動圈式磁懸浮永磁平面電機優(yōu)化設計與運動控制.pdf

1、平面電機不需要中間轉換機構便可直接實現(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構簡單、效率高、無摩擦、適應真空工作環(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、原理和拓撲結構的基礎上，建立了二維Halbach定子磁鋼陣列磁場諧波模型，提出了“平均基波幅值應盡可能大，平均相對均方差應盡可能小”的磁鋼優(yōu)化原則和“總諧波畸變率應盡可能小，基波幅值應盡可能大”的磁鋼優(yōu)化原則。通過將所得優(yōu)化結果和已有文獻中的磁鋼參數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設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/轉矩數學模型，為平面電機推力/轉矩分配提供了理論依據。提出了“推力功耗比最大”的線圈優(yōu)化準則，并根據此優(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衰減特性對電機控制性能的影響，設計了基于 PID位置反饋的運動控制器，結果表明，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/轉矩進行了仿真及實驗，將理論解析值、有限元仿真值和