永磁球形电动机转子位置检测及其驱动控制研究

发布时间：2020-08-09 14:49

【摘要】：球形电动机可以以单台电机实现多自由度运转而受到越来越多的研究者的重视。本文研究了一款三自由度永磁球形电动机,对其机械结构及三自由度的运动性能进行了介绍。对永磁球形电动机的磁场、转矩、运动奇点情况进行了分析,给出了永磁球形电动机转子运动的描述方法,并推导出了永磁球电动机的动力学模型。对该球形电动机的转子位置检测问题进行了研究,提出了基于光学特征点识别的永磁球形电动机转子位置检测方法并进行了实验验证。对永磁球形电动机进行了逆运动学求解,确定了永磁球形电动机定子线圈通电方法,设计了永磁球电动机驱动电路,并进行了仿真和实验研究。相关的研究成果可为同类电机的研究提供参考和借鉴。本文的主要具体工作包括以下几个方面:1、介绍了永磁球形电动机的结构,对其定、转子的构成进行了详细介绍;定义了定子静坐标系与转子动坐标系,以帮助描述球形电动机的转动,并分析了永磁球形电动机的三自由度运动性能。借助ANSOFT软件对永磁球形电动机的磁场进行了有限元分析,运用虚位移法求导出了单只通电线圈与单只永磁体相互作用产生的电磁力矩,并在此基础上,运用叠加定理得出永磁球形电动机的定、转子角度转矩方程;分析了永磁球形电动机的运动奇点情况,证明所研究的永磁球形电动机远离运动奇点。2、使用欧拉角、四元数的方法描述永磁球形电动机转子的运动,并对两种方法的原理进行介绍,给出了两种方法的表达式;并在拉格朗日方程的基础上结合欧拉角推导出了永磁球形电动机的动力学模型;四元数的方法可用于永磁球形电动机位置检测对比实验中的MEMS传感器中位置信息的理论推导。3、提出了基于光学特征点识别的永磁球形电动机转子位置检测方法;分析了基于针孔模型的摄像机成像模型,给出了光学特征点生成模块的构成,运用图像处理方法,对摄像机所得图像中的光学特征点进行中心坐标提取与识别。通过张氏标定法可获得摄像机的内部参数矩阵;通过高速摄像机、球形电动机及安装于其输出轴上的光学特征点生成模块的安装位置关系可得到摄像机的外部参数矩阵。给出了获得摄像机内部参数及外部参数后,通过摄像机拍摄的图像获取光学特征点在世界坐标系中的实际位置,并进一步地计算出球形电动机转子位置的方法。最后通过球形电动机的中心点自转运动、偏转运动、轴向俯仰运动三种基本运动进行转子位置检测实验研究,实验结果表明该检测方法可准确地检测出球形电动机的转子位置信息,并对转子位置检测结果按俯仰角、偏航角及自转角三个角度进行定量分析与误差计算。4、对永磁球形电动机进行了逆运动学求解,并在求解出三个角度的基础上,结合永磁球电动机转子的当前位置与期望位置及定、转子角度转矩方程,确定通电的定子线圈并计算出通电电流的大小和方向;给出了永磁球形电动机中心点自转运动、轴向俯仰运动及偏转运动的通电方法,并对通电过程中能够产生的电磁转矩进行了仿真分析;设计了一套由24只恒流驱动模块电路构成的永磁球形电动机驱动电路,每只恒流驱动模块电路最大可输出5A的恒定电流,且电流方向可调,通过485总线发送控制指令至所有的恒流驱动模块电路,可实现永磁球形电动机定子线圈的驱动控制;对永磁球形电动机的中心点自转运动、轴向俯仰运动及偏转运动进行了实验研究,实验结果验证了通电方法和驱动电路的有效性。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM351
【图文】：

馨．＿逡逑Ｓｌａｔ0ｒ逦ｒｏｔａｔｉｎｇ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ逡逑图１－５汉阳大学设计的轮式球形电动机逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ邋ｗｈｅｅｌ邋ｍｏｔｏｒ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｈａｎｙａｎｇ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ逡逑（４）永磁球形电动机逡逑１９９７年，英国谢菲尔德大学的学者ＬＷａｎｇ、Ｇ．ＷＪｅｗｅｌｌ等提出了一种新型逡逑４逡逑

逦Ｗ逦Ｍａｕ，ｒ邋ｓｈｅｌｌ邋ｍ邋＾逡逑图１－４邋Ｋ．Ｍ．邋Ｌｅｅ团队设计的轮式球形电动机逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ邋ｗｈｅｅｌ邋ｍｏｔｏｒ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｋ．Ｍ．Ｌｅｅ’ｓ邋ｔｅａｍ逡逑２００８年，韩国汉阳大学的Ｃｈａｎｇ－Ｈｙｕｎ邋Ｃｈｏ等提出了一种轮式球形电动机，逡逑可实现三自由度运转〖１４，１５］，该轮式球形电动机包含１２只定子线圈，分成两层分逡逑布于赤道两侧，以及４只转子磁极。转子体由滑轨式支架支撑，可保证其在定子逡逑壳内进行三自由度运转。他们使用有限元的方法对该电动机进行三维分析，为了逡逑提高轮式球形电动机的输出转矩，提出了采用回归函数的方法以提高电动机的性逡逑能，与有限元计算法相比，采用回归函数法可使空间定位更加精确、计算时间更逡逑短。逡逑＾＾Ａｌｐｈａ邋ｔｉｌｔｉｎｇ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ逡逑Ｇｕｉｄｅ邋Ｆ：ｍｅ逦，你遍逦Ｒ0，0ｒ逡逑馨．＿逡逑Ｓｌａｔ0ｒ逦ｒｏｔａｔｉｎｇ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ逡逑图１－５汉阳大学设计的轮式球形电动机逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ邋ｗｈｅｅｌ邋ｍｏｔｏｒ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｈａｎｙａｎｇ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ逡逑（４）永磁球形电动机逡逑１９９７年

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