壳、定子、转子和支撑轴，定子包括导电套，转子包括支撑骨架和用于产生沿支撑轴的轴向的驱动磁场的驱动线圈。快速响应直线电机的定子使用导电材料制作导电套，在转子的支撑骨架上缠绕驱动线圈，当向驱动线圈通过电流脉冲时，定子中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子移动，因而可以实现快速响应；当驱动线圈通过较大瞬时脉冲电流时，可以产生较大的动力；驱动线圈绕线方向绕支撑轴轴向，而定子设置为套状，因而可以将转子的体积制作较小，所以该直线电机的体积制作较小。

Description

快速响应直线电机及控制方法与集成控制芯片

技术领域

本发明属于电机领域，尤其涉及一种快速响应直线电机，及该快速响应直线电机的控制方法与集成控制芯片。

背景技术

直线电机也称线性电机，其原理为：直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。因而现有直线电机的定子一般是在长直导轨上间隔设置产生磁场的永磁体或线圈，同样的在转子导轨上间隔设置线圈而成。但是这种定子及转子结构，由于要间隔设置多个线圈或永磁体，因而体积较大，另受制于体积大小，无论是定子或转子，其线圈或永磁体产生的磁场强度较小，导致直线电机的体积大，而且动力较小，难以做到快速响应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速响应直线电机，旨在解决现有快速响应直线电机体积大、动力小、难以做到快速响应的问题。

本发明是这样实现的，一种快速响应直线电机，包括机壳、安装于所述机壳上的定子、滑动安装于所述定子中的转子和支撑所述转子的支撑轴，所述支撑轴安装于所述机壳中，所述定子包括使用导电材料制作的导电套，所述转子包括安装于所述支撑轴上的支撑骨架和用于产生驱动磁场的驱动线圈，所述驱动磁场沿所述支撑轴的轴向，所述驱动线圈缠绕于所述支撑骨架上。

本发明的快速响应直线电机的定子使用导电材料制作导电套，在转子的支撑骨架上缠绕驱动线圈，当向驱动线圈通过电流脉冲时，定子中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子移动，因而可以实现快速响应；另外，通过较大的瞬时脉冲电流时，可以产生较大的动力；由于驱动线圈产生的驱动磁场沿支撑轴轴向，而定子设置为套状，因而可以将转子的体积制作较小，所以该快速响应直线电机的体积制作较小。

本发明的另一目的在于提供一种如上所述的快速响应直线电机的控制方法，包括如下步骤：

通过控制电路向所述驱动线圈通过脉冲电流，通电时间为T_on，并在T_on时间内，根据脉冲电流大小、电容充电电压大小，得出所述驱动线圈产生大的驱动电磁力F_Q和测出所述转子速度变化值ΔV_on；并得出等式：(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on；

取脉冲断电后所述转子运动速度较快的一段时间为T_off，得出所述驱动线圈电流产生电磁阻力F_Z和测出相应所述转子速度变化值ΔV_off，并得出等式：(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off；

根据以上两等式计算出所述快速响应直线电机拖动负荷的质量M_F，外界施加在所述快速响应直线电机的作用力F_W；

根据检测的所述拖动负荷的质量M_F和所述作用力F_W，调节所述驱动线圈的脉冲电流大小与导通时间。

本发明的控制方法可以快速检测出快速响应直线电机的拖动负荷的质量M_F和外界施加作用力F_W，进而可以根据拖动负荷的质量M_F和外界施加作用力F_W来精确控制该快速响应直线电机。

本发明的另一目的在于提供一种集成控制芯片，用于检测如上所述的快速响应直线电机的拖动负荷的质量M_F和外界施加快速响应电机作用力F_W，包括控制驱动线圈的控制电路、检测模块、存储器和处理模块，所述控制电路包括控制所述驱动线圈的开关电路、连接所述开关电路两端的电容和对所述电容充电的供电电路，所述检测模块测量所述电容充电电压和所述开关电路导通时间T_on以及时间T_on对应的速度变化值ΔV_on，所述检测模块还测量所述开关电路关闭后一段时间T_off对应的速度变化值ΔV_off，并将该时间T_on和T_off及ΔV_on和ΔV_off存储于所述存储器中，所述处理模块根据所述开关电路的导通时间T_on、所述电容的充电电压，得到驱动电磁力F_Q及电磁阻力F_Z的值，再根据公式(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on与(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off计算出所述负荷的质量M_F和所述外界施加作用力F_W。

本发明的集成控制芯片可以快速检测出快速响应直线电机的拖动负荷的质量M_F和外界施加作用力F_W，进而可以根据拖动负荷的质量M_F和外界施加作用力F_W来精确控制该快速响应直线电机。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种快速响应直线电机的剖视结构示意图；

