CN112436712A - 长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置及方法，被驱动装置由多个直线电机同时进行驱动。直线电机初级安装固定在侧壁的钢结构支架上，直线电机次级则安装在被驱动装置本体上。直线电机初级一端与变频器相连，由变频器控制三相电压，变频器另一端通过所述切换开关与所述供电线连接。每个直线电机初级下方均安装有检测装置，并将检测信号传送到控制器。本发明采用初级段间有间隙结构直线电机，并通过电流环、速度环、位置环三闭环控制，具有成本较低、输出推力稳定的优点；考虑了次级长度大于单个初级与单个间隙之和的情况，可适用于大型水平式、垂直式和倾斜式驱动系统，具有较大的适用性；同时还考虑了三闭环控制的稳态调节时间以及备用初级自投原理，提出了电机初级的超前控制，具有更好的实用性。

Description

长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置及方法
技术领域
本发明涉及一种分段供电装置及方法，具体涉及一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置及方法。
背景技术
电磁推进技术是利用直线电磁加速器在运载工具运行时提供一定的推进力，从而使运载工具加速运动。直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。直线电机自身独特的优势，不仅使其可以应用于高速、大推力的场合，而且适用于低速、精细的生产中。随着对直线电机驱动系统不断深入研究，与直线电机相关的传动系统将逐渐使用于生产生活中。例如，1990年，日本东京丰岛万世大楼使用了第一台由直线感应电机驱动的电梯；2003年，美国研制了用于航空母舰上推动飞机起飞的永磁直线同步电机可使飞机在极短时间内加速到起飞速度，增加了单位时间起飞飞机数量，具有重要的军事意义；20世纪90年代国内河南理工大学提出直线电机矿井提升系统，并进行了理论与控制研究。
然而，当直线电机用于长距离驱动时，若全程供电必然带来非次级耦合区的直线电机的电能浪费，效率大大降低，同时直线电机持续供电还会因散热不及时导致寿命降低。因此，需要采用分段供电技术对长距离直线电机进行驱动控制。现有的分段供电技术依据初级段间有无间隙可分为两种：初级段间无间隙结构直线电机，可保证覆盖次级的磁场不变，适合应用于推力大且对波动要求高的场合，但这种基于初级线圈单个绕组切换供电的设想实现难度大，成本高；初级段间有间隙结构直线电机，主要应用于工业传输系统中，可以较大程度节省成本，但推力波动不可避免，性能较差。
因此，设计一种既能保证输出推力波动较小，而且成本较低的直线电机分段供电装置对增加直线电机实用性具有重要意义。经检索发现，中国专利CN 110912493 A公开的用于感应直线电机的分段供电系统，提出根据位置传感器控制直线电机初级供电，但该方法未考虑直线电机的闭环调速问题，且未指明位置传感器类型。中国专利CN 110504893 A公开的用于长初级直线电机的分段供电控制系统和方法，利用控制器双闭环控制以减小推力波动，但该方法仅可用于次级长度小于初级长度的情况，且未考虑闭环调速的稳态调节时间，缺乏对直线电机初级超前控制运行的考虑。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置及方法，能够解决以上问题，具有适用性广、成本低、输出推力波动小的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置，包括钢结构支架、直线电机初级、检测装置、直线电机次级、被驱动装置、供电线、切换开关组、变频器和控制器；钢结构支架相对的两个侧壁上分别由上至下间隔设置多个直线电机初级，同侧侧壁上相邻两个直线电机初级之间的间隙中设有检测装置，被驱动装置设置在钢结构支架的内侧，与设置直线电机初级对应的被驱动装置的两侧壁上设有直线电机次级；直线电机初级由下至上按顺序编号，每个直线电机初级下方设置的检测装置的编号与其上方的直线电机初级编号相同，相同编号的直线电机初级、检测装置通过切换开关组和变频器接入到一个控制器；切换开关组包括第一切换开关、第二切换开关和第三切换开关，检测装置与控制器连接，变频器分别通过第一切换开关、第二切换开关与供电线、直线电机初级连接，直线电机初级与控制器连接，继电器与控制器连接。
进一步的，所述的每个直线电机初级对应设有一个备用初级，备用初级通过第四切换开关与变频器连接，直线电机初级、备用初级的反馈信号通过第三切换开关与变频器连接。
进一步的，所述的钢结构支架两侧壁上设置的相同编号的检测装置水平高度一致。
进一步的，所述的检测装置采用对射型光电传感器。
进一步的，所述的直线电机次级采用永磁体材料。
一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电方法，被驱动装置处于前进状态时：当编号为x的检测装置检测到被驱动装置顶端通过时，会触发相应编号的第一切换开关启动对应的直线电机初级，所触发的直线电机初级对应编号为x + k；当编号为x的检测装置检测到被驱动装置底端通过后，会触发相应编号的第一切换开关停止对应直线电机初级运转，所触发的直线电机初级编号为x – 1；被驱动装置处于后退状态时：当编号为x的检测装置检测到被驱动装置底端通过时，会触发相应编号的第一切换开关启动对应的直线电机初级，所触发的直线电机初级对应编号为x – k；当编号为x的检测装置检测到被驱动装置顶端通过后，会触发相应编号的第一切换开关停止对应直线电机初级运转，所触发的直线电机初级编号为x + 1。
