*CN102522872A*
(10)申请公布号 CN 102522872 A(43)申请公布日 2012.06.27
(12)发明专利申请
(21)申请号 201110454585.0(22)申请日 2011.12.30
(71)申请人深圳大学
地址518000 广东省深圳市南山区南海大道
3688号(72)发明人杜建铭 臧建鸣 孙晓兵 王文明
程涛 彭小波 冯平 罗世洲石素珍 钟仲洪(74)专利代理机构深圳市科吉华烽知识产权事
务所 44248
代理人胡吉科 孙伟(51)Int.Cl.
H02P 25/06(2006.01)
H02K 33/02(2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页权利要求书1页 说明书3页 附图3页
(54)发明名称
直线电机高频短程往复运动机构及其控制方法(57)摘要
一种直线电机高频短程往复运动机构包括电机定子（10）以及电机动子（20），在电机定子（10）两端分别固定有缓冲蓄能机构（30），还包括检测电机动子（20）运动参数的传感器（40）、驱动电机动子（20）运动的直线电机驱动器（50）以及控制所述直线电机驱动器（50）的控制机构（60）。本发明采用上述的技术方案，充分利用气弹簧所具有的蓄能和缓冲的独特物理特性，配合智能控制算法，正向推程，气弹簧充分吸收存储能量，在返程启动时，气弹簧释放存储的能量，起到助推和加速的作用，使直线电机能有效地应用在高频、短程和大中惯量负载的往复运动驱动中，进一步节约能量，用较小推力的直线电机代替大推力高功耗直线电机。
CN 102522872 ACN 102522872 A
权 利 要 求 书
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1.一种直线电机高频短程往复运动机构，包括电机定子（10）以及电机动子（20），其特征在于：在电机定子（10）两端分别固定有缓冲蓄能机构（30），该直线电机高频短程往复运动机构还包括检测电机动子（20）运动参数的传感器（40）、驱动电机动子（20）运动的直线电机驱动器（50）以及控制所述直线电机驱动器（50）的控制机构（60）。
2.根据权利要求1所述的直线电机高频短程往复运动机构，其特征在于：所述缓冲蓄能机构（30）一端固定在电机定子（10）上，另外一端抵触于所述电机动子（20）上。
3.根据权利要求1或2所述的直线电机高频短程往复运动机构，其特征在于：所述缓冲蓄能机构（30）为空气弹簧（31）。
4.根据权利要求3所述的直线电机高频短程往复运动机构，其特征在于：所述空气弹簧（31）为囊式空气弹簧或膜式空气弹簧。
5.根据权利要求3所述的直线电机高频短程往复运动机构，其特征在于：所述空气弹簧（31）为自由型空气弹簧或阻尼型空气弹簧。
6.一种采用权利要求1至5中任一项所述直线电机高频短程往复运动机构的往复运动控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：B.当直线电机的动子向定子一端运动时，压缩设置在定子一端的缓冲蓄能机构，缓冲蓄能机构缓冲动子的冲击惯量，并吸收动子的动能； C.当直线电机的动子向反方向折回时，缓冲蓄能机构释放已吸收的动子动能，助推动子反方向运动。
7.根据权利要求6所述的往复运动控制方法，其特征在于：所述的缓冲蓄能机构为空气弹簧。
8.根据权利要求7所述的往复运动控制方法，其特征在于：步骤A中调整缓冲蓄能机构的参数为根据运动的距离以及往复运动的频率调整空气弹簧的初始压缩量和空气弹簧内的充气压力。
9.根据权利要求6或7所述的往复运动控制方法，其特征在于：步骤B和步骤C中，动子运动过程中，由线性传感器实时检测动子运动的位置和速度，并将该信息通过直线电机驱动器反馈给控制机构，由控制机构发出指令给直线电机驱动器，由直线电机驱动器控制动子的运动。
10.根据权利要求9所述的往复运动控制方法，其特征在于：所述控制机构发出的位置指令按正弦或余弦规律变化。
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说 明 书
直线电机高频短程往复运动机构及其控制方法
