直线旋转永磁作动器三维电磁力解析方法及基于双dq变换解耦控制研究

As a 2-DOF actuator, linear and rotary permanent magnet actuator(LRPMA) capable of linear, rotary or helical movements by using one set of mover and stator, has the significant advantages of compact structure and high precision positioning. The research of the actuator, which can significantly improve the level of industrial controls and control system reliability, is of vital importance in both theory and engineering. In this project, a direct analytical calculation method using Bessel function and an indirect analytical calculation method using an equivalent curvature coefficient will be both given in the cylindrical coordinate system, for realizing the analysis of 3D electromagnetic force and designing and optimizing the actuator quickly and easily. Based on a two-directional dq transformation, the nine-phase current hysteresis control and the space vector control of the LRPMA will be researched, and taking into account the electromagnetic force pulsation and axial end effects, the precise decoupled control of linear and rotary movements will be proposed. The test platform for the electromagnetic force and the linear, rotary or helical movements will be established. Through this project, the theoretical level of 2-DOF actuators, especially the design, optimization and control of the LRPMA will be improved apparently, and the international level will be achieved in this field.

直线旋转永磁作动器是一种利用单套定动子实现直线、旋转或螺旋运动功能的两自由度作动器，具有结构紧凑、定位精度高的优点。开展其的研究，可以显著提高工业控制水平和控制系统的可靠性，具有重要的理论意义和实际的应用价值。本项目针对典型的直线旋转永磁作动器，通过圆柱坐标系下的三维电磁力解析方法研究，提出采用Bessel函数的直接解析方法和采用曲率系数的间接解决方法，快速地实现其电磁力分析及作动器设计优化；通过基于双dq变换数学模型的控制方法研究，提出直线旋转永磁作动器的九相电流的电流滞环控制和空间矢量控制策略，并计及电磁力脉动、轴向端部效应等影响，实现该作动器在直线和旋转方向上精确的解耦控制。研制电磁力动态测试平台，研制直线与旋转两自由度解耦控制动态实验平台。项目的研究成果将提高我国两自由度作动器尤其是直线旋转永磁作动器的设计优化和控制理论水平，实现我国在领域内的国际领先水平。

直线旋转作动器的是多自由度作动器中的一种，主要功能是实现直线、旋转和螺旋运动，并且在螺旋运动中，轴向和周向的运动可以独立控制。从运动学角度来看，该作动器非常适合应用于圆柱坐标系空间的定位与驱动。在研究过程中，LRPMA存在两方面科学技术问题亟待解决：一是电磁力（本申请中电磁力均为广义力，包含直线电磁力和定位力、旋转电磁转矩和定位转矩）的快速准确分析；二是两自由度解耦控制技术。.本项目主要研究直线旋转量自由度永磁作动器的电磁场解析计算与量自由度解耦控制，包括：1）分析了直线旋转永磁作动器运行原理。提出新型电磁结构，采用磁路方法进行了分析，给出了电磁设计方法。2）基于求解圆柱坐标系下的Laplacian方程和虚宗变量Bessel方程，提出了直线旋转永磁作动器三维磁场的直接解析计算方法。建立了采用等效曲率系数方法的间接解析计算方法。推导了电磁转矩/电磁力解析公式，定位转矩/定位力解析公式。解析计算与有限元计算结果相比，计算误差5%以内，但是分析时间可以控制在秒级。3）建立了直线旋转永磁作动器的定子九相坐标系数学模型。提出了一种新型9/4相双dq变换方法，建立了该作动器的双dq轴磁场定向动子坐标系数学模型；提出了直线和旋转运动的解耦控制策略，建立了采用电流滞环控制的通用仿真模型。构建了基于双DSP的数字驱动控制系统。4）搭建了直线旋转永磁作动器样机测试和解耦控制实验系统。.发表或已录用论文5篇，其中，SCI和EI双检索论文2篇，EI论文3篇，参加国际会议2次，申请发明专利9项，其中授权发明专利3项，在读硕士研究生3人。.项目研究建立了基于磁标量位的直线旋转永磁作动器的直接解析方法，丰富了电磁场的计算方法和复杂三维空间的解析计算方法，拓展了解析计算方法在多维运动电机中的应用。相关研究丰富了多自由度电机的控制理论和控制方法，是对多自由度电机设计和控制理论所进行的验证。