面向钻孔机器人的新型直线/旋转钻进电机的设计理论与控制技术研究

The two-degree-of-freedom linear rotary actuator is an electromagnetic device, which can realize linear, rotary or spiral motion, and it reduces the volume of the system and improves the performance of the system, which has attracted a lot of interest in many related field. Realizing torque/thrust decoupling and its pulsation suppression has become a research hot point in the field of motor research. This project aims to solve the above problems and carry out the following researches: 1) Based on the principle of transverse flux and electromagnetic induction, a novel linear rotary drilling motor with modular U-shaped stator structure is proposed, which reduces the difficulty of decoupling from the perspective of structural design. 2) A three-dimensional nonlinear magnetic network model is established to calculate the air gap magnetic field rapidly, and then the relationship between the electromagnetic parameters and the key performances is deduced. 3) Based on the "response surface method" and "six sigma method" algorithms, the multi-parameter and multi-objective optimization is developed to optimize the electromagnetic and structural parameters and simplify the electromagnetic and mechanical coupling relationship. 4) A decoupling control matrix is constructed, the combined method of harmonic injection and optimal parameter identification algorithm, position synchronization control and multi-parameter model predictive control algorithm are adopted to realize high precision control, which is also used to suppress torque/thrust pulsation. The implementation of this project lays a theoretical foundation and technical support for the application of this type of actuator in mining robots and other fields.

两自由度直线旋转电机是一种可以实现直线、旋转或螺旋运动的电磁设备，它减少了系统的体积，提高了系统的整体性能，受到许多相关领域的广泛关注。如何实现转矩/推力解耦及其脉动抑制是该类电机研究的热点问题，针对此问题，本项目开展如下研究：1）基于横向磁通原理与电磁感应原理，提出了新型模块化U型定子铁芯结构的直线旋转钻进电机，从结构设计的角度降低解耦的难度；2）建立其三维非线性磁网络模型，开展气隙磁场的快速计算研究，探究电磁参数与关键性能指标之间的关系；3）基于“响应面法”和“六西格玛法”算法，采用多参数多目标优化设计，实现电磁和结构参数的最优化设计，简化电磁及力学耦合关系；4）构造解耦控制矩阵，将谐波注入和最优参数辨识算法结合，采用位置同步控制和多参数模型预测控制算法，进一步实现高精度控制，并最大化的抑制转矩/推力脉动。本项目的实施可以为直线/旋转电机在矿采机器人等领域的应用提供理论与技术支撑。

为了解决钻孔机器人在钻孔操作时，难以精准地控制钻孔位置或者深度，造成钻孔精度低，严重影响工作效率和经济效益的问题，本项目基于横向磁通原理与电磁感应原理，提出了一种新型的直线旋转钻进电机，并对其解耦控制系统进行了深入研究。本项目的主要研究内容如下：1）确定了U型定子铁芯结构的直线旋转钻进电机的最佳拓扑结构，从结构设计的角度降低电机的解耦难度；2）建立电机非对称气隙磁场解析计算模型，总结非对称气隙磁密幅值的变化规律，探究电磁参数与关键性能指标之间的关系，采用多参数多目标优化方法，实现电机的最优化设计，获得电机结构和电磁参数的最佳值；3）构造解耦控制矩阵，将最优参数辨识算法、位置同步控制和多参数模型预测控制算法结合，实现高精度控制。根据计算结果，研制功率3kw的直线旋转钻进电机一台，额定转速3000rpm，直线速度3mm/s，并搭建了其空载和负载条件下旋转和直线运动硬件控制平台，对电机的电磁特性和控制策略进行了验证。本项目所提出的直线旋转钻进电机，可以根据不同需求，实现转矩/推力的自适应控制，不仅可以提高作业效率，还可以提高系统的集成度和控制性能。本项目的实施可以为直线旋转电机在矿采机器人等对两自由度运动有需求的领域的工程应用提供理论与技术支撑。

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