图2是图1的快速响应直线电机的驱动线圈的控制电路的原理图；

图3是图1的快速响应直线电机的驱动线圈的控制过程示意图。

图4是本发明实施例二提供的一种快速响应直线电机的剖视结构示意图；

图5是沿图4中A-A线的剖视结构示意图；

图6是图4中N部分的放大结构示意图；

图7是图4的快速响应直线电机中转子的导磁环偏移到定子上邻近的第二导磁环一侧时的受力示意图；

图8是图4的快速响应直线电机中转子的导磁环偏移到定子上邻近的第二导磁环另一侧时的受力示意图；

图9是图4的转子在定子中移动时，导磁环受力示意图；

图10是图4的快速响应直线电机中转子与定子间受力平均位置的示意图。

图11是本发明实施例三提供的一种快速响应直线电机的剖视结构示意图；

图12是沿图11中G-G线的剖视结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

请参阅图1-图3，本发明实施例提供的一种快速响应直线电机100，包括机壳11、定子20、转子30和支撑轴13；定子20安装于机壳11上，通过机壳11来支撑和保护定子20。转子30滑动安装于定子20中，以便转子30可以在定子20中移动，并且转子30安装在支撑轴13上，可以通过支撑轴13来支撑住转子30，并使转子30可以沿支撑轴13移动。支撑轴13安装在机壳11中，以使机壳11支撑住支撑轴13。定子20包括使用导电材料制作的导电套。转子30包括支撑骨架31和驱动线圈32，支撑骨架31安装于支撑轴13上，驱动线圈32缠绕于支撑骨架31上，当向驱动线圈32通电时，驱动线圈32可以产生沿支撑轴13的轴向的驱动磁场，则在将驱动线圈32缠绕在支撑骨架31上时，驱动线圈32实际是环绕支撑轴13。当向驱动线圈32通过电流脉冲时，定子20中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子30移动；当电流脉冲较大且时间较短时，可以产生较大的驱动力，从而实现转子30的快速响应。

快速响应直线电机100的定子20使用导电材料制作导电套，在转子30的支撑骨架31上缠绕驱动线圈32，当向驱动线圈32通过电流脉冲时，定子中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子30移动，因而可以实现快速响应；另外，通过较大电流时，可以产生较大的动力；由于驱动线圈32产生沿支撑轴13轴向的驱动磁场，而定子20设置为套状，因而可以将转子30的体积制作较小，所以该快速响应直线电机100的体积制作较小。

进一步地，机壳11中安装有轴套12，并且轴套12套装在支撑轴13上。设置轴套12以支撑住支撑轴13，可以更好的减少支撑轴13磨损。

进一步地，支撑骨架31中开设有容置腔33。在支撑骨架31中开设容置腔33还可以减轻支撑骨架31的重量，同时也方便散热。

进一步地，驱动线圈32可以设置至少两组，当至少两组驱动线圈32按不同的时间顺序通过电流脉冲时，驱动线圈32可以产生直线行波磁场，而直线行波磁场的大小和方向与多组驱动线圈32的电流大小和导通时间顺序有关，由于直线行波磁场的行波速度和定子20存在滑差速度，在定子20中产生感应电流，进而产生与上述直线行波磁场相反的磁场，以驱动转子30移动。当然，在另一些实施例中，还可以使至少两组驱动线圈32产生其它波形的磁场，进而在定子20中产生感应电流，并产生相反的磁场，以驱动转子30移动。

各组驱动线圈32可以采用截面积大、电阻率低的无氧纯铜漆包线绕在支撑骨架31上1～2层。以便可以通过瞬时大电流。

该快速响应直线电机100还包括控制驱动线圈32电流的控制器，该控制器中设有控制电路50。设置控制器，可以减小快速响应直线电机100的体积，同时也方便控制该快速响应直线电机100。控制器可以设置在支撑骨架31中。支撑骨架31中可以开设有容置腔33，以安装该控制器。

进一步地，控制器中还设有控制该控制电路50的集成控制芯片。设置集成控制芯片可以更好的控制驱动线圈32电流的导通，进而可以更好的控制该快速响应直线电机100。设置集成控制芯片还可以快速检测出直线电机所受的外部作用力和负载质量大小。

