基于长行程音圈电机的电磁轨道和控制方法

1.本发明涉及一种长行程分段式音圈电机导轨及其驱动控制方式，属于电机领域。


背景技术：

2.音圈电机具有结构简单，控制易解耦，高速、高加速等优点，但是由于其行程短、需要往复运动等问题，其难以用于长行程运行或多级加速等用途，且多线圈由同一驱动系统控制，驱动控制相对复杂，且故障修复周期长。
3.因此，针对以上不足，需要提供一种长行程音圈电机，将其应用于轨道运输，同时简化驱动控制方式。


技术实现要素：

4.针对现有音圈电机行程短不能用于长距离运输的问题，本发明提供一种基于长行程音圈电机的电磁轨道和控制方法。
5.本发明所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，包括托载底座1、动子2、定子3和轨道滑槽4；托载底座1、定子3和轨道滑槽4从下至上依次叠放，轨道滑槽4为向上开口槽体，所述动子2在轨道滑槽4中沿长度方向运动；
6.定子3包括m套沿长度方向等间距排布的定子绕组，m套定子绕组相互之间独立，并通过动子2的运动形成电磁场耦合，动子2依次与第1～m套定子绕组构成独立的音圈电机单元，m级音圈电机单元由驱动单元控制。
7.优选地，动子2采用磁钢，轨道滑槽4采用硅钢片。
8.优选地，定子3包括m+1段铁芯段3-1，相邻两段铁芯段3-1之间形成定子槽3-2，每个定子槽3-2嵌入一套定子绕组，定子绕组包括检测绕组3-3和控制绕组3-4；
9.检测绕组3-3用于检测动子2是否到达所在级音圈电机单元，并将检测到位置信号发送至控制单元，控制单元发送指令给动子当前位置所在级音圈电机单元对应的控制绕组3-4，向其通入对应的直流电流，控制绕组3-4的电磁场与动子2的永磁磁场相互耦合以维持动子2的运动。
10.优选地，控制单元包括fpga、多路输出选择器、m个电流传感器和m个电流放大电路；
11.当动子2运动至某一级音圈电机单元时，该级的检测绕组3-3切割动子2磁场产生电流，所述电流作为到达该级的位置信号通过一个电流传感器发送给fpga，fpga通过多路输出选择器将控制指令下达至当前位置对应级的控制绕组3-4中，所述控制指令包括作为本次控制对象的控制绕组3-4所在级位置及通入电流大小，检测绕组3-3检测到动子2到达本级后延迟时间td向本级控制绕组3-4通入电流；
12.m级控制绕组3-4构建电磁轨道，用于实现动子2携带负载长行程运动。
13.优选地，延迟时间td＝15～200μs。
14.优选地，控制电流指令通过一个电流放大电路下达至控制绕组3-4。
15.优选地，多路输出选择器选择4输入16输出多路输出选择器，fpga的16位数据输入端i1,i2,
…
,i16接收第1级～第16级检测绕组3-3检测的电流信号，fpga的4位输出端o1,o2,o3,o4作为位置信号输出端分别与多路输出选择器的地址选择位a 1,a2,a3,a4相连，用于控制多路输出选择器y1,y2,
…
,y16输出端择一输出；
16.fpga的模拟信号位o输出的电流值指令通过多路输出选择器下达至对应控制绕组3-4。
17.优选地，o1,o2,o3,o4输出0001,0002,
……
,1111,0000分别对应控制y1,y2,
…
,y15,y16输出端择一输出。
18.优选地，动子2的长度为铁芯段3-1的0.5倍～1倍。
19.本发明还提供一种技术方案：一种电磁轨道控制方法，该方法所述的基于长行程音圈电机的电磁轨道实现，该方法为，动子携带负载在所述电磁轨道上能够实现加速、减速和匀速运行；
20.其中，加速阶段向完成加速任务的n1个音圈电机单元的控制绕组中通入正向预设电流i1，i1按下式求取：
[0021][0022]
式中，l为控制绕组有效长度，n为控制绕组匝数，x为动子2与控制绕组的相对位置，b(x)为动子随位置的磁场分布；
[0023]
j1为完成加速电磁力做功大小，其中e1为加速阶段预设总动能，其中m为动子2与负载的合计质量，v1为加速阶段瞬时速度，根据初始时对动子的速度预设和加速阶段完成时的速度来确定；e
s1
为加速阶段总风阻能量损耗；
[0024]
其中，减速阶段向完成减速任务的n2个音圈电机单元的控制绕组中通入反向预设电流i2，i2按下式求取：
[0025][0026]
式中，j2为完成减速电磁力做功大小，其中e2为减速阶段预设总动能e
s2
为减速阶段总风阻、机械摩擦等能量损耗；其中v2为减速阶段的动子初始瞬时速度，根据初始时对动子的速度预设和减速阶段完成时的速度来确定；
