動圈式磁懸浮永磁平面電機設(shè)計與控制研究.pdf

1、隨著精密工程技術(shù)領(lǐng)域生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水平的快速發(fā)展，相關(guān)行業(yè)對多自由度精密定位臺的需求在不斷增加，對其定位精度、響應(yīng)速度、自由度維數(shù)等性能的要求也在不斷提高。傳統(tǒng)的二維定位平臺采用機械疊加方式，存在側(cè)隙、變形、摩擦、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和運動質(zhì)量大等固有缺點，導致其定位精度和響應(yīng)速度很難達到滿意水平。
　　磁懸浮永磁平面電機(Magnetically Levitated Permanent Magnet Planar Motor,MLPMPM)

2、無需額外機械導軌支撐，直接驅(qū)動動子實現(xiàn)六自由度運動，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、無機械摩擦、定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在現(xiàn)代高端裝備制造領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。
　　本文在國家自然科學基金(51175296)的資助下，以一種無鐵心動圈式MLPMPM為研究對象，圍繞運行機理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁分析、參數(shù)優(yōu)化、解耦控制和數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計等方面開展研究。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了MLPMPM的綜合實驗平臺并開展了相關(guān)的實驗研究，驗證了方法和結(jié)論的正確性。

3、論文的主要研究工作概略如下:
　　(1)以減小磁場諧波含量為目標，提出了一種新型的二維磁鋼陣列結(jié)構(gòu)。在分析典型Halbach二維磁鋼陣列氣隙磁場分布的基礎(chǔ)上，對二維磁鋼陣列進行了重構(gòu)，設(shè)計出新型二維磁鋼陣列，并建立了氣隙磁場的諧波解析模型;以“磁場基波磁密幅值盡可能大且磁場畸變盡可能小”為目標優(yōu)化設(shè)計了新型磁鋼陣列的主要參數(shù);建立了有限元仿真模型并開展數(shù)值驗證研究，結(jié)果表明新型磁鋼陣列產(chǎn)生的磁場具有更高的基波磁通密度、更小的諧波畸

4、變率和更一致的基波磁通密度幅值。
　　(2)為減小推力波動和耦合推力/轉(zhuǎn)矩，提出了“四線圈”的線圈陣列結(jié)構(gòu)。在二維磁鋼陣列磁場基波解析模型的基礎(chǔ)上，采用洛倫茲力法建立了單線圈的推力模型，對其受力特征進行了分析;基于單線圈推力模型設(shè)計了“四線圈”型線圈陣列，可以有效消除偶次諧波磁場引起的推力波動和抑制線圈短邊產(chǎn)生的耦合推力/轉(zhuǎn)矩，使MLPMPM具有更好的控制性能;建立了動子線圈的推力和轉(zhuǎn)矩模型，以最大推力功耗比為目標優(yōu)化設(shè)計了線圈參

5、數(shù)。
　　(3)針對MLPMPM多輸入多輸出、強耦合、多自由度的特點，提出了MLPMPM的解耦控制策略，設(shè)計了MLPMPM的六自由度運動定位控制系統(tǒng)?；贛LPMPM的推力/轉(zhuǎn)矩數(shù)學模型和id、iq解耦電流分配思想，提出MLPMPM的解耦電流分配方案，從物理層面實現(xiàn)了MLPMPM六自由度運動的解耦;建立了參數(shù)化有限元計算模型，并開展仿真計算研究，證明了解耦策略的正確性;建立了MLPMPM解耦系統(tǒng)的動力學方程，提出了MLPMPM的六

6、自由度定位控制策略，構(gòu)建了控制系統(tǒng)的仿真驗證平臺，仿真結(jié)果驗證了控制系統(tǒng)的正確性和有效性。
　　(4)針對MLPMPM出現(xiàn)動子偏航后模型失效的問題，建立了小角度偏航狀態(tài)下推力模型，提出了MLPMPM六自由度定位控制的修正方案。分析了MLPMPM動子小角度偏航情形下的受力情況，建立了MLPMPM小角度偏航時一維線圈簡化推力模型和等效推力模型;基于等效推力模型提出MLPMPM小角度偏航狀態(tài)下電流補償方案和相位校正方法，并通過有限元仿真

7、驗證了修正方案的正確性和有效性;基于電流補償方案和相位校正方法，對MLPMPM的六自由度運動定位控制方案進行了修正。
　　(5)搭建了MLPMPM綜合實驗平臺，開展相關(guān)的實驗研究。設(shè)計了MLPMPM的靜態(tài)實驗平臺并開展靜態(tài)實驗研究，驗證了解耦電流分配方案的正確性;基于DSP TMS320F28335構(gòu)建了MLPMPM的數(shù)字控制的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，開展MLPMPM基于位置-速度雙閉環(huán)PID控制和自抗擾控制(Active Distu