永磁球形电机解析建模和基于粒子群算法的优化控制研究
发布时间：2022-02-04 22:39
球形电机由于其结构紧凑,多自由度运动方式灵活等特征,在机器人手臂、关节等领域具有广泛的应用前景。作为一种三维强耦合电磁机构,目前对于球形电机三维气隙磁场和转矩计算以有限元方法模拟为主。然而,尽管计算机性能在不断提升,有限元计算仍然是一种计算量大、计算时间长、计算结果一致性较低的分析手段。因此采用解析或数值算法替代有限元计算,建立准确快速的模型来分析电机的磁场和转矩,进而实现球形电机的优化控制,一直是球形电机基础研究的重要内容。本文针对球形电机的结构设计、磁场与转矩解析模型研究、优化控制等展开研究,主要工作和创新点如下:（1）设计了一台定子24线圈2层分布、转子16块永磁体按照Halbach规律排列成单圈8极的永磁球形电机。采用有限元分析软件对电机的空载磁场和转矩特性进行了仿真,对磁场和转矩分析中叠加定理的适用性进行了验证。（2）根据安培分子环流假说,采用等效面电流方法对立方体永磁体进行等效,推导出矩形永磁体的空间磁场分布表达式。根据叠加定理并运用空间坐标变换,建立了Halbach阵列永磁球形电机气隙磁场的三维解析模型。将推导的磁密模型程序化,采用有限元计算软件进行仿真对比,并使用高斯计...
【文章来源】：安徽大学安徽省211工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
六关节串联机械臂
安徽大学博士学位论文1第一章绪论1.1课题的研究背景及意义电动机以其能源传输的便利性，控制的准确性，与计算机结合的直接性，作为工业领域主要的动力来源，推动工业进步的同时也在不断适应着工业应用提出的新要求。随着产业自动化对工业机器人，特别是多自由度运动机械臂的现实要求发展，电机的运动方式从单纯的一维圆周旋转开始向多自由度运动发展。目前成熟的多自由度机械臂均采用多个单自由度电机串并联组合，结合机械式运动转换机构组成，如图1.1、1.2，每台电机分别执行一个维度运动。串联式机械臂的研究已经形成了成熟的理论体系[1-4]，取得了显著的进步并得到广泛的应用。但多台单自由度电机组合带来的缺陷仍然严重限制了工业机械臂的使用前景：（1）多台电机加上复杂的传动机构，造成整套机械臂的运动复杂度越高则体积越大，与越是狭小的空间越要求机械臂运动复杂度要高相矛盾。（2）末端执行机构的位置误差来自各个关节部位误差的累积并放大，导致运动复杂度越高的机械臂误差也越大[5-7]。（3）复杂的传动机构导致整套系统的可靠性下降。（4）多台单自由度电机分别控制，使得每一台电机的利用率低下，传动效率和响应速度不高。由于以上原因，串并联式机械臂并不能完全满足工业界对多自由度运动机构的需求。图1.1六关节串联机械臂图1.2并联机械臂
安徽大学博士学位论文3空心线圈和一个转子磁极之间相互作用力矩，推导整台电机转矩表达式的方法，成为后来球形电机研究的基本方法[31]。图1.3磁阻步进式球形电机结构外观图图1.4新式变磁阻步进式球形电机原理图作为磁阻步进式球形电机后续发展的代表，韩国汉阳大学H.Shin，M.Modarres，B.Kwon等人设计了一种双边励磁的步进式球形电机[32]，如图1.5。这个电机它结构特征明显，一是定转子都没有永磁体，二是定转子多层绕组分别通电。同时其结构清晰表达了它的运动原理：从Z方向看是一台普通步进电机，只要给转子部分绕组通直流电形成个4极转子，就可以按照步进电机方式单拍双拍运行实现自旋。从X或Y方向看，这台电机相当于步进电机的一个扇区，图1.6。给定子磁极上的两层线圈持续通直流电，转子各层线圈按照竖直方向顺序依次通电，就可实现步进式俯仰运动。研究团队建立了所开发电机的非线性等效磁路模型，并给出了不同位置的磁阻转矩计算值和实验值比对，总结了运行特征。
【参考文献】：
期刊论文
[1]单位四元数、罗德里格转换模型与欧拉角的映射关系[J]. 程烺,俞家勇,马龙称,周茂伦,曹岳飞. 北京测绘. 2020(01)
[2]盘式Halbach异步磁力联轴器解析建模和分析[J]. 孙宇,史洪扬,张国军. 机械工程与自动化. 2019(06)
[3]改进型Halbach阵列的永磁同步电机分析与设计[J]. 梅柏杉,吴强,李新. 微特电机. 2019(07)
