大偏航角状态下无铁永磁平面电机的电磁力建模及解耦控制研究

Some information and optical equipments require high-precision planar positioner capable of traveling over relatively large displacements (on the order of tens of degrees) in one rotational DOF, such as yaw DOF. An ideal solution is, without adding extra yaw-actuators, driving planar motors to travel over the large yaw displacement directly. This technical scheme will keep the compact structures of planar motors unchanged. Focusing on large-yaw-angle planar motors, this project includes the following main contents. 1) Two novel modeling methods of the force and torque: the dual-parameter modeling method based on magnetic field control and the single-coil modeling method based on coil current control. These two modeling methods will form a relatively integral theoretical system. 2) Two novel decoupling control strategies for the force and torque: the decoupling strategy based on magnetic field control and the decoupling strategy based on the transformation from net forces to active-coil-set currents. 3) The coil-switching strategy for reducing the force ripples and the Moore-Penrose inverse for minimizing the ohmic loss. 4) The test platform capable of measuring the force and torque in the whole stroke of planar motor. Through this project, the theoretical level of planar motors, especially large-yaw-angle planar motors, in our country will be improved apparently and the technical gap with the developed countries will be shortened in the field of compact multi-DOF high-precision positioners.

对于需要大偏航旋转的高精度平面定位应用，如果能不叠加额外的偏航转动执行器，仅通过控制手段直接驱动平面电机进行大角度偏航旋转，将充分发挥平面电机结构紧凑、定位精度高的优点。针对典型的平面电机结构，提出基于绕组磁场控制的双参数模型和基于线圈电流控制的单线圈模型两种全新的电磁力数学模型，形成一套较完整的大偏航角无铁平面电机电磁力建模的理论体系。以上述电磁力数学模型为基础，提出基于绕组磁场控制的电磁力解耦控制策略和基于合力－活动线圈组电流变换的电磁力解耦控制策略。通过活动线圈组切换策略和Moore-Penrose反变化来有效抑制电磁力脉动和欧姆发热。搭建一套电磁力测试平台，用于在平面电机全行程范围内测试磁力、磁力矩。项目的研究成果将提高我国平面电机尤其是具备大偏航角运动能力的平面电机的理论水平，缩短紧凑型多自由度高精度定位平台领域与发达国家的技术差距。

对于需要大偏航旋转的高精度平面定位应用，如果能不叠加额外的偏航转动执行器，仅通过控制手段直接驱动平面电机进行大角度偏航旋转，将充分发挥平面电机结构紧凑、定位精度高的优点。项目的主要研究内容包括：1）针对典型的平面电机结构，提出基于绕组磁场控制的双参数模型和基于线圈电流控制的单线圈模型两种全新的电磁力数学模型，形成一套较完整的大偏航角无铁平面电机电磁力建模的理论体系。2）以上述电磁力数学模型为基础，提出基于绕组磁场控制的电磁力解耦控制策略和基于合力－活动线圈组电流变换的电磁力解耦控制策略。通过活动线圈组切换策略和Moore-Penrose 反变化来有效抑制电磁力脉动和欧姆发热。3）搭建一套电磁力测试平台，用于在平面电机全行程范围内测试磁力、磁力矩。.项目取得的主要成果包括：.1）双参数电磁力模型及对应的解耦控制策略。为实现第一类平面电机和第二类“长有效边”平面电机的精确定位控制，提出了一种新型的基于绕组磁场控制的双参数电磁力建模方法。首先，提出了一种基于数值洛伦兹法的直线执行器快速仿真方法，然后，基于曲线拟合和频谱分析，推导出了磁力和磁力矩的双参数模型表达式，最后，通过有限元仿真和定位实验验证了双参数模型的正确性。.2）基于活动线圈组切换和Moore-Penrose反变换的平面电机控制策略。为有效抑制电磁力脉动和欧姆发热，首先，通过关闭永磁阵列外的非出力线圈，可降低约15%的欧姆发热；然后，提出了一种基于Moore-Penrose反变换的最小发热控制策略，在相同出力的前提下优化线圈电流分配，最小化系统发热。.3）形成了基于线圈电流控制的单线圈电磁力模型和基于合力－活动线圈组电流变换的电磁力解耦控制策略等理论研究成果。.4）研制了一套第一类平面电机样机系统，进行了开环和闭环定位试验。为实现三自由度平面电机的解耦控制，提出了基于模式力的三自由度平面电机的解耦控制策略，推导了系统的位置传感器方程。给出了平面电机开环定位实验、三自由度闭环定位实验、负载定位实验的步骤和结果，实验结果表明，基于模式力的解耦控制策略可行，平面电机系统具有良好的动静态性能。.项目的研究成果将提高我国平面电机尤其是具备大偏航角运动能力的平面电机的理论水平，缩短紧凑型多自由度高精度定位平台领域与发达国家的技术差距。