两相冗余绕组混合式步进电机低速力矩平稳性研究

发布时间：2017-10-18 15:38

  本文关键词：两相冗余绕组混合式步进电机低速力矩平稳性研究

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【摘要】：近几十年来步进电机的设计、制造和控制方面的理论逐渐达到成熟。但由于航天领域对可靠性、稳定性等性能不断提出更高要求,依然存在许多技术问题要解决。本文以航天应用中的两相混合式步进电机力矩波动问题为技术背景,研究了具有冗余绕组的两相混合式步进电机的低速力矩平稳性问题。首先进行了两相混合式步进电机力矩波动的理论分析,从电机的本体设计和控制过程找到产生周期性波动的原因,并结合仿真验证理论分析的正确性,然后分析了改善力矩波动的方法。其次根据理论分析结果以及两相混合式步进电机的技术要求,以改善低速力矩平稳性为目标,进行了具有冗余绕组的两相混合式步进电机的电磁设计,包括结构合理选择、材料选择、电磁参数计算等。在此基础上通过三维有限元仿真验证了设计参数的正确性,并分析了电机模型中各部分的磁场分布及影响。在电机设计的基础上,以提高电机力矩密度为目标函数,并结合重要电磁参数对电机性能的影响分析,按照顺序对两相冗余绕组混合式步进电机进行了优化设计;进一步对优化后的电机的静态特性和动态特性进行仿真,验证了优化后的电机在不同工作状态下可以达到技术要求。通过对具有冗余绕组的两相混合式步进电机力矩的理论分析与三维电磁场建模计算,明确了影响电机低速平稳性的关键因素,并通过电机设计电磁计算与优化过程,分析出了改善力矩波动以及提高电机性能的方法,对进一步研制低力矩波动的工程样机提供了参考。
【关键词】：步进电机 力矩波动 冗余绕组 优化设计 有限元
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM383.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外发展现状11-14
• 1.2.1 本体设计方面11-12
• 1.2.2 力矩波动抑制方面12-13
• 1.2.3 驱动与控制方面13-14
• 1.3 步进电机分析方法14-18
• 1.3.1 线性分析方法14-16
• 1.3.2 非线性分析方法16-17
• 1.3.3 有限元分析方法17-18
• 1.4 本文主要研究内容18-21
• 第2章 两相混合式步进电机理论分析21-33
• 2.1 引言21
• 2.2 基本结构和工作原理21-24
• 2.2.1 基本结构21-22
• 2.2.2 工作原理22-23
• 2.2.3 技术指标23-24
• 2.3 瞬时力矩数学模型24-31
• 2.3.1 两相磁链推导26-27
• 2.3.2 瞬时力矩推导27-30
• 2.3.3 数学模型分析30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第3章 两相混合式步进电机力矩波动分析33-43
• 3.1 引言33
• 3.2 定位力矩对力矩波动的影响33-35
• 3.2.1 磁滞定位力矩33-34
• 3.2.2 磁阻定位力矩34-35
• 3.2.3 改善措施35
• 3.3 励磁电流偏差对力矩波动的影响35-39
• 3.3.1 励磁电流含直流分量35-37
• 3.3.2 励磁电流幅值偏差37
• 3.3.3 励磁电流相位偏差37-38
• 3.3.4 电流相位与转子位置偏差38
• 3.3.5 改善措施38-39
• 3.4 磁路不对称对力矩波动的影响39-41
• 3.4.1 磁路结构39-40
• 3.4.2 气隙不均匀40
• 3.4.3 转子偏心40-41
• 3.5 电流换向对力矩波动的影响41
• 3.6 其他影响力矩波动的因素41-42
• 3.7 本章小结42-43
• 第4章 两相冗余绕组混合式步进电机设计43-55
• 4.1 引言43
• 4.2 步进电机设计43-48
• 4.2.1 转子结构设计43
• 4.2.2 冗余绕组设计43-45
• 4.2.3 齿层结构设计45-46
• 4.2.4 具体参数设计46-48
• 4.3 步进电机建模和仿真48-54
• 4.3.1 模型建立48-49
• 4.3.2 磁场分布仿真49-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 步进电机优化及三维电磁场仿真55-76
• 5.1 引言55
• 5.2 步进电机优化模型的确立55-56
• 5.3 步进电机优化56-62
• 5.3.1 齿宽的影响和优化57-58
• 5.3.2 齿高的影响和优化58-59
• 5.3.3 磁钢的影响和优化59-61
• 5.3.4 定子磁极宽度的优化61
• 5.3.5 其他结构参数确定61-62
• 5.4 优化后步进电机的静态特性仿真62-69
• 5.4.1 静力矩分析62-64
• 5.4.2 自感和互感分析64-67
• 5.4.3 磁钢性能变化的影响67-69
• 5.5 步进电机的动态特性仿真69-72
• 5.5.1 运动方程69-70
• 5.5.2 仿真参数的设置70
• 5.5.3 动态仿真结果及分析70-72
• 5.6 步进电机优化前后对比72-74
• 5.6.1 结构参数72
• 5.6.2 主要性能及对比72-74
• 5.7 本章小结74-76
• 结论76-77
• 参考文献77-82
• 致谢82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 李兴根;王宗培;;步进电动机的齿层比转矩和齿形优化[J];电工技术学报;1991年02期

2 张猛;祝晓丽;陆娇娣;耿远迎;王友平;;一种高稳定度太阳帆板驱动机构控制方法[J];空间控制技术与应用;2010年04期

3 王宗培，，郑大鹏，李春雨;微步驱动步进电动机的角速度均匀性[J];微电机;1996年01期

4 王宗培,程智,任雷;新型二相混合式步进电动机系统[J];微电机;1998年02期

5 孙孔政;徐抒岩;曹小涛;王栋;;基于矩频曲线的步进电机加减速控制[J];微电机;2014年01期

本文编号：1055783