本项目来源于国家自然科学基金重点项目，题名：大行程高精密永磁直线电机伺服系统关键科学问题研究（51837001），起止时间2019.1.1-2023.12.31。本项目工作总结如下：
1. 研究背景及目标
大行程高精密永磁直线电机伺服系统是大尺度激光加工、增材制造等重大装备的核心部件，其性能直接决定了我国高端装备的制造水平。如何提高电机的输出性能，提升伺服系统的控制精度及精度保持性，满足大行程高精密驱动的需求，是该类型电机研究的热点问题。本项目从直线电机本体设计、抑振系统设计、 动子位置检测、高精密控制策略及精度补偿等方面开展了相关研究。拟达到的具体研究目标包括：
1）研究直线电机拓扑结构对推力密度和推力波动的影响规律，提出一种新绕组结构永磁同步直线电机及抑振装置；
2）研究永磁同步直线电机多物理场快速计算模型建模方法及多点多目标全局优化算法，揭示直线电机结构参数组合对推力密度和推力波动的影响规律，实现推力密度提升及推力波动抑制；
3）研究基于机器视觉实现动子位置高精密测量理论，解决动子位置大行程高精密跟踪问题；
4）研究二自由度控制策略，解决控制系统抗扰动和无超调问题，实现高精密控制；
5）研究直线电机状态参量对精度保持性的影响规律，实现实时监测与容错补偿，提高伺服系统的精度保持性。
2. 研究内容及方法
2.1 永磁同步直线电机本体结构优化设计
为了提升永磁同步直线电机的推力密度和降低推力波动，本项目设计图1所示的双层绕组无铁芯水冷永磁同步直线电机拓扑结构，采用有限元法建立永磁同步直线电机“机-电-磁-热”耦合模型，通过仿真实验设计，建立有限元样本数据空间，引入极限学习机（ELM）非参数建模方法，建立反映电机结构参数与性能参数之间映射关系的快速计算模型，并对模型一致性进行验证，通过构造多目标之间的稀疏特征，将高维目标空间映射为低维目标子空间，形成两者之间的稀疏投影矩阵并求解，将永磁同步直线电机多个冲突和制约的待优化目标降维处理，形成多目标函数，最后采用信噪比试验设计法，对永磁同步直线电机不同工况下的参数进行再优化筛选，获得能够兼容不同工况的直线电机最优参数组合。
2.2 永磁同步直线电机外部抑振系统设计
为了进一步抑制推力波动，本项目首次提出了一种基于“动子-电磁阻尼-弹
簧”系统的外部抑振装置，如图2所示。首先根据推力波动的解析模型，准确跟踪推力波动的基频、幅值和相位，然后采用等效振动模型，研究外部抑振系统的阻尼系数、弹性系数等参数与电磁阻尼力基频及相位的关系，最后采用人工免疫的优化方法，调整“动子-电磁阻尼-弹簧”抑振系统的关键参数，跟踪推力波动频率特征，实现对推力波动的抑制。
2.3 基于机器视觉的动子位置高精密测量研究
大行程高精密永磁同步直线电机伺服系统具有大行程驱动的要求，而动子位
置高精密测量无论是光栅还是磁栅在满足大行程测量方面都有不足，因此本项目
提出了一种机器视觉动子位置测量方法，如图3所示。首先通过分析直线电机动子位置测量的影响因素，引入正弦条纹投影技术，投影构造出正弦条纹图像，研究其特征参数和非周期性对测量结果的影响，改进条纹投影模型;通过高速摄影技术获得动子位置的实时图像，然后基于灰度重心和 WFR 的时间相位分析算法，降低频谱泄漏及运动方向误判，计算图像的精确位移，以实现直线电机动子位置的高精度、实时稳定测量。
2.4 高速强扰动下永磁同步直线电机高精密控制策略研究
为了抑制高动态响应下的系统强扰动，实现无超调跟踪控制，本项目提出了一种预测二自由度控制策略，首先对永磁直线同步电机的数学模型进行离散化处理，建立电机控制预测模型，通过对电流的准确预测，实现对输入电压的精准补偿，提高相电流的跟踪精度，保证了电机运行的高动态响应和高精密控制，设计二自由度控制器，实现控制系统跟踪性能和抗扰动性能的完全解耦控制，消除系统的超调，达到控制系统在高速强扰动下的无超调高精密定位跟踪的目的。
2.5 永磁同步直线电机状态监测与精度漂移补偿研究
大行程高精密机床的精度保持性和永磁同步直线电机伺服系统的精度保持性密切相关。为此，对永磁同步直线电机伺服系统的运行参数实时监测调整，是
保持其在寿命周期内具有高精度的关键。本项目重点研究永磁体退磁故障、电气故障与机械故障的监测与处理，搭建了如图5所示的空间传感器阵列的多信息直线电机检测平台。通过研究核主元分析（KPCA）与 K 最近邻分类算法理论，对永磁体局部退磁的分类定位；研究磁链观测辨识理论，分析永磁体均匀退磁时的磁场性能，建立永磁体退磁失效准则，并对永磁体退磁状态进行精确测量与分类。然后采用深度置信网络建立状态参量与精度漂移关系模型，在状态参量精确测量和细化分类的基础上，利用推力电流比控制与弱磁控制结合补偿策略，实现精度漂移的及时补偿。
3. 成果形式
3.1 理论成果
1）提出了一种双层绕组水冷无铁芯永磁直线电机拓扑新结构。通过极限学习机的非参数建模和基于稀疏矩阵的多目标优化方法，得到多工况点兼容的最优电机参数组合，实现了直线电机的推力密度提升和推力波动抑制。
2）提出一种基于“动子-电磁阻尼-弹簧”系统的外部抑振装置。通过电磁弹簧线圈产生与推力波动频率相同，相位相反的电磁力，进而有效抑制直线电机的推力波动。
3）提出了一种基于正弦条纹时间相位法的动子位置高精密机器视觉测量方法，实现了直线电机动子位置全速范围内的实时高精密跟踪定位，满足了直线电机大行程驱动的要求。
4）提出一种预测二自由度控制策略，通过分别设计前馈控制器和反馈控制器，实现控制系统跟踪性能和抗扰动性能的完全解耦控制，消除系统的超调，达到控制系统在高速强扰动下的无超调高精密定位跟踪的目的。
5）提出一种基于自适应神经元的直线电机磁链观测方法和基于深度置信网络的精度补偿策略，有效提高了直线电机系统的精度保持性。
3.2 实物成果
1）试制多套直线电机样机，如图6所示。