进一步的，所述的直线电机初级和备用初级均采用电流环、速度环、位置环三闭环控制。
进一步的，当直线电机初级发生故障时会发出故障信号，并将故障信号传送至控制器，进而断开相应编号的第二切换开关，并导通相应编号的第四切换开关将当前已故障的直线电机初级断开，并将对应的备用初级接入，同时控制第三切换开关使三闭环调速信号转由备用初级提供。
与现有技术相比本发明采用初级段间有间隙结构直线电机，并通过电流环、速度环、位置环三闭环控制，具有成本较低、输出推力稳定的优点；考虑了次级长度大于单个初级与单个间隙之和的情况，可适用于大型水平式、垂直式和倾斜式驱动系统，具有较大的适用性；同时还考虑了三闭环控制的稳态调节时间以及备用初级自投原理，提出了电机初级的超前控制，具有更好的实用性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明单个直线电机初级的控制原理图；
图3为本发明接入直线电机初级的控制原理图；
图4为本发明接入备用初级的控制原理图；
图中：1、钢结构支架，2、直线电机初级，3、检测装置，4、直线电机次级，5、被驱动装置，6、供电线，701、第一切换开关，702、第二切换开关，703、第三切换开关，704、第四切换开关，8、变频器，9、控制器，10、备用初级，11、继电器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面给将以垂直式驱动系统为例进行说明，如图1所示，本发明包括钢结构支架1、直线电机初级2、检测装置3、直线电机次级4、被驱动装置5、供电线6、切换开关组7、变频器8和控制器9。
钢结构支架1相对的两个侧壁上分别由上至下间隔设置多个直线电机初级2，同侧侧壁上相邻两个直线电机初级2之间的间隙中设有检测装置3，被驱动装置5设置在钢结构支架1的内侧，与设置直线电机初级2对应的被驱动装置5的两侧壁上设有直线电机次级4，直线电机次级4采用永磁体材料。
直线电机初级2由下至上按顺序编号，也可以反方向顺序编号，本申请以前者为例，每个直线电机初级2下方设置的检测装置3的编号与其上方的直线电机初级2编号相同，相同编号的直线电机初级2、检测装置3通过切换开关组7和变频器8接入到一个控制器9；也就是说，相同编号的直线电机初级2、检测装置3、切换开关组7和变频器8为一个控制单元接入到控制器9；钢结构支架1两侧壁上设置的相同编号的检测装置3水平高度一致，检测装置3采用对射型光电传感器。
切换开关组7包括第一切换开关701、第二切换开关702和第三切换开关703，检测装置3与控制器9连接，变频器8分别通过第一切换开关701、第二切换开关702与供电线6、直线电机初级2连接，由第二切换开关702控制直线电机初级2的接入和断开，直线电机初级2与控制器9连接，继电器11与控制器9连接，控制器9通过继电器11控制切换开关组7的状态；每个直线电机初级2对应设有一个备用初级10，备用初级10通过第四切换开关704与变频器8连接，直线电机初级2、备用初级10的反馈信号通过第三切换开关703与变频器8连接。
每个直线电机初级2下方均安装有检测装置3，并将检测信号传送到控制器9，从而控制第一切换开关701的开通与关断，进而控制对应直线电机初级2的运转。系统考虑了次级长度大于单个初级与单个间隙之和的情况，多个直线电机同时作用可以输出更大的推力，适用于大型水平式、垂直式和倾斜式驱动系统，具有较大的适用性。
如图2所示，检测装置3在接收到检测信号后，会将检测信号传输至控制器9，通过控制器9控制第一切换开关701的关闭与导通，从而控制直线电机初级2的运行。直线电机初级2和备用初级10均采用电流环、速度环、位置环三闭环调速控制，其中电流环由主电路电流进行电流负反馈，速度环由速度编码器的信号进行速度负反馈，位置环由位置编码器的信号进行位置负反馈，以保证电机输出推力、速度、位置达到精准控制，从而保证被驱动装置运行过程中的系统稳定性。
如图1至图3所示，被驱动装置5处于前进状态时：直线电机初级2的启动与断开根据检测装置3传输至控制器9的检测信号进行控制，当编号为x的检测装置3检测到被驱动装置5顶端通过时，会触发相应编号的第一切换开关701启动对应的直线电机初级2，若三闭环调速稳态时间t内直线电机次级4前进k段直线电机初级2的距离，则所触发的直线电机初级2对应编号为x + k；即直线电机初级2的启动要先于被驱动装置5移动位置，以保证被驱动装置5经过时，直线电机三闭环调速控制已达到稳态，当编号为x的检测装置3检测到被驱动装置5底端通过后，会触发相应编号的第一切换开关701停止对应直线电机初级2运转，所触发的直线电机初级2编号为x – 1，通过以上控制方法达到超前控制的目的，从而能够提升系统运行稳定性和精确度。