驱动线圈32采用截面积大、电阻率低的导线绕在由导热不导磁不导电材料制成的支撑骨架31上。驱动线圈32可以承受较大的电流。进一步地，控制电路50包括连接驱动线圈32的开关电路和与开关电路连接的充电电路58。该开关电路中设有对驱动线圈32供电的电容55。使用开关电路，可以方便的控制驱动线圈32的通断，以控制转子30和移动。进一步地，本实施例中，开关电器可以为H桥电路。请参阅图2和图3，图3中a为控制驱动线圈32的H桥桥臂52栅极电压，b为驱动线圈32产生的力的大小，c为快速响应直线电机100的转子30轴向运行速度，d为控制线圈42产生的力的大小。集成控制芯片通过充电电路58调节电容55的充电电压。当电容55充电完成后，可以集成控制芯片产生一个脉宽很窄的控制脉冲加载到H桥电路其中一对桥臂52上，该桥臂52导通时使该电容55对转子30驱动线圈32瞬间放电，此时驱动线圈32类似于线圈炮中的初级线圈；而当驱动线圈32为至少两组时，则驱动线圈32可以形成类似于异步感应线圈炮的驱动线圈，瞬间导通电流Ic很大，产生的驱动磁场和靠近驱动线圈32的支撑骨架31外缘的定子20的导电材料相互作用，产生大电磁力F_Q驱动转子30轴向直线运动。控制脉冲的脉宽很窄，H桥电路的导通桥臂52很快关闭，此时驱动线圈32中的电流In逐渐减小并经过H桥的另外一对桥臂52逆变回电容55和电源，该电流将产生方向相反的电磁阻力F_Z阻碍转子30的运动。当集成控制芯片以一定的周期控制电容55的充电电压高低、各组驱动线圈32开关电路的导通顺序和间隔时间即可改变转子30的受力大小和方向。

当快速响应直线电机100的转子30需要轴向直线运动时，若设快速响应直线电机100拖动负荷的质量为M_F，外界施加在快速响应直线电机100的作用力为F_W，开关电路的导通间隔时间T_on，此时驱动线圈32产生大的驱动电磁力F_Q驱动快速响应直线电机100运动，则这些参数的关系为(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on。当开关电路关闭后，驱动线圈32电流开始减小并产生电磁阻力F_Z，快速响应直线电机100的转子30保持惯性继续运动，取其中运动速度较快的一段时间为关闭时间T_off，测量出速度变化值ΔV_off，则这些参数的关系为(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off。若整个控制过程中T_on和T_off时间很短，则快速响应直线电机100驱动线圈32运动控制的频率可以很高，进而可以使快速响应直线电机100的运动速度柔和平滑。

当快速响应直线电机工作时，拖动负荷的质量M_F，外界施加在快速响应直线电机的作用力F_W，，这两个参数需要实时检测。其中外界施加在快速响应直线电机的作用力大小和方向可能每一时刻都在改变，拖动负荷的质量也可能瞬间改变。现有技术的快速响应直线电机均通过压力传感器检测出作用力的大小和方向，但通过这个方式检测出的作用力大小和上述两个参数及快速响应直线电机运动的速度和加速度相关，因而难以得到外界施加在快速响应直线电机的作用力F_W和拖动负荷质量M_F这两个细化参数。现有技术的快速响应直线电机的控制为负反馈的控制方式，首先快速响应直线电机对外界施加的一定大小的作用力，一段时间之后快速响应直线电机位置、速度和加速度改变，检测出相关参数的数据和目标参数进行对比，再调整快速响应直线电机对外界施加的作用力的大小。由于快速响应直线电机对外界施加的作用力后快速响应直线电机速度和加速度的改变需要一定的时间，因此这种控制方式控制频率低，需要减速机等机械装置增加较大的转矩来抵消拖动负荷质量及外界施加在快速响应直线电机的作用力的不断变化，增大了整个控制系统的体积。

本实施例的快速响应直线电机100结构和控制电路50固定后，驱动线圈32的控制电路50中电容55充电电压、控制脉冲导通时间一定时，产生的驱动电磁力F_Q和电磁阻力F_Z的大小也是固定的。当快速响应直线电机100运动时，集成控制芯片通过采集控制电路50中电容55充电电压和控制脉冲导通时间可以得到快速响应直线电机100运动时驱动电磁力F_Q和电磁阻力F_Z的大小，即驱动电磁力F_Q和电磁阻力F_Z为已知参数；再结合上述两个等式：(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off；(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on；而T_off、ΔV_off、T_on和ΔV_on均可以直接得出或直接测量出，即T_off、ΔV_off、T_on和ΔV_on也为已知参数。从而根据这些相关运动参数数据，可以计算出外界施加在快速响应直线电机100作用力的大小、方向和快速响应直线电机100拖动的负荷质量这两个细化参数。由于快速响应直线电机100运动控制的频率很高，每次控制可以在很短的时间内计算出外界施加给快速响应直线电机100的作用力和快速响应直线电机100拖动负荷质量的大小，及时调整驱动线圈32的驱动电磁力F_Q和导通时间。

