（生物医学工程专业论文）脉动流实验装置的直线电机设计与仿真.pdf

四川大学硕士毕业论文 ( 2 ) 为了提高气隙磁通密度，对电机的结构做了各种变化，寻求一种最好的设 计机构。由于成本的考虑，不可能通过对不同的结构电机都设计一种样机 来实验，所以运用k n s y s 有限元技术来仿真不同结构模型的电机，通过仿 真的结果来选取电机最合适的设计结构。 ( 3 ) 在选定这种结构之后对这种模型的电机做优化设计，阐述了优化设计的原 理和方法，本文结合实际两种模型的电机制定了优化设计方案，运用 a n s y s 的优化工具完成了优化设计，并对优化结果做了分析。 ( 4 ) 动力学的响应也是直线电机的重要性能体现之一。本文运用h n s y s 对电机 的动态电压输入与力响应输出作了仿真。分析了电机输出力略有延迟的现 象。 ( 5 ) 电机的功率放大也是直接影响到电机的推力重要因素，提高驱动电压和电 流，可以进一步提升了电机的输出力，以前的功放电路是依靠线性放大电路 来放大电机驱动信号，这种方法功率放大效率较低，发热量大，很难输出大 电流，同时这种功率放大电路控制精度不高。本文改进了原来的功放电路， 采用脉宽调制功率放大电路，改善了电机的性能。 ( 6 ) 对于仿真的结果是否合理，需要实验来检验。本论文搭建电机测试平台，电 机的最大持续推力通过岛津试验仪可以精确的测量。另外搭建了位移检测平 台对电机的启动过程的动态响应作了实际检测。分析了位移，速度，加速 度，电压，电流，电阻，功率及气隙磁感应强度等电机参数。试验表明，设 计的电机性能符合仿真的结果。同时也验证了功放电路的优越性能，最后 分析了此次电机设计的不足，指出了未来研究的方向。 关键词：直线电机，有限元，优化设计，功率放大 四川大学硬士毕业论文 t h ed e s i g n i n ga n ds i m u l a t i n go ft h el i n e a rm o w ri ni n t h ep u l s ep u l s a t i n gf l o we x p e r i m e n td e v i c e b i om e d i c i n ee n 蜘n g p o s t g r a d u a t e ：l i n gz h i p e n gs u p e r v i s o r ：p r o f z o uy u a n w e n a b s t r a c t ： n el i n e a rd r i v e rd e v i c ei sa l li m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ep u l s ep u l s a t i n gf l o w e x p e r i m e n ta n ds u p p l i e st h ee x t r a c o r p o r e a lc i r c u l a t i o nw i mt h ei m p e t u sa n dt h ec e l l c u l t u r ew i t hq u a s i - p h y s i o l o g yf l o w i nc u r r e n t ，t h el i n e a rd r i v e ri np u l s a t i n gf l o w e x p e r i m e n ti st h el i n e a rm o t o rp r o v i d i n gt h el i n e a rf o r c e ，s i m p l i f y i n gt h ec o m p l e x m e c h a n i s ms t r u c t u r ew h i c hu s e st h er o t a t i n gm o t o ra p p e n d i n gt h ec o n v e r s i o nd e v i c e a n d i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y o ft h em e c h a n i ct r a n s m i s s i o n b e c a u s et h e p h y s i o l o g i c a le n v i r o n m e n ti sv e r yc o m p l e xa n dt h es t u d yo f t h ec e l lp h y s i o l o g i c a n dp a t h o l o g i cp h e n o m e n as t i l ll i e st ot h ee x t r a c o r p o r e a lc e l l s e g r e g a t i o na n d c u l t u r e ，t h e c a p a b i l i t yo ft h ep u l s ep u l s a t i n gf l o we x p e r i m e n td e v i c ei si m p o r t a n tt o e s t a b l i s ht h ee x t r a c o r p o r e a lp h y s i o l o g yc i