运用在食材切削作业带动的新式线形电机程序

　　驱动机构结构设计驱动系统的设计目标是结构简单、体积小、力量大、噪声小。对于这
种体积受限而需要较大驱动力的情况，采用永磁动子的圆柱形永磁直线同步电机是常用
的选择。但这里采用这种电机结构并不能很好地实现，因为对于细长结构的电机，特别是
电机直径较小的结构，圆环形径向冲磁磁钢方式会带来磁路设计上的困难。考虑到磁路不
能太饱和，因此中心轴截面不能过小。而为了获得一定的磁势，磁钢径向厚度又必须有一

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定的数值。这种磁钢设计上 不可兼得 的矛盾使得采用永磁动子的圆柱形永磁直线同步电
机并不能达到目标。采用轴向分段式结构可较好地解决这一问题。所谓轴向分段式就是次
级轴向结构上由永磁磁钢和导磁材料依次相间组合构成。这样设计使得磁路既具有合适的
磁动势，又可保证一定的磁通路截面，从而很好的解决了上述矛盾。事实证明这个解决方
案是非常有效的。是轴向分段式直线永磁同步电机结构图，共由 8 个极对（16 个磁钢）组
成，定子采用分段式结构，由磁钢和电工纯铁相间构成，外层用铝管加固。
　　轴向分段式永磁直线同步电机结构在永磁同步电机中为产生恒定转矩，要求电动机
定子电枢反电动势和逆变器输入定子电枢的相电流都必须是正弦的。但实际上由于永磁体
形状和定子齿槽的存在，反电动势不可能是严格正弦的，这样必然会有转矩脉动。由反电
动势非正弦或定子电流谐波引起的转矩的脉动称为纹波转矩。当转子旋转时，由于定子齿
槽的存在或定子铁心磁阻的变化而产生的磁阻转矩就叫齿槽转矩。为使永磁同步电机运行
非常平稳，必须设法减小纹波转矩和齿槽转矩等脉动转矩。
　　轴向分段磁路结构的动子，当采用不同的磁钢长度比值，对电机空载气隙磁场的分
布波形有很大影响。在对永磁直线同步电机的齿槽效应和谐波力矩的分析中，检测电机空
载磁场的波形可以判别电机运行时齿谐波的大小。对于绕组电流为近似正弦电流的永磁同
步电机而言，通过动子结构和磁钢位置、形状的选择，来实现空间气隙磁场的正弦分布，
显著削弱齿槽效应引起的转矩波动，使得电机运行平稳无波动。在电机永磁磁钢设计中，
通过电机空载稳态磁场的分析可优化确定动子分段磁钢的长度与空间磁场形状与强度关
系。
　　切刀是切削机构的执行工具，由可看出切刀是安装在初级的一端。控制系统、位置检
测系统是与初级制作在一起的，这样虽然使动初级的负重增加了，但这避免了将三者用
导线连接起来而引入的干扰和不稳固、不可靠。将三者牢固的制作在一起就提高了系统的
稳固性，也使系统更加紧凑。
　　驱动控制系统电机的控制系统是一个简单的闭环控制系统，其控制过程是通过对经
过处理的传感器信号进行检测以确定当前初级所处的位置。当初级到达次级端部时，就改
变电源的相序进而改变初级的运动方向，最终使电机初级在预定的次级长度内作往复运
动。整个控制系统硬件部分包括 DSP 芯片，IPM，高压电路，位置检测电路，信号处理电
路，驱动电路等。控制系统选用的芯片是 TI 公司的 TMS320F2407，该芯片提供了高性能
的电机数字控制方案的核心部分，包括定时器、全比较单元、PWM 硬件产生电路、捕获单
元、正交编码脉冲电路，可以产生用于驱动绝大多数电动机的 PWM 脉冲信号<3>。控制系
统的硬件结构如所示：控制系统结构图控制系统的主要任务的是控制初级的运动方向，
这主要通过检测初级的位置来实现。检测初级位置的方法是把霍尔传感器固定在初级一端，
对其输出信号经行处理，并将处理后的信号反馈到 DSP.处理后的信号大致为正弦信号。霍
尔传感器安装的位置如中所示，在实际中电机每次停止运动时都停在次级的一个端部，
这样做的目的是为了使电机每次启动时能直接按预定长度运行而不要确定当前初级所在
哪个磁钢的位置。
　　整个控制系统软件由主程序和中断子程序 2 部分组成，主程序主要完成一些初始化