开关磁阻电动机在工业自动化中的应用探讨

2.4 平面磁阻电动机
    平面组电动机具有二维空间的延展性。它可以在X方向，同时和Y的方向上产生力。二维空间运行在工业生产中有着极高的需求。新型的平面结构可以完全替代传统的X-Y工作台。在机械上结构简单，部件很少，而且易于加工和制造。但目前需要解决的困难不光是在执行部件的结构上的设计，位置传感器二维传感，而且包括非线性控制方法和PWM 电流驱动器上。图7(a)是该电机的外观图，它是基于6/4的型旋转磁阻电机，经过平面延展，形成二维平面的运动结构。动子平台上安装两组3项线圈和较宽的动子齿。齿的宽度保证两个方向的力的耦合达到最小。在对该电机进行设计时用到有限元分析分析软件。定子“齿型”结构请参看图7(b)。基座是由分层的导磁钢片在两个方向上叠加而成。精度为一个μm 的直线位置解码器分别安装在两个方向的移动导轨上。 

功率输出（X&Y方向）80—100W移动距离300mm×300mm控制精度2.5micron加速度/减速度>5个自由落体（0.5公斤负载）极间距6mm最大负载5kg位置精度±2micron基座尺寸450mm×450mm

    目前该电机还处于最终试制阶段。通过有限元分析，可以证实无论从固有特性和控制策略上，这个平面电机与直线电机有很多的共同点。表1 是它的性能参数。

3 平面电机的控制方案
    开关磁阻执行机构具有非线性的特点，也就是说力/力矩输出相对于位置和电流呈非线性关系。为了纠正其非线性，控制器必须包含一个力/电流的二维表。通常可变磁阻电机运行于位置和力的调节模式下，因此常采用双模式控制策略。图8是典型的控制器框图。
    采用分级闭环控制。控制器内环包含一个快速的电流调节器和慢速的位置调节器在外环。外环采用自适应PI调节器；在位置控制器和电流控制器之间的是非线性的二维表。表位于两个控制器之间。它接收来自控制器的力的命令和位置信息，输出所需的电流值给电流控制器。该双闭环分级运行是以电流控制器能够正确地进行跟踪为基本前提的。只要电流内环跟踪正确，外环给定的位置指令将取决于内环，最后将指令送给电机。若电机运行于位置和力的控制模式之下，建议采用模式切换机制。该切换模式对输入的力命令在轨迹控制器和力产生器之间进行选择。

4. 结语
    高性能低成本的机器可以由可变磁阻为原理的直接驱动执行器和“利用特种驱动的执行器和高级控制方案简化机械结构”的理念来实现。在本文中所描述的特种开关磁阻电机成本低，鲁棒性强和可靠性好，无需繁琐的机械校准工作，而且容易加工制造。这些优点将最终取代包含很多旋转电机和机械螺钉组成的X-Y工作台。
    当应用上述的电机所组成的仪器进行电子设备和零件（手提电脑，半导体设备芯片等）的加工时，生产成本也将随之大大降低。甚至可以将它们用于那些由于条件所限从未付诸实施的应用中。上述的直接驱动开关磁阻电机将对自动化工业做出贡献，所研究的重点是如何利用有限的人力物力成本制造高科技含量价值的高、精、尖产品。

致谢
    本文作者在此感谢香港大学基金会和香港理工大学研究委员会对本项目（PolyU 5066 /01E and G-T223）所提供的支持和帮助。

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