摘要：为了探索平面电机设计、研究的新方法，采用虚拟样机及其仿真技术，设计了开关磁阻平面电机的三维虚拟样机，论述了SRPM的组成结构和工作原理建立厂具有电流和位置负反馈的双闭环智能控制系统，对SRPM虚拟样机进行r机电一体化联合仿真研究．优化了控制参数和结构参数，给出了有价值的分析和研究成果。实验结果证明SRPM虚拟样机具有良好的动态特性和较小的位移跟踪误差。

  关键词：开关磁阻平面电机；虚拟样机；联合仿真

  中图分类号：TM352  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2010)07-002,S-03

    在许多工业制造领域以及电子产品生产中，都需要高精度和高速度的平面运动，如数控机床、平面焊接机、大规模集成电路的加工与封装、印刷电路板制作设备等。20世纪80年代后期，随着世界各国特别是日本、美国和俄罗斯等国壹线电动机的研制与广泛应用，研究人员采用两台或多台直线电动机各自的直线运动叠加合成平面运动。这种装置省去了旋转运动到直线运动的中间转换机构，提高了平面运动的精度和速度。但是由直线电动机叠加形成平面运动的装置，并没有从根本上摆脱“低维运动机构叠加形成高维运动机构”的模式，特别是对于底层的直线电动机需要承载上层直线电动机及其相关机械部件的重量，稳定性、速度和精度都受到限制。因此，引发r直驱式平面电机的研究热潮。开关磁阻式乎面电动机（以下简称SRPM）由旋转式开关磁阻电动机演变而来，是一种可暖直接驱动形成平面运动的平面电机，它将电能直接转换成机械能，从而省去了由直线运动到平面运动的一系列机械转换装置。

    虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术是上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( CAE)技术。它科用计算机软件建立机械系统的三维实体模型，分析和评估系统的性能．从而为物理样机的设计和制造提供可靠的参数依据。它使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，便于在计算机查找设计缺陷，并予以修改，对不同的设计方案进行仿真试验，修正并改进，直至获得****的设计

方案，而后加工制作物理样机，具有早期确定设计参数、更新产品开发过程、缩短开发周期、降低成本、提高产品质量等优点。

    SRPM由定子、动子和机械部件构成，定子和动子铁心（双凸极结构）均采用铁磁材料，动子铁心上安装集中绕组，而定子尤需绕组，电不需要永磁体，因此结构简单。

    SRPM定子铁心冲片如图la所示，将多个定子铁心冲片叠装成定子铁心块如图lb所示，再将多个定子铁心块垂直交叉拼装成网状结构如图le所示．并用环氧胶粘接在一起，固定在基座平台上。每个定子铁心块的叠装厚度与齿宽相同，这样，在x方向和y方向上形成多条相同的磁路通道，并可以按照实际需要沿x方向和y方向扩展。

 

    SRPM动子铁心冲片如图2a所示，将多个动子铁心冲片叠装成动子铁心如图2b所示，在动子铁心窗几套装绕组，成为单相动子如图2e所示。

   

    两套三相动子，一套产生z方向电磁推力，另一套产生y方向电磁推力。为了减小x方向与1方向上的磁路耦合作用，将六个相同的动子相互垂直、交叉、对称地同定在动子台架上。动子的结构及布置形式如图3所示。

   

    SRPM是机电一体化系统，其中机械部件包括导向机构和附件。

    导向机构由z方向导向轴（滑杆）和y方向导向滑轨组成。y方向导向滑轨固定在基座平台上，x方向导向轴一方面通过直线轴承与动子台架相同接，引导动子台架x方向运动；另一方面通过滑杆支座固接在支撑钢架上，再通过滑块与y方向的滑轨相配合，引导动子台架y方向运动。滑轨和滑杆同时具有支撑动子台架的作用。

    

    附件包括支撑钢架、定位条、基座和支脚。支撑钢架承载动子台架在y方向E做直线运动。定位条将网状结构的定子插装体固定在基座平台上，起定位作用；基座起支撑作用，定子固定在基座平台的中央；四个支脚一方面起支撑作用，另一方面可用于调节基座的水平度。

    采用Soliclworks软件对SRPM进行三维虚拟样机设计，先按实际尺寸建立SRPM各零部件的三维模型，再利用Solidworks提供的白底向上的装配技术，按各零部件实际装配位置关系，建立虚拟装配体模型。并利用Solidworks提供的干涉检查和物理模拟工具对装配体进行静态干涉检查和动态碰撞检查，以便从中发现问题及时修改。经过反复修改，完成由概念设计到生成数字化屏幕样机的设计过程。SRPM三维虚拟样机如图4所示，动子和定子结构参数如表l所示，虚拟样机结构参数如表2所示。

   

    SRPM是一个机电一体化系统，我们通过提供的与Matlab/Simulink的双向控制接U，将程序同Madab软件有机的连接起来，SRPM虚拟样机作为Matlab中的被控对象模型。无需再建立SRPM的数学模型，从而实现机电一体化系统的联合仿真实验与分析。

    SRPM机械系统模型包括几何模型、各种约束和作用力。将Solidworks构建的SRPM虚拟样机模型导入到ADAMS软件中，作为系统中的一个模块，如图5所示。

   

  SRPM虚拟样机模型由输入.ADAMS-sub核心和输出三部分构成。输入和输出信息由．m文件定义，ADAMS_sub核心由dll文件定义，提供一个s函数，描述SRPM虚拟样机模型，用于和Simulink联合仿真的调用和通讯。

    利用Madab/Simulink模块搭建的整个控制系统方框图j5-6:如图6所示。

   

    控制系统由四个模块组成，A为ADAMS中的SRPM虚拟样机模型，被设置为控制系统中的一个模块ADAMS_sub；B为驱动系统模块；c为模糊PI控制器；D为位置反馈模块。

    ADAMS中的SRPM虚拟样机接收来自Matlab的控制输入信息，产生相应的运动，同时向Matlab的控制系统提供动子的速度实时值。通过这种方式，机械系统和控制系统实现闭环控制。实时调节模糊PI参数，直到获得满意的仿真结果，联合仿真实验的速度、加速度及矩形位移曲线如图7、图8所示。由图7可知，x和y方向的加速度分别可以达到3.0 m/sz和2.2 m/sZ，****速度分别为l 2 m/s和0.8 m/s。图8中，虚线表示指令，实线表示跟踪轨迹，表明位移跟踪效果良好，响应与位置指令几乎重合。产生位置动态误差的原因是SRPM虚拟样机模型中存在着不均匀的机械摩擦和阻尼，同时，x方向导向轴和y方向导轨所承载的运动质量不同，也是导致误差的原因。

   

    (1)采用虚拟样机及其仿真技术，应用SolidWorks软件没计SRPM三维虚拟样机。

    (2)在Matlab Simulink环境下设计模糊PI智能控制器，对SRPM虚拟样机进行机电一体化联合仿真实验和研究。实验结果表明构建的SRPM虚拟样机具有良好的动态特性。

    (3) SRPM的CAD/CAE机电一体化联合仿真的方法，将虚拟样机作为Matlab控制系统中模块，提高了设计效率，并可以全面模拟SRPM的机械特性，为平面电机的设计研究提供了一种新方法。