[0027]
其中，匀速阶段向控制绕组中通入正向预设电流i3，i3按下式求取：
[0028][0029]
式中，j3为匀速运行时电磁力做功大小，j3＝e
s3
，e
s3
为动子经过一级绕组间距时，风阻能量损耗，所述一级绕组间距指相邻两级音圈电机的控制绕组的间距。
[0030]
本发明的有益效果：本专利利用多个音圈电机，构建绕组分段式永磁直线音圈电
机结构，且每套绕组具有一套单独的驱动模块，既能满足工业物流传送、高铁、电磁弹射等多种需要高速、高加速、长行程的应用场合需求，又易于实现单独控制以及对故障的检测和对故障元件的修复或取代。
[0031]
由于位置检测不需要高精度，所以反馈电路结构较为简单、元器件少，制造成本低；控制系统的中间环节很少，也因此使得反馈的延迟时间短，响应速度快。
[0032]
绕组按序交替工作的模式：控制系统仅在动子位置的前后临近绕组中通入电流，使得绕组的损耗大大降低。
附图说明
[0033]
图1是本发明所述基于长行程音圈电机的电磁轨道的结构示意图；
[0034]
图2是图1的侧视图；
[0035]
图3是本发明所述基于长行程音圈电机的电磁轨道的控制原理图；
[0036]
图4是4输入16输出多路选择器的原理图。
具体实施方式
[0037]
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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0039]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0040]
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，包括托载底座1、动子2、定子3和轨道滑槽4；托载底座1、定子3和轨道滑槽4从下至上依次叠放，轨道滑槽4为向上开口槽体，所述动子2在轨道滑槽4中沿长度方向运动；
[0041]
动子2采用磁钢，动子2和轨道滑槽4共同构成低摩擦滑动装置，滑槽的壁厚度极薄、硬度较大的软磁材料(硅钢片)构成，基本不消耗磁动势且不会有磁滞，负载由动子2承托，随动子2共同运动；托载底座1为底部承重底座，同样选择硬度较大的软磁材料，负责承载整个轨道的重量并为绕组磁场提供通路。其优点在于结构较为简单且成本较低。
[0042]
定子3包括m套沿长度方向等间距排布的定子绕组，m套定子绕组相互之间独立，并通过动子2的运动形成电磁场耦合，动子2依次与第1～m套定子绕组构成独立的音圈电机单元，m级音圈电机单元由驱动单元控制。
[0043]
定子3包括m+1段铁芯段3-1，相邻两段铁芯段3-1之间形成定子槽3-2，每个定子槽3-2嵌入一套独立的检测绕组3-3和一套独立的控制绕组3-4；铁芯段3-1(绕组间隔)根据动子的长度以及对于成本、用途、性能的考虑，动子2的长度为铁芯段3-1的0.5倍～1倍。以下文电磁弹射用途为例，选择0.7倍的动子长作为铁芯段3-1长度。
[0044]
采用的电机结构如图1所示。其中，长行程导轨的定子由定子绕组组成，动子2由磁钢构成。每个定子绕组独立构成一个音圈电机的定子结构。每个音圈电机单元的定子和动
子共同构成了一个音圈电机系统单元。定子磁芯上有n套定子绕组等间隔平铺而成，构成一个平滑的电磁轨道，每套定子绕组之间结构上独立，只通过动子的运动形成电磁场耦合。
[0045]
定子绕组包括检测绕组3-3和控制绕组3-4；控制绕组3-4由n根导线组成，通入直流电流，构建轨道磁场并承载动子运动；检测绕组3-3由n根绕组构成(n数值较小)，用于检测感应电压从而实现对动子位置的检测。
[0046]
和传统的长行程的单一驱动器不同，每个音圈电机绕组都使用独立的驱动器，每个驱动器实现对单个线圈的单独驱动。每个驱动器都形成独立的电流闭环，而速度环和位置环由整体系统共同控制，整体控制图如图3所示。本结构的特点在于，一套定子绕组与其对应的定子槽，以及单元化的一套控制系统就构成了一个音圈电机单元，可以通过用途的不同改变单元的数量，用同样的电机制作工艺及流程就可以做出应对不同需求的针对性结构。
[0047]
其驱动系统由电流传感器、控制核心、多路输出选择器、电流放大电路组成；其中电流传感器为分流器类电流传感器，用于检测检测绕组回路里的电流，并将反馈信号通入到控制核心fpga。
[0048]
