一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置及控制方法与流程

本发明属于电气工程及其自动化领域，具体涉及一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置及控制方法。

背景技术：

直线电机因其结构简单、响应快速、运动稳定、噪声低等诸多优势，自其诞生以来便在工业领域得到了广泛的应用。随着制造技术的不断进步，对直线电机的运动精度等性能要求也越来越高，尤其是在航空航天、精密伺服等高精度应用场合。

传统直线电机的坦克链、电线电缆等引起的外部扰动作用在精密工作台的运动部件上时，会使其运动过程产生偏差，从而影响运动精度。同时，坦克链结构体积庞大、工作噪声大、磨损快、使用寿命短等缺点也限制了其使用范围。针对以上问题，本发明提出一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，该装置体积较小，工作稳定可靠、噪声小，同时摆脱了电线电缆的束缚，消除了直线电机坦克链带来的柔性振动问题，提高了直线电机的运动精度。

现阶段，将无线充电技术应用到直线电机上还鲜有先例。但目前国内外针对无线充电技术的研究已较为成熟，众多应用无线充电技术的产品先后问世。申请号为cn201721274315.0的专利文献“一种智能行走自动充电的模型汽车”，将无线充电技术应用于模型汽车，实现模型汽车的循环、往复移动，达到动态展示的目的。申请号为201610241072.4的专利文献“一种巡检机器人无线充电装置”，系统介绍了巡检机器人无线充电装置的结构模块及技术标准，装置工作可靠性高，无需维护，适用于长期自动无人值守工作。申请号为cn201611075574.0的专利文献“一种适用于机器人的无线自动充电装置”，实现了机器人通过无线充电模式完成自我电力续航。这些将无线充电技术应用到各类产品上的尝试，将为本发明的具体实施提供参考。

技术实现要素：

为解决传统直线电机坦克链、电线电缆等引起的外部扰动以及坦克链结构体积庞大、工作噪声大、磨损快、使用寿命短等问题，本发明提供了一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置。该装置由直线电机模块和无线传能模块两大部分组成，安装体积较小，工作稳定可靠、噪声小，同时摆脱了电线电缆的束缚，消除了直线电机坦克链带来的柔性振动问题，提高了直线电机的运动精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，其特征在于，包括直线电机模块、无线传能模块、以及能在直线电机模块和无线传能模块的相互作用下平行移动的滑块平板；

所述直线电机模块包括基座、以及设置在基座上的导轨和直线电机定子，直线电机动子固定在滑块平板上，固定在滑块平板上的滑块能够在导轨上平行移动，直线电机能够在电机控制器的控制下驱动滑块平板进行平行移动；

所述无线传能模块包括分别设置在基座和滑块平板上的发射线圈和接收线圈，控制并给发射线圈和电机控制器供电的供电控制组件。

在上述的一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，所述发射端支撑板垂直固定在基座上，若干发射电容及发射线圈安装在发射端支撑板上，霍尔传感器分别安装在每两个发射线圈之间。

在上述的一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，供电控制组件包括直流电源、逆变器、继电器、无线传能模块控制器，均安装在发射端支撑板一侧，各模块之间通过导线连接，无线充电系统接入直流电源，得到直流电，经过逆变器后，输出高频交流电，逆变器输出端再通过继电器与发射电容相连，发射电容与发射线圈相连，通过无线传能模块控制器控制继电器不同的开关状态，控制各个线圈的通电或断电。

在上述的一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，所述直线电机动子安装在滑块平板下平面，定子与动子之间存在一定气隙；所述限位装置包括防撞块及光电开关，光电开关安装在滑块平板的侧平面上，随滑块平板一起运动，当运动至左、右极限位置时，光电开关会产生电平信号，发送给电机控制器，从而控制电机减速至停止；防撞块安装在直线电机基座的端板上，在断电或电机意外超程情况下，防止电机动子撞到端板。

在上述的一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，供电控制组件还包括整流器，整流器及电机控制器安装在滑块平板上，整流器前级依次连接接收电容和接收线圈，整流器将接收线圈中的高频交流电转化为直流电，直接给电机控制器供电；电机控制器基于dsp28335芯片，安装在滑块平板上，可产生pwm方波驱动直线电机，同时随滑块平板一起运动，维持电机正常工作。

在上述的一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，发射线圈由四个平行于接收线圈平面的线圈并排组成；所述发射线圈平面与接收线圈平面相距5cm，且平面下方均铺设有一层铁氧体，可聚集磁感线，增大磁耦合系数；所述发射线圈、接收线圈的电感值及发射电容、接收电容的电容值均为谐振频率下的最佳匹配值，即无线传能系统总是工作在谐振频率点上，能量传输效率最大。

在上述的一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，霍尔传感器共有三个，分别安装在每两个发射线圈之间，用于检测电机动子的位置信号，并将该信号传递给无线传能模块控制器，从而得到继电器的开关逻辑；所述无线传能模块控制器基于stm32芯片，一方面可以产生pwm控制信号驱动逆变器1工作，另一方面可以控制继电器的开关状态。

一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、初始时刻，三个霍尔传感器对电机动子的位置信号进行检测，并将检测到的位置信号传递给无线传能模块控制器；

步骤2、无线传能模块控制器将根据此刻电机动子的位置信号下发相应指令给继电器，控制继电器的开关状态，从而控制四个发射线圈的通、断电状态；

步骤3、接收线圈的频率与发射线圈频率相同，因此二者将发生共振，能量从发射线圈传递到接收线圈；接收线圈中得到的是与发射线圈同频率的交流电，经过整流器处理后，将得到一定幅值大小的直流电，该直流电便可直接给电机控制器供电；电机控制器便可产生pwm方波驱动电机，带动工作台沿导轨运动，实现本发明直线运动装置的功能。