r c u l a t i o n t h ep u r p o s et ot h i sp a p e ri st od e s i g nak i n do fl i n e a rm o t o rw i t h l a r g ef o r c e d r i v i n gt h ep u l s ep u l s a t i n gf l o we x p e r i m e n t ，a n ds u p p l y i n gt h ef l u i df i e l dw i t h e n o u g hp r e s s u r ef o re x t r a c o r p o r e a lc e l l s 1 i n e a rm o t o rh a v em a n yc a t e g o r y t h i sp a p e r i st os t u d yt h ev o i c ec o i lp e r m a n e n tm a g i cl i n e a rm o t o r , t h i sk i n do fm o t o ra p p l i e s t h ea d v a n c ep r o d u c t i o ni nc u r r e n tr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g i cm a t e r i a l sa n d e l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n i q u e i th a sm a n ym a r k e da d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lc u b a g e ， l l i 四川大学硕士毕业论文 l a r g es p e c i f i cp o w e r ，h i g he f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n g ，s t a t i o n a r i t ya n df i r m n e s s t h e f o r m e rl i n e a rm o t o rc a n n o tp r o v i d et h eb e t t e rf o r c es ot h a tt h ep r e s s u r eo f t h ef l u i di n t h ep u l s a t i n gf l o we x p e r i m e n tr o s ee n o u g h ，s od e s i g n i n gt h em o t o rs t r u c t u r ea n dh i g h e f f e c t i v ep o w e rd r i v e rr e a s o n a b l yi st h ek e yt e c h n i q u ei nd e s i g n i n gt h el i n e a rm o t o r t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h e s es u b j e c t sb e l o w ： o ) t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ec u r r e n tl i t e r a t u r e s a n dl i n e a rm o t o r s a c t u a l i t ya n d d e v e l o p m e n t t h ec u r r e n td e s i g n i n gm e t h o d so f t h el i n e a rm o t o r ，t h e c u r r e n ta l l d e v e l o p i n go p t i m i z e dd e s i g n i n go ft h em o t o r w e r ee s p e c i a l l yr e v i e w e d ( 2 ) h ao r d e rt oi m p r o v et h ed e n s i t yo f m a g n e t i cf i e l d ，t h i sp a p e rv a r i e d t h e s t r u c t u r eo f t h em o t o ra n ds e e kt h eb e s ts t r u c t u r e b e c a u s eo f t h ec o s t ，t h ee x p e r i m e n t t e s t e db yd e s i g n i n gd i f f e r e n ts t r u c t u r e so ft h em o t o rc a n n o tb ea c c e p t e d s o ，t h i s p a p e ra p p l i e dt h ea n s y st h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o