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层叠绕组式磁悬浮永磁直流平面电机鲁棒控制系统研究

作　者: 张钊
导　师: 郭亮
学　校: 浙江理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 磁悬浮平面电机 微分几何法 反馈线性化 H∞控制
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 4次
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内容摘要


磁悬浮平面电机通过动子与定子之间相互作用的电磁力，实现动子部件的无接触稳定悬浮和超精密平面驱动，是下一代超精密加工定位平台的驱动部件，开展磁悬浮平面电机的深入研究，对下一代超精密加工技术的发展具有极其重要的意义。本文提出了一种新型层叠绕组式五自由度磁悬浮永磁直流平面电机结构，通过对平面电机磁场的解析分析，建立了平面电机气隙和电压的理论模型，并完成了大范围线性化研究以及基于H∞理论的鲁棒控制系统设计，主要内容如下：1、分析了新型层叠绕组式磁悬浮平面电机的结构与多自由度运行原理；利用傅里叶级数法和表面电流法对磁悬浮平面电机中的磁场分布进行了理论分析；采用参数辨识方法推导了准确可行的磁悬浮平面电机磁悬浮系统仿射非线性数学模型；并通过实验验证证实了磁场计算结果和数学模型的准确性。2、利用微分几何方法对磁悬浮平面电机磁悬浮系统的电压控制模型进行大范围完全精确反馈线性化；分析了电压控制模型精确反馈线性化实现的复杂性，从而引入电流控制模型并对其进行了完全精确反馈线性化；通过仿真验证了磁悬浮系统模型线性化结果的正确性。3、对磁悬浮平面电机系统中存在的不确定性进行了分析，并将其归结为混合灵敏度问题，通过权函数的选择，采用回路成形法进行鲁棒控制器求解，由于在反馈线性化系统中，一般的权函数选择方法求解出的鲁棒控制器，对于外部干扰不具有鲁棒性甚至导致系统不稳定，对权函数选择进行了改进，求解出了相应的鲁棒控制器；利用MATLAB/SIMULINK软件搭建磁悬浮鲁棒控制系统模型，对该控制系统的动态效果和鲁棒性进行了仿真，并通过与PID控制系统仿真结果对比，验证了鲁棒控制器的控制性能。4、利用MATLAB/RTW/xPC目标作为控制系统数字控制器，搭建了磁悬浮平面电机磁悬浮控制系统；在RTW实验平台上，对所设计的鲁棒控制器的控制精度、大范围精确控制性能、动态性能和跟踪性能进行了实验验证，并通过与PID控制系统实验结果的对比，证明了鲁棒控制器具有更加优良控制性能。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-19
  1.1 课题研究背景与意义  10-11
  1.2 平面电机发展现状  11-15
    1.2.1 传统二维精密定位平台结构  11-12
    1.2.2 平面电机式精密定位平台结构  12-15
  1.3 磁悬浮控制技术  15-17
  1.4 论文内容安排  17-19
第二章 层叠绕组式磁悬浮永磁直流平面电机建模  19-40
  2.1 磁悬浮平面电机结构与工作原理  19-23
    2.1.1 磁悬浮平面电机结构  19-21
    2.1.2 层叠绕组式磁悬浮永磁直流平面电机工作原理  21-22
    2.1.3 层叠绕组式磁悬浮永磁直流平面电机优点  22-23
  2.2 磁悬浮平面电机磁场分析  23-33
    2.2.1 Halbach 永磁阵列  23-24
    2.2.2 磁悬浮平面电机定子磁场分析  24-32
    2.2.3 动子空心绕组磁场分析  32
    2.2.4 磁场分析总结  32-33
  2.3 磁场分析实验验证  33-35
  2.4 磁悬浮平面电机悬浮运动建模  35-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章 磁悬浮系统线性化  40-52
  3.1 磁悬浮系统分析  40-43
    3.1.1 磁悬浮系统模型分析  40-41
    3.1.2 非线性系统特性及分析方法  41-42
    3.1.3 磁悬浮控制系统实现分析  42-43
    3.1.4 磁悬浮控制系统设计方法  43
  3.2 磁悬浮平面电机模型线性化  43-51
    3.2.1 微分几何方法基础知识  43-44
    3.2.2 磁悬浮平面电机电压控制模型完全精确线性化  44-47
    3.2.3 磁悬浮平面电机电流控制模型及其完全精确线性化  47-50
    3.2.4 磁浮系统电流控制线性化模型仿真验证  50-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章 磁悬浮平面电机磁浮鲁棒控制系统设计  52-69
  4.1 H_∞控制理论简述  52-60
    4.1.1 模型不确定性、H_∞范数与小增益定理  52-55
    4.1.2 标准 H_∞控制问题  55-56
    4.1.3 系统灵敏度最小化与鲁棒镇定问题  56-58
    4.1.4 混合灵敏度问题及权函数的选择  58-60
  4.2 磁悬浮平面电机磁浮鲁棒控制系统设计  60-68
    4.2.1 磁悬浮平面电机磁浮线性化模型  60-61
    4.2.2 权函数的选择  61
    4.2.3 鲁棒控制器的求解  61-62
    4.2.4 仿真验证  62-64
    4.2.5 权函数的改进  64-65
    4.2.6 仿真验证  65-68
  4.3 本章小结  68-69
第五章 基于 RTW 的磁悬浮平面电机磁浮鲁棒控制系统实验  69-84
  5.1 磁悬浮控制系统构架及工作原理  69-70
  5.2 计算机数字控制器  70-73
    5.2.1 RTW 快速原型化目标  71
    5.2.2 xPC 目标机的启动与通信  71-72
    5.2.3 xPC 运行软件环境和系统实现操作流程  72-73
  5.3 NI 数据采集卡  73
  5.4 电涡流位移传感器  73-75
  5.5 磁悬浮平面电机驱动器  75-78
  5.6 控制系统实验  78-83
    5.6.1 控制系统实物总图  78
    5.6.2 鲁棒控制系统实验  78-82
    5.6.3 控制系统实验总结  82-83
  5.7 本章小结  83-84
第六章 总结展望  84-86
  6.1 本文工作总结  84
  6.2 本文工作内容展望  84-86
参考文献  86-90
致谢  90

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 直流电机
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