基于Taguchi模糊推理方法的永磁同步直線電機多目標優(yōu)化設計研究.pdf

1、本文以應用于微秒激光雕刻機中的永磁同步直線電機作為研究對象，針對其存在的多目標優(yōu)化設計問題，從電機本體結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出一種Taguchi模糊推理優(yōu)化方法，實現(xiàn)了電機的多目標優(yōu)化設計，提高了電機的運行性能。
　　雙次級空心式永磁同步直線電機(PMSLM)因其直驅(qū)方式、結(jié)構(gòu)簡單、不受齒槽效應和鐵芯開斷的特點，具有推力體積比較大、響應時間較短、運行損耗較低等優(yōu)點，可以兼顧大行程高速運動及微納米級的動態(tài)精度，在高精密高速數(shù)控加工領域具有廣闊

2、的應用前景。然而PMSLM也有其自身的缺點，因為空間諧波和推力波動等問題的存在，易引起PMSLM的振動和噪音，降低動子的定位精度，嚴重影響其運行性能，易在加工過程中增加工件的劃痕和粗糙度，需要從電機的本體結(jié)構(gòu)出發(fā)，進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計，確定一組最優(yōu)的電機結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，在保持平均推力基本不變的情況下，同時降低其推力波動和諧波含量，以提高電機的運行性能，提高產(chǎn)品的精加工品質(zhì)。
　　PMSLM的優(yōu)化設計方法可以總結(jié)歸納為以下幾類:一種

3、是基于等效磁化電流、等效磁化強度等方法，在理想的假設條件下，對電機的電磁機理進行解析分析，推導出結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行性能之間的解析表達式，進而應用智能算法進行迭代尋優(yōu)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果反解出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，此類方法由于假設條件過多、智能算法自身局部最優(yōu)的限制，使得結(jié)果精確度大大降低;一種是有限元電磁分析方法(FEA)，通過計算機內(nèi)ANSYS或ANSOFT等有限元軟件的輔助，經(jīng)過數(shù)百組甚至千組模型的建立和運行計算，挑選出一組最佳的參數(shù)，有限元方

4、法雖然計算精確度高，但是計算效率低，耗時巨大，無法滿足多目標多參數(shù)優(yōu)化設計中的數(shù)據(jù)量較大的要求;另一種是在FEA的基礎上進行改進，通過實驗設計手段，以最小的實驗次數(shù)獲得最優(yōu)的實驗結(jié)果，例如Taguchi穩(wěn)健性優(yōu)化方法，但是該方法更適用于單目標優(yōu)化，隨著優(yōu)化目標數(shù)量的不斷增加，多個目標之間的沖突和制約情況更加明顯，導致最后優(yōu)化結(jié)果的精確度降低。以上方法，應用于PMSLM的多目標優(yōu)化設計當中，仍然存在著一定的問題。
　　本文主要工作有

5、:1、根據(jù)微秒激光雕刻機的性能要求，設計了一種雙次級無鐵芯永磁同步直線電機，在設計的基礎上，通過等效磁化強法，對PMSLM的各項運行性能指標進行了詳細的解析化分析，確定影響PMSLM運行性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù);2、根據(jù)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的空間取值范圍，建立電機有限元模型，驗證有限元計算的正確性和應用于電機優(yōu)化時的缺點;3、引入Taguchi方法，通過正交實驗設計，達到了以最小有限元計算次數(shù)獲得最優(yōu)化實驗的結(jié)果，使得計算效率提高了98.43％，分析

6、了該方法更適用于PMSLM本體結(jié)構(gòu)的單目標優(yōu)化設計，無法滿足PMSLM多目標優(yōu)化設計要求的原因;4、詳細對比了以上方法的優(yōu)缺點，引入模糊推理方法，對傳統(tǒng)Taguchi方法進行改進，引入Mandami模糊推理機和高斯隸屬度函數(shù)進行模糊化，采用重心法進行解模糊，得到了一個電機的“多性能參數(shù)指標”，將電機的兩個性能參數(shù)轉(zhuǎn)化為一個性能參數(shù)，成功地解決了多個目標之間的制約性以及沖突性問題，實現(xiàn)了PMSLM的多目標優(yōu)化設計。
　　通過仿真實驗