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详解直线电机的工作原理

导语：我国的直线电机的研究和应用是从20世纪70年代初开始的。目前主要成果有工

厂行车、电磁锤、冲压机等。我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其

推广应用方面尚存在很大的差距。目前，国内不少研究单位已注意到这一点。

我国的直线电机的研究和应用是从20世纪70年代初开始的。目前主要成果有工厂行车、电

磁锤、冲压机等。我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方

面尚存在很大的差距。目前，国内不少研究单位已注意到这一点。直线电机的工作原理直线

电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它

可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，由定子演变而来的一侧称为初级，

由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证

在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以

是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机

的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在

气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙

中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动;反之，

则初级做直线运动。直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直

线电机，还必须具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。随着自动控制

技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。对直线电机控制技术的研究基

本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。传统

的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了泛的应用。其中PID控

制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为优，具有较强的鲁棒性，

是交流伺服电机驱动系统中基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量

控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件

下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象

结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，

才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的

重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。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PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以

获得更好的控制性能。直线电机在数控机床中的应用实例活塞车削数控系统采用直线电机的

直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地应用于异型截面工件的CNC车削

和磨削加工中。针对产量大的非圆截面零件，国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基

于直线电机的高频响大行程数控进给单元。当用于数控活塞机床时，工作台尺寸为

600mm×320mm，行程100mm，大推力为160N，大加速度可达13g。由于直线电机动子和

工作台已固定在一起，所以只能采用闭环控制。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环

是位置环。采用高精度光栅尺作为位置检测元件。精度取决于光栅的分辨率，系统的机械误

差可以由反馈消除，获得较高的精度。采用直线电机的开放式数控系统采用PC机与开放式

可编程运功控制器构成数控系统，这种系统以通用微机及Windows为平台，以PC机上的标

准插件形式的运动控制器为控制核心，实现了数控系统的开放。基于直线电机的开放式数控

系统的总体设计方案。该系统采用在PC机的扩展槽中插入运动控制卡的方案组成，系统由

PC机、运动控制卡、伺服驱动器、直线电机、数控工作台等部分组成。数控工作台由直线

电机驱动，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运动控制器可编程，以运动子程

序的方式解释执行数控程序(G代码等，支持用户扩展)。运动控制卡型号为PCI-8132。当今

的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了ISA总线，成为主流总线形式，它有很多优点，

如即插即用(PlugandPlay)、中断共享等。PCI总线具有严格的标准和规范，这就保证了它具

有良好的兼容性，可靠性高;传送数据速率高(132Mbps)或(264Mbps);PCI总