直线电机保护装置的设计与控制方法

刘亚奇，郝术壮，朱 伟，孟庆嵩

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

直线电机也称线性电机或线性马达，它可以看做由旋转电机沿径向剖开并展平而成。随着技术的成熟和工业的发展，直线电机在工程中的应用越来越普遍，目前最常用的直线电机有平板式、U 型槽式和管式，动子线圈的典型一般是三相[1]。本实验平台驱动器控制的直线电机就是一种由霍尔元件实现无刷换相的三相电机。

随着直线电机技术的成熟，直线运动可以直接由直线电机提供，消除了中间运动转换。诚然，在效率和精度方面，直线电机比传统的旋转机械系统有很多独特的优势[2]。正是直线电机的这些优点对实际应用有很重要意义，所以越来越多的工程设计中都在使用这种执行机构。尽管直线电机具有诸多优势，在工业机器人、机床等各个领域都有广泛的应用[3]。但是，如遇到大负载而且驱动轴是竖直面的情况，传统的机械力转化的旋转电机就会显示出它的优势。这主要是因为直线电机在失电的情况下，尤其在竖直面运动时动子容易掉落，发生事故。这就需要外部加机械保护装置，而且这种保护要动作迅速。本文就是针对直线电机使用中的这个缺陷，利用驱动器检测到的掉电信号快速驱动保护机构做出响应，避免事故发生。考虑到反应时间迅速，本文选用了螺线管作为电气驱动元件，快速驱动执行机构做为直线电机的保护。

1 螺线管应用

螺线管是由导线均匀绕成的圆筒形三维线圈，作为重要元件，它可以为很多物理实验提供均匀磁场，也可以用做电磁铁或电感器。在工程学里，螺线管泛指一些将电能量转换为直线运动的转换器。在物理学里，螺线管指的是多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个金属芯。当有电流通过导线时，螺线管内部会产生磁场。直流电通过导线时产生磁场，把插棒式铁心吸进螺线管中[4]。

机电螺线管是由电磁感应线圈，卷绕于可移动的不锈钢或铁材质的电枢外面所组成的机电原件。当感应线圈乘载电流时，会有磁场产生，感应线圈变成一个电磁铁，吸引或排斥电枢，造成电枢的移动，可以用来操控其它机械结构。本实验选用新电源螺线管就是基于这种机理。

2 直线电机防跌落保护装置的设计与实现

防跌落保护机构的机械结构由外壳、滑块、销轴、螺线管、卡钩等部分组成，如图1 所示。

图1 直线电机防跌落保护装置

其工作原理是：螺线管未通电时，铁芯处于未伸出状态，滑块在弹簧推力作用下到达行程顶端，卡钩在扭簧的作用下与滑块在圆弧段接触，此时为自由状态。当控制系统检测到直线电机驱动器装置的电机使能信号消失，立即驱动螺线管通电，使螺线管铁芯动作；在螺线管铁芯的推动下，滑块克服弹簧阻力向下运动，同时推动卡钩旋转；当铁芯到达极限位置时，滑块推动卡钩也到达极限位置，此时滑块与卡钩的接触点在卡钩圆弧的直线段，实现了位置的自锁功能。这样保证了卡钩即使在受到直线电机掉电运动冲击也能够被滑块栓塞住而不会退回。当驱动器和电机故障解除后，控制系统使螺线管断电，滑块在弹簧的推力作用下向上运动，推动铁芯复位，此时滑块和卡钩的接触卡钩也在扭簧的作用下复位，保证卡钩与滑块在圆弧段接触。

因摩擦力不大，且其对结果影响甚微，故分析中将其略去。对机构进行受力分析，如图2 所示。

由受力分析，并根据牛顿定律，可得：

其中，

T-螺线管推力；

F-滑块与挂钩件相互作用力；

G-滑块重力；

R-弹簧弹力；

m-滑块质量；

M0-扭簧扭矩；

I-挂钩转动惯量；

r-圆弧半径；

x-滑块圆弧中心的位置；

θ-滑块与挂钩件相互作用力与竖向的夹角；

准-挂钩圆弧中心、转轴中心之间连线与竖向的夹角；

H-滑块圆弧中心与转轴中心在水平方向的距离。

图2 保护机构力学分析

代入设计的机械数据并求解方程，即可得到计算结果。采用Adams 软件进行动力学仿真，得出挂钩的转角与时间的关系曲线如图3 所示，仿真结果为120 ms。

图3 系统仿真转角和时间的关系曲线

3 电气试验与测试结果

3.1 电气测试设计原理

为了验证设计的机械结构的有效性，我们需要搭建实际的机电测试平台。为此，选用了新电源SIZE130PULL 系列的螺线管，根据Copley 电机驱动器，利用它的掉电去使能刹车信号设计电路板驱动螺线管运动，并且用光纤放大器和示波器测试整体机电系统的响应时间。

