多自由度球形電機基於磁場的高性能感測控制和驅動

《多自由度球形電機基於磁場的高性能感測控制和驅動》是依託華中科技大學，由白坤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多自由度球形電機基於磁場的高性能感測控制和驅動
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：白坤
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

本項目針對複雜精密加工、機器人、醫療等領域對於精密靈活的多自由度操作的需求，開展具有類似關節結構的高性能球形電機的研究。除了電機本身提供驅動力及力矩的電磁作用，本項目還將利用磁場作為非接觸的能量、信息媒介的特質，通過探索利用磁場排斥力減小磨損的智慧型磁性球形軸承、建立基於磁場的並行式感測和控制系統、以及利用電磁場和電磁力及力矩的計算分析方法進行電磁驅動最佳化，致力於提高球形電機在精度、頻響、負載、剛度和服役期限等方面的性能。儘管本項目的直接成果是高性能的多自由度球形電機，但其中關於磁場的感測控制方法將可以為其他運動系統的設計和開發帶來新的思路，且其他關鍵組件如磁性軸承也可以直接套用於其他的多自由度系統。

結題摘要

本課題針對現有球形電機在球軸承的設計、感測控制效率以及負載能力這三個方面的挑戰開展高性能球形電機的研究。圍繞三個主要研究內容，即智慧型磁性軸承設計、基於磁場的感測-控制系統和驅動系統最佳化，本課題進行的研究工作取得了以下進展： 改進球形電機設計並提出新的關鍵組件設計。利用提出的電磁力模型，可以高效進行設計分析和最佳化，從而提高電機負載能力。該設計中主要組件之一智慧型磁性球關節軸承具有永磁斥力減小摩擦、嵌入式磁感測器進行自身轉軸姿態測量的功能。機械支撐裝置則可以提高電機的靜態剛度並減小電流輸入能耗。 建立了基於磁鏈模型的無感測式的姿態測量方法。該方法利用電機自身永磁線上圈中產生感應電動勢，通過測量電壓變化求解電機轉子姿態，從而捨去了在電機上外加姿態感測器的需要，簡化了電機設計。通過實驗驗證並與商業姿態測量工具進行比較，此方法可以較為準確的得到轉子多自由度姿態及相應角速度，並具有較好的信噪比。 提出直接場反饋控制方法。該方法利用嵌入式磁感測器的測量值直接進行反饋控制，取消了傳統控制方法中對實時姿態測量的依賴和串列計算導致的低頻寬和累計誤差，從而大大提高了球形電機多自由度姿態控制的效率。通過實驗驗證，該方法實現了球形電機的精確姿態跟蹤。 本課題在提高球形電機的性能和擴展其套用範圍方面做出了一定的貢獻。同時其中的相關方法的也為其他運動系統的設計和開發帶來新的思路，並且已經取得了一定的套用。