磁悬浮球形主动关节系统的研究

为了解决传统多自由度关节由于传动链长、关节摩擦面磨损严重，导致末端执行器的承载能力及系统刚度和效率降低、系统精度下降，以及静、动态性能和稳定性均变差等问题，本项目基于国家自然科学基金在国内外率先提出并研究磁悬浮球形主动关节系统。项目研究分别基于磁场理想分布规律、磁场分割法，以及球谐波理论等，对磁悬浮球形主动关节磁场进行分析，得出了气隙磁场的解析模型，研究了磁悬浮球形主动关节产生电磁悬浮力和电磁转矩的机理，并通过有限元仿真试验分析，验证了气隙磁场及电磁悬浮力和电磁转矩模型的正确性；对不同类型的磁悬浮球形主动关节进行了结构研究，设计出定子分体式和整体式、磁阻式和感应式、正交绕组式和分区域绕组式等磁悬浮球形主动关节或电机结构，建立了磁悬浮球形主动关节的三维动力学耦合模型和逆系统解耦线性化模型，对系统进行了状态重构的同步悬浮控制和PDF控制研究，提出了磁悬浮球形主动关节的多种控制驱动电路方案，设计了磁悬浮球形主动关节的检测控制系统，并对系统进行性能仿真分析，构建了磁悬浮球形主动关节的实验台，通过试验验证了理论分析研究结果的正确性。项目研究取得的成果，将为后期磁悬浮球形主动关节的设计和研究提供可行的理论基础，并对球形电动机、主动关节的发展以及高速磁悬浮机械的研究，对提高主动关节系统性能 以及多自由度机械系统小型化和微型化均具有十分重要的意义。 2100433B

基于磁悬浮技术、电机技术及机器人关节技术，提出并研制一种多自由度磁悬浮球形主动关节系统。从理论上分析磁悬浮球形主动关节既产生支承球形关节的径向悬浮磁力，同时又产生驱动球形关节多自由度转动的切向磁转矩的工作机理。推导磁悬浮球形主动关节产生的径向悬浮力和任意自由度方向的切向磁转矩公式，并通过简易的模型实验对关节进行稳定悬浮和旋转驱动的实验验证。用有限元法分析方法计算磁悬浮球形主动关节磁场各参数的分布规律和磁场间的耦合关系，对磁路结构进行优化，设计主动关节的本体结构。根据本体结构的特点，用空间转子动力学分析方法建立磁悬浮球形主动关节系统的动力学耦合模型，设计系统的自检测解耦控制系统并进行系统仿真优化，为磁悬浮球形主动关节的原理论证和设计计算提供依据。最终制造出本体样机，根据仿真结果设计和构建自检测解耦控制系统，并进行磁悬浮球形主动关节的实验。

潜艇在我国国防建设中具有重要的战略意义，潜艇的静音能力是衡量战斗力的主要指标之一，降低动力噪声的主要手段是采用浮筏隔振技术，但浮筏隔振无法克服低频减振能力差的难题，本项目提出引入磁悬浮作动器构成磁悬浮浮筏主动隔振系统加以解决。传统磁悬浮支承是进行平衡位置控制，而磁悬浮作动器是进行刚度阻尼调节，只有对基于刚度阻尼控制的磁悬浮作动器的相关问题进行研究，才能将磁悬浮作动器与浮筏结合应用于潜艇隔振系统中。本项目拟通过理论与实验相结合的方法，探索磁悬浮支承技术在浮筏隔振应用中引发的新问题，研究基于刚度控制的磁悬浮作动器模型的建立、研究磁悬浮作动器刚度阻尼对浮筏系统振动特性的影响、研究磁悬浮作动器与浮筏的刚度匹配规律、研究基于刚度匹配策略的磁悬浮作动器的控制方法，构建磁悬浮浮筏主动隔振系统的设计理论与设计方法，为磁悬浮作动器应用于隔振系统奠定理论基础，为提高我国潜艇声隐身技术水平和国防事业作出贡献。

潜艇在我国国防建设中具有重要的战略意义，潜艇的静音能力是衡量战斗力的主要指标之一，降低动力噪声的主要手段是采用浮筏隔振技术，但浮筏隔振无法克服低频减振能力差的难题。本项目提出磁悬浮作动器与浮筏结合使用的“磁悬浮浮筏主动隔振系统”，即在振源与受控对象之间增加能够进行主动控制的磁悬浮作动器，综合利用浮筏隔振和磁悬浮作动器隔振的优点，改进隔振系统的隔振降噪效果，解决浮筏隔振无法对低频振动进行衰减的问题。 本项目通过理论与实验相结合的方法，建立了基于刚度控制的磁悬浮作动器的理论模型和仿真模型，研究了影响其刚度变化的因素；根据理论研究和计算机仿真分析结果，完成了可变刚度电磁-空气弹簧混合隔振器的分析设计，设计了一种新型结构的气磁主被动混合隔振器；综合考虑空气弹簧承载能力大和磁悬浮隔振器能够抑制空气弹簧低频共振的特点，推导出了空气弹簧刚度与磁悬浮隔振器位移刚度间的关系；研究了气磁主被动混合隔振器的设计准则；依据该设计准则进行了实例设计；空气弹簧和磁悬浮隔振器的刚度取不同值时，对气磁主被动混合隔振系统的固有频率和力传递率进行了仿真分析，结果表明增大磁悬浮隔振器刚度的绝对值或降低空气弹簧的刚度值，可以达到更好的隔振效果。通过研究所获得的空气弹簧与磁悬浮隔振器间的刚度匹配策略和刚度设计准则，是磁悬浮浮筏主动隔振系统设计的关键。 本项目研制了磁悬浮浮筏主动隔振系统实验装置，进行了磁悬浮主动隔振系统模型辨识研究，研究了磁悬浮浮筏主动隔振系统控制方法，如自适应前馈控制方法、H∞控制方法、模糊控制方法和LQR控制方法等。 本项目在磁悬浮浮筏主动隔振系统实验装置上采用自适应前馈和H∞等控制方法开展了控制系统性能实验研究，进行了单激励源单通道、多激励源单通道和单激励源多通道等控制实验，实验结果与仿真结果基本一致，实验取得了明显的减振效果。 上述研究工作为磁悬浮浮筏主动隔振系统的设计和应用奠定了理论基础。