进一步地，本实施例的快速响应直线电机100可以实现体积微型化，并且可以作为振动器，如手机平板电脑中的振动器使用。

实施例二：

请参阅图4-图10，本发明实施例提供一种快速响应直线电机100a，包括机壳11、定子20、转子30、支撑轴13和控制机构40；定子20安装于机壳11上，通过机壳11来支撑和保护定子20。转子30滑动安装于定子20中，以便转子30可以在定子20中移动，并且转子30安装在支撑轴13上，可以通过支撑轴13来支撑住转子30，并使转子30可以沿支撑轴13移动。支撑轴13安装在机壳11中，以使机壳11支撑住支撑轴13。定子20的导电套包括若干导磁环21和若干隔离环22，且导磁环21与隔离环22交替层叠设置，导磁环21用于导磁和导电，隔离环22用于导电而不导磁；则沿支撑轴13的轴向，设置一层导磁环21、一层隔离环22、一层导磁环21、一层隔离环22这样交替设置。转子30包括支撑骨架31和驱动线圈32，支撑骨架31安装于支撑轴13上，驱动线圈32缠绕于支撑骨架31上，当向驱动线圈32通电时，驱动线圈32可以产生沿支撑轴13的轴向的驱动磁场，则在将驱动线圈32缠绕在支撑骨架31上时，驱动线圈32实际是环绕支撑轴13。当向驱动线圈32通过电流脉冲时，定子20中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子30移动；当电流脉冲较大且时间较短时，可以产生较大的驱动力，从而实现转子30的快速响应。控制机构40用于配合定子20控制转子30位置，控制机构40包括导磁臂41和控制线圈42，导磁臂41与支撑骨架31相连，从而可以随转子30移动，控制线圈42缠绕于导磁臂41上，当向控制线圈42通电时，可以产生控制磁场，再通过导磁臂41导向，进而可以与定子20的导磁环21相互作用，从而不仅可以起到减速使用，还可以根据定子和转子相对位置来实现加速作用，实现准确调节，并且在驱动线圈32断电后，可以将导磁臂41定位，进而将转子30定位，从而可以实现控制转子30的位置。

在其它实施例中，也可以在定子20的导电套的相对内侧间隔设置若干导磁环21，以便与控制机构40的导磁臂41配合实现磁吸合，进而控制转子30的位置。

快速响应直线电机100a的定子20使用交替层叠设置的导磁环21与隔离环22，而隔离环22导电而不导磁，则可以将定子20的体积制作较小，而转子30的驱动线圈32产生沿支撑轴13轴向的驱动磁场，当向驱动线圈32通过电流脉冲时，定子20中会产生的感应电流，进而产生与上述驱动磁场相反的磁场，以驱动转子30移动，因而该快速响应直线电机100a可以实现快速响应；另外，使用较大瞬时脉冲电流时，可以产生较大的动力；而设置与支撑骨架31相连的导磁臂41，并在导磁臂41上缠绕控制线圈42，可以通过控制线圈42的磁力与定子20的导磁环21的吸合来控制转子30的位置，控制简单、方便；由于驱动线圈32产生沿支撑轴13轴向，因而可以将转子30的体积制作较小，则可以将该快速响应直线电机100a的体积制作较小。

导磁环21可以为铁环、钢环、硅钢、电工纯铁、坡莫合金、金属纳米合金材料等导磁材料制作的环片。隔离环22可以为铜环、铝环等导电而不导磁的材料制作的环片。

进一步地，导磁臂41包括若干导磁片411和若干绝缘片412，导磁片411和绝缘片412交替层叠设置，且沿支撑轴13的轴向：设置一层导磁片411、一层绝缘片412、一层导磁片411、一层绝缘片412这样交替设置。各绝缘片412隔离相邻两片导磁片411。该结构设置的导磁臂41可以通过控制线圈42产生的控制磁场。进一步地，导磁片411可以为铁片、钢片、硅钢、电工纯铁、坡莫合金、金属纳米合金材料等导磁材料制作的片。绝缘片412可以为塑料片、树脂片等绝缘材料制作的片。当然，也可以在导磁片411上包裹绝缘漆等绝缘包层，再将这些包有绝缘包层的导磁片411叠合起来，形成导磁臂41。

请参阅图4-图8，进一步地，相邻的一片导磁片411与一片绝缘片412的厚度之和与相邻的一片导磁环21与一片隔离环22的厚度之和相等。当导磁片411的厚度为D₁₁，绝缘片412的厚度为D₁₂，导磁环21的厚度为D₂₁，隔离环22的厚度为D₂₂，则D₁₁+D₁₂＝D₂₁+D₂₂，则当向控制线圈42通电时，该结构可以实现自动定位锁定的功能。具体地，当导磁臂41中通过控制磁场B时，定子20的导磁环21中也会通过相应的磁场B，以与导磁臂41相吸合。请参阅图7，当导磁臂41的导磁片411位于定子20邻近的导磁环21的左侧时，受到控制磁场向右的吸力F使用，则会向右移动。请参阅图8，当导磁臂41的导磁片411位于定子20邻近的导磁环21的右侧时，受到控制磁场向左的吸力F使用，则会向左移动。请参阅图9和图10，当导磁臂41的导磁片411的中部与定子20邻近的导磁环21的中部对齐时，如与图7中S₀、S₂、S₄位置对应时，导磁臂41的导磁片411受到控制磁场的吸力左右平衡或磁力F最小，此时导磁臂41的导磁片411处于稳态。而当导磁臂41的导磁片411的中部与定子20邻近的绝缘环的中部对齐时，如与图7中S₁、S₃位置对应时，导磁臂41的导磁片411受到控制磁场的吸力也会左右平衡，但此时若导磁片411稍有偏移或受到外力作用，则会打破该平衡，使导磁臂41的导磁片411移动至邻近的导磁环21对应处。则当控制线圈42中通电时，可以起到减速，进而将转子30定位，还可以根据定子与转子的相对位置来使转子进行加速，调节更为准确。

