大口径天文望远镜用圆筒式弧线永磁电机及精密控制系统

Fundamental research on tubular arc permanent magnet machine for pitch axis used in the large caliber astronomical telescope and its precision control system is of great significance to the fast development of the large astronomical telescope in our country. The project proposes a novel topology of tubular arc permanent magnet machine for pitch axis with excellent physical characteristics, which is suitable for the steady drive of the large caliber astronomical telescope. Multi-objective electromagnetic optimization algorithm and structure design method are researched to improve the equivalence of the three phases windings in three rotor units. The theory of suppressing the torque ripple is studied and the approach to reduce cogging torque is presented. The research on the three-phase double windings, the theory and methodology of precision servo control of arc machine are carried out. The rules to design the drive and control system of arc machine and to choose the control strategy are summarized. It lays a solid theoretical and technical foundation for the application of the new type of machine in the large caliber astronomical telescope.

开展用于大口径天文望远镜俯仰轴用圆筒式弧线永磁电机及精密控制系统的基础研究，对于加快我国大型天文望远镜的建设具有十分重要的意义。本项目提出适合于平稳驱动大口径天文望远镜俯仰轴的圆筒式弧线电机的最佳拓扑结构和物理特征；掌握其多目标的电磁优化和结构设计方法，努力提高三转子模块的三相绕组的均衡性；研究电机力矩波动抑制原理，提出降低电机定位力矩的方法；研究转子模块的双三相绕组，研究弧线电机高精度伺服控制的理论和方法；总结弧线电机驱动控制系统设计及选择控制策略的一般规律。为该类新型电机在大口径天文望远镜上的应用奠定坚实的理论和技术基础。

大口径天文望远镜要求驱动系统能实现精密控制、力矩脉动小。本项目提出采用转矩密度高、转矩脉动小的圆筒式弧线永磁电机来实现大口径天文望远镜的高精密驱动，简化望远镜总体结构、提高系统的控制性能，对于加快我国大型天文望远镜的建设步伐具有十分重要的意义。本项目从拓扑结构设计、电磁计算、多场耦合仿真、多目标优化设计、控制策略等方面开展研究，主要研究内容有：.（1）研究了弧线永磁电机的运行机理，基于有限元方法、等效磁路法、解析法等多种电磁计算方法对各种弧线永磁电机的电磁性能进行分析对比，提出了适用于天文望远镜驱动系统的高转矩、低转矩脉动弧线永磁电机最佳拓扑结构，相比于传统的单定子弧线永磁电机，其转矩提高了39.3%；.（2）基于多物理场耦合的快速计算方法，对弧线永磁电机的结构参数和制造方案进行补偿与修正，提高了弧线电机运行的稳定性与可靠性；提出了一种基于强大机器学习方法和智能优化算法结合的多目标优化方法，保证了弧线电机输出最优的电机性能。相比于初始电机，优化后的电机的感应电势提高了47.5%，转矩提高了49.6%，转矩脉动降低了53.8%；.（3）分析了弧线永磁电机力矩脉动产生的原因，研究了弧线电机运行时转矩脉动的抑制机理，提出了一种新型的绕组交叉连接方法，提高了三相绕组的均衡性，有效抑制了因边端效应引起的转矩脉动，转矩脉动从60.63%降低到27.28%；.（4）为实现弧线永磁电机平稳运行及精准控制，设计了一种基于特征模型的自抗扰位置伺服与速度伺服控制策略，对控制方案进行了仿真与实验，结果证明了该控制策略具有高精度、高鲁棒性和强抗干扰能力；.（5）研制了一台功率为148W小型原理样机，搭建了试验测试平台，测试了空载感应电动势、负载转矩以及转矩-电流特性等实验。有限元结果和实验结果吻合很好，误差为4.48%。 因此，实验结果验证了所提弧线电机结构的合理性以及高精度伺服控制算法和转矩脉动抑制方法的有效性。