1 直线电机原理

　　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，如图1所示。

图 1 直线电机原理图及转变过程

　　直线电机的转变过程是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、运行费用等因素，目前一般均采用的是短初级长次级。

　　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了电磁推力。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。

　　2 含高频注入的直线电机驱动控制系统

　　一套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驱动器。为此结合客户不同应用场合需求，我司开发出了不同形式的直线电机启动方式(1.强吸;2.根据霍尔信号;3.高频注入侦测)。本文主要就高频注入方式做讨论(实现了在不外加霍尔器件下，初始移动量又最小的启动)。

　　(1)高频注入原理及推导

　　高频注入法利用电机的凸极性，通过向电机注入特定形式的高频信号(注入方波电压信号，注入频率大概在几KHz)，再提取高频响应电流(这些高频响应电流就包含转子位置信息)，将这些高频响应电流送入位置观测器， 进而得到电机转子的位置，这类方法在原理分析时就忽略了很多低频分量，故适用于零速情况(如图2所示)。

　　图 2 高频注入控制框图　　

       当高频电压注入时，电机的感抗相对于其它电阻的压降以及磁链压降大很多，则方程化简为下式：

　(公式1)　

       整理成矩阵方程为：

(公式2)　

　　把公式2两边都左乘反park变换矩阵，变换到静止坐标系下，整理公式如下：

　(公式3)　　

      变化得：　　

　(公式4)　

       对公式4求反正切，得：

　　　(2) Simulink 仿真验证如图3、图4 。

图 3 高频与低频信号分离实现图

图 4 仿真αβ轴高频 / 低频反馈电流图

       使用反正切求电气角(电机模型初始角设PI/4=0.785)， 与图5红圈处一致。

图 5 仿真电气角图

　　(3)直线驱动系统平台验证(如图6所示)。

图 6 直线驱动器与直线电机图

　　①首先，依直线电机参数建入伺服驱动器内，如图7 所示。

图 7 电机参数设置界面

　　②设定参数Cn009. 2=0，手动电气角对位完成(也可激磁后，电气角对位完成) Cn085= 40% 注入电压duty 大小(如图8所示)。

图 8 对位 duty 设置图

　　③设定dn-011=1，手动对位开始及完成。如图9所示，红线为注入电压命令蓝线为估测电气角角度。

图 9 上位机 PClink 追踪图

　3 结语

　　通过高频注入结合我司JSDG2S驱动器，完美地解决了直线电机启动问题，在不增加额外侦测器件的前提下， 定位初始移动量最小，噪声最小，保证了直线电机的稳定可靠性，满足了客户要求。同时，我司直线电机驱动系统应用还在持续推进，未来会针对其他应用场景做探讨、研究，以适配不同的应用环境。