请参阅图4、图5和图6，进一步地，导磁臂41成对设置，且导磁臂41为至少一对，每对的两个导磁臂41分别设于支撑轴13的相对两侧。将导磁臂41成对设置，可以使转子30两侧的受力平稳，以使转子30可以更平稳地沿支撑轴13移动。本实施例中，导磁臂41为两对，即导磁臂41为四个，且均匀分布支撑轴13的四周。在其它实施例中，导磁臂41也可以为其它对数，如三对、四对等等。在还有一些实施例中，导磁臂41也可以呈环形。

进一步地，定子20呈圆筒状，导磁臂41远离支撑轴13的一端415呈与定子20配合的圆弧形。将导磁臂41远离支撑轴13的一端415设置呈圆弧形，可以增大与定子20的导磁环21配合的面积，提高控制线圈42产生控制磁场的磁吸力。在其它实施例中，定子20也可以呈椭圆形或定子20的横截面呈框状。

进一步地，可以将导磁臂41与定子20间的间隙设置较小，进而减少磁力损失，提高控制线圈42产生控制磁场的磁吸力。

进一步地，控制线圈42产生的控制磁场的垂直于支撑轴13的轴向。将控制磁场垂直于支撑轴13的轴向，则控制磁场垂直驱动磁场，从而可以防止控制磁场与驱动磁场之间的相互影响。

进一步地，导磁臂41上靠近支撑轴13的一端设有永磁体45。在导磁臂41上靠近支撑轴13的一端设置永磁体45，可以使导磁臂41上始终具有磁力，则当转子30停止移动时，可以实现自动锁定作用。本实施例中，永磁体45呈套筒状，而导磁臂41固定在永磁体45上。

请参阅图4-图10，该实施例的快速响应直线电机100a断电时，导磁臂41上的磁场B在轴向上被定子20和导磁臂41的磁路部分的导磁材料和不导磁材料分割，即被定子20的导磁环21和导磁臂41的导磁片411分割。当定子20和导磁臂41的导磁材料之间的距离足够小，即定子20的导磁环21和导磁臂41的导磁片411之间的距离足够小时，如果导磁环21与邻近的导磁片411的轴向相对位置有偏移，磁场B将产生静态的磁力F使导磁臂41的保持在磁阻最小的位置上，这个位置也就是图4和图5中虚线所示的位置，偏离虚线位置的距离S和磁力F的大小关系如图9所示。图9和图10中S₁和S₃位置虽然作用力为0，但该位置为不稳定状态，只要外界有一点干扰，S₁和S₃的位置不能够保持。而S₀、S₂、S₄这些位置为稳定状态，只要施加在该快速响应直线电机100a上的外部作用力小于最大静态的磁力F，快速响应直线电机100a的定子20和转子30将保持这个相对位置，因此快速响应直线电机100a断电后有位置自动保持的功能。

当控制机构40的控制线圈42通电后，产生磁场和永磁体45的磁场相互叠加，将增强或者减弱定子20与导磁臂41之间整个磁路中的磁场。叠加磁场产生力的大小方向和叠加磁场的大小、定子20转子30之间的相对位置、定子20导磁臂41之间的间隙大小有关，选择好快速响应直线电机100a磁路部分的长度、永磁体45磁场的大小、控制线圈42的匝数，使叠加磁场产生的最大作用力大于快速响应直线电机100a工作时承受的最大负荷。该作用力用于控制快速响应直线电机100a轴向直线运动的位置和速度。当快速响应直线电机100a结构确定后，静止时根据定子20和转子30相对位置偏离磁阻最小位置的距离、控制线圈42电流的大小可以计算出外界施加在快速响应直线电机100a作用力的大小。快速响应直线电机100a定子20和转子30及导磁臂41的磁路的结构可知，该快速响应直线电机100a轴向位置精度为D₂₁+D₂₂，轴向位置控制没有累积误差。而产生过程中，通过调节定子20和导磁臂41磁路材料的厚度，即定子20的导磁环21和导磁臂41的导磁片411的厚度和隔离环22与绝缘片412的厚度，来满足快速响应直线电机100a的轴向位置控制精度要求。为了达到较高的控制性能，定子20和导磁臂41之间的安装间隙要求尽量小。而当定子20和导磁臂41和导磁材料和不导磁材料的厚度设置尽量小时，可以使该快速响应直线电机100a的精度达到较高的精度，甚至可以达到1μm的精度，当然，对于1μm精度要求定子转子的间隙也要1μm，否则间隙太大的话，控制线圈产生的控制力矩移动时几乎没有变化，导致电机性能影响，所以快速响应直线电机100a实际的运动控制精度受限于定子与导磁臂之间的间隙大小，另外受限于导磁和非导磁材料的厚度限制。

