磁悬浮动磁式平面电机多自由度运动电气驱动方法研究

Magnetically levitated planar motor is of potential technology advantages to obtain comprehensive and excellent motion performances in high cleanliness and vacuum environment. It has broad prospects to be applied to drive advanced manufacturing equipments, precision motion and measuring system, etc. The research on the electric drive technology of magnetic levitation planar motor with moving magnets is more universal in theoretical significance and more practical in engineering value. Research contents and technical route of the project are: 1) By the volume integral of Lorenz force and the linear superposition of force/torque of rigid body, the analytical model of the electromagnetic force/torque under static condition for multi-degrees-of-freedom motion of the motor mover, is established. Then the permanent magnet array and the coil array of the motor are optimized structurally based on above analytical model of the electromagnetic force/torque under static condition. 2) Aiming at multi-objective optimization of coil current variables, the fundamental law of commutating coil array under the static condition is derived by means of generalized inverse matrix of electromagnetic force/torque model matrix. 3) The synchronous switch of commutated coils, which should be activated in order in the dynamic motion process of mover, is implemented by introducing weighted smoothing function matrix on the basis of the fundamental law of commutating coil array under the static condition. By the research, the method of electric drive, when the permanent magnet mover of the magnetically levitated planar motor is moving along certain trajectory, will be developed. This can lay sound theoretical foundation for multi-degrees-of-freedom motion control of the planar motor.

磁悬浮平面电机具有在高洁净度、高真空度工作环境下获得综合性优良运动性能的潜在技术优势，它在先进制造、精密运动和测量等装备和系统的运动驱动中具有广阔的应用前景。其中动磁式平面电机多自由度运动电气驱动技术的研究更具普适的理论意义和实际的工程应用价值。 本项目研究内容和技术路线为：1)采用洛伦兹力体积积分方法和刚体力/矩线性叠加方法，建立电机动台多自由度运动电磁力/矩静态解析模型，并在此模型基础上对电机线圈阵列和永磁阵列进行结构优化；2)以一定约束条件下多变量目标优化为目的，通过电磁力/矩静态解析模型非方矩阵广义逆阵的求取，获得静态条件下线圈阵列电流驱动的基本法则；3)基于静态条件下线圈阵列电流驱动基本法则，通过平滑函数矩阵加权，实现动台动态运动过程中线圈阵列通电线圈的同步切换。 通过上述研究，形成磁悬浮动磁式平面电机动台按一定轨迹运动时的电气驱动方法，为电机多自由度运动控制奠定坚实的理论基础。

磁悬浮平面电机具有在高洁净度、高真空度环境下获得优良运动性能的潜在优势，它在集成电路制造、微纳制造和测量等装备和系统的运动驱动中具有广阔的应用前景。动磁式平面电机换流驱动技术的研究更具有普遍的理论意义和实际的工程应用价值。.本项目主要研究内容为面向电磁力/矩解析模型的电磁参数优化，基于凸二次型函数优化的线圈阵列换流准则及实现方法，以及线圈阵列正弦函数加权电流同步切换方法和多自由度受控运动条件下的抗干扰跟踪控制策略。研究获得的重要结果、关键数据及其科学意义包括：1)线圈及线圈阵列尺寸设计取决于磁场极距。线圈厚度应设计为略小于磁场极距的一半，线圈长度选为磁场极距的m(偶数)倍，n个线圈总宽度应等于这一线圈长度，即在安装制造工艺允许的前提下线圈宽度和匝宽应尽可能等于磁场极距，如此设计可使得电机出力最大或者相同出力下线圈阵列功耗最低。其科学意义在于为磁悬浮平面电机的结构设计提供了理论依据，也为电磁力/矩建模和换流驱动方法的形成奠定了基础。2) 线圈阵列换流驱动方法决定了实时运动控制实现的可靠性以及实现的控制精度。统筹考虑线圈阵列全局功率损耗大小和局部功率损耗分布，基于凸二次型目标函数优化实现线圈阵列换流驱动，不但使得线圈阵列全局功耗最小化，还可使得局部功耗分布和各线圈电流幅值更加均匀一致。其科学意义在于使得线圈阵列换流驱动成为一种优化意义下的方法，继而为选取最小容量的功率驱动装置、降低电机控制系统成本提供了理论依据。3) 通过正弦函数矩阵加权换流算法，可实现线圈阵列电流同步切换。基于内模原理可将多自由度干扰力/矩纳入控制补偿中，采用传递函数矩阵分式描述进行闭环极点配置，可协调设计多自由度运动控制器。其科学意义在于形成多自由度运动实时控制系统中电流、力/矩等多变量耦合关联条件下实现多自由度运动抗干扰轨迹跟踪控制的控制系统综合方法，为后续多自由度运动实时控制的实现奠定了基础。