直线旋转两自由度Halbach永磁作动器及其控制系统研究

永磁作动器（permanent magnet actuator）是结合永磁和电磁两者优点的一类新型执行机构。直线旋转永磁作动器是近年来发展起来的可实现直线和旋转两自由度复杂运动的永磁作动器，开展此类作动器的研究，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。本项目结合Halbach永磁的优点，提出了直线旋转两自由度Halbach永磁作动器，深入研究其运行机理，探求多目标电磁优化设计技术，精确计算电磁参数；建立静动态特性多体联合仿真模型，掌握直线旋转两自由度运动的解耦以及鲁棒自适应控制技术，构建以dSPACE为核心的硬件控制系统，搭建试验平台，测试静动态特性，为该类作动器在航空航天、机器人以及工业控制领域广泛应用奠定理论和技术基础。

直线旋转永磁作动器（LRPMA）是一种利用单套定动子实现直线、旋转或螺旋运动功能的新型两自由度永磁作动器，可用于替代由多个驱动部件组合构成的直线旋转执行机构，在机器人和汽车自动档等工业和民用领域具有广阔的应用前景，对其电磁设计、数学建模与运动控制进行深入研究具有重要的理论意义和工程应用价值。.本项目系统地介绍和分析了现有各类直线旋转作动器拓扑形式和控制方法，比较了各类LRPMA的主要结构与性能特征；给出了典型LRPMA的拓扑结构，分析了其运行原理；提出了一种仅含周向磁路的新型单向磁路LRPMA，采用磁路方法进行了分析，建立了三维有限元计算模型，给出了其电磁设计方法。.基于求解圆柱坐标系下的Laplacian方程和虚宗变量Bessel方程，给出了LRPMA空载气隙磁场分布的直接解析计算方法；提出了一种等效曲率系数方法，对圆柱坐标系下的空载气隙磁场提出了简化的间接解析计算方法。对Halbach型LRPMA在圆柱坐标系下的空载气隙磁场分别进行了直接和间接的解析计算。.在空载气隙磁场解析计算结果的基础上，基于虚功法推导了有铁心LRPMA的电磁转矩/电磁力的解析公式；基于麦克斯韦应力张量法，推导了有铁心LRPMA的定位转矩/定位力的解析公式；基于洛伦兹力法，推导了无铁心LRPMA的电磁转矩/电磁力的解析公式。并对作动器的结构进行了优化。.建立了LRPMA的九相定子坐标系数学模型。提出一种新型9/4相双dq数学变换，建立了动子坐标系下的数学模型，提出了直线旋转运动的解耦控制策略。基于MATLAB/Simulink建立了控制系统的通用仿真模型，对解耦控制进行仿真分析。制作了LRPMA样机，搭建了性能测试和解耦控制实验系统。实现了LRPMA的解耦运动控制，验证了基于双dq变换动子数学模型的解耦控制方法。