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技术领域
[0001]
本发明涉及运动机构，特别涉及采用直线电机的往复运动机构及其控制方法。
背景技术
现有技术中，往复运动一般都是采用旋转电机通过机械转换机构进行驱动，而近
来也有直接采用直线电机进行驱动的，这种直线电机驱动模式，在电机动子处于起点启动和止点制动的状态时，必须外界施以足够大的启动力和制动力，以克服系统惯性，尤其是在折返点时，系统先要制动电机动子，然后，再施加反向力进行启动，造成极大的浪费。在高频、短程往复直线电机驱动的实际控制过程中，系统要频繁地施加反向电流，而且这种反向电流还非常大，极易造成电机绕组的烧损，也影响了电机的使用寿命。目前，专利号：CN201010522729.7《高精度高效率直线往复驱动系统》中也公开了一种直线驱动系统，该方案中采用定子两端固定电磁缓冲器的方式，缓冲动子的惯量，起到制动的作用，但该方案仅仅是解决了制动缓冲作用，并不能帮助启动，尤其是无法将系统的运动惯量存储起来，所以，还有必要设计一种新的控制方法，能够达到更加实效和节能。
[0002]
发明内容
[0003] 本发明提供一种直线电机高频短程往复运动机构及其控制方法，采用在电机定子两端加设缓冲蓄能机构的方式，有效地存储电机动子的运动能量，解决现有技术中系统不完善以及节能效果差的技术问题。
[0004] 本发明为解决上述技术问题而提供的这种直线电机高频短程往复运动机构包括电机定子以及电机动子，在电机定子两端分别固定有缓冲蓄能机构，该直线电机高频短程往复运动机构还包括检测电机动子运动参数的传感器、驱动电机动子运动的直线电机驱动器以及控制所述直线电机驱动器的控制机构。所述缓冲蓄能机构一端固定在电机定子上，另外一端抵触于所述电机动子上，所述缓冲蓄能机构为自由型空气弹簧、阻尼型空气弹簧、空气弹簧为囊式空气弹簧或膜式空气弹簧。
[0005] 这种采用直线电机高频短程往复运动机构的往复运动控制方法包括：当直线电机的动子向定子一端运动时，压缩设置在定子一端的缓冲蓄能机构，缓冲蓄能机构缓冲动子的冲击惯量，并吸收动子的动能；当直线电机的动子向反方向折回时，缓冲蓄能机构释放已吸收的动子动能，助推动子反方向运动。动子运动过程中，由线性传感器检测动子运动的位置和速度，并将该信息通过直线电机驱动器反馈给控制机构，由控制机构发出指令给直线电机驱动器，由直线电机驱动器控制动子的运动。[0006] 本发明采用上述的技术方案，充分利用气弹簧所具有的蓄能和缓冲的独特物理特性，配合智能控制算法，在直线电机正向推程，气弹簧充分吸收存储直线电机动子的运动能量，帮助直线电机制动，减少制动冲击和噪声；在直线电机返程启动时，气弹簧释放存储的能量，起到助推和加速的作用，减少直线电机驱动电流，这样循环往复，充分起到缓解冲击振动、减少噪声和大幅节能作用，这种制动助推控制方式使直线电机能有效地应用在高频、
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短程和大中惯量负载的往复运动驱动中，再采用所述“荡秋千控制方法”，可进一步降低直线电机规格，减少系统体积和复杂程度、进一步节约能量。附图说明
[0007]
图1是本发明直线电机高频短程往复运动机构的原理示意图。 图2是本发明中所采用气弹簧的载荷挠度曲线。 图3是本发明中所采用气弹簧的载荷频率曲线。 图4是往复运动机构不加弹性蓄能机构的运动位置、速度、电流曲线。 图5是往复运动机构加弹性蓄能机构的运动位置、速度、电流曲线。
具体实施方式
[0008] 结合上述附图说明本发明的具体实施例。[0009] 由图1至图5中可知，这种直线电机高频短程往复运动机构包括电机定子10以及电机动子20，在电机定子10两端分别固定有缓冲蓄能机构30，该直线电机高频短程往复运动机构还包括检测电机动子20运动参数的传感器40、驱动电机动子20运动的直线电机驱动器50以及控制所述直线电机驱动器50的控制机构60。所述缓冲蓄能机构30一端固定在电机定子10上，另外一端抵触于所述电机动子20上，所述缓冲蓄能机构30为空气弹簧31，所述空气弹簧31为囊式空气弹簧、膜式空气弹簧、自由型空气弹簧或阻尼型空气弹簧。