db ya n s y st os i m u l a t et h e v a r i e dm o t o r s b yt h er e s u l t ，t h i sp a p e rw a st os e l e c tt h eb e s ts t r u c t u r et od e s i g n ( 3 ) a f t e rs e l e c t i n gt h es t r u c t u r eo f t h em o t o r , t h i sp a p e rr e s e a r c ht h eo p t i m i z a t i o no f t h i sm o d e sm o t o r ，a n di n d i c a t e dt h et h e o r ya n dm e t h o do ft h eo p t i m i z e dd e s i g n i n g i ta l s oe s t a b l i s h e do p t i m i z e d p r o j e c t s f o rt w om o d e s m o t o ri n p r a c t i c e a n d a n a l y z e dt h er e s u l to f t h eo p t i m i z e dd e s i g n i n g ( 4 ) t h ed y n a m i c a lr e s p o n s ei st h ei m p o r t a n tc a p a b i l i t yo f t h el i n e a rm o t o f t h i sp a p e r u s i n gt h ea n s y s ，s i m u l a t e dt h ev o l t a g e - f o r c er e s p o n s ea n dd i s p l a yt h ef o r c es e n t o u tb ym o t o rh a dap e r i o dd e f e r m e n t ( 5 ) m o t o r s p o w e ra m p l i f i c a t i o na l s o i st h ei m p o r t a n tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e dt h e m o t o r s f o r c e i m p r o v i n gt h ed r i v ev o l t a g ea n dc u r r e n tc a l li m p r o v i n gt h ef o r c e f u r t h e r t h ef o r m e rp o w e ra m p l i f y i n gc i r c u i ta m p l i f i e dt h es i g n a ld e p e n d i n go nt h e l i n e a ra m p l i f l c a t o r yc i r c u i t i t se f f i c i e n c yi sl o w e ra n dt h ee a l o r i f i cv a l u e 。i sl a r g e a n dc a n n o ts e n do u ts t r o n gc u r r e n t a l s o ，i t s p r e c i s i o n w a sl o w t h i sp a p e r i m p r o v e d t h ef o r m e rc i r c u i t ，u s e dp w mp o w e r a m p l i f i c a t o r y c i r c u i ta n dt h e m o t o r sc a p 曲i l i t yr o s ec l e a r l y ( 6 ) t l a er e s u l to f t h es i m u l a t i n gn e e d st ob ep r o v e db ye x p e r i m e n t 。t h i sp a p e rc r e a t e d t h ep l a t f o r mt ot e s tt h em o t o r t h em o t o r sl a r g e s tc o n t i n u o u sf o r c ec a nb et e s t e db y t h ej i n d a oe q u i p m e n t o nt h es i d e , t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h ed i s p l a c ep l a t f o r mt o i v 粤奎兰堡主兰些丝苎 一 t e s tt h ed y n a m i c a lr e s p o n s eo ft h ep r o c e s si nm o t o r ss t a r t u pp e r i o da n da n a