磁浮平面电机高效电磁结构与精密控制方法研究

This research focus on the long-stroke magnetically levitated permanent-magnet planar motor. A new permanent-magnet array for the magnetically levitated planar motor is proposed with high electromagnetic efficiency and sinusoidal distribution, which enhance thrust force and reduce ripple,tempreture and volume of the motor. An accurate numerical model for electric-magneic force of the coil corner segments is derived to improve the control performance by modeling the complete coil shape for Lorentz force integration in the three-dimensional magnetic field. An new decoupling method based wrench for complex redundant coil array is developed,which distribute force among the coils and make the current in the coil smooth and continuous without mutation and saturation, also the method can be realized in the DSP. The interference characteristics of sheet winding moving in the alternate magnetic field is studied, then the compensation method for control is proposed. lastly, the prototype motor for experiment and the test control system will be implemented to analyse the characteristics of the motor and control. The design principle of the new magnetically levitated planar motor will be built, and the technology base of the motor for further research will be supplied.

本项目进行进行大行程磁浮平面电机与控制技术研究。内容为：研究一种新的磁场阵列拓扑结构，具有磁场效率高且分布特性好，实现大推力、低纹波、低温升与体积紧凑；建立线圈圆弧在三维磁场中的电磁力精确积分模型，实现线圈电磁力的全尺寸精确计算，提高电机的控制计算精度；研究基于旋量的过约束Over constraint冗余优化解耦方法，实现多维线圈阵列的驱动力的精确控制分配，并使驱动电流连续平滑，不出现冲击过载，其功耗优化，并可在DSP处理器上实时实现, 提高控制精度与运动平稳性；研究扁平导线线圈在磁场阵列中的干扰特性，研究其补偿控制方法。在此基础上，进行电机综合优化设计，进行原理样机与控制试验系统研制，开展试验研究，为掌握磁浮平面电机这一新型驱动元件的设计与高性能控制方法提供技术基础。

磁浮平面电机通过控制线圈阵列电流，动子台体悬浮于磁场，直接实现大行程平面驱动。由于悬浮运动无需机械导轨，运动无摩擦无磨损，极大简化运动机构并与减轻运动质量，利于高速、高加速运动。是目前新型高端光刻机精密运动平台的核心部件。.本项目研究磁浮平面电机的关键技术，研究基于Halbach阵列的高效永磁阵列结构，研究6自由度磁浮电磁力的精密计算与多维线圈阵列的解耦方法，研究电机涡流与温升等对控制的干扰，并研究优化控制方法。. 本项目研究研究了一种新的磁场阵列拓扑结构，具有磁场效率高且分布特性好，实现大推力、低纹波与体积紧凑；建立了三维磁场中的线圈圆弧的电磁力精确积分模型，实现线圈电磁力的全尺寸精确计算，提高了电机控制的计算精度；推导了基于旋量与能耗最优的过约束优化解耦方法，可实现多维冗余线圈电流的精确分配，并使驱动电流连续平滑，不出现冲击过载，满足大功率多线圈的电机驱动；研究了扁平导线线圈在磁场阵列中的涡流干扰，研究了补偿控制方法，此外研究了线圈温升对电机控制的影响，提高控制精度与运动平稳性。在上述研究基础上，进行了原理样机与控制系统的研制，所研究的控制算法软件，可在目前的通用DSP处理器上实时实现，由此表明其方法的有效性与可实现性。. 本项目较全面地研究了基于Halbach阵列的大行程平面磁浮电机设计控制问题，所研究的磁场阵列优化方法，可以改善平面电机电磁效率与高次谐波问题；研究的线圈电磁力精确计算模型与多维线圈冗余解耦方法可对多线圈电流进行精确计算分配，并实现功耗优化；电磁涡流与线圈温升的干扰研究，可以进一步提高运动控制性能。上述研究，可为磁浮平面电机这一新型驱动元件的研制以及高性能运动控制，提供原理、方法与技术基础。