[科普中国]-两自由度直线弧形电机-

2-DOF DAIM工作原理

:利用交流旋转电机做旋转运动及交流圆筒电机做轴向运动的特点，巧妙地结合两者的特点，在电机气隙中形成旋转磁场、行波磁场，这些磁场分别与同一转子作用，转子中产生感生电流，转子中的感生电流形成的磁场与定子磁场相互作用，即可驱动与转子同轴相连的机械负载做相对应的运动。

电机结构驱动旋转运动的电机装置由沿轴向的绕组及沿轴向开槽的定子铁心组成。驱动直线运动的电机装置具有沿圆周方向开槽的定子铁心与沿圆周的绕组所组成的定子。复合次级转子与输出轴固定连接，电机共用一个复合次级的圆柱形动子。2-DOFDAIM的定子铁心结构及绕组布置方式、电机整体结构分别如图12. 13所示。

2-DOF DAIM工作原理利用交流旋转电机做旋转运动及交流圆筒电机做轴向运动的特点，巧妙的结合两者的特点，在电机气隙中形成了旋转磁场、行波磁场、螺旋磁场，这些磁场分别与同一转子作用，转子中产生感生电流，转子中的感生电流形成运动磁场，与定子产生的磁场相互作用，即可驱动与转子同轴相连的机械负载做相对应的运动。旋转运动与直线运动自身是解祸的，可对其电源分别控制，对其固有结构特点，可分别实现控制算法分而控制，以使驱动系统控制J哇能达到最优。

2-DOF DAIM电磁设计根据技术数据及基本参数，确定此电机定子槽形即选用梨形槽，槽形尺寸可以参考类似规格确定，如图14所示。

2-DOF DAIM优点及前景2-DOF DAIM省去了传统的机械转换和连接装置，结构简单、紧凑、转动惯量小，减少了机床、设备的故障率，节约了成本及维护费用;旋转驱动绕组与直线驱动绕组独立控制，可改善径向力，轴承磨损小、控制容易。可应用于精密两自由度运动的芯片生产线、汽车生产线、数控机床、机器人、雕刻机、注塑机等设备上。

有待解决的问题为，由于用于产生旋转运动的定子部分非中心对称结构，轴承受轴向力作用较明显，转子轴将有可能对轴承一侧造成明显的磨损。现设想用转子“悬浮”的解决方法，即通过优化设计使动子重力抵消轴向力造成的不平衡，从而避免上述情况发生。

2-DOF DAIM控制策略分析针对所提出的电机结构特点，拟建立以法向力最小为目标的新电机矢量闭环控制系统，仿真新电机的动态特性，研究新电机法向力与控制量和控制参数间的关系，研究电机运动轨迹与推力或转矩间的关系，研究2-DOF DAIM矢量闭环控制的新特性。通过霍尔传感器和电机轴置入的测速传感器检测电机的转子电流和位移、速度等信号，实施对新电机逆变和驱动电路的全数字矢量闭环控制。2-DOF DAIM的矢量控制系统框图如图15所示。此系统拟采用两种变频控制方案，即:单变频器控制 (方案一)和双变频器控制(方案二)。控制方案一把新电机的两套绕组并联接入驱动回路，其中一套属于主动控制，另一套属于被动控制(其电源电压频率输入由另一套绕组速度给定值决定)，当主动控制电机绕组的速度给定值确定以后，被动电机绕组的速度按照与主动电机速度的一定比例关系也被确定。由于新电机的旋转转速与直线速度的比值是固定的，这种控制方案中电机的螺距是固定不可调的，只能采用开环压频比为常数的控制方式，此方案2-DOF DAIM表现为电磁祸合运动不祸合。方案二用双变频器分别独立的控制新电机的旋转运动和直线运动两套绕组，由于电机的旋转速度和直线速度均可独立驱动控制，所以电机的螺距是可调的。采用此种方案的2-DOF DAIM为电磁与运动都不祸合情况。方案二虽然增加了控制系统的成本，但是简化了控制算法，提高了控制系统的灵活性，具有更广泛的应用背景。以后开展的工作以方案二为研究重点。由于新电机存在多种不确定性，如电机参数的慢时变变化、未建模的动态、电机运行中受到外界的扰动等等，所以基于电机精确模型的矢量控制在应用中可能会受到限制，或者导致系统的稳定性变坏、控制精度降低，甚至不稳定等。为了克服新电机可能存在的这些问题，可以通过引入鲁棒自适应控制技术，如基于矩阵不等式的现代鲁棒控制，基于模糊逼近的鲁棒自适应控制，滑模自适应控制等，尝试提高新电机运行的稳定性、鲁棒性和适应性的控制算法，以期达到更满意的研究成果。

新电机的定子绕组在空间是解祸的，而且产生旋转运动及直线运动的磁场在空间也是解祸的，所以，能分别控制直线和旋转两绕组的电流以达到对电机速度、转速或者位移、角度的控制。新电机通过PWM双变频器驱动的矢量闭环控制。使电机转子以一定的角速度绕转子轴中心旋转，同时又以一定的线速度沿平行于转子转轴的方向直线运动，电机转子转轴满足螺旋运动方程2。

针对现有两自由度电机技术，提出一种新型的两自由度直驱感应电机(2-DOF DAIM)拓扑结构，阐述其工作原理及优点，讨论了未来两自由度直驱电机的发展方向。两自由度电机的研究不仅具有实际意义，而且还具有很高的理论意义，已成为电机学科的发展前沿。但是，该类电机研究还处于初级阶段，开发和制造新型电机的技术仍有待提高。