两自由度直线弧形电机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。

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。

: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。

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。

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 。

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。2100433B

两自由度直驱电机具有直接驱动的特点，即不需要中间传动机构即直接驱动负载作直线、旋转或螺旋运动，大大减小设备体积，显著提高效率。两自由度直驱电机在需要复杂运动的动力系统如数控机床、机器人、雕刻机、汽车生产线、搅拌机、球形阀等设备中，具有非常广阔的应用前景，受到学术界和工业界的广泛关注。目前典型的两自由度直驱电机大都属于感应电机、永磁电机或磁阻电机类型。设计理论采用“场化路”的解析法或有限元法，建立数学模型以及求解电磁场方程分析。 通过参考国内外最新 ，分析了两自由度直驱电机的设计理论、控制方法和应用技术等方而的研究现状及发展概况，针对现有两自由度电机技术，介绍了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 。

两自由度直驱电机是一种无中间传动机构的新型电机，这种电机可以分别做直线运动、旋转运动以及两者合成的螺旋运动。它具有机械集成度高，电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等优点，是典型的机电一体化产品。目前两自由度的驱动技术多采用两个或多个旋转电机以及中间传动装置来实现。但是由于中间机构的存在，使得系统控制方式复杂，系统体积大零部件多维护量大、价格昂贵，而且中间传动装置需要承受较大的轴向力，易出现磨损严重使系统可靠性降低的问题。在两自由度机械系统中，采用一台两自由度电机来代替两个或多个旋转电机及传动装置，可以大大简化机械系统的结构，减小体积及重量，从而提高系统的精度和动静态性能。因此两自由度直驱电机可广泛用于数控机床、机器人、摄像操作台、雕刻机、汽车生产线、搅拌机、球形阀等设备上，具有广泛的应用前景。

一种直驱的机电驱动系统被应用于具有 AMT和DCT的汽车变速装置以更利于齿轮切换;将一种旋转一直线驱动器用于双功能轮驱装置;介绍了交流伺服电机和直线感应伺服电机在混合质量阻尼器中的应用;提出了一种旋转一直线及直线一旋转运动转换器;多自由度机器人在摩天大楼护墙上的应用;在机器人领域，使用柔顺连接可以显著提高系统性能。以上都是多自由度驱动装置的典型应用。

两自由度电机电磁设计、拓扑结构探索及其机理分析、磁场分析、有限元建模及特性分析、运动控制等一系列新问题都会形成新的研究方向，进一步拓展电机学科的研究范围，因此两自由度电机的研究既具有实际意义，又还具有很高的理论意义，已成为电机学科发展的新前沿。

两自由度直驱电机可以代替两个或更多用于产生复杂运动的旋转电机及与其连接的繁琐而又效率低下的传动机构，可以有效节省空间，提高效率。 分析了两自由度电机电磁设计、拓扑结构探索及其机理分析、磁场分析计算、有限元建模及特性分析、运动控制等一系列问题的研究现状及发展概况。针对现有两自由度电机技术，介绍了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 。2100433B

由于两自由度电机是将两种不同运动形式和两套运动产生源集成到一套系统中，因此两自由度电机和通常单自由度电机相比有许多不同的特征，因此可以预见以下这些方而将成为两自由度电机发展的研究热点。

1)就是开发新结构新原理的两自由度电机。由于工业应用方而的拓展，使用环境和应用要求不断变化，现有的两自由度电机结构可能不能满足要求，因此需要根据环境性能需要，继续研发具有新结构和新原理的两自由度电机 。

2)就是要对已有的电机模型进行结构的优化。和传统电机一样，对两自由度电动机的结构进行优化，可以使电机结构简单，便于制造，提高电机的机械集成度及材料的利用率，扩大动子的偏转范围，简化支撑结构，减轻重量，减小体积。另外，还可以通过结构优化来简化各自由度之间的电磁及力学耦合关系，提高系统的性能和稳定性。

3)两自由度电机电磁场的计算问题。电磁场的计算问题是两自由度电机控制的理论基础。由于两自由度电机结构的特殊性，其磁场具有边界条件复杂、各向异性、非线性、端部效应的问题，而且两自由度电机的电磁场大都是典型的三维场，很难使用二维场来进行简化，因此两自由度电机电磁场的分析计算问题是此种电机设计的难点和重点部分。

4)耦合问题。由于两自由度电机是将两种不同的电机系统融合到一个系统中，因此其电磁和运动都有耦合的可能。如何定量地分析这些耦合关系及其对电机性能的影响，以及如何消除这些不良影响，是多自由度电动机研究中待解决的关键问题。

5)电机的运动控制问题。由于多自由度电动机自身的特点，各自由度之间除了存在电磁耦合之外还存在着十分复杂的力学耦合关系，这是多自由度电动机难以控制的重要原因之一，因此必须根据电机的具体结构，建立准确的力学模型，深入分析各自由度之间的耦合关系，研究力学解祸控制策略，以提高电机的动静态性能及稳定性。因此需要根据电机的实际结构建立其运动学模型，确立其输出轴的运动轨迹控制策略。

6)驱动控制系统的研究。多自由度电动机是典型的机电一体化产品，其驱动控制系统不仅要对各自由度的角位移、速度、加速度及输出转矩进行检测，还要进行各自由度之间的解祸计算、轨迹规划，因此有必要研制适合于多自由度电动机控制系统的专用控制元器件并开发计算机控制系统。

由于看到了两自由度电机的优越性，各国研究人员加大了对多自由度电机的研究力度。随着多自由电机理论的不断完善，制约多自由电机发展的以上技术瓶颈正不断被打破。可以预见，在不久的将来，两自由度电机一定能够得到广泛应用。