检测绕组3-3用于检测动子2是否到达所在级音圈电机单元，并将检测到位置信号发送至控制单元，控制单元发送指令给动子当前位置所在级音圈电机单元对应的控制绕组3-4，向其通入对应的直流电流，控制绕组3-4的电磁场与动子2的永磁磁场相互耦合以维持动子2的运动。
[0049]
参见图3的控制单元的五个部分以模块化的形式进行组合，电机本体是以音圈电机单元为基础扩展而成，传感器为商业化的线性光耦分流器，控制核心为成品化的fpga，多路输出选择器结构简图如图4所示，是模块化的集成电路中存在于系统中，而功率级电流放大电路同样是集成电路模块。将其整个驱动系统进行模块化，当故障发生时，若已经检测到发生的位置，维修人员便可以先将该模块与其他模块的连接切断，将备用模块接入，从而最高效率地恢复电机的工作状态，大大降低维修周期和难度。
[0050]
控制单元包括fpga、多路输出选择器、m个电流传感器和m个电流放大电路；
[0051]
当动子2运动至某一级音圈电机单元时，该级的检测绕组3-3切割动子2磁场产生电流，所述电流作为到达该级的位置信号通过一个电流传感器发送给fpga，fpga通过多路输出选择器将控制指令下达至当前位置对应级的控制绕组3-4中，所述控制指令包括作为本次控制对象的控制绕组3-4所在级位置及通入电流大小，检测绕组3-3检测到动子2到达本级后延迟时间td向本级控制绕组3-4通入电流；
[0052]
m级控制绕组3-4构建电磁轨道，用于实现动子2携带负载长行程运动。
[0053]
由于多路输出选择器的存在，可以将fpga的i/o口资源利用率大大提高，如4输入16输出的选择器就可以使用21个i/o端口对16个音圈电机单元进行控制；若要少量改变所控制的音圈电机单元数量，只需要将输出选择器的规格进行扩展或缩减；若要大量增加单元数量，只需要将此控制系统视为一个组，增加组的数量，即可以16个单元为一组，不断增加音圈电机的数量和定子的长度。
[0054]
实例1、采用三个4输入16输出多路输出选择器，控制48组定子绕组。根据用途的不同，控制核心事先对控制绕组中通入的电流大小进行设定。例如，为使得动子获得最大的加速度，所有控制绕组的预设定电流值为绕组能稳定工作的最大直流电流值，使得动子全程
高加速直至弹射出；或在长途交通运输用途中，在前16个绕组单元(16个绕组共用一个控制核心作为起动组)中通入同样较大电流值以供给动子完成起动-加速过程，在后续匀速运动过程中通入能给动子提供与该速度下风阻等阻力相匹配的电磁力的电流值，使得动子实现匀速、平滑行进，在减速阶段为末位16个绕组(减速组)中通入反向电流提供阻力实现电磁制动完成运输。
[0055]
在位置检测方面，动子磁钢在接近或远离定子上的检测绕组时，其磁力线会被绕组切割，继而检测绕组中会产生一个相应的电信号，这个电信号在绕组回路中被传感器检测到后通入到fpga中，继而完成对动子位置的检测。
[0056]
多路输出选择器选择4输入16输出多路输出选择器，fpga的16位数据输入端i1,i2,
…
,i16接收第1级～第16级检测绕组3-3检测的电流信号，fpga的4位输出端o1,o2,o3,o4作为地址选择信号输出端分别与多路输出选择器的地址选择位a1,a2,a3,a4相连，fpga的模拟信号位o将控制电流指令下达至多路输出选择器，并从y1,y2,
…
,y16输出端择一输出，控制对应级音圈电机单元的控制绕组3-4通入直流，所述直流大小由fpga下达的控制电流指令确定。fpga的i/o端口i1、i2
……
i16连接着16个检测绕组回路中的分流器电流传感器，控制代码中设计另有4个i/o端口o1、o2、o3、o4(使能位，24＝16)与多路输出选择器的地址选择位相连，负责输出选择，还有1个i/o口o(输出位)与多路输出选择器相连，o输出为模拟信号值，多路输出选择器的输出端口与电流放大电路输入相连。
[0057]
当电机运行时，地址选择位o1～o4选择输出端口序号，o输出正向电流值，通过多路选择器输入到电流放大电路中，继而电流放大电路输出正向大电流，通入到对应的控制绕组中。动子处于第1绕组位置准备起动时，控制系统的使能位o1～o4及检测绕组连接位对照表参见表1所示：
[0058]
输入\输出o1o2o3o4i10001i20010i30011i40100i50101i60110i70111i81000i91001i101010i111011i121100i131101i141110i151111i 160000
