可控励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台运行机理与控制策略研究

The controllable excitation linear synchronous motor magnetic levitation feed platform is a new magnetic levitation feed platform. The stator of motor adopts controllable DC excitation method. Magnetic pole as excitation pole and suspended pole as well. The normal force between magnetic pole and mover of the platform is magnetic levitation force, and the magnetic levitation force of the platform can be change by adjusting excitation current. The tangential force of armature in magnetic field is electromagnetic thrust which is used to drive platform, and the electromagnetic thrust can be changed by adjusting armature current. Mover of the motor connected with the fixed platform. Linear synchronous motor realize platform feeding function and magnetic levitation function at the same time. The structure is simple and easy to be regulated magnetic field because it does not need electromagnet suspended. The purpose is to eliminate friction between the platform and guide to improve the accuracy of the platform. Focus on the followings: (1) Operating mechanisms of the controllable excitation linear synchronous motor magnetic levitation feeding platform. (2) Electromagnetic thrust and magnetic levitation force mathematical model is deduced. (3) Design method of magnetic levitation feeding platform controllable excitation linear synchronous motor. (4) Decoupling control laws of the controllable excitation linear synchronous motor and control strategy for platform drive system and levitation system. Scientific significance is to study the new method of driving magnetic levitation feeding platform by controllable excitation linear synchronous motor, and obtain the operating mechanisms of magnetic levitation feeding platform, especially, explore the decoupling control laws of the controllable excitation linear synchronous motor of magnetic levitation feeding platform and the control strategy of platform drive system and levitation system.

可控励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台，电动机定子为直流励磁，磁极既是励磁磁极也是平台的悬浮磁极，磁极与动子铁心间的法向力为平台的悬浮力，调节励磁电流改变平台的悬浮力，电枢在磁场中受到的切向力为驱动平台的电磁推力，调节电枢电流以调节平台的电磁推力。平台与动子固定相连，直线电动机同时实现平台的进给与磁悬浮，不需电磁铁悬浮，结构简单磁场调节容易，目的是消除平台与导轨间的摩擦提高精度。重点研究：（1）可控励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台的运行机理。（2）建立磁悬浮平台电磁推力与悬浮力的数学模型。（3）磁悬浮进给平台可控励磁直线同步电动机的设计方法。（4）可控励磁直线同步电动机的解耦控制规律及平台驱动系统和悬浮系统的控制策略。科学意义是研究可控励磁直线同步电动机驱动磁悬浮进给平台的新方法，获得磁悬浮进给平台的运行机理，探索驱动磁悬浮平台的可控励磁直线电动机解耦控制规律及进给和磁悬浮系统的控制策略。

研究可控励磁直线同步电动机驱动磁悬浮进给平台的运行机理与控制策略，实现平台的无摩擦进给，提高平台的控制精度。重点研究：（1）可控励磁直线同步电动机磁悬浮进给平台的运行机理。平台与电动机的动子固定相连，可控励磁直线同步电动机为直流励磁，电动机的磁极既是励磁磁极也是平台的悬浮磁极，磁极与动子铁心间的法向麦克斯韦力提供平台的悬浮力，调节励磁电流以调节平台的悬浮力。电枢为交流绕组，它在磁场中受到的切向力提供驱动平台的电磁推力，调节电枢电流就可以调节平台的电磁推力。在对磁悬浮进给平台运行机理研究的基础上，设计并制作了磁悬浮进给平台的研究样机。（2）建立磁悬浮进给平台电磁推力与磁悬浮力的数学模型。推导电磁推力、磁悬浮力与磁密之间的解析表达式。为实现对电磁推力与磁悬浮力的控制，从功率的角度建立电磁推力与电枢电流的解析表达式，用等效磁路法建立磁悬浮力与励磁电流的解析表达式。建立描述磁悬浮进给平台运动规律的数学模型。对电磁推力与磁悬浮力进行了有限元计算。（3）磁悬浮进给平台可控励磁直线同步电动机的设计方法。采用磁路计算与电磁场有限元计算相结合的方法，对电动机的电磁场与参数进行计算，设计并制作了实验用的可控励磁直线同步电动机。（4）可控励磁直线同步电动机的解耦控制规律及平台驱动系统和悬浮系统的鲁棒控制策略。分析可控励磁直线同步电动机的耦合机理，研究解耦控制规律，结合电机的矢量控制原理，将系统解耦成进给控制系统和磁悬浮控制系统。对进给系统的鲁棒控制策略以及磁悬浮系统模糊控制策略进行了理论研究。研制进给与磁悬浮控制系统，并进行实验研究，获得了磁悬浮进给平台运行的部分实验结果。科学意义在于通过研究可控励磁直线同步电动机驱动磁悬浮进给平台的运行机理、数学模型及其控制策略，为最终实现进给平台的直接驱动与磁悬浮运行提供科学依据。