現代直線電機關鍵控制技術及其應用研究
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摘 要：直線電機是一種新型電機，可直接將電能轉換為直線運動，而并不需要任何中間轉換結構，并且可顯著降低系統的損耗，因此在現代社會生產中被廣泛地應用，并且發揮著重要的作用。本文闡述了直線電機基本結構和工作原理，并介紹了三種控制技術，并以直線電機的往復運動控制為例，介紹了現代直線電機的應用。旨在加深相關人員對現代直線電機控制技術的認識，為其應用和發展提供參考。
關鍵詞：直線電機;結構;原理;控制技術;應用
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.131
1 直線電機結構特點和工作原理
1.1 直線電機結構特點
直線電機通?？梢员豢醋魇怯尚D電機按照徑向剖開并展平而成的，直接產生直線運動而不依賴任何中間轉換機構，在直線運動場合中尤為適用，主要類型有直流直線電動機、交流直線電動機，根據工作原理不同、勵磁方式不同還有更多的分類。和旋轉電機相比，其次級相對于初級進行直線運動，因此運行的效率也比旋轉電機更優。直線電機的實際運用中，往往采用動初級、動次級二級結構，因此為了便于對直線電機的不同結構狀態進行更好的區分，因此將電機的靜止部分、運動部分分別定義為定子、動子。另外，直線電機的加速度大，短時間內產生的直線速度極高，并且直線電機不受離心力的束縛，直線運動速度不受限制。
1.2 工作原理
直線電機的動作原理和旋轉電機一致，都是利用氣隙磁場作用運行，但直線電機中以行波磁場為主，輸入電能的轉變主要是通過波磁場完成的，并且電能轉變時電機初級運動和次級運動也同時進行。直線電機的運動，需要控制相應的參數，包括起動、加速運動、定速運動和停止等，為減少直線電機控制電路的提及并提高性能，已經越來越多地采用計算機控制元件，其控制方式已經由模擬控制轉變為數字控制，控制精度更高。直線電機目前已經被廣泛地應用到了各個領域，如軍事、工業、民用、交通運輸等。
2 控制技術分析
直線電機的基本原理和旋轉電機一致，因此在直線電機控制策略中主要有v/f控制、矢量控制和直接推力控制。
2.1 v/f控制技術
在所有的控制中，v/f控制起著關鍵的作用，其作用是控制恒壓頻比，與其他控制方式相比，v/f控制更加簡單，也更容易實現。在實際運用中，v/f控制對于調速性能并無十分高的要求，并且對于水泵等一些負載無明顯變化的控制系統，該控制技術可以有效的解決系統平滑調速困難問題。v/f控制和額定頻率下調速相比，更夠更加持久的保持壓頻穩定，同時在額定頻率不變的基礎上，輸出的電壓值也無明顯的變化，與恒功率調速控制趨近。v/f控制技術盡管具有諸多的優勢，但仍然需要注意其精準性，并提高其動態控制效果，特別是對負載突變進行處理時，v/f控制技術應用后速度變化問題明顯，并且需要花費較長的時間進行運行狀態的調整，一旦直線電機處于低速運行狀態，則該控制技術應用中就可能出現推力輸出不足的問題，此時就需要電壓補償。
2.2 矢量控制技術
矢量控制即指的是磁場定向控制，在上世紀70年代由德國學者提出，該理論提出時就是將交流電機模擬為直流電機，目的是讓電機獲得與直流電機一樣高性能調速控制的結果。矢量控制技術的原理是基于坐標轉換，將電機定子電流轉變為垂直的兩個分量，兩個分量分別與直流動機轉矩電流分量、直流電機勵磁分量相同。由此可見，操作人員進行矢量控制中實際是對兩個電流分量進行的控制。矢量控制技術與v/f控制相比，其具有更大的優越性，并且已經廣泛地應用在了感應電機與同步電機調速控制系統當中，但是不同系統中其運行方式存在差異，如感應電機矢量控制就分為了直接與間接兩種方式。
2.3 直接推力控制
當前針對直接推力控制的研究較多，最開始這種控制技術水根據旋轉電機的轉矩控制演變而來的，經過長時間的研究和應用，德國、日本學者對交流感應電機提出了直接轉矩控制理論，日本學者提出，直接轉矩控制是通過查詢電壓矢量表實現的電動機定子磁鏈和轉矩之間的相互調節，同時也被是一種圓形磁鏈直接轉矩控制技術，在直接轉矩中這種控制方式得到了廣泛地應用。德國學者則在此基礎上提出直接轉矩控制思想，即直接自控制技術。和矢量控制比較而言，直接推力控制的優勢在于無需通過矢量分解、坐標分量轉變便可進行直線電機控制。電動機轉矩調節無需引入矢量，可直接在坐標系中對電機磁鏈與轉矩進行相互之間的轉換，不需要通過電機數學模型。但是直接推力控制存在著轉矩與磁鏈脈動等相關問題，對此，相關學者作出了大量的研究，進而提出了新的直接轉矩控制方式（固定載波頻率），以及自適應磁鏈觀測器技術。
3 直線電機關鍵技術應用分析——以直線電機的往復運動控制技術應用為例
在現代信息技術的發展下，直線電機控制系統的發展和應用讓操作人員的控制能力得到了進一步的提升。筆者以直線電機的往復運動控制技術應用為例，討論如下。
直線電機往復運動需要分析系統的位置跟蹤時誤差，包括加速/減速運行狀態、空載運行狀態、負載運行狀態等，同時提出與之對應的，對直線電機控制系統位置誤差進行補償的方式。直線電機的運行中，位置曲線的設置可采用斜坡曲線，這種曲線也是一種給定的階躍速度信號。直線電機往復運動過程中，要經歷“啟動”和“停止”，不同位置下的超調較大，系統慣性將對PI調節器性能造成限制，斜坡位置曲線下，直線電機系統發生震蕩的情況較多。因此，在直線電機系統中，位置曲線通常由上位機系統給定，獨立變頻器控制系統則首先要在系統當中設置復位移曲線。直線電機位置跟蹤誤差的補償中，可采取速度前饋矯正策略，或者采用負載阻力、加速度、粘滯摩擦系數等作出矯正。
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