l y z e d t h em o t o rf a c t o r ss u c ha sd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n ，v o l t a g e ，c u r r e n t ， r e s i s t a n c e ，p o w e ra n dt h ed e n s i t yo f m a g n e t i cf i e l d a t t h es a m et i m e , i tp r o v e d p o w e ra m p l i f i c a t i o nc i r c u i th a d s u p e r i o rc a p a b i l i t y f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z e d t h ei n s u f f i c i e n c yi nt h i sp a p e r , a n dp o i n t e do u tt h ed i r e c t i o no ft h er e s e a r c h k e y w o r d s ：l i n e a rm o t o r ，f i n i t ee l e m e n t ，o p t i m i z e dd e s i g n i n g ，p o w e r a m p l i f i c a t i o n v 四川大学硕士毕业论文 论文声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下 取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。 研究生 指导教师签字 四川大学项士毕业论文 1 绪论 1 1 引言 直线电机是脉动流实验装置中的核心部件之一，驱动循环系统可靠运行，脉 动流实验的流场压力曲线要模拟人体心脏压力曲线，如果用旋转电机，中间要 转换装置，容易磨损，不易控制。用直线电机来驱动循环系统，可以克服这些 缺点，直线电机的优势在于电能直接转化成直线运动的机械能，减少了其中的机 械转换装置。使流场的控制变得简单易行，增强直线电机的推力、提高行程， 对改进生物力学体外循环模拟装置的性能起作关键的作用。 1 2 直线电机的发展史 直线电机的发展经历了漫长的历史，1 9 世纪就开始有人研究，但未获成功， 直到2 0 世纪5 0 年代中期，控制技术和材料技术的不断发展使直线电机的理论 和应用获得了迅速发展。到了7 0 年代以后，直线电机的应用领域更加广泛，如 自动绘图仪，电磁锤，轻工机械，家电，空气压缩机，半导体装置等，近1 0 年 来，由于高速、精密机床进给系统的需要，使直线电机的优越性体现出来。“3 直线电机有多种种类，但发展不平衡，早期的直线电机以感应电机为主，但从 上世纪9 0 年代以来，永磁材料的性能不断提高。1 ，特别是高性能永磁材料的钕 铁硼问世，永磁直线电机得到了大量的研究和应用。因为感应电机需要电激磁， 效率低，发热大，次极需要冷却，精度低，逐渐被永磁直线电机取代。 1 3 直线电机的应用 直线电机不仅广泛应用于工业，交通运输业，军事装备业，而且也逐渐进 入到人们的日常生活。例如：磁悬浮列车就是直线电机在交通运输业中的典型 应用；在军事上，人们利用直线电机制成了各种电磁炮，并试图将直线电机用 于导弹，火箭的发射；在工业领域，如用于冶金工业中的电磁泵，液态金属搅 拌器；在纺织业中，直线电机驱动的电梭子，割麻装置以及各种自动化仪表和 电动执行机构；在物料与搬送方面，在垂直输送方面，有直线电机电梯，升降 机，在平面输送方面有直线电机驱动的卣日政包件分拣送线，行李分拣输送线， 钢材生产输送线，电气，电子，机械加工生长线，食品加工线，制药生产线等 四川大学硕士毕业论文 各种工业加工线，装配线，检测线，商场，医院等场合的物料输送及立体仓库 的搬运，立体汽车库的调度等；在民用与建筑业方面，直线电机还被用于门， 窗，电梯等民用装置上。当前制造业向着高速，高精度方向发展，如电子制造 工艺和微系统制造技术需要亚微米级的精度；直线电机直接驱动系统正是适应 了上述需要在高速高精度的机械制造装备与大行程超高精密的电子制造工程领 域得到了广泛的开发与应用。 1 4 直线电机在交通与民用方面的应用 磁悬浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，采用磁力悬浮 车体、直线电机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行，在交通技术发展史上是 一个重大的突破，被誉为2 l 世纪一种理想的交通工具，磁悬浮车与现有常规车 相比，主要优点是：速度快( 5 0 0 k m h ) ，安全，无翻车，无噪声振动，占地小， 爬坡强，结构简单，节能。国内外许多国家如德国、日本、美国、法国、英国、 俄罗斯、加拿大、韩国、瑞士、瑞典及中国都已投入了这方面的研制，其中尤 以德国、日本最为突出，投入最大，持续对问最长。中国目前除上海的磁悬浮 列车在外，还有北京、四川等地也在进行这方面的工作。 