被驱动装置5处于后退状态时：当编号为x的检测装置3检测到被驱动装置5底端通过时，会触发相应编号的第一切换开关701启动对应的直线电机初级2，若三闭环调速稳态时间t内直线电机次级4后退k段直线电机初级2的距离，则所触发的直线电机初级2对应编号为x – k；即直线电机初级2的启动要先于被驱动装置移动位置，以保证被驱动装置经过时，直线电机三闭环调速控制已达到稳态。当编号为x的检测装置3检测到被驱动装置5顶端通过后，会触发相应编号的第一切换开关701停止对应直线电机初级2运转，所触发的直线电机初级2编号为x + 1。
每个直线电机初级2均设有对应的备用初级10，当直线电机初级2正常工作时，直线电机初级2正常接入，由直线电机初级2提供三闭环反馈，同时将备用初级10断开，如图3所示。当直线电机初级2发生故障时会发出故障信号，并将故障信号传送至控制器9，进而断开相应编号的第二切换开关702，并导通相应编号的第四切换开关704将当前已故障的直线电机初级2断开，并将对应的备用初级10接入，同时控制第三切换开关703使三闭环调速信号转由备用初级10提供，如图4所示。通过以上方式实现备用初级的自投，提升系统实用性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置，其特征在于，包括钢结构支架（1）、直线电机初级（2）、检测装置（3）、直线电机次级（4）、被驱动装置（5）、供电线（6）、切换开关组（7）、变频器（8）和控制器（9）；
钢结构支架（1）相对的两个侧壁上分别由上至下间隔设置多个直线电机初级（2），同侧侧壁上钢结构支架（1）上相邻两个直线电机初级（2）之间的间隙中设有检测装置（3），被驱动装置（5）设置在钢结构支架（1）的内侧，与设置直线电机初级（2）对应的被驱动装置（5）的两侧壁上设有直线电机次级（4）；
直线电机初级（2）由下至上按顺序编号，每个直线电机初级（2）下方设置的检测装置（3）的编号与其上方的直线电机初级（2）编号相同，相同编号的直线电机初级（2）、检测装置（3）通过切换开关组（7）和变频器（8）接入到一个控制器（9）；
切换开关组（7）包括第一切换开关（701）、第二切换开关（702）和第三切换开关（703），检测装置（3）与控制器（9）连接，变频器（8）分别通过第一切换开关（701）、第二切换开关（702）与供电线（6）、直线电机初级（2）连接，直线电机初级（2）与控制器（9）连接，继电器（11）与控制器（9）连接。
2.根据权利要求1所述的一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置，其特征在于，所述的每个直线电机初级（2）对应设有一个备用初级（10），备用初级（10）通过第四切换开关（704）与变频器（8）连接，直线电机初级（2）、备用初级（10）的反馈信号通过第三切换开关（703）与变频器（8）连接。
3.根据权利要求1所述的一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置，其特征在于，所述的钢结构支架（1）两侧壁上设置的相同编号的检测装置（3）水平高度一致。
4.根据权利要求3所述的一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置，其特征在于，所述的检测装置（3）采用对射型光电传感器。
5.根据权利要求1所述的一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电装置，其特征在于，所述的直线电机次级（4）采用永磁体材料。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电方法，其特征在于：
被驱动装置（5）处于前进状态时：当编号为x的检测装置（3）检测到被驱动装置（5）顶端通过时，会触发相应编号的第一切换开关（701）启动对应的直线电机初级（2），所触发的直线电机初级（2）对应编号为x + k；当编号为x的检测装置（3）检测到被驱动装置（5）底端通过后，会触发相应编号的第一切换开关（701）停止对应直线电机初级（2）运转，所触发的直线电机初级（2）编号为x – 1；
被驱动装置（5）处于后退状态时：当编号为x的检测装置（3）检测到被驱动装置（5）底端通过时，会触发相应编号的第一切换开关（701）启动对应的直线电机初级（2），所触发的直线电机初级（2）对应编号为x – k；当编号为x的检测装置（3）检测到被驱动装置（5）顶端通过后，会触发相应编号的第一切换开关（701）停止对应直线电机初级（2）运转，所触发的直线电机初级（2）编号为x + 1。
7.根据权利要求6所述的一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电方法，其特征在于，所述的直线电机初级（2）和备用初级（10）均采用电流环、速度环、位置环三闭环控制。
8.根据权利要求7所述的一种长距离直线电机驱动系统超前控制分段供电方法，其特征在于，当直线电机初级（2）发生故障时会发出故障信号，并将故障信号传送至控制器（9），进而断开相应编号的第二切换开关（702），并导通相应编号的第四切换开关（704）将当前已故障的直线电机初级（2）断开，并将对应的备用初级（10）接入，同时控制第三切换开关（703）使三闭环调速信号转由备用初级（10）提供。
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