由于控制线圈42和驱动线圈32的绕线方向空间上相互垂直，它们产生的磁场相互影响低。驱动线圈32和控制电路50产生的热量通过转子30的支撑骨架31和支撑轴13散热。驱动线圈32的这种控制方式可以在很短的时间内提供较大的驱动力。

由于驱动线圈32控制频率很高，控制线圈42由于自身电感的原因，控制频率较低，该快速响应直线电机100a的控制方式是：根据转子需要移动的速度和位置，高频率控制驱动线圈32电流大小和方向，当转子30移动较快时，移动距离为D₁₁+D₁₂时，控制线圈42和定子20产生的作用力一段时间减速，一段时间加速，对转子30的作用大部分抵消，这时通过控制驱动线圈32控制电机的速度和位置。当转子30移动速度较慢时，控制线圈32和定子20产生的作用力对转子20的作用越来越大，当转子20的动量不足于抵消控制线圈32和定子20产生的作用力产生的冲量，转子30就会固定于相应位置。

当快速响应直线电机100a的转子30需要轴向直线运动时，若设快速响应直线电机100a拖动负荷的质量为M_F，外界施加在快速响应直线电机100a的作用力为F_W，开关电路的导通间隔时间T_on，此时驱动线圈32产生大的驱动电磁力F_Q驱动快速响应直线电机100a运动，则这些参数的关系为(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on。同时通过控制线圈42调节定子20与导磁臂41的控制磁场，控制磁场产生电磁力F_K调节动子的运动，快速响应直线电机100a转子30产生的速度变化值为ΔV_on。当快速响应直线电机100a运动速度较快时，快速响应直线电机100a定子20转子30的相对位置每经过一组导磁环21和隔离环22厚度相加的距离时，F_K的方向发生一次改变，因此F_K对快速响应直线电机100a速度变化的影响大部分抵消。当开关电路关闭后，驱动线圈32电流开始减小并产生电磁阻力F_Z，快速响应直线电机100a的转子30保持惯性继续运动，取其中运动速度较快的一段时间为关闭时间T_off，测量出速度变化值ΔV_off，则这些参数的关系为(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off。当快速响应直线电机100a速度逐渐减小，快速响应直线电机100a的动量不足以抵消F_K对快速响应直线电机100a速度的影响，此时快速响应直线电机100a整个作用力F_K-F_W-F_Z产生的冲量大于快速响应直线电机100a转子的动量，使快速响应直线电机100a在新的位置保持平衡。若整个控制过程中T_on和T_off时间很短，则快速响应直线电机100a驱动线圈32运动控制的频率可以很高，进而可以使快速响应直线电机100a的运动速度柔和平滑。

本实施例的快速响应直线电机100a结构和控制电路50固定后，驱动线圈32的控制电路50中电容55充电电压、控制脉冲导通时间一定时，产生的驱动电磁力F_Q和电磁阻力F_Z的大小也是固定的。当快速响应直线电机100a运动时，集成控制芯片通过采集控制电路50中电容55充电电压和控制脉冲导通时间，可以得到快速响应直线电机100a运动时驱动电磁力F_Q和电磁阻力F_Z的大小，即驱动电磁力F_Q和电磁阻力F_Z为已知参数；再结合上述两个等式：(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off；(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on；而T_off、ΔV_off、T_on和ΔV_on均可以直接得出或直接测量出，即T_off、ΔV_off、T_on和ΔV_on也为已知参数。从而根据这些相关运动参数数据，可以计算出外界施加在快速响应直线电机100a作用力的大小、方向和快速响应直线电机100a拖动的负荷质量这两个细化参数。当快速响应直线电机100a静止时，测量出定子20和转子30偏离磁阻最小位置的距离、控制线圈42电流的大小，进而得到外界施加在快速响应直线电机100a作用力的大小，并且这个值和快速响应直线电机100a对外界施加的作用力相等。由于快速响应直线电机100a运动控制的频率很高，每次控制可以在很短的时间内计算出外界施加给快速响应直线电机100a的作用力和快速响应直线电机100a拖动负荷质量的大小，及时调整驱动线圈32的驱动电磁力F_Q和导通时间，另外由于控制线圈42提供的F_K仍然可以提供给快速响应直线电机100a较大的力矩抵消外界拖动负荷的质量和外界施加在快速响应直线电机100a的作用力变化的影响，因此快速响应直线电机100a整个系统可以去掉了减速机等机械调速装置。这种控制方式可以适应外界施加在快速响应直线电机100a作用力和快速响应直线电机100a拖动负荷质量不停改变的情况。