直线电机在交通方面的应用，除磁悬浮列车外，还被应用于电磁推进船的 驱动，它将像喷气式飞机优于螺旋桨飞机一样优于一般螺旋桨推进的船舶，美 国将其应用于军事舰艇，日本则于1 9 9 2 年6 月完成世界上第一艘载人超导直线 电磁推进船“大和一号”并在日本神户港正式试航成功。此外，在交通应用方 面，直线电机还被应用于驱动地铁车和高速公路车等。 直线电机在民用方面，发展较为迅速，产品较为成熟，应用面广。目前已 应用的有直线电机驱动门，直线电机驱动窗和窗帘，直线电机驱动的床、柜、 桌、椅，盘型直线电机驱动的洗衣机，空调、电冰箱用直线电机压缩机，用直 线电机驱动的家用针织机和缝纫机、炒茶机等。特别是用直线电机驱动的电梯， 它所具有的结构简单、省材、省空间、高速、低噪声、节能等优点，引起电梯 界的极大关注。世界各国一些著名电梯公司正在不断以各种方式进厅这方面的 试制，并有了少量的产品问世。如日本松下公司与美国奥的斯公司合作的松下 奥的斯已生产了千台直线电机电梯。1 9 9 0 年4 月，第一台使用直线电机驱动的 电梯安装在日本东京丰岛万世大楼。日本三菱公司也曾试制了一台直线电机电 2 罂型查兰堡主丝堡苎 梯并曾在国外展出，日立以及富士公司也彝茬疆蛔是鬓趋品。日本富士、富士 达、川崎重工、石川岛播磨和清水建设 月7 5 家公司首先推出了 一种可同时垂直、水平、曲线线路和有芬受线路运行的直线同步电机运输系统。 我国浙江大学也已研制了一台l o m ，可模拟三层运行的直线电机电梯样机。 1 5 直线电机在军事及其他方面的应用 直线电机在军事上也得到了一些应用，如前面所述的直线电机驱动的潜艇， 还有直线电机驱动的电磁炮，美国曾在1 9 9 5 年宣布已完成。此外，在一些军事 设施上，如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器和导弹的发射等等。 直线电机还可用于天文观测系统中驱动摆镜和反观镜( 中科院电工所研 制) ，直线电机驱动人工心脏( 日本山田先生研制) ，直线电机驱动的盲人触 觉模拟器( 日本) ，直线电机在医院设备、电动工具、玩具以及建筑用打桩机等 方面也得到应用。 1 6 直线电机原理结构特点 图1 1 由旋转电机演变为直线电机的过程 直线电机能直接将电能转化成机械能。其结构可以看成将旋转电机沿径向 剖开，展成平面而成。如图1 1 伽。直线电机不仅在结构上从旋转电机演变而来， 而且其基本原来也与旋转电机相似，即利用绕组电流或永磁体在气隙中形成磁 场，通过载流导体或导条与气隙磁场相互作用产生电磁推力，使得次级或动子 沿着磁场运动，其原理见图1 2 所示： 四川大学硕士毕业论文 图1 2 直线电机基本原理示意图 直线电机在不同的场合有不同的分类。按其结构形式主要分为偏平型，圆 筒型，圆盘型和圆弧型四种。从其原理上进行分类，每种旋转电机都有与其对 应的直线电机，主要包括直线感应电机，直线直流电机，直线步进电机。直线 感应电机原理如图1 3 所示，初级绕组电流在气隙中产生行波磁场，与次级相 互作用长生电磁推力。使次级沿着行波磁场方向运动。 图1 3 直线感应电机基本原理示意图 直线直流电机的基本工作原理如图1 4 所示，由永磁体产生大致均匀的磁 场，当初级线圈中通入直流电流时，载有电流的导体与电磁场相互作用产生电 磁力，电磁力的方向由左手定则确定，改变电流的方向就可以改变受力的方向， 如果初级固定，则次级将在电磁力的作用下产生直线运动。 4 四川大学硬士毕业论文 圉1 4 直线直流电机基本原理示意图 直线步进电机是将输入的电脉冲信号转换成微步直线运动的驱动装置。按 其电磁推力产生的原理可分为两大类：一类是变磁阻式直线步进电机，另一类 是混合式步进电机。变磁阻式直线步进电机内部的磁场力，仅由通入各相绕组 的脉冲电流产生，其原理如图1 5 所示。当步进电机的一相或两相绕组电流通 过脉冲电流时，相绕组长生磁动势并总是力图往磁阻最小的路径走，因此电机 的动子，定子之间产生使磁通通路磁阻尽量变小倾向的电磁推力，从而使动子 产生微步运动。”。 图1 5 直线步进电机基本原理示意图 圆筒型直线是再把展成平面的直线电机沿另外一个方向做成轴对称圆柱 型。因为圆筒型直线电机对称性好，漏磁少，气隙磁感应强度强，能提供更大 的直线推力。 四川大学硕士毕业论文 1 7 直线电机特点 直线电机与旋转电机相比，由于结构简化带来的一系列优越性使其在高速 加工和精密制造工程等装备得到了广泛的关注和应用，同样由于在应用方面面 临的诸多挑战使其难以完全替代旋转电机。传统直线司服机构是典型的旋转电 机加上滚珠丝杠，直线电机直接驱动系统取消了中间传动环节，简化了机械结 构，具有优越的加减速度特性，并提高了系统的刚度和可靠性，同时降低了运 行噪声，行程无限制，维护简单等优点。1 。 直线电机有以下一些优点： ( 1 ) 动态响应快，定位精度高。直线电机直接驱动系统由于取消了中间机械传动 环节，消除了反向间隙，系统的弹性变形大大减少，运动惯量也减少，使整 个闭环控制系统的动态响应性能和定位精度大大提高，目前定位精度最高可 达_ 7 a m “。 ( 2 ) 直线移动速度快。由于无离心力作用，直线速度可以不受限制。目前在机床 应用的直线电机实际可用的最大进给速度达1 5 0 2 l o r e r a i n ”1 。 ( 3 ) 加减速度大。加减速度最高可达l o g ”1 ，从而实现启动瞬间达到高速，高速 运行时又能瞬间准停，这对于机床等短行程进给非常有利。 ( 4 ) 启动推力大。目前直线电机的最大推力已达2 0 0 0 n 。