動圈式磁懸浮永磁平面電機優(yōu)化設(shè)計與運動控制.pdf

1、平面電機不需要中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)便可直接實現(xiàn)二維平面運動，具有定位精度高、加速度大、響應(yīng)速度快等特點。相比于其他各類的平面電機，動圈式磁懸浮永磁平面電機具有結(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。本文以動圈式磁懸浮永磁平面電機為研究對象，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動控制、有限元仿真及實驗等方面進行了研究，具體內(nèi)容如下：
　　首先，在分析動圈式磁懸浮永磁平面電機工作

2、原理和拓撲結(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)果和已有文獻中的磁鋼參數(shù)進行有限元對比和實驗驗證，證明了本文所提出的磁鋼參數(shù)設(shè)計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行了研究，進而給出了動圈式磁懸浮永磁平面電機動子線圈的推力/轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)模型，為平面電機推力/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)化準則，并根據(jù)此優(yōu)化準則對動子線圈尺寸進行了優(yōu)化，使得平面電機在輸出相同推力的情況下，能量損耗最小。
　　然后，針對平面電機具有六自由度運動的特點，利用期望推力/轉(zhuǎn)矩給出了動圈式磁懸浮永磁平面電機電流分配策略，此電流分配策略可以有效的實現(xiàn)推力/轉(zhuǎn)矩的六自由

4、度完全解耦。針對平面電機起浮運動過程，研究了懸浮力隨豎直位移呈指數(shù)衰減特性對電機控制性能的影響，設(shè)計了基于 PID位置反饋的運動控制器，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+傳感器的方式搭建樣機實驗平臺，對平面電機反電勢、z向懸浮力和x向水平推力/轉(zhuǎn)矩進行了仿真及實驗，將理論解析值、有限元仿真值和