因而根据本实施例的快速响应直线电机100a的结构，本实施例还提供一种快速响应直线电机100a的控制方法，包括步骤：通过控制电路50控制驱动线圈32通过脉冲电流，通电时间为T_on，并在T_on时间内，根据脉冲电流大小，得出驱动线圈32产生大的驱动电磁力F_Q和测出转子30速度变化值ΔV_on；并得出等式：(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on；

取脉冲断电后转子30运动速度较快的一段时间为T_off，得出驱动线圈32电流产生电磁阻力F_Z和测出相应转子30速度变化值ΔV_off，并得出等式：(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off；

根据以上两等式计算出出快速响应直线电机100a拖动负荷的质量M_F，外界施加在快速响应直线电机100a的作用力F_W；

根据检测的拖动负荷的质量M_F和作用力F_W，调节驱动线圈32的脉冲电流大小与时间，进而来控制该快速响应直线电机100a的速度和位置。上述时间T_off可以根据检测设备的精度来进行设置，如设置为几十纳秒或几微秒等等。

进一步地，该直线电机的控制方法中驱动线圈32的控制电路50包括开关电路、连接开关电路两端的电容55、和供电电路57。则上述取脉冲断电后转子30运动速度较快的一段时间为T_off，可以根据检测设备的精度来进行设置，如设置为几十纳秒或几微秒等等。本实施例中，开关电路可以为H桥电路。

本实施例还公开一种集成控制芯片，用于检测快速响应直线电机100a的拖动负荷的质量M_F和外界施加快速响应直线电机100a的作用力F_W，包括控制驱动线圈的控制电路、检测模块、存储器和处理模块，所述控制电路包括控制所述驱动线圈的开关电路、连接所述开关电路两端的电容和对所述电容充电的供电电路，所述检测模块测量所述电容充电电压和所述开关电路导通时间T_on以及时间T_on对应的速度变化值ΔV_on，所述检测模块还测量所述开关电路关闭后一段时间T_off对应的速度变化值ΔV_off，并将该时间T_on和T_off及ΔV_on和ΔV_off存储于所述存储器中，所述处理模块根据所述开关电路的导通时间T_on、所述电容的充电电压，得到驱动电磁力F_Q及电磁阻力F_Z的值，再根据公式(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on与(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off计算出所述负荷的质量M_F和所述外界施加作用力F_W。

进一步地，集成控制芯片可以与外部计算机或服务器相连，通过计算机或服务器来控制集成控制芯片，进而控制直线电机100。

进一步地，开关电路可以为H桥电路，以更好的控制驱动线圈32的导通时间和电流方向，进而可以更好的控制转子30和移动位置与方向。

进一步地，该集成控制芯片中还设有温度检测模块，以检测直线电机100运行时的温度，以使该集成控制芯片更好的检测出驱动电磁力F_Q及电磁阻力F_Z，进而使检测出的所述拖动负荷的质量M_F和所述外界施加作用力F_W更准确。

进一步地，该集成控制芯片使用在该直线电机100上时，可以实现上述控制方法，以精确控制该直线电机100。

进一步地，可以打磨或电镀导磁环21的内表面与隔离环22的内表面，使导磁环21的内表面与隔离环22的内表面配合形成光栅标尺，在支撑骨架31中开设有容置腔33，容置腔33中设有配合光栅标尺检测转子30移动位置的光栅检测装置。将导磁环21的内表面与隔离环22的内表面作为光栅标尺，结构简单，并且使检测系统体积减小，而光栅检测装置可以检测出光栅标尺的位置，进而精确控制转子30的位置。具体地，选择好定子20的导磁环21的内表面与隔离环22的内表面的光线反射参数，光栅检测装置向光栅标尺发出光，经过透镜聚焦，一部分投射到光栅标尺上，反射回的光经过光栅检测装置的指示光栅和透镜聚焦后，再由光电位置检测电路接收，对定子20和转子30之间的轴向相对位移和运动方向进行高分辨率实时检测。另外一部分光投射到代表绝对位置信息编码的位置上，反射回的光也由光电位置检测电路接收并解析出绝对位置信息。集成控制芯片或控制器根据上述检测数据可以实时得到转子30位置、速度、加速度等运动参数。更进一步地，可以在集成控制芯片中集成光电位置检测电路，而仅将光栅检测装置的透镜单独安装在支撑骨架31中。

光栅检测装置也可以与控制器或集成控制芯片相连，可以在集成控制芯片中设置光电位置检测电路，从而可以通过集成控制芯片来实时检测转子30位置、速度、加速度等运动参数。在其它实施例中，也可以在定子20的内表面贴膜，使导磁环21的内表面与隔离环22的内表面配合形成光栅标尺。