[0059]
控制系统的使能位o1～o4输出为0001，仅有第1个控制绕组中通入直流电，动子开
始加速，经过第1个绕组、接近第2个绕组时，在第2个检测绕组里产生了反馈信号，使能位输出0010，此时第2个控制绕组里经延迟时间td≈100μs后被通入了电信号，在该区域内构建起强磁场，推动动子进一步加速，之后当动子远离第1绕组后会在检测绕组里产生反向的感应电压，当其达到设定阈值后，使能位又变为0001，输出位o的输出值变为0，第1控制绕组中的电流继而降至为0a。o1,o2,o3,o4输出0001,0002,
……
，1111,0000分别对应控制y1，y2，...，y15,y16输出端择一输出。
[0060]
同理，若要对动子进行减速，只需要在检测动子的位置后，使能位控制绕组进行选择，输出位o对电流放大电路输出负信号值，随即控制绕组中被通入反向大电流，在轨道的滑槽上产生反向强磁场，给动子提供反向的电磁力从而完成动子的减速过程。
[0061]
具体实施方式二、本实施方式所述一种电磁轨道控制方法，该方法基于实施方式一所述的基于长行程音圈电机的电磁轨道实现，该方法为，动子携带负载在所述电磁轨道上能够实现加速、减速和匀速运行；这三种运行状态既可以作为一项任务的三个阶段，也可以是独立任务。
[0062]
其中，加速阶段向完成加速任务的n1个音圈电机单元的控制绕组中通入正向预设电流i1，i1按下式求取：
[0063][0064]
式中，l为控制绕组有效长度，n为控制绕组匝数，x为动子2与控制绕组的相对位置，b(x)为动子随位置的磁场分布，在已确定的永磁钢动子结构里是固定的函数关系；
[0065]
本实施方式中将每级音圈电机的控制绕组设置成相同的。
[0066]
j1为完成加速电磁力做功大小，其中e1为加速阶段预设总动能，其中m为动子2与负载的合计质量，v1为加速阶段瞬时速度，根据初始时对动子的速度预设和加速阶段完成时的速度来确定；e
s1
为加速阶段总风阻能量损耗；
[0067]
其中，减速阶段向完成减速任务的n2个音圈电机单元的控制绕组中通入反向预设电流i2，i2按下式求取：
[0068][0069]
式中，j2为完成减速电磁力做功大小，其中为减速阶段预设总动能，e
s2
为减速阶段总风阻、机械摩擦等能量损耗；其中v2为减速阶段的动子初始瞬时速度，根据初始时对动子的速度预设和减速阶段完成时的速度来确定；
[0070]
其中，匀速阶段向控制绕组中通入正向预设电流i3，i3按下式求取：
[0071][0072]
式中，j3为匀速运行时电磁力做功大小，j3＝e
s3
，e
s3
为动子经过一级绕组间距时，风阻能量损耗，所述一级绕组间距指相邻两级音圈电机的控制绕组的间距。
[0073]
匀速阶段的速度为保持初始速度，为了按初始速度运行，向绕组内通入电流正为克服风阻能量，其它机械摩擦等损失不考虑。
[0074]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

技术特征：
1.基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，包括托载底座(1)、动子(2)、定子(3)和轨道滑槽(4)；托载底座(1)、定子(3)和轨道滑槽(4)从下至上依次叠放，轨道滑槽(4)为向上开口槽体，所述动子(2)在轨道滑槽(4)中沿长度方向运动；定子(3)包括m套沿长度方向等间距排布的定子绕组，m套定子绕组相互之间独立，并通过动子(2)的运动形成电磁场耦合，动子(2)依次与第1～m套定子绕组构成独立的音圈电机单元，m级音圈电机单元由驱动单元控制。2.根据权利要求2所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，动子(2)采用磁钢，轨道滑槽(4)采用硅钢片。3.根据权利要求2所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，定子(3)包括m+1段铁芯段(3-1)，相邻两段铁芯段(3-1)之间形成定子槽(3-2)，每个定子槽(3-2)嵌入一套定子绕组，定子绕组包括检测绕组(3-3)和控制绕组(3-4)；检测绕组(3-3)用于检测动子(2)是否到达所在级音圈电机单元，并将检测到位置信号发送至控制单元，控制单元发送指令给动子当前位置所在级音圈电机单元对应的控制绕组(3-4)，向其通入对应的直流电流，控制绕组(3-4)的电磁场与动子(2)的永磁磁场相互耦合以维持动子(2)的运动。