轨道驱动用磁悬浮永磁直线容错电机及其控制技术研究

永磁直线容错电机（FTPMLM）兼有永磁同步电机和开关磁阻电机的优点，摆脱了传统感应直线电机制造成本高、容错性差、功率因数和效率低的不足，受到了国内外学者的重视。项目提出采用磁悬浮支承（EMS）导轨的FTPMLM电机轨道驱动结构。针对FTPMLM谐波漏感大，准确建模与控制的难点，提出基于非线性磁链模型的FTPMLM最优转矩瞬时控制方法。利用场路联合仿真分析手段，构造FTPMLM最小二乘支持向量机磁链模型和法向电磁吸合力模型；研究FTPMLM多态工况下的动态解耦及复合智能滑模控制策略；针对承载力和动子法向吸合力、导向力和动子线速度离心力的耦合特点，分析EMS大范围变静态点工作的表征特性；探讨EMS变静态工作点大范围线性化方法，研究设计EMS自适应滑模控制与前馈控制相结合的悬浮解耦控制策略。本项研究为提高FTPMLM机电性能、解决建模与精确控制难题提供了新思路，具有重要学术意义和实用价值。

本项目针对现代轨道驱动系统直线往复运动高速、高效和高可靠性的特征与趋势，提出采用磁悬浮支承（EMS）导轨的永磁直线容错电机（FTPMLM）这一种全新的轨道驱动运动装置，并围绕其结构原理特性、数学建模、动态解耦控制和高性能数控系统等方面开展理论与实验研究。首先在综合考虑EMS静态功耗、结构冗余、机电耦合度，以及FTPMLM容错性能基础上，选用三磁极型电磁铁和halbach型永磁长定子方案，利用结构解耦的思想，设计轨道驱动装置，并应用SolidWorks三维多体运动学仿真技术和ANSYS有限元仿真工具对轨道驱动装置进行数值模拟和局部优化，通过多方案分析比较，完成了一种四支撑与二导向分离型轨道驱动导轨结构和四相六极正弦驱动型永磁容错电机的设计。在深入分析永磁容错电机结构和原理的基础上，导出了系统的降阶变换矩阵，建立了其在dq旋转坐标系下的数学模型，利用Maxwell场路联合仿真技术，构造了电机最小二乘支持向量机磁链模型和法向电磁吸合力模型，研究了基于非线性磁链模型的最优转矩瞬时控制方法。针对电磁推力与电流、磁链间的耦合特性，在验证电机模型可逆性的基础上，应用逆系统方法，对系统实现解耦并线性化。在考虑伪线性系统模型不确定性及阶数特征的条件下，引入比例-积分及比例-积分-微分型滑模面构造方法，并结合自适应辨识在线实时估计不确定项边界值的思想，提出伪线性系统的自适应积分滑模控制器。根据驱动系统外力扰动特点，研究设计了基于积分滑模面和幂次组合函数趋近率方法的复合滑模速度控制器，以及新型非线性饱和函数跟踪-微分器的二阶自抗扰位置控制器。基于结构解耦设计原理，建立了磁悬浮支承系统的工程数学模型，分析了其基本模型随悬浮气隙和动子速度变化的关系以及近静态工作点的运行特性，提出了基于干扰估计的离散积分滑模磁悬浮支承控制策略，研究了外部干扰项的离散迭代估计方法，确使切换控制律具有依据外部干扰项而实时自适应调整的能力。根据高速高精度数字控制和原型测试需求，研究设计了DSP+FPGA+H逆变桥结构的数控系统，开发了集成测试系统，完成了样机装置的设计加工，进行了相关实验验证。本项目属应用研究项目，理论与实际、学科交叉性强。获得省部级科技进步奖2项，授权发明专利11项、软件著作权专利2项，发表论文25篇，培养研究生6名，境外访学2人。