基於運動解耦的永磁球形電機空間定位控制策略研究

《基於運動解耦的永磁球形電機空間定位控制策略研究》是依託天津大學，由李洪鳳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於運動解耦的永磁球形電機空間定位控制策略研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李洪鳳
• 依託單位：天津大學

項目摘要

空間定位是永磁球形電機亟待解決的問題之一，然而受到三自由度力學耦合關係的影響及位置檢測方案不成熟的限制，關於空間定位的研究文獻較少。項目鑒於本課題組前期的研究成果，重點解決永磁球形電機運動解耦的空間定位問題。從改善電機本體結構角度，研究磁場飽和、漏磁、端部效應及轉子定位偏心等實際因素對轉矩的影響，並結合實驗測試結果對電機本體結構進行修正；在已知電機電磁設計及結構設計前提下，研究轉矩逆模型，通過計算得到轉矩的最優輸入量。從改進電機控制策略角度，研究永磁球形電機的轉子位置檢測理論，解決電機無位置感測器運行控制的關鍵技術；綜合考慮三自由度的力學解耦控制策略、位置檢測及軌跡規劃方案對空間定位的影響，研究永磁球形電機快速、穩定和精確的空間定位控制策略。本項目研究成果將使我國在該領域的研究處於國際先進水平。

結題摘要

提出一種新型的球面Halbach陣列永磁球形電動機，針對球形轉子的Halbach陣列磁體結構，利用球諧波理論建立了永磁球形電動機磁場的解析模型，分析了氣隙磁場基波和諧波的分布形式。利用永磁球形電動機氣隙磁場的解析模型，以氣隙磁場正弦性和磁材體積為目標函式，建立了永磁球形電動機磁極最佳化的數學模型。利用粒子群算法進行了Halbach陣列磁極極型的多目標最佳化設計，給出了最佳化設計方案，分析了最佳化設計結果。針對端部效應及其對電機自轉反電勢波形的影響進行了理論分析。基於球形電動機的特殊結構提出了一種量化其端部效應的方法，對定子線圈進行等效，然後通過計算得到一個端部係數來修正基於二維模型得到的空載自轉反電勢曲線。提出一種基於球面規劃的定子繞組通電策略。將定子球面上定子繞組覆蓋區域進行球面規劃，劃分為四類子區域，用解析法對所有子區域進行描述，並根據相似三角形原理對各個定子繞組進行標號。根據轉子的位置，用特定的法則確定需要通電的定子繞組，並調用靜態轉矩模型，求解得到通電電流大小。採用該通電策略後，永磁球形電動機能在不同控制算法下實現複雜的軌跡跟蹤運行。採用計算力矩法對永磁球形電動機展開了軌跡跟蹤控制方面的研究。此方法可有效地削弱各軸向間非線性交叉耦合的影響，對外部擾動和模型誤差具有良好的魯棒性，實現較理想的軌跡跟蹤控制效果。針對永磁球形電動機逆運動學問題提出了一種基於神經網路的逆運動學求解方法，用神經網路來逼近該電動機的逆運動學模型；根據神經網路採用L-M最佳化算法時的樣本學習效果，確定了此神經網路的最優結構。為了實現永磁球形電動機的閉環控制，提出了一種基於光學原理的球形轉子方位感測器。此方位感測器利用兩個光學檢測圓環檢測球形轉子表面繪製的經線和緯線，通過獲得的交點計算球形轉子的ZYZ歐拉角。基於理論分析，針對永磁球形電動機進行了機械結構與電磁設計，製作出樣機一台，並搭建了球形電動機的實驗控制系統，實現了球形電動機的連續自轉運動。