2）搭建基于半实物speedgoat双直线电机测试平台，如图7所示，可用于试制样机的推力常数、推力波动和推力带宽等多种指标的测试。
3）搭建了如图8所示的直线电机龙门平台，可推广应用到激光切割机、高档数控机床和其他自动化装备领域。
3.3 论文及专利
在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文 53 篇，其中SCI收录 31 篇，EI收录 22 篇。代表性论文如下：
（1） Jiwen Zhao(#)(*), Lijun Wang, Liang Xu, Fei Dong, Juncai Song, and Xing Yang, Uniform Demagnetization Diagnosis for Permanent-Magnet Synchronous Linear Motor Using a Sliding-Mode Velocity Controller and an ALN-MRAS Flux Observer, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022.1,69(1)：890-899, doi: 10.1109/TIE.2021.3050360, SCI一区, IF:7.7, 第一标注
（2） Jiwen Zhao(#), Hui Wang, Jing Zhao, Zhenbao Pan, and Ruqiang Yan(*), Precise Positioning of Linear Motor Mover Directly From the Phase Difference Analysis, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2020.6,25(3)：1566-1577, doi: 10.1109/TMECH.2020.2980078, SCI一区, IF:6.4, 第二标注
（3） Jiwen Zhao(#), Xu Jiang, Wenjuan Cheng(*), Jing Zhao, Hui Wang, and Kaige Gong, Precise Position Detection of Linear Motor Movers Based on Extended Joint Transformation Correlation, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020.2,16(2)：814-822, doi: 10.1109/TII.2019.2924476, SCI一区, IF:12.3, 第一标注
（4） Jiwen Zhao(#)(*), Lijun Wang, Fei Dong, Zhongyan He, and Juncai Song, Robust High Bandwidth Current Regulation for Permanent Magnet Synchronous Linear Motor Drivers by Using Two-Degree-of-Freedom Controller and Thrust Ripple Observer, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020.3,67(3)：1804-1812, doi: 10.1109/TIE.2019.2901660, SCI一区, IF:7.7, 第一标注
（5） Lijun Wang(#), Jiwen Zhao(*), Zixiang Yu, Zhenbao Pan, and Zhilei Zheng, High-Precision Position Control of PMLSM Using Fast Recursive Terminal Sliding Mode With Disturbance Rejection Ability, IEEE Transactions on Industrial Informatics, doi: 10.1109/TII.2023.3295570. SCI一区, IF:12.3, 第一标注
（6） Zhilei Zheng(#), Jiwen Zhao(*), Lijun Wang, and Zixiang Yu, Thrust Bandwidth Modeling and Optimization of PMSLM Based on Analytic Kernel-Embedded Elastic-Net Regression, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2023.8,19(8)：9005~9018, doi: 10.1109/TII.2022.3224976, SCI一区, IF:12.3, 第一标注
（7） Zhenbao Pan(#), Jiwen Zhao(*), Shuhua Fang(*), and Zixiang Yu, Topology Development and Performance Analysis of a Dual-Stator Permanent Magnet Arc Motor, IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2023.6,9(2)：2509-2523, doi:10.1109/TTE.2022.3211279, SCI一区, IF:7.0, 第一标注