1 ，从理论上讲，直线电 动机不存在任何推力极限。 ( 5 ) 行程长度不收限制，在导轨上通过串联直线电机的定子，就可无限延长动件 的行程长度。 ( 6 ) 运行噪声低，传动效率高。由于无中间传动环节，大幅度减小了机械摩擦。 使运动噪声大大下降，而由摩擦，弹性变形所引起的能量耗损大大减小。1 1 。8 直线电机存在的问题 ( 1 ) 直线电机本身的功率和效率因素较低。这主要是由于直线电机初，次极之间 的气隙大以及存在边端效应的缘故。“1 ( 2 ) 重力加速度问题。当应用于垂直进给机构时，必须要解决好直线电动机断电 时的自锁问题和通电工作时重力加速度对其影响问题。这需要在电机和司服 驱动控制模块上采取相应的措施。 ( 3 ) 司服控制难度加大。直线电机转动控制只能是全闭环控制。其工作台负载的 6 四川大学硕士毕业论文 变化，对一个稳定系统来说就是外界干扰，若自动调节不好就会引起系统振 荡而失稳”1 。 ( 4 ) 隔磁及防护问题。由于直线电机的磁场是敞开式的，并且就在机床工作台 附近，其工件和工具等磁性材料很容易被该磁场吸住，而妨碍其正常工作。 ( 5 ) 重力加速度问题，当直线电机应用与垂直进给机构时，必须要解决好断电时 的自锁和通电工作时重力加速度对其影响问题，这需要在电机和司服驱动 控制模块上采取相应的措施。” ( 6 ) 直线电机直接驱动进给系统具有良好的加减速度特性，由于加减速度大，使 工作台所受的惯性力很大，对床生是一个很大的冲击。要求床身具有良好 的抗震性和合理的基座安装刚性。0 1 综合直线电机应用面临的挑战和优越性，以及当前制作成本等因素，直线 电机主要适合以下应用场合： ( 1 ) 加速度大于2 9 ( g ：重力加速度) ； ( 2 ) 速度大于0 5 m s ； ( 3 ) 精度高于0 5 u m ； ( 4 ) 重复定位精度在微米级条件下稳定时间低于0 1 秒。 从上面可以看出，由于制造与控制成本等方面的原因，直线电机直接驱动 主要适合于高速，高精度，大行程，高动态响应，低噪声要求场合，特别适合 于定位运动多，速度变换快与运动方向变换频繁的场合。 1 9 直线电动机驱动控制技术 尽管在1 8 4 5 年w h e a ts t o n e 就提出和制作了世界上第一台直线电动机”1 ， 并一度出现直线电动机热，但在当时的技术条件下，同旋转电动机相比，还体 现不出直线电动机的优越性，以致人们一度对它失去信心。直至2 0 世纪5 0 年 代中期，控制、材料等技术的飞速发展，促进了直线电动机的应用和发展。特 别是近1 0 年来，由于高速、精密机床进给系统的需要，使得直线电动机的优越 性充分体现出来，并受到高度重视，直线电动机的研究重新成为热点。目前， 对直线电动机的研究主要体现在直线电动机理论、设计与控制技术三个方面。 由于直线电动机结构的特殊性，导致了旋转电动机的理论不能直接应用到直线 电动机上，也使直线电动机的分析变得更为复杂。为此，人们进行了大量的研 7 四川大学硕士毕业论文 究工作，提出了许多理论分析方法，如：直接解法、分层理论法、有限元法、 边界元法等嘲。直线电动机的设计也无法使用旋转电动机的设计准则。直线电 动机的设计准则是由l a i t h w a i t e 在1 9 6 5 年提出来的品质因数g 。它是表示直线 电动机电路与磁路耦合程度的质量因数。在直线电动机的设计中，研究较多的 是采取各种措施来降低端部效应的影响。埘以及引入了各种数值算法和优化算 法对直线电动机进行优化设计“”。在一个直线电动机应用系统中，不仅要有 性能良好的直线电动机，还必须要有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要 求的控制系统。近年来，随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电动 机的控制技术日趋成熟，其核心控制部件可以采用p l c 、各种类型的单片机、p c 机、d s p 芯片或者它们的组合，外围的输出通道可采用继电器、晶闸管和固态继 电器等。直线电动机的控制方法也越来越多，可以说对直线电动机控制的研究 已经超过了对其理论和设计的研究。 1 9 1 传统控制技术 p i d 控制是一种简单而实用的控制方法，具有较强的鲁棒性，在直线电动 机驱动系统中获得了广泛的应用。如邓中亮等采用了一种以8 0 9 8 单片机为主控 制器的数字p i d 控制系统“”；p r i ts c h o w 等在直线电动机进给系统中采用了p 位置控制器和p p i 速度控制器“”。s m i t h 预估计器与控制器并联，可以使控 制对象的时间滞后得到补偿，这对解决直线电动机驱动系统中逆变器电力传输 延迟和速度测量滞后所造成的速度反馈滞后影响十分有效。对于交流直线电机 驱动系统，由于存在着多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在较强的 耦合作用，为了提高控制效果，往往采用解耦控制算法和矢量控制技术“”。 1 9 2 现代控制技术 采用自适应控制可以降低或消除直线电动机特性参数变化对控制性能的影 响。如邓中亮在用于中凸变椭圆活塞车削加工的刀具微进给直线电动机驱动系 统中，就采用了自适应控制方法“。滑模变结构控制由于具有控制规律简单、 动态响应快、对系统参数及扰动变化不敏感、无需在线辨识与设计等优点，因 而在直线电动机驱动系统中得到了成功的应用。