《多物理場混合驅動三自由度球形電機及其控制系統研究》是依託天津大學，由李斌擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：多物理場混合驅動三自由度球形電機及其控制系統研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李斌
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
轉矩性能的改善是超音波球形電機亟需解決的問題之一。然而受預壓力裝置不完善及定轉子能量傳遞界面小的限制，最佳化定子結構、改善摩擦條件和增加激勵強度等傳統方法，提高轉矩的效果並不十分理想。項目借鑑永磁球形電機研究成果，設計電磁預壓力與助力系統，提出多物理場混合驅動球形電機的研究構想。電機定子採用超聲振子和電磁繞組組合的結構，轉子表面貼上永磁體，運行時電磁斥力使定子繞組與轉子分離，並提供轉子與超聲振子間的預壓力，同時，激勵超聲振子產生摩擦轉矩使其與電磁轉矩同向，二者合力驅動轉子實現偏航、傾斜和旋轉運動；停止時彈簧壓力通過定子繞組將轉子壓在超聲振子上，摩擦力保證電機自鎖。項目將探索新工況下摩擦傳動機理的變化，改進電機定轉子電磁設計方案，實現徑向電磁力和電磁轉矩的可控性，研究超聲振子和定子繞組的同步換向策略，實現二者協調作用，研究速度和定位控制策略。
結題摘要
多自由度球形電機可以圍繞空間任意軸旋轉，在現代工業、醫療、航空等領域具有廣泛的套用前景。本項目提出多物理場混合驅動概念，利用電磁轉矩和摩擦轉矩共同驅動球形轉子運動，同時利用電磁力合成球形轉子與超聲振子之間的預壓力，重點解決電磁轉矩與電磁預壓力的合成與控制問題。主要進行了以下研究工作： 1、分析了預壓力合成、控制原理，提出了由定子線圈和具有永磁磁極的球形轉子組成的電磁預壓力裝置設計方案。利用力的平移原理，將單個線圈的電磁力對轉子的作用等效為力偶和過球心的力，建立了整個裝置的預壓力平衡方程，獲得了定子坐標系下預壓力的電流控制方程。 2、研究了球形電機定轉子磁場分布及諧波情況，提出了基於三維等效磁網路的磁場分析方法。推導了電流密度與永磁體磁化強度的關係，得到了定子繞組的永磁體模型；將不同磁場邊界條件表達為磁阻單元對應節點或支路的狀態，利用平均磁能法求得了磁通密度在空間的分布；以轉子球面為分析面，以球諧波級數為基函式，利用最小二乘法進行展開，得到了球面上定子線圈磁場各階次諧波的係數。 3、研究了電機電磁轉矩。根據定轉子磁場分布，合成了氣隙磁場；利用麥克斯韋張量法分析了單個定子繞組產生的電磁力及電磁轉矩，獲得了轉矩與繞組位置之間的關係。 4、最佳化了定子線圈結構參數。採用人工免疫算法以線圈電感、最大輸出轉矩和線圈功耗為設計目標，最佳化設計了線圈內外徑和高度參數；為了準確反映不同數值等級的設計目標的逼近程度，提出了相對歐式距離概念。 5、研究了球形電機控制問題，提出了轉矩分配控制策略。為了避免求解高維轉矩矩陣的廣義逆矩陣，將目標轉矩分解為自轉和傾斜轉矩，通過比較不同定子繞組的轉矩分量，劃分出相應的控制繞組集合；根據集合內部定子繞組轉矩的分布特徵及轉子位置，制定了繞組的通電策略，獲得兩個降維的控制矩陣。 6、針對普通電流滯環控制中功率器件開關頻率不穩定問題，採用變滯環寬度實現開關頻率恆定。根據各採樣時刻電流的上升斜率和下降斜率，調整下一周期的滯環環寬。 7、完成樣機初步設計。球形電機包括定子繞組、球形轉子、機架部分和感測器導軌幾部分，構建了以DSP和FPGA為核心的控制系統。 結合項目的研究，正在培養該領域碩士研究生6名，已畢業2名，在國際學術期刊、國際會議及國核心心期刊上發表/錄用論文7篇，被SCI收錄1篇，EI收錄5篇，獲國家發明專利3項，申請國家發明專利1項。