（8） Dongbo Hu(#), Jiwen Zhao(*), Xing Yang, and Xiaohu Zhang, Precision Motion Measurement for Linear Motor Based on FNCC and Phase Difference M-Estimator Robust Regression in a VLSM System, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2022.71:1-10, doi: 10.1109/TIM.2022.3193964, SCI一区, IF:5.6, 第一标注
（9） Lijun Wang(#), Jiwen Zhao(*), Xing Yang, Zhilei Zheng, Xiaohu Zhang, and Lei Wang, Robust Deadbeat Predictive Current Regulation for Permanent Magnet Synchronous Linear Motor Drivers With Parallel Parameter Disturbance and Load Observer, IEEE Transactions on Power Electronics, 2022.7,37(7)：7834-7845, doi: 10.1109/TPEL.2022.3148389, SCI一区, IF:6.7, 第一标注
（10） Zhilei Zheng(#), Jiwen Zhao(*), Lijun Wang, Fei Dong, and Xing Yang, Efficient Optimization Design Method of PMSLM Based on Deep Adaptive Ridge Regression With Embedded Analytical Mapping Function, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022.8,69(8)：8243-8254, doi: 10.1109/TIE.2021.3109521, SCI一区, IF:7.7, 第一标注
（11） Fei Dong(#), Jiwen Zhao(*), Jing Zhao, Juncai Song, Jie Chen, and Zhilei Zheng, Robust Optimization of PMLSM Based on a New Filled Function Algorithm With a Sigma Level Stability Convergence Criterion, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2021.7,17(7)：4743-4754, doi: 10.1109/TII.2020.3020070, SCI一区, IF:12.3, 第二标注
（12） Zheng Yao(#), Jiwen Zhao(*), Juncai Song, Fei Dong, Zhongyan He, and Kaifang Zong, Research on Selection Criterion of Design Tolerance for Air-Core Permanent Magnet Synchronous Linear Motor, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021.4,68(4)：3336-3347, doi: 10.1109/TIE.2020.2979574, SCI一区, IF:7.7, 第四标注
（13） Zhongliang Pei(#), Jiwen Zhao(*), Juncai Song, Kaifang Zong, Zhongyan He, and Yang Zhou, Temperature Field Calculation and Water-Cooling Structure Design of Coreless Permanent Magnet Synchronous Linear Motor, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021.2,68(2)：1065-1076, doi: 10.1109/TIE.2020.2967707, SCI一区, IF:7.7, 第四标注
（14） Weitao Wang(#), Jiwen Zhao(*), Juncai Song, Fei Dong, Kaifang Zong, and Guihua Li, Thrust Performance Improvement for PMSLM Through Double-Layer Reverse Skewed Coil and WRF-MKH Method, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2020.12,25(6)：2950-2960, doi: 10.1109/TMECH.2020.3000265, SCI一区, IF:6.4, 第一标注