如石丽梅等提出了一种利用电 机的电压、电流和电机本身参数，通过滑模观测器产生控制器所需反馈信息的 8 四川大学硕士毕业论文 控制方法“7 3 ：s a t o s h i 等提出了基于扰动观测器的加速度前馈位置控制系统 “。h 。控制是鲁棒控制中较为成熟的控制方法，它在设计中就考虑了系统数 学模型在一定范围内存在的不确定性误差，具有很强的鲁棒性。非常适合直线 电动机驱动系统的控制。如c h i n t a ec h o i 等在端铣床的直线电动机进给驱动中 就采用了m i m o h 一控制器来减少铣削力所引起的跟踪误差，并与p i d 控制进行 了对比汹 。 1 9 3 智能控制技术 近年来，模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动 机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与p i d 、h 一控制等现 有的成熟控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。如刘金凌等在 用于中凸变椭圆活塞车削加工的刀具微迸给直线电动机驱动系统中，采用了模 糊推理自校正p i d 控制方法啪1 ：郭庆鼎等在永磁直线同步伺服系统中分别采用 了神经网络的实时i p 位置控制器0 1 1 和基于神经网络给定补偿的h 一控制策 略。可以预计，智能控制必将成为直线电动机进给驱动系统中最重要的控制方 法之一。尽管人们在直线电动机的控制方面进行了大量的研究工作，对现有控 制技术进行了不少改进，发展了一些新的控制方法，取得了不少成果和一些成 功的应用实例。但是，要在高速、精密机床进给系统中广泛采用直线电动机，在 控制方面还有许多工作要做。 1 1 0 国外研究状况 日本神冈电机公司开发立体传输的直线感应电机，从而使医院护士的看护 工作降低了4 0 的强度。一个医院可以使用几十台甚至上千台这样的电机。在电 机的磁场分析，控制等技术方面实现了突破，成为直线电机的驱动研究的一个 新的指导方向。 三洋电气公司转向引入用于z 轴的高频率，高加速度的直线电机并着手于 开发研究从短程用途到环绕型直线电机。作为开发要点，并不限于电机的尺寸， 而是比较强调解决电机的边端效应，并且根据在旋转电机方面已经取得的成果 和实验结论来解决研究l s m 中遇到的问题。 日本安川电机公司开发真线电机驱动的司服装置系列，并在产品的通用普 9 四川大学硕士毕业论文 及和系列化上下了不少功夫。在这些方面，为使产品高性能，低价格，并具有 优越的结构，在设计方面充分利用了仿真技术。 日本三菱电机公司开发的直线电机系统，在许多方面下了功夫，并强调了 以高速化作为直线驱动机械普及的指导方针。 s o d i c k 公司将l s m 用于放电加工机，制作了直线冲床。5 0 k g 的冲头加速度 达9 s m s 2 ，以最大速度3 6 m m i n 的高效率高质量将加工物品进行处理。和传统 的冲床相比，能使加工时间减缩一半。 丰田公司将l d m 用于汽车，居室的自动窗帘和自动门上，还开发了铜丝车 间内的运送系统，并在线圈的形状，供电架，电刷，驱动方法上下了很大功夫。 松下电工公司开发了使用l o a 驱动的剃须刀( 也称直线抛光机) 。产品开发 的难点是因利用了机械振动配合弹簧的作用而对负载来说使振幅大大减少，解 决的方法是采用反馈的方式予以补偿。从有利于直线电机系统普及的角度来讲， 所强调的是较旋转电机系统更为小型化，控制更加简易和成本的降低。 在美国，已将直线电机灵活地装配在半导体电子产品中。1 9 9 7 年直线电机 产品的销售额为4 5 5 3 万元。 在欧美，过去一直热衷于研究宇宙飞船中应用的l o a ，但近年来，美国 s u n p o w e r 公司开发出一般环境下用于控制方面的磁铁可动型l o a ，这个l o a 的 容量是2 5 0 w ，驱动电源频率为5 0 h z ，6 0 h z 两种，为了提高效率，l o a 定子使用 了叠层电磁钢板，而动子部分的电磁铁重量为1 7 0 9 ，比较轻。嘲 1 1 1 国内研究状况 我国直线电机的研究和应用发展起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代初。开展 直线电机应用研究的单位主要有：中科院电工所、西安交通大学、浙江大学、 上海大学、太原工业大学、焦作矿业学院等。主要成果有工厂行车、电磁锤、 冲压机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、粒子加速器、 邮政分拣机、矿山运输系统、计算机磁盘定位系统、自动绘图仪、直线电机驱 动遥控( 电动) 窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机等，在磁悬浮列车的研究和 开发方面也取得了重大进展，并率先进入实用化阶段。 近年来，我国各级政府纷纷将直线电机技术的发展列入发展计划。