进一步地，本实施例的快速响应直线电机100a可以使用上述集成控制芯片。

本实施例的快速响应直线电机100a的其它结构与实施例一的快速响应直线电机的其它结构相同，在此不再累赘。

实施例三：

请参阅图11和图12，本实施例的快速响应直线电机100b与实施例一的快速响应直线电机的区别为：各导磁环21上向内凸设有若干第一凸齿23，这些第一凸齿23均匀分布在各导磁环21上；导磁臂41远离支撑轴13的一端415凸设有若干第二凸齿416；沿定子20的径向：相邻两第一凸齿23的间距与相邻两第二凸齿416的间距相等。在各导磁环21上设置第一凸齿23，在导磁臂41上设置第二凸齿416，可以形成步进电机的功能，通过第一凸齿23与邻近的第二凸齿416间的吸力作用，可以自动调整转子30的径向位置。该快速响应直线电机100不仅可以实现直线运动，还可以实现步进电机的转动运动。

进一步地，各隔离环22上对应于第一凸齿23的位置也凸设有隔离齿。设置隔离齿可以增加第一凸齿23的强度。

另外，本实施例的快速响应直线电机100b的控制机构40包括三对导磁臂41。

本实施例的快速响应直线电机100b的其它结构与实施例二的快速响应直线电机的其它结构相同，在此不再累赘。

智能机械是指计算机通过控制总线可以控制机械相对位置的装置。一般来说，智能机械还要求体积小、多轴多关节多自由度、运动响应速度快、承受负荷大并且负荷变化快、空间位置的控制精度要求高。智能机械包括各种仿生机械、数控机床、自动化产生线以及能够替代人类体力劳动或完成不同功能的装置，例如机械手、手术机器人、服务机器人等等。由于智能机械需要的功能复杂，所以需要的运动自由度多。而本发明的快速响应直线电机100可以做到微型化、通过驱动线圈32通过大的脉冲电流，产生较大的磁场，从而可以提供更大的动力，因而在同样的体积下可以安装多个快速响应直线电机100以使运动自由度更多。另外，该快速响应直线电机100还可以快速检测出负载的变化，以实现快速响应与控制。并且相对于现有直线电机和交直流电机自由度控制系统，本发明的直线电机可以去掉减速机的使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种快速响应直线电机，包括机壳、安装于所述机壳上的定子、滑动安装于所述定子中的转子和支撑所述转子的支撑轴，所述支撑轴安装于所述机壳中，其特征在于，所述定子包括使用导电材料制作的导电套，所述转子包括安装于所述支撑轴上的支撑骨架和用于产生驱动磁场的驱动线圈，所述驱动磁场沿所述支撑轴的轴向，所述驱动线圈缠绕于所述支撑骨架上；所述快速响应直线电机还包括用于控制所述转子位置的控制机构，所述控制机构包括与所述支撑骨架相连的导磁臂和缠绕于导磁臂上的控制线圈，所述定子的导电套包括用于导磁的若干导磁环和用于导电而不导磁的若干隔离环，且所述导磁环与所述隔离环交替层叠设置。

2.如权利要求1所述的快速响应直线电机，其特征在于，所述机壳中安装有轴套，所述轴套套装于所述支撑轴上。

3.如权利要求1所述的快速响应直线电机，其特征在于，所述支撑骨架中还开设有容置腔。

4.如权利要求1-3任一项所述的快速响应直线电机，其特征在于，所述导磁臂包括沿所述支撑轴的轴向层叠设置的若干导磁片和隔离相邻两片所述导磁片的若干绝缘片。

5.如权利要求4所述的快速响应直线电机，其特征在于，相邻的一片所述导磁片与一片所述绝缘片的厚度之和与相邻的一片所述导磁环与一片所述隔离环的厚度之和相等。

6.如权利要求4所述的快速响应直线电机，其特征在于，所述导磁臂成对设置，且所述导磁臂为至少一对，每对的两个所述导磁臂分别设于所述支撑轴的相对两侧。

7.如权利要求1-6任一项所述的快速响应直线电机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.如权利要求7所述的快速响应直线电机的控制方法，其特征在于，所述控制电路包括开关电路、连接所述开关电路两端的电容和对所述电容充电的供电电路。

9.一种集成控制芯片，用于检测如权利要求1-6任一项所述的快速响应直线电机的拖动负荷的质量M_F和外界施加快速响应电机作用力F_W，其特征在于，包括控制驱动线圈的控制电路、检测模块、存储器和处理模块，所述控制电路包括控制所述驱动线圈的开关电路、连接所述开关电路两端的电容和对所述电容充电的供电电路，所述检测模块测量所述电容充电电压和所述开关电路导通时间T_on以及时间T_on对应的速度变化值ΔV_on，所述检测模块还测量所述开关电路关闭后一段时间T_off对应的速度变化值ΔV_off，并将该时间T_on和T_off及ΔV_on和ΔV_off存储于所述存储器中，所述处理模块根据所述开关电路的导通时间T_on、所述电容的充电电压，得到驱动电磁力F_Q及电磁阻力F_Z的值，再根据公式(F_Q-F_W)*T_on＝M_F*ΔV_on与(F_Z+F_W)*T_off＝M_F*ΔV_off计算出所述负荷的质量M_F和所述外界施加作用力F_W。