3.1.1 电气设计准备

Z 向直线电机出错后会直接去使能，掉电自由坠落。为此，我们可以手动模拟掉电的去使能过程，并且通过Copley 驱动器自带的软件测量出最大行程的跌落时间，作为后续设计实验的时间参考。测得消耗时间大约为148 ms，这就要求保护装置反应要灵敏并且在这个反映时间范围之内尽可能地小。为了保证尽量小的时间延迟，保护装置要完全脱离软件检测，直接靠硬件驱动去控制驱动螺线管运动。为此，我们利用驱动器的Brk 信号，通过硬件电路检测到Brk 的有无来驱动螺线管运动。驱动器的内部电路和外部供电的示意如图4 所示。

图4 驱动器J4 口示意图

3.1.2 驱动电路设计

本实验电路主要实现用直线电机驱动器的J4口输出的Brk 信号通过驱动电路控制螺线管的通断，实现保护机构的运动。用Protel 设计的驱动实验电路如图5 所示。

图5 螺线管驱动电路原理图

其中，J2连接驱动器的去使能信号，得到信号后通电24 V，驱动PC817 光藕控制三极管IRF540N的通断，并且通过J1电源给J3螺线管供电，驱动螺线管铁芯运动带动保护机构，使得保护装置的卡勾弹出实现直线电机的动子跌落保护功能。

3.1.3 保护装置反应时间测试

保护装置是在设备报错的情况下及时做出反应，避免事故的发生，这就要求出错后反应要尽可能的快。为了测试出这个极短的反应时间，我们需要设计搭建一种巧妙的测试平台，精确的测量出系统反应时间。测试平台如图6 所示。

图6 保护机构机电系统实验测试平台

测试原理，光纤放大器通过检测到卡勾到位之后，给出一个开关量输出，通过接入示波器可以方便的观察到这个信号输出，与记录的初始电源接通的信号时间做差，通过示波器的游标可以得出整个保护系统的响应时间。

3.2 试验测试结果与分析

3.2.1 螺线管反应时间测试

示波器采图如表1 所示。

表1 不同行程下螺线管反应时间

由表1 可见，单独螺线管在不同行程下的响应都比较快。

3.2.2 系统整体反应时间测试

我们把掉电信号和机械挂钩到位信号用示波器采集，可以得到波形图下图7 所示。

图7 保护机构整体系统反应时间

其中，黄线的跳变折线点表示直线电机掉电时刻，绿线折线点表示光纤放大器检测到挂钩的到位时刻。两者之间的时间差值就是系统的整体反应时间。

4 实验分析与结论

键合头在整个行程中去使能自由落体，耗时为148 ms。目前由测试结果看，螺线管反应时间为18.4 ms，完全符合设计要求。这主要是因为检测和驱动都是依赖于硬件电路，并且机械装置设计小巧，扭簧、弹簧弹性系数很小，且卡勾质量较轻。

5 结束语

该机构是针对直线电机动子在竖直Z 向运动时由于驱动器出错报警或者其它原因造成电机使能信号消失跌落，保护运动机构和接触面而设计完成的。这套机电机构解决了直线电机没有刹车抱闸功能的缺陷，具有很强的实际应用价值，结构简单灵巧，整体反应时间比较快，一般的保护都能实现，能很好的应用于实际生产中。相信随着直线电机的发展，这种保护机构会更好的集成在电机保护设计中，有很好的应用前景。

[1] 叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 王莉.现代直线电机关键控制技术及其应用研究[D].浙江大学，2012.

[3] 宋书中，胡业发，周祖德. 直线电机的发展及应用概况[J]. 控制工程，2006，13(3)：199-277.

[4] 王少杰.大学物理学（第二版）[M].上海：同济大学出版社，2002.