在我国 “十五”计划中，将“直线电机系统研究”列入“精密制造与数控关键技术” 1 0 四川大学硕士毕业论文 进行攻关；2 0 0 3 年，受国家发改委高新技术产业司委托，建设部科技司负责组 织实施的“直线电机轨道交通技术与设备研究开发”项目立项，广州地铁四号 线、五号线( 在建) 采用直线电机运载系统，北京机场轨道交通线也将采用直 线电机运载系统；北京发改委在“产业结构调整方向暂行规定”( 2 0 0 3 年1 2 月) 中将“二轴以上联动的高速、精密数控机床、数控系统及交流伺服装置、直线 电机制造”列入优先发展的项目；2 0 0 4 年，浙江省将“高频往复式直线电机” 列入技术创新基金项目；2 0 0 5 年2 月，国家发改委、科技部发布的“国家重大 技术装备研制和重大产业专项规划”中，将“重点开发直线电机的系统技术、 直线电机系统的关键技术开发与设备研究”列入交通现代化关键技术；在军事 领域，中国工程物理研究院流体物理所、中科院等离子所也建有导轨型发射实 验装置， 1 1 2 直线电机未来发展 直线电机是一个重要的功能部件，受到了世界各国工业界的重视，由于用 途广阔，发展很快，呈现如下发展方向：新原理直线电机不断出现如日本古河 电气公司研制的超导直线电机，美国帕特鲁玛机电公司研制的微步距直线电机， 日本电气公司研制的压电驱动式直线电机，日本东京新生工业公司研制的超声 波直线电机，还有国外近年开始研究用薄膜材料作电机的定子、动子基片制作 薄膜直线电机等。在结构设计上向功能部件方向发展直线电机在结构设计上应 注重模块化、规格化和系列化从而形成功能部件。除电机主体外，应在防尘、 防切屑、冷却、防磁和安全保护等方面进行研究，形成完整的直线电机系统， 且易于安装和调整。 在技术性能上向高精度方向发展： 直线电机在技术性能上应提高动态性能和刚度，减少端部效应、齿槽效应 等所造成的推力波动，通过磁路设计达到推力和推力波动的要求，提高速度和 加速度以适应高速和超高速切削的要求。精度是一个重要的技术指标，要提高 定位精度和重复定位精度，这不仅和电机结构、磁路设计有关，同时和位置检 侧装置、控制系统等有关。当前，位置检测用光栅和磁尺较多，可考虑利用激 光检测。在控制技术上向数字化方向发展直线电机实际上是一个直线运动伺服 单元，控制系统是其不可分割的部分。直线电机与数字信号处理器( d s p ) 的结合， 四川大学硕士毕业论文 更使直线电机系统的综合性能发生了根本性的变化。控制策略也是非常重要的， 在p i d 控制的基础上发展了前馈控制、重复学习控制和非线性控制等技术。 直线电机在性能测试和质量检测方面尚有大量工作直线电机还正处于开发 和研究中，对其静动态推力、速度、加速度、位移等都应有相应的测试方法， 不同类型直线电机应制定相应的标准，其试验装置的设计和制造也应预以关注。 直线电机技术的发展，经历了不短的历史和几起几落波浪式的发展，由于 直线电机本身所具有的磁路开断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题， 故在一些直线运动的装置或系统中，是否采用新型的直线电机来驱动，要权衡 利弊得失，选择能充分发挥直线电机自身优势的直线运动装置或系统中发展应 用，在科学技术飞速发展的今天，在一些旋转电机或其他驱动装置无能为力或 勉强应付的地方，寻找直线电机能充分发挥优势的位置，在满足人类需求和完 善人类美好愿意的进程中求得自身的发展，前景是广阔的。 1 。1 3 电机电磁场研究方法 ( 1 ) 线性积分法：该方法主要针对铠装圆柱形螺线管的磁场求解。 ( 2 ) 磁路法：化“场”为“路”将磁场问题转化成磁路问题，一般又将磁路等效 成电路来求解。 ( 3 ) 图解法：是一种近似的计算方法，在不少几何特性复杂的二维或轴对称场域 可用图解法。 ( 4 ) 经验计算法：在实际设计工作中，更多的是采用经验计算。 ( 5 ) 试验法：有时候求解困难或现有的计算方法没有办法求解，就直接使用模拟 试验法，近年来随着仪器性能的提高和测试技术的提高，试验法成为最直接最 准确的方法。模拟试验法根据被研究的真实装置( 原型) 的性质或现象与模拟 之间场方程上的相似性，表征原型和模型的物理量间有确定的对应关系( 即相 似判据) ，从而通过测量模型的物理量以定量研究原型的一种试验方法。 ( 6 ) 数值计算法：利用计算机，采用数值计算方法来解决电磁场问题，是近3 0 年来发展起来的- - i - 新学科。数值计算法是以现代数学和力学为基础，以计算 机为辅助工具的数值方法，能够解决大多数无法得到解析解的工程问题。其中 数值计算法又包括下面几种方法： i 有限差分法：将磁场连续场域离散化，利用差分原理，用离散点的差商近似代 1 2 四川大学硕士毕业论文 替该点的偏导数，将偏微分方程组变成代数形式的差分方程组，求解边值问题。 i i 有限元法：以变分原理和剖分插值为基础，将待求的边值问题转化为相应的 变分问题，再利用不同的单元体将场域剖分插值，将变分问题离散成多元函数 的极值问题，求解这组多元代数方程组的数值解。使用于复杂形态的场域边界 问题。目前有限元法对电磁场分析计算中居主导地位，但它并不适合处理开域 问题。 i i i 边界元法：有限元法和差分法基于偏微分方程，而边界元法则基于积分方程。 积分方程法从宏观的角度来描述场，边界积分的离散仅涉及到边界，从而使未 知数大为减少，系数矩阵的形成又吸取了有限元法的插值方法，减少了计算时 间，提高了计算的精度。边界单元法根据积分定理，将区域内的微分方程变换 成边界上的积分方程。只需把所考虑区域的边界分割成许多单元，在每个单元 上考虑插值函数，就能将边界积分方程转化为多元代数方程，求解可得数值解。 这些方法各有优缺点，边界元只需将区域的边界分割成