精密直线电机多维力形成机制及其控制策略研究

As direct drive actuator, the precision linear motor has been widely used in high-end equipment, such as high-level CNC machine tool and lithography machine, of which the core indicators directly depend on the output thrust quality. Served as the breakthrough point, the multidimensional force and its fluctuation mechanism will be analyzed firstly, and the precise thrust design theory can be constructed through the following two steps: analyzing the interaction mechanism between the electromagnetic thrust, the normal and lateral force, resolving the thrust and normal ripple force accurately based on the impact of cogging, ending and overhang effect on the space magnetic field. Then the thrust ripple suppression method in full-frequency range will be proposed, including pole-skew optimization design for reducing the high-frequency harmonic component and estimating the remaining low-frequency part utilizing the Jacobi linear observer in real time. Considering the current cross-coupling effect with direct and quadrature axis and the motor parameter uncertainty problem, high-performance current regulation scheme will be established on the integration of the adaptive principle with internal model decoupling mechanism and predictive control respectively. Conclusively, high-quality thrust outputting can be obtained incorporating with the aforementioned three strategies: the precise thrust design theory, the thrust ripple suppression method and the high-performance current regulation scheme. Finally, the theoretical and technical basis can be laid for realizing the ultimate performance index of high-end equipment. Therefore, this subject will produce important theoretical research value and engineering research prospects.

精密直线电机作为直驱型执行机构，广泛应用于高档数控机床和光刻机等高端装备中，其输出推力品质直接决定了这些装备的核心指标。本课题以精密直线电机的多维力及其波动机制为切入点，剖析电磁推力、法向力和横向力之间的相互作用机理，通过分析齿槽效应、端部效应和外悬效应对空间磁场的影响，精确解析推力和法向力波动，形成直线电机精确推力设计理论；针对推力波动问题，采用斜极优化方法抑制推力波动高频谐波成分，结合雅可比线性观测器实时估算波动的低频谐波成分，提出全频域范围内的推力波动抑制方法；为解决控制系统中交、直轴电流交叉耦合和电机参数不确定等问题，分别将内模解耦控制和预测控制与自适应原理相结合，提出高性能的电流调控方法。最终，通过精确推力设计理论、推力波动抑制策略和高性能电流控制方法的研究，获得高品质的直线电机输出推力，为实现高端装备的极限性能指标奠定理论和技术基础。本课题具有重要的理论研究价值和工程研究前景。

相较于传统由旋转电机和机械传动部件构成的直线运动装置，精密直线电机更易获得高推力、高速度、高动态响应和高精度等性能，广泛应用于光刻机、高档数控机床等高端制造装备中。.针对永磁直线电机，首先开展多维力形成机制及推力波动特性研究。推导了直线电机三维力的解析表达式，逐次分析齿槽效应、端部效应、脉振磁场效应以及绕组不对称效应对电机推力波动的作用机理。构建了齿槽效应影响下电机齿槽效应力解析式，分别得到了端部效应对端部区域和初次级间耦合区域气隙磁场的影响规律，建立了考虑绕组不对称效应的电机推力模型，指出绕组不对称效应将导致电机产生与电枢电流呈正相关的推力波动分量。.其次，研究了基于扰动观测器的推力波动抑制方法。根据超螺旋算法的思想和永磁同步直线电机的模型，提出了一种超螺旋滑模扰动观测器，对直线电机系统的扰动进行观测，并使用观测结果进行前馈补偿，提高系统的扰动抑制能力。通过实验分别给系统施加定位力扰动和突变负载扰动，证明了提出的扰动抑制方法能大幅提高位置控制精度。.电流调控品质直接决定了推力输出品质和外环稳定性及其可实现的性能，其设计非常关键。无差拍预测电流控制（DPCC）动态响应快，但其参数鲁棒性较差。为此，本项目研究了卡尔曼滤波器（KF）设计方法，以实现对扰动和下一时刻电流的估计，并利用估计值对传统的 DPCC 进行改进。进一步，设计了参数时变实验，在电流闭环下对上述算法的有效性进行了实验验证并对其性能进行了对比分析，结果表明提出的算法有效提高了 DPCC 参数鲁棒性。.最后，分别搭建了直线导轨支撑结构的永磁直线电机测试平台和基于气浮导轨的精密直线电机运动平台，测试平台能够对样机定位力、静推力、法向力以及反电势等性能进行测试，运动平台能够通过高性能驱动控制器验证提出的驱动控制方法的正确性，从而实现直线电机精确的运动控制。