本发明的直线电机往复运动控制机构，包括直线电机定子、动子、缓冲蓄能机构、线性导轨、线性传感器、直线电机驱动器以及计算机控制器，所述驱动器与计算机控制器相连接，由计算机控制器中的软件向驱动器发出命令驱动直线电机动子做直线往复运动，并通过线性传感器反馈动子的当前位置和运动速度，这种缓冲蓄能机构30是一种可压缩式弹性元件，而这种可压缩式弹性元件可以选择缠绕式弹簧，更优选择是空气弹簧31（如图1中所示），这种空气弹簧可以囊式或膜式的，进一步可以是自由型空气弹簧或阻尼型空气弹簧。本专利中的弹性元件不仅限于上述两种，包括橡胶堆或板式弹簧则都可以运用，但以空气弹簧为最佳，本发明人在长期试验过程中，发现空气弹簧具有的特性非常适合往复运动机械的蓄能（如图2和图3中所示），其具有极强的可压缩性能和良好的力学性能，其力学性能曲线也完全符合往复运动机械的控制要求，这种气弹簧对称布置于直线电机动子的两侧，所述气弹簧采用一端固定在机架上，另外一端固定在所述直线电机动子上的连接方式，根据不同的运动参数要求，在气弹簧内部充入不同压力的气体，并使两侧气弹簧和动子之间保持一定的初始压缩量，气弹簧安装数量根据负载、直线电机推力和系统机械结构等的需要选择。直线电机动子和负载安装支撑在线性导轨上。本发明的技术方案中设计了缓冲蓄能机构，该机构不但可以起到缓冲的作用，同时，还可以充分吸收存储电机动子运动所产生的物理能量，当电机动子反向运动时，该机构充分释放存储的机械能量，助推电机动子启动，达到节约能源的目的。
[0010] 本发明中直线电机高频短程往复运动机构的控制方法，包括以下步骤： A.调整缓冲蓄能机构的参数，根据运动的距离以及往复运动的频率调整气弹簧内的充气压力，所述的缓冲蓄能机构为气弹簧；
B.当直线电机的动子向定子一端运动时，压缩设置在定子一端的缓冲蓄能机构，缓冲蓄能机构缓冲动子的冲击惯量，并吸收动子的动能； C.当直线电机的动子向反方向折回
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时，缓冲蓄能机构释放已吸收的动子动能，助推动子反方向运动。[0011] 动子运动过程中，由线性传感器检测动子运动的位置和速度，并将该信息通过直线电机驱动器反馈给控制机构，由控制机构发出指令给直线电机驱动器，由直线电机驱动器控制动子的运动。
[0012] 这种采用空气弹簧+直线电机的往复运动机构的往复运动控制方法包括：根据要求的运动频率和往复运动的距离，调整气弹簧的充气压力，使气弹簧达到合适的刚度，由计算机控制系统根据上述运动参数配合适当的控制策略（如PID，模糊控制等）计算、规划出不同时刻直线电机动子的位置，发送上述位置控制指令给驱动器，驱动直线电机动子带动负载做往复直线运动；当直线电机的动子从平衡或初始位置沿导轨向一方运动时，压缩连接在动子和机架之间的缓冲蓄能机构，缓冲蓄能机构缓冲动子的冲击惯量，并吸收动子的动能量，在接近行程折返点的过程中，起到帮助制动的效果；当直线电机的动子向反方向折回时，缓冲蓄能机构释放已吸收的动子动能量，助推动子反方向加速运动，线性传感器实时反馈直线电机动子的位置和运动速度，并传送给计算机控制系统和驱动器，所述计算机控制器和驱动器根据上述反馈数据，通过适当的控制策略计算出当前周期动子的位置、速度和电流的补偿值，然后控制电机动子的运动。理论和试验研究表明，在系统启动时由于要克服负载的静摩擦力、两侧气弹簧的弹力差并产生大的加速度，需要较大的电流，一旦系统进入平稳周期性运行，电流幅值就大幅降低（从2～24A降到了1～6A），参见图4和图5。本发明运动控制方法针对上述问题提供如下解决方案，即先以较小的加速度启动直线电机（如：以低频、小行程启动），逐步提高直线电机运动加速度（逐步提高运动频率和行程）直至达到运动要求的频率和行程（形象化称为“荡秋千控制方法”），以达到充分利用气弹簧蓄能、辅助制动、助推的作用，从而降低所需直线电机的规格，减少系统体积和成本，并最大限度的节能。
[0013] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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说 明 书 附 图
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