動(dòng)圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)設(shè)計(jì)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(duì)多自由度精密定位臺(tái)的需求在不斷增加，對(duì)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(tái)采用機(jī)械疊加方式，存在側(cè)隙、變形、摩擦、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量大等固有缺點(diǎn)，導(dǎo)致其定位精度和響應(yīng)速度很難達(dá)到滿意水平。
　　磁懸浮永磁平面電機(jī)(Magnetically Levitated Permanent Magnet Planar Motor,MLPMPM)

2、無需額外機(jī)械導(dǎo)軌支撐，直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)子實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、無機(jī)械摩擦、定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，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(xué)基金(51175296)的資助下，以一種無鐵心動(dòng)圈式MLPMPM為研究對(duì)象，圍繞運(yùn)行機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)等方面開展研究。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了MLPMPM的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)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(chǎng)諧波含量為目標(biāo)，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(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，對(duì)二維磁鋼陣列進(jìn)行了重構(gòu)，設(shè)計(jì)出新型二維磁鋼陣列，并建立了氣隙磁場(chǎng)的諧波解析模型;以“磁場(chǎng)基波磁密幅值盡可能大且磁場(chǎng)畸變盡可能小”為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yàn)證研究，結(jié)果表明新型磁鋼陣列產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)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(duì)其受力特征進(jìn)行了分析;基于單線圈推力模型設(shè)計(jì)了“四線圈”型線圈陣列，可以有效消除偶次諧波磁場(chǎng)引起的推力波動(dòng)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(dòng)子線圈的推力和轉(zhuǎn)矩模型，以最大推力功耗比為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)了線圈參

5、數(shù)。
　　(3)針對(duì)MLPMPM多輸入多輸出、強(qiáng)耦合、多自由度的特點(diǎn)，提出了MLPMPM的解耦控制策略，設(shè)計(jì)了MLPMPM的六自由度運(yùn)動(dòng)定位控制系統(tǒng)?；贛LPMPM的推力/轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)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(shí)現(xiàn)了MLPMPM六自由度運(yùn)動(dòng)的解耦;建立了參數(shù)化有限元計(jì)算模型，并開展仿真計(jì)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(dòng)力學(xué)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(yàn)證平臺(tái)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的正確性和有效性。
　　(4)針對(duì)MLPMPM出現(xiàn)動(dòng)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(dòng)子小角度偏航情形下的受力情況，建立了MLPMPM小角度偏航時(shí)一維線圈簡(jiǎn)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(bǔ)償方案和相位校正方法，并通過有限元仿真

7、驗(yàn)證了修正方案的正確性和有效性;基于電流補(bǔ)償方案和相位校正方法，對(duì)MLPMPM的六自由度運(yùn)動(dòng)定位控制方案進(jìn)行了修正。
　　(5)搭建了MLPMPM綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了MLPMPM的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開展靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)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