[4]基于三角形(△)组合线圈的永磁球形电机转矩特性与通电策略分析[J]. 过希文,李绅,王群京,周睿,文彦. 电工技术学报. 2019(08)
[5]基于四元数的DR技术[J]. 鲁丹丹,翟永翠,周玉芳. 指挥控制与仿真. 2019(02)
[6]坐式垂直起降无人机的一种姿态解算算法的设计[J]. 刘东辉,奚乐乐,牛孟然,孙晓云,石楠. 河北科技大学学报. 2016(01)
[7]四元数理论及其在坐标转换中的应用[J]. 张捍卫,李明艳,李克昭. 大地测量与地球动力学. 2015(05)
[8]基于响应面法的永磁转子偏转式三自由度电动机结构参数的优化设计[J]. 李争,张璐,王群京,伦青青. 电工技术学报. 2015(13)
[9]脉振高频电压注入PMSM凸极特性实验检测研究[J]. 王志新,林环城,陆斌锋,张超. 电机与控制学报. 2015(03)
[10]基于解析模型的永磁球形电机永磁体优化设计[J]. 信建国,夏长亮,李洪凤,史婷娜. 电工技术学报. 2013(07)
博士论文
[1]基于支持向量机建模的永磁球形电机的优化设计研究[D]. 鞠鲁峰.合肥工业大学 2015
[2]永磁球形电动机动力学解耦控制及通电策略研究[D]. 郭辰.天津大学 2010
[3]粒子群算法的基本理论及其改进研究[D]. 刘建华.中南大学 2009
[4]仿人机器人关节用永磁球形步进电机的转子位置检测及控制策略[D]. 雍爱霞.合肥工业大学 2007
[5]新型仿人机器人关节用永磁球形步进电机控制算法及驱动器研究[D]. 夏鲲.合肥工业大学 2007
硕士论文
[1]一种磁阻式球形电机的结构设计研究[D]. 陶文强.安徽大学 2019
[2]永磁球形电机电磁分析与结构优化设计[D]. 程高梅.安徽大学 2019
[3]基于Unity3D的人体肢体运动展示系统的设计与实现[D]. 刘志强.电子科技大学 2018
[4]永磁球形电机的轨迹规划研究[D]. 赵丽娟.安徽大学 2018
[5]永磁球形电机涡流损耗分析及结构优化[D]. 储立.安徽大学 2016
[6]永磁球形电机的虚拟样机建模与跟踪控制研究[D]. 赵元.安徽大学 2016
[7]永磁转子偏转式三自由度运动电机建模分析与结构参数的优化设计[D]. 张璐.河北科技大学 2015
[8]永磁球形电机输出轨迹波动分析与矢量控制策略研究[D]. 郁茹剑.天津大学 2014
[9]一种新型永磁球形多自由度电机的研究[D]. 王咏涛.河北科技大学 2011
[10]一种基于光流法的三维互动系统的研究与实现[D]. 李巍.华中科技大学 2007
本文编号：3614071
【文章来源】：安徽大学安徽省211工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
六关节串联机械臂
安徽大学博士学位论文1第一章绪论1.1课题的研究背景及意义电动机以其能源传输的便利性，控制的准确性，与计算机结合的直接性，作为工业领域主要的动力来源，推动工业进步的同时也在不断适应着工业应用提出的新要求。随着产业自动化对工业机器人，特别是多自由度运动机械臂的现实要求发展，电机的运动方式从单纯的一维圆周旋转开始向多自由度运动发展。目前成熟的多自由度机械臂均采用多个单自由度电机串并联组合，结合机械式运动转换机构组成，如图1.1、1.2，每台电机分别执行一个维度运动。串联式机械臂的研究已经形成了成熟的理论体系[1-4]，取得了显著的进步并得到广泛的应用。但多台单自由度电机组合带来的缺陷仍然严重限制了工业机械臂的使用前景：（1）多台电机加上复杂的传动机构，造成整套机械臂的运动复杂度越高则体积越大，与越是狭小的空间越要求机械臂运动复杂度要高相矛盾。（2）末端执行机构的位置误差来自各个关节部位误差的累积并放大，导致运动复杂度越高的机械臂误差也越大[5-7]。（3）复杂的传动机构导致整套系统的可靠性下降。（4）多台单自由度电机分别控制，使得每一台电机的利用率低下，传动效率和响应速度不高。由于以上原因，串并联式机械臂并不能完全满足工业界对多自由度运动机构的需求。图1.1六关节串联机械臂图1.2并联机械臂