4.根据权利要求3所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，控制单元包括fpga、多路输出选择器、m个电流传感器和m个电流放大电路；当动子(2)运动至某一级音圈电机单元时，该级的检测绕组(3-3)切割动子(2)磁场产生电流，所述电流作为到达该级的位置信号通过一个电流传感器发送给fpga，fpga通过多路输出选择器将控制指令下达至当前位置对应级的控制绕组(3-4)中，所述控制指令包括作为本次控制对象的控制绕组(3-4)所在级位置及通入电流大小，检测绕组(3-3)检测到动子(2)到达本级后延迟时间td向本级控制绕组(3-4)通入电流；m级控制绕组(3-4)构建电磁轨道，用于实现动子(2)携带负载长行程运动。5.根据权利要求4所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，延迟时间td＝15～200μs。6.根据权利要求4所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，控制电流指令通过一个电流放大电路下达至控制绕组(3-4)。7.根据权利要求4所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，多路输出选择器选择4输入16输出多路输出选择器，fpga的16位数据输入端i1,i2,
…
,i16接收第1级～第16级检测绕组(3-3)检测的电流信号，fpga的4位输出端o1,o2,o3,o4作为位置信号输出端分别与多路输出选择器的地址选择位a1,a2,a3,a4相连，用于控制多路输出选择器y1,y2,
…
,y16输出端择一输出；fpga的模拟信号位o输出的电流值指令通过多路输出选择器下达至对应控制绕组(3-4)。8.根据权利要求7所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，o1,o2,o3,o4输出0001,0002,
……
,1111,0000分别对应控制y1,y2,
…
,y15,y16输出端择一输出。9.根据权利要求2所述基于长行程音圈电机的电磁轨道，其特征在于，动子(2)的长度为铁芯段(3-1)的0.5倍～1倍。10.一种电磁轨道控制方法，该方法基于权利要求3至8任一权利要求所述的基于长行
程音圈电机的电磁轨道实现，其特征在于，动子携带负载在所述电磁轨道上能够实现加速、减速和匀速运行；其中，加速阶段向完成加速任务的n1个音圈电机单元的控制绕组中通入正向预设电流i1，i1按下式求取：式中，l为控制绕组有效长度，n为控制绕组匝数，x为动子(2)与控制绕组的相对位置，b(x)为动子随位置的磁场分布；j1为完成加速电磁力做功大小，其中e1为加速阶段预设总动能，其中m为动子(2)与负载的合计质量，v1为加速阶段瞬时速度，根据初始时对动子的速度预设和加速阶段完成时的速度来确定；e
s1
为加速阶段总风阻能量损耗；其中，减速阶段向完成减速任务的n2个音圈电机单元的控制绕组中通入反向预设电流i2，i2按下式求取：式中，j2为完成减速电磁力做功大小，其中e2为减速阶段预设总动能e
s2
为减速阶段总风阻能量损耗；其中v2为减速阶段的动子初始瞬时速度，根据初始时对动子的速度预设和减速阶段完成时的速度来确定；其中，匀速阶段向控制绕组中通入正向预设电流i3，i3按下式求取：式中，j3为匀速运行时电磁力做功大小，j3＝e
s3
，e
s3
为动子经过一级绕组间距时，风阻造成的能量损耗，所述一级绕组间距指相邻两级音圈电机的控制绕组的间距。

技术总结
基于长行程音圈电机的电磁轨道和控制方法，属于电机领域，本发明为解决现有音圈电机行程短不能用于长距离运输的问题。本发明包括托载底座、动子、定子和轨道滑槽；托载底座、定子和轨道滑槽从下至上依次叠放，轨道滑槽为向上开口槽体，所述动子在轨道滑槽中沿长度方向运动；定子包括m套沿长度方向等间距排布的定子绕组，m套定子绕组相互之间独立，并通过动子的运动形成电磁场耦合，动子依次与第1～m套定子绕组构成独立的音圈电机单元，m级音圈电机单元由驱动单元控制。单元由驱动单元控制。单元由驱动单元控制。


技术研发人员：王景龙 刘家曦 曹继伟 李立毅
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/6