（15） Fei Dong(#), Jiwen Zhao(*), Juncai Song, Jing Zhao, and Zheng Yao, Robust Design Optimization of Permanent Magnet Linear Synchronous Motor Based on Quantified Constraint Satisfaction Problem, IEEE Transactions on Energy Conversion, 2020.12,35(4)：2013-2024, doi: 10.1109/TEC.2020.2998447, SCI一区, IF:4.9, 第二标注
（16） Jing Zhao(#), Yang Zhou , Jiwen Zhao(*), Juncai Song, and Fei Dong, Precision Position Measurement of PMSLM Based on ApFFT and Temporal Sinusoidal Fringe Pattern Phase Retrieval, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020.12,16(12)：7591-7601, doi: 10.1109/TII.2020.2967543, SCI一区, IF:12.3, 第二标注
（17） Xuewei Song(#), Jiwen Zhao(*), Juncai Song, Fei Dong, Liang Xu, and Jing Zhao, Local Demagnetization Fault Recognition of Permanent Magnet Synchronous Linear Motor Based on S-Transform and PSO–LSSVM, IEEE Transactions on Power Electronics, 2020.8,35(8)：7816-7825, doi: 10.1109/TPEL.2020.2967053, SCI一区, IF:6.7, 第一标注
（18） Juncai Song(#), Jiwen Zhao(*), Xiaohu Zhang, Fei Dong, Jing Zhao, Liang Xu, and Zheng Yao, Accurate Demagnetization Faults Detection of Dual-Sided Permanent Magnet Linear Motor Using Enveloping and Time-Domain Energy Analysis, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020.10,16(10)：6334-6346, doi: 10.1109/TII.2019.2962730, SCI一区, IF:12.3, 第一标注
（19） Juncai Song(#), Jiwen Zhao(*), Fei Dong, Jing Zhao, and Xuewei Song, Demagnetization Fault Detection for Double-Sided Permanent Magnet Linear Motor Based on Three-Line Magnetic Signal Signature Analysis, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2020.4,25(2)：815-827, doi: 10.1109/TMECH.2019.2961175, SCI一区, IF:6.4, 第一标注
（20） Zhen Wang(#), Jiwen Zhao(*), Lijun Wang, Ming Li, and Yuepeng Hu, Combined Vector Resonant and Active Disturbance Rejection Control for PMSLM Current Harmonic Suppression, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020.9,16(9)：5691-5702, doi: 10.1109/TII.2019.2961112, SCI一区, IF:12.3, 第一标注
（21） Jing Zhao(#), Yang Zhou, Jiwen Zhao(*), Fei Dong, Xu Jiang, and Kaige Gong, Mover Position Detection for PMSLM Based on Line-Scanning Fence Pattern and Subpixel Polynomial Fitting Algorithm, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2020.2,25(1)：44-54, doi: 10.1109/TMECH.2019.2952667, SCI一区, IF:6.4, 第二标注
（22） Jing Zhao(#), Yang Zhou , Jiwen Zhao(*), Xu Jiang, and Kaige Gong, Rapid-Precision Position Measurement of Linear Motor Mover Based on Joint Spatial Phase Method, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020.7,16(7)：4333-4343, doi: 10.1109/TII.2019.2947070, SCI一区, IF:12.3, 第一标注