在上述的一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置的控制方法，继电器的具体开关逻辑为：若接收线圈正对于一个发射线圈，继电器则打开连接该发射线圈的开关，给该线圈供电，其余线圈断电；若接收线圈正对于两个发射线圈，继电器则打开连接这两个发射线圈的开关，给这两个线圈供电，其余线圈断电。

本发明的有益效果如下：相较于传统直线电机的坦克链结构，本发明装置采用无线传能技术为直线电机模块供电，替代了坦克链，装置体积更小，能节约大量安装空间，避免了坦克链工作时噪声大、磨损快、寿命短的问题，同时还消除了传统直线电机坦克链带来的柔性振动问题，提高了直线电机的运动精度。

附图说明

图1为本发明所述基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置整体结构图。

图2为本发明所述基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置接收端细节图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图中，1-逆变器；2-发射端支撑板；3-工作台；4-接收线圈平板；5-发射电容；6-霍尔传感器；7-发射线圈；8-防撞块；9-基座；10-导轨；11-滑块平板；12-光电开关；13-直线电机动子；14-直线电机定子；15-直流电源；16-无线传能模块控制器；17-继电器；18-整流器；19-电机控制器；20-滑块；21-接收电容；22-接收线圈。

实施例：

如图1-2所示，本发明公开一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，包括直线电机模块和无线传能模块两大部分。其中，

所述直线电机模块由直线电机定子14、直线电机动子13、导轨10、滑块20、限位装置、基座9以及电机控制器19组成。

所述无线传能模块由直流电源15、逆变器1、继电器、发射线圈7、发射电容5、接收线圈22、接收电容20、整流器18、霍尔传感器6以及无线传能模块控制器16组成。

所述直线电机定子14安装在基座9上，直线电机动子13安装在滑块平板11下平面，定子与动子之间存在一定气隙。所述限位装置由防撞块8及光电开关12组成，光电开关12安装在滑块平板11的侧平面上，可随滑块平板11一起运动，当运动至左、右极限位置时，光电开关12会产生一个电平信号，发送给电机控制器18，从而控制电机减速至停止；防撞块8安装在直线电机基座9的端板上，在断电或电机意外超程情况下，可防止电机动子撞到端板，对电机动子起到保护作用。所述整流器18及电机控制器19安装在滑块平板11上，整流器18可将接收线圈22中的高频交流电转化为直流电，该直流电直接给电机控制器18供电；电机控制器19基于dsp28335设计，安装在滑块平板11上，可产生pwm方波驱动直线电机，同时随滑块平板11一起运动，维持电机正常工作。

所述发射线圈7安装在发射端支撑板2上，由四个平行于接收线圈22平面的线圈并排组成；所述发射线圈7平面与接收线圈22平面相距5cm，且平面下方均铺设有一层铁氧体，可聚集磁感线，增大磁耦合系数；所述发射线圈7、接收线圈22的电感值及发射电容5、接收电容21的电容值均为谐振频率下的最佳匹配值，即无线传能系统总是工作在谐振频率点上，能量传输效率最大。所述直流电源15、逆变器1、继电器17、无线传能模块控制器16安装在发射端支撑板2一侧，各模块之间通过导线连接。无线充电系统接入直流电源15，得到一定幅值大小的直流电，经过逆变器1后，输出高频交流电。逆变器1输出端再通过继电器与四组发射线圈7相连，通过控制继电器不同的开关状态，可实现各个线圈的通电或断电，从而保证每一时刻均有发射线圈7对接收线圈22进行供电。所述霍尔传感器6共有三个，分别安装在每两个发射线圈7之间，用于检测电机动子的位置信号，并将该信号传递给无线传能模块控制器16，从而得到继电器的开关逻辑。所述无线传能模块控制器16基于stm32设计，一方面可以产生pwm控制信号驱动逆变器1工作，另一方面可以控制继电器的开关状态。

本实施例提供的一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置，其工作原理及过程如下：

初始时刻，三个霍尔传感器对电机动子的位置信号进行检测，并将检测到的位置信号传递给无线传能模块控制器。无线传能模块控制器将根据此刻电机动子的位置信号下发相应指令给继电器，控制继电器的开关状态，从而控制四个发射线圈的通、断电状态。继电器的具体开关逻辑为：若接收线圈正对于一个发射线圈，继电器则打开连接该发射线圈的开关，给该线圈供电，其余线圈断电；若接收线圈正对于两个线圈，继电器则打开连接这两个发射线圈的开关，给这两个线圈供电，其余线圈断电。举例说明，若直线电机从导轨一端运动至另一端，直线电机动子（即接收线圈）依次经过1、2、3、4号发射线圈，接收线圈将依次正对于1、1和2、2、2和3、3、3和4、4号发射线圈，则继电器将按照此逻辑顺序打开对应开关，给相应发射线圈通电。发射线圈中流过的是经逆变器处理后得到的高频交流电，而接收线圈的频率与发射线圈频率相同，因此二者将发生共振，能量从发射线圈传递到接收线圈。接收线圈中得到的是与发射线圈同频率的交流电，经过整流器处理后，将得到一定幅值大小的直流电，该直流电便可直接给电机控制器供电。电机控制器便可产生pwm方波驱动电机，带动工作台沿导轨运动，实现本发明直线运动装置的功能。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。