安徽大学博士学位论文3空心线圈和一个转子磁极之间相互作用力矩，推导整台电机转矩表达式的方法，成为后来球形电机研究的基本方法[31]。图1.3磁阻步进式球形电机结构外观图图1.4新式变磁阻步进式球形电机原理图作为磁阻步进式球形电机后续发展的代表，韩国汉阳大学H.Shin，M.Modarres，B.Kwon等人设计了一种双边励磁的步进式球形电机[32]，如图1.5。这个电机它结构特征明显，一是定转子都没有永磁体，二是定转子多层绕组分别通电。同时其结构清晰表达了它的运动原理：从Z方向看是一台普通步进电机，只要给转子部分绕组通直流电形成个4极转子，就可以按照步进电机方式单拍双拍运行实现自旋。从X或Y方向看，这台电机相当于步进电机的一个扇区，图1.6。给定子磁极上的两层线圈持续通直流电，转子各层线圈按照竖直方向顺序依次通电，就可实现步进式俯仰运动。研究团队建立了所开发电机的非线性等效磁路模型，并给出了不同位置的磁阻转矩计算值和实验值比对，总结了运行特征。
【参考文献】：
期刊论文
[1]单位四元数、罗德里格转换模型与欧拉角的映射关系[J]. 程烺,俞家勇,马龙称,周茂伦,曹岳飞. 北京测绘. 2020(01)
[2]盘式Halbach异步磁力联轴器解析建模和分析[J]. 孙宇,史洪扬,张国军. 机械工程与自动化. 2019(06)
[3]改进型Halbach阵列的永磁同步电机分析与设计[J]. 梅柏杉,吴强,李新. 微特电机. 2019(07)
[4]基于三角形(△)组合线圈的永磁球形电机转矩特性与通电策略分析[J]. 过希文,李绅,王群京,周睿,文彦. 电工技术学报. 2019(08)
[5]基于四元数的DR技术[J]. 鲁丹丹,翟永翠,周玉芳. 指挥控制与仿真. 2019(02)
[6]坐式垂直起降无人机的一种姿态解算算法的设计[J]. 刘东辉,奚乐乐,牛孟然,孙晓云,石楠. 河北科技大学学报. 2016(01)
[7]四元数理论及其在坐标转换中的应用[J]. 张捍卫,李明艳,李克昭. 大地测量与地球动力学. 2015(05)
[8]基于响应面法的永磁转子偏转式三自由度电动机结构参数的优化设计[J]. 李争,张璐,王群京,伦青青. 电工技术学报. 2015(13)
[9]脉振高频电压注入PMSM凸极特性实验检测研究[J]. 王志新,林环城,陆斌锋,张超. 电机与控制学报. 2015(03)
[10]基于解析模型的永磁球形电机永磁体优化设计[J]. 信建国,夏长亮,李洪凤,史婷娜. 电工技术学报. 2013(07)
博士论文
[1]基于支持向量机建模的永磁球形电机的优化设计研究[D]. 鞠鲁峰.合肥工业大学 2015
[2]永磁球形电动机动力学解耦控制及通电策略研究[D]. 郭辰.天津大学 2010
[3]粒子群算法的基本理论及其改进研究[D]. 刘建华.中南大学 2009
[4]仿人机器人关节用永磁球形步进电机的转子位置检测及控制策略[D]. 雍爱霞.合肥工业大学 2007
[5]新型仿人机器人关节用永磁球形步进电机控制算法及驱动器研究[D]. 夏鲲.合肥工业大学 2007
硕士论文
[1]一种磁阻式球形电机的结构设计研究[D]. 陶文强.安徽大学 2019
[2]永磁球形电机电磁分析与结构优化设计[D]. 程高梅.安徽大学 2019
[3]基于Unity3D的人体肢体运动展示系统的设计与实现[D]. 刘志强.电子科技大学 2018
[4]永磁球形电机的轨迹规划研究[D]. 赵丽娟.安徽大学 2018
[5]永磁球形电机涡流损耗分析及结构优化[D]. 储立.安徽大学 2016
[6]永磁球形电机的虚拟样机建模与跟踪控制研究[D]. 赵元.安徽大学 2016
[7]永磁转子偏转式三自由度运动电机建模分析与结构参数的优化设计[D]. 张璐.河北科技大学 2015
[8]永磁球形电机输出轨迹波动分析与矢量控制策略研究[D]. 郁茹剑.天津大学 2014
[9]一种新型永磁球形多自由度电机的研究[D]. 王咏涛.河北科技大学 2011
[10]一种基于光流法的三维互动系统的研究与实现[D]. 李巍.华中科技大学 2007
本文编号：3614071
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