（23） Kaige Gong(#), Jiwen Zhao(*), Jing Zhao, Xu Jiang, and Yang Zhou, A High-Precision Position Detection Method for Mover Based on CTA, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020.3,16(3)：1625-1634, doi: 10.1109/TII.2019.2931013, SCI一区, IF:12.3, 第一标注
（24） Juncai Song(#), Jiwen Zhao(*), Fei Dong, Jing Zhao, Liang Xu, and Zheng Yao, A New Demagnetization Fault Recognition and Classification Method for DPMSLM, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020.3,16(3)：1559-1570, doi: 10.1109/TII.2019.2928008, SCI一区, IF:12.3, 第一标注
（25） Jing Zhao(#), Wanwan Wang, Yang Zhou, Jiwen Zhao(*),Robust high precision multi-frame motion detection for PMLSMs’ mover based on local upsampling moving least square method, Mechanical Systems and Signal Processing, 2021.159, doi:10.1016/j.ymssp.2021.107803，SCI一区, IF:8.934, 第一标注
（26） 赵吉文(#)(*)，何中燕，董菲，王立俊，宋俊材，王辉，基于电磁阻尼-弹簧系统的永磁同步直线电机推力波动抑制研究，中国电机工程学报，2019，39(17)：5237~5246+5304，EI，第一标注
（27） 许良(#)，赵吉文(*)，宋俊材，宋雪玮，董菲，宗开放，基于 ALE-MRAS 磁链观测器的永磁同步直线电机均匀退磁诊断研究，中国电机工程学报，2019，39(24): 7347~7356+7507，EI，第一标注
（28） 宗开放(#)，赵吉文(*)，宋俊材，何中燕，杨阳，董菲，基于V型线圈永磁同步直线电机推力波动抑制，中国电机工程学报，2019，39(22)：6736~6746，EI，第一标注
（29） 杨阳(#)，赵吉文(*)，宋俊材，董菲，何中燕，宗开放，基于深度神经网络模型的无铁心永磁同步直线电机结构优化研究，中国电机工程学报，2019，39(20)：6085~6094+6189，EI，第一标注
（30） 张晓虎(#)，赵吉文(*)，王立俊，胡冬波，王磊，基于自适应互联扩展卡尔曼观测器的永磁同步直线电机高精度抗干扰在线多参数辨识，中国电机工程学报，2022，42(12)：4571~4581，EI，第一标注
申请国家发明专利 14 项，其中 5 项已授权，9 项在实质性审查阶段。
（1） 中国专利，赵吉文，宋雪玮，董菲，宋俊材，张丹，一种直线电机次级的局部退磁故障识别装置及方法，授权，2020.09.08，CN 108983126 B
（2） 中国专利，赵吉文，胡熙，一种直线电机次级的局部退磁故障识别装置及方法，授权，2023.07.21，CN 116205113 B
（3） 中国专利，赵吉文，郑智磊，一种柔性龙门直线双驱平台，授权，2023.07.14，CN 115302266 B
（4） 中国专利，罗群，罗亮，赵吉文，低阻力无铁芯单边永磁同步直线电机，授权，2021.05.11 CN 110707897 B
（5） 中国专利，罗群，罗亮，赵吉文，匀速永磁同步直线电机及其响应方程推导方法，授权，2021.09.03，CN 110829783 B
（6） 中国专利，赵吉文，葛萍，电机动子的位置测量方法、装置及计算机可读存储介质，进入实审，2022.08.31，202211061361.8
（7） 中国专利，赵吉文，王绍伟，基于矢量谐振自抗扰控制的谐波抑制方法、装置及系统
进入实审，2022.08.31，202211061363.7
（8） 中国专利，赵吉文，姜梦圆，故障检测方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，进入实审，2022.08.31，202211068281.5
（9） 中国专利，盘真保，赵吉文，一种双边永磁型多单元模块化弧线永磁同步电机，进入实审，2022.09.01，202211075669.8
（10） 中国专利，赵吉文，王金柱，一种永磁同步直线电机动子热网络建模方法，进入实审，2022.09.02，202211078032.4
（11） 中国专利，赵吉文，王立俊，位置控制器、永磁同步直线电机控制方法及系统，进入实审，2023.01.05，202310012756.7
（12） 中国专利，赵吉文，王立俊，永磁同步直线电机位置跟踪控制方法及系统，进入实审，2023.06.07，202310667182.7
（13） 中国专利，赵吉文，吴浩宇，直线电机动子位置测量方法、装置及设备，进入实审，2023.06.08，202310672462.7
（14） 中国专利，赵吉文，葛萍，一种直线电机动子位置测量用目标图像的优选方法及系统，进入实审，2023.06.07，202310674997.8
1.2 其他成果
应用于安徽同兴科技股份有限公司的“光纤激光切割机用直线伺服系统”，提高了激光切割机的定位精度。
