动圈式磁悬浮永磁平面电机优化设计与运动控制

摘要

平面电机不需要中间转换机构便可直接实现二维平面运动，具有定位精度高、加速度大、响应速度快等特点。相比于其他各类的平面电机，动圈式磁悬浮永磁平面电机具有结构简单、效率高、无摩擦、适应真空工作环境等优点。本文以动圈式磁悬浮永磁平面电机为研究对象，在Halbach型定子磁场优化、电磁推力/转矩建模及动子线圈优化、六自由度解耦电流分配及运动控制、有限元仿真及实验等方面进行了研究，具体内容如下：
　　首先，在分析动圈式磁悬浮永磁平面电机工作原理和拓扑结构的基础上，建立了二维Halbach定子磁钢阵列磁场谐波模型，提出了“平均基波幅值应尽可能大，平均相对均方差应尽可能小”的磁钢优化原则和“总谐波畸变率应尽可能小，基波幅值应尽可能大”的磁钢优化原则。通过将所得优化结果和已有文献中的磁钢参数进行有限元对比和实验验证，证明了本文所提出的磁钢参数设计方案可以很好的降低磁场高次谐波，尤其是含量较高的2次谐波。
　　其次，结合气隙磁密基波解析模型及线圈等效简化模型，利用洛伦兹力法，对通电线圈电流微元的受力情况进行了研究，进而给出了动圈式磁悬浮永磁平面电机动子线圈的推力/转矩数学模型，为平面电机推力/转矩分配提供了理论依据。提出了“推力功耗比最大”的线圈优化准则，并根据此优化准则对动子线圈尺寸进行了优化，使得平面电机在输出相同推力的情况下，能量损耗最小。
　　然后，针对平面电机具有六自由度运动的特点，利用期望推力/转矩给出了动圈式磁悬浮永磁平面电机电流分配策略，此电流分配策略可以有效的实现推力/转矩的六自由度完全解耦。针对平面电机起浮运动过程，研究了悬浮力随竖直位移呈指数衰减特性对电机控制性能的影响，设计了基于 PID位置反馈的运动控制器，结果表明，系统在 PID控制器的控制下具有很强的抗干扰性和良好的鲁棒性。
　　最后，利用Ansoft有限元仿真软件建立三维仿真模型，采用PC+DSP28335+驱动板+样机+传感器的方式搭建样机实验平台，对平面电机反电势、z向悬浮力和x向水平推力/转矩进行了仿真及实验，将理论解析值、有限元仿真值和静态实验测量值进行对比，三者结果的一致性证明了解析模型、有限元仿真模型和样机的正确性。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 平面电机发展现状

1.3 永磁同步式平面电机磁钢阵列分析与优化

1.4 永磁同步式平面电机线圈阵列分析与优化

1.5 永磁同步式平面电机运动控制研究

1.6 本文主要研究内容

第二章 动圈式磁悬浮永磁平面电机磁场建模及磁钢优化

2.1 动圈式磁悬浮永磁平面电机定子磁钢磁场建模

2.2 动圈式磁悬浮永磁平面电机定子磁钢磁场优化

2.3 有限元仿真及试验样机验证

2.4 本章小结

第三章 动圈式磁悬浮永磁平面电机电磁推力/转矩建模及线圈优化

3.1 动圈式磁悬浮永磁平面电机电磁推力/转矩建模

3.2 动圈式磁悬浮永磁平面电机线圈参数优化

3.3 本章小结

第四章 动圈式磁悬浮永磁平面电机电流分配策略及运动控制

4.1 动圈式磁悬浮永磁平面电机电流分配策略

4.2 动圈式磁悬浮永磁平面电机运动控制

4.3 本章小结

第五章 动圈式磁悬浮永磁平面电机有限元仿真及实验

5.1 动圈式磁悬浮永磁平面电机仿真模型及实验平台搭建

5.2 动圈式磁悬浮永磁平面电机反电势仿真及实验

5.3 动圈式磁悬浮永磁平面电机悬浮力/转矩仿真及实验

5.4 动圈式磁悬浮永磁平面电机水平推力/转矩仿真及实验

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文与专利