動圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動控制.pdf

1、平面電機(jī)不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)便可直接實(shí)現(xiàn)二維平面運(yùn)動，具有定位精度高、加速度大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。相比于其他各類的平面電機(jī)，動圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、無摩擦、適應(yīng)真空工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本文以動圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)為研究對象，在Halbach型定子磁場優(yōu)化、電磁推力/轉(zhuǎn)矩建模及動子線圈優(yōu)化、六自由度解耦電流分配及運(yùn)動控制、有限元仿真及實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容如下：
　　首先，在分析動圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)工作

2、原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了二維Halbach定子磁鋼陣列磁場諧波模型，提出了“平均基波幅值應(yīng)盡可能大，平均相對均方差應(yīng)盡可能小”的磁鋼優(yōu)化原則和“總諧波畸變率應(yīng)盡可能小，基波幅值應(yīng)盡可能大”的磁鋼優(yōu)化原則。通過將所得優(yōu)化結(jié)果和已有文獻(xiàn)中的磁鋼參數(shù)進(jìn)行有限元對比和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本文所提出的磁鋼參數(shù)設(shè)計(jì)方案可以很好的降低磁場高次諧波，尤其是含量較高的2次諧波。
　　其次，結(jié)合氣隙磁密基波解析模型及線圈等效簡化模型，利用洛倫茲力法

3、，對通電線圈電流微元的受力情況進(jìn)行了研究，進(jìn)而給出了動圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)動子線圈的推力/轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，為平面電機(jī)推力/轉(zhuǎn)矩分配提供了理論依據(jù)。提出了“推力功耗比最大”的線圈優(yōu)化準(zhǔn)則，并根據(jù)此優(yōu)化準(zhǔn)則對動子線圈尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，使得平面電機(jī)在輸出相同推力的情況下，能量損耗最小。
　　然后，針對平面電機(jī)具有六自由度運(yùn)動的特點(diǎn)，利用期望推力/轉(zhuǎn)矩給出了動圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)電流分配策略，此電流分配策略可以有效的實(shí)現(xiàn)推力/轉(zhuǎn)矩的六自由

4、度完全解耦。針對平面電機(jī)起浮運(yùn)動過程，研究了懸浮力隨豎直位移呈指數(shù)衰減特性對電機(jī)控制性能的影響，設(shè)計(jì)了基于 PID位置反饋的運(yùn)動控制器，結(jié)果表明，系統(tǒng)在 PID控制器的控制下具有很強(qiáng)的抗干擾性和良好的魯棒性。
　　最后，利用Ansoft有限元仿真軟件建立三維仿真模型，采用PC+DSP28335+驅(qū)動板+樣機(jī)+傳感器的方式搭建樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，對平面電機(jī)反電勢、z向懸浮力和x向水平推力/轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真及實(shí)驗(yàn)，將理論解析值、有限元仿真值和