现代直线电机关键控制技术及其应用研究

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　　摘 要：直线电机是一种新型电机，可直接将电能转换为直线运动，而并不需要任何中间转换结构，并且可显著降低系统的损耗，因此在现代社会生产中被广泛地应用，并且发挥着重要的作用。本文阐述了直线电机基本结构和工作原理，并介绍了三种控制技术，并以直线电机的往复运动控制为例，介绍了现代直线电机的应用。旨在加深相关人员对现代直线电机控制技术的认识，为其应用和发展提供参考。
　　关键词：直线电机;结构;原理;控制技术;应用
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.131
　　1 直线电机结构特点和工作原理
　　1.1 直线电机结构特点
　　 直线电机通常可以被看作是由旋转电机按照径向剖开并展平而成的，直接产生直线运动而不依赖任何中间转换机构，在直线运动场合中尤为适用，主要类型有直流直线电动机、交流直线电动机，根据工作原理不同、励磁方式不同還有更多的分类。和旋转电机相比，其次级相对于初级进行直线运动，因此运行的效率也比旋转电机更优。直线电机的实际运用中，往往采用动初级、动次级二级结构，因此为了便于对直线电机的不同结构状态进行更好的区分，因此将电机的静止部分、运动部分分别定义为定子、动子。另外，直线电机的加速度大，短时间内产生的直线速度极高，并且直线电机不受离心力的束缚，直线运动速度不受限制。
　　1.2 工作原理
　　 直线电机的动作原理和旋转电机一致，都是利用气隙磁场作用运行，但直线电机中以行波磁场为主，输入电能的转变主要是通过波磁场完成的，并且电能转变时电机初级运动和次级运动也同时进行。直线电机的运动，需要控制相应的参数，包括起动、加速运动、定速运动和停止等，为减少直线电机控制电路的提及并提高性能，已经越来越多地采用计算机控制元件，其控制方式已经由模拟控制转变为数字控制，控制精度更高。直线电机目前已经被广泛地应用到了各个领域，如军事、工业、民用、交通运输等。
　　2 控制技术分析
　　 直线电机的基本原理和旋转电机一致，因此在直线电机控制策略中主要有v/f控制、矢量控制和直接推力控制。
　　2.1 v/f控制技术
　　 在所有的控制中，v/f控制起着关键的作用，其作用是控制恒压频比，与其他控制方式相比，v/f控制更加简单，也更容易实现。在实际运用中，v/f控制对于调速性能并无十分高的要求，并且对于水泵等一些负载无明显变化的控制系统，该控制技术可以有效的解决系统平滑调速困难问题。v/f控制和额定频率下调速相比，更够更加持久的保持压频稳定，同时在额定频率不变的基础上，输出的电压值也无明显的变化，与恒功率调速控制趋近。v/f控制技术尽管具有诸多的优势，但仍然需要注意其精准性，并提高其动态控制效果，特别是对负载突变进行处理时，v/f控制技术应用后速度变化问题明显，并且需要花费较长的时间进行运行状态的调整，一旦直线电机处于低速运行状态，则该控制技术应用中就可能出现推力输出不足的问题，此时就需要电压补偿。
　　2.2 矢量控制技术
　　 矢量控制即指的是磁场定向控制，在上世纪70年代由德国学者提出，该理论提出时就是将交流电机模拟为直流电机，目的是让电机获得与直流电机一样高性能调速控制的结果。矢量控制技术的原理是基于坐标转换，将电机定子电流转变为垂直的两个分量，两个分量分别与直流动机转矩电流分量、直流电机励磁分量相同。由此可见，操作人员进行矢量控制中实际是对两个电流分量进行的控制。矢量控制技术与v/f控制相比，其具有更大的优越性，并且已经广泛地应用在了感应电机与同步电机调速控制系统当中，但是不同系统中其运行方式存在差异，如感应电机矢量控制就分为了直接与间接两种方式。
　　2.3 直接推力控制
　　 当前针对直接推力控制的研究较多，最开始这种控制技术水根据旋转电机的转矩控制演变而来的，经过长时间的研究和应用，德国、日本学者对交流感应电机提出了直接转矩控制理论，日本学者提出，直接转矩控制是通过查询电压矢量表实现的电动机定子磁链和转矩之间的相互调节，同时也被是一种圆形磁链直接转矩控制技术，在直接转矩中这种控制方式得到了广泛地应用。德国学者则在此基础上提出直接转矩控制思想，即直接自控制技术。和矢量控制比较而言，直接推力控制的优势在于无需通过矢量分解、坐标分量转变便可进行直线电机控制。电动机转矩调节无需引入矢量，可直接在坐标系中对电机磁链与转矩进行相互之间的转换，不需要通过电机数学模型。但是直接推力控制存在着转矩与磁链脉动等相关问题，对此，相关学者作出了大量的研究，进而提出了新的直接转矩控制方式（固定载波频率），以及自适应磁链观测器技术。
　　3 直线电机关键技术应用分析——以直线电机的往复运动控制技术应用为例
　　 在现代信息技术的发展下，直线电机控制系统的发展和应用让操作人员的控制能力得到了进一步的提升。笔者以直线电机的往复运动控制技术应用为例，讨论如下。
　　 直线电机往复运动需要分析系统的位置跟踪时误差，包括加速/减速运行状态、空载运行状态、负载运行状态等，同时提出与之对应的，对直线电机控制系统位置误差进行补偿的方式。直线电机的运行中，位置曲线的设置可采用斜坡曲线，这种曲线也是一种给定的阶跃速度信号。直线电机往复运动过程中，要经历“启动”和“停止”，不同位置下的超调较大，系统惯性将对PI调节器性能造成限制，斜坡位置曲线下，直线电机系统发生震荡的情况较多。因此，在直线电机系统中，位置曲线通常由上位机系统给定，独立变频器控制系统则首先要在系统当中设置复位移曲线。直线电机位置跟踪误差的补偿中，可采取速度前馈矫正策略，或者采用负载阻力、加速度、粘滞摩擦系数等作出矫正。
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