降低永磁球形电机铜耗的通电策略研究

连续运行模式下,针对永磁球形电机(Permanent-magnet spherical motor,PMSpM)恶劣的通风、冷却条件影响电机可靠运行和使用寿命的问题,提出了几种能够精确输出目标转矩并避免局部过热的自旋通电策略。建立了基于有限元分析(Finite-element analysis,FEA)的单线圈电流有效值-稳态温度(IRMS-Tsteady)模型,提出使用高精度电流传感器间接测量线圈温度的方法,以验证模型的准确性。基于此分析了偏心自旋、最小电流和、固定励磁线圈三种通电策略。后两种策略采用改进的粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法优化驱动电流,算法通过参数方程限制粒子产生与更新以精确输出目标转矩,并分别尝试通过减少粒子维度和指定线圈组合来进一步降低铜耗。策略对比结果表明,固定励磁线圈策略能够在输出目标转矩的前提下大大降低铜耗且避免了局部热点出现。

基于改进粒子群优化算法的永磁球形电机驱动策略研究

永磁球形电机(PMSpM)是一种结构紧凑、可多自由运动的单关节传动装置。该文提出一种适用于PMSpM驱动策略优化的改进粒子群优化(IPSO)算法,该算法可实时计算PMSpM期望转矩所对应的线圈驱动电流。首先,通过圆环函数建立PMSpM转矩解析模型,并构建转矩Map图;然后,在确定种群数量后为标准粒子群优化(PSO)算法引入自适应动态惯性权重和自适应学习因子,将所提IPSO算法与PSO算法进行仿真对比,仿真结果表明,在同样的精度下采用IPSO算法计算驱动电流比采用PSO算法有更快的计算速度;最后,通过PMSpM控制试验进一步证明了该仿真结论的正确性。

基于平滑S形曲线的永磁球形电机轨迹规划

为了提高永磁球形电机在给定轨迹运行时速度的平滑性,减小运行过程中加加速度突变对系统造成的冲击影响,提出了一种平滑S形曲线的永磁球形电机轨迹规划算法。为了描述转子输出轴末端姿态角信息,通过坐标变换原理求解出转子输出轴末端起止点之间的欧拉旋转角;根据预设轨迹规划策略反解出S形曲线对应的加速度方程,并通过转子动力学模型获得对应控制转矩;对于S形曲线的加加速度存在阶跃现象的问题,利用正弦函数无限可导的特点拟合改进原S形曲线,使得转子输出角速度、角加加速度均平滑连续,提高了控制系统的柔性,并通过动力学仿真验证了轨迹规划算法的可行性。

基于压力传感器的永磁球形电机摩擦转矩检测

针对永磁球形电机(PMSM)运动时摩擦转矩检测困难的问题,提出一种基于压力传感器检测永磁球形电机摩擦转矩的方法。首先应用压力传感器检测球形转子施加在支撑杆处的压力信息,通过永磁球形电机摩擦转矩的数学模型,解析压力信息,得到摩擦转矩数值。再通过恒速实验得到压力—摩擦转矩间的稳态对应关系,采用遗传算法对数学模型中未知的摩擦因数进行参数辨识。最后将通电实验的结果与仿真结果进行对比,验证了检测方法的有效性。

永磁球形电机的支持向量机模型的参数寻优

提出一种新的永磁球形电机的数学模型建立方法——支持向量机(SVM)模型,分别采用网格参数寻优、遗传算法(GA)参数寻优、粒子群(PSO)寻优算法来计算SVM模型的参数,分析比较三种算法得到的参数,确定最适合永磁球形电机SVM回归模型的参数寻优算法。

基于摩擦补偿的永磁球形电机自适应模糊控制

针对摩擦可能引起永磁球形电机控制系统品质恶化的问题,提出模糊逼近的摩擦补偿自适应控制方案。首先,通过卡尔丹角(Carden)旋转,建立考虑摩擦项的转子动力学模型,分别基于已知模型和名义模型设计控制方案。基于名义模型的控制方案采用改进的模糊补偿自适应控制器分别补偿摩擦项以及系统不确定性因素,以减少模糊规则的数目,控制律参数基于李亚普诺夫稳定性理论自适应调节,控制方案保证了闭环系统的稳定性。仿真试验结果表明,该控制方案能有效实现对摩擦项等不确定信号的补偿,从而提高球形电机的跟踪控制性能。

基于解析模型的永磁球形电机永磁体优化设计

永磁球形电机气隙磁通密度的基波幅值和波形畸变直接影响电机性能。本文采用球谐级数推导了永磁球形电机永磁体阵列气隙磁通密度径向分量的解析模型,分析了弧长系数、永磁体厚度和气隙长度对基波幅值和波形畸变率的影响。利用气隙磁场的解析模型,以基波幅值和波形畸变率为优化目标,采用粒子群算法对六极永磁体阵列进行了多目标优化并对优化结果进行了比较和验证。结果表明,在永磁体体积相同情况下,优化的平行磁化永磁体阵列比全极距平行磁化永磁体阵列和径向磁化永磁体阵列具有更高的基波幅值和更小的波形畸变率。

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

为了减少永磁球形电机轨迹跟踪过程中的控制电流计算量,提出一种基于三角形(△)组合线圈的通电策略。首先,通过Maxwell软件,利用叠加原理建立基于单个定子线圈的电磁转矩模型;然后,对比分析不同组合线圈自旋和倾斜运动的静态电磁转矩,确立△组合线圈的电磁转矩方程;同时,通过电流-转矩表达式,获得定子线圈的控制电流;最后,通过仿真计算和实验验证该方案的可行性。实验结果表明相对于单个线圈的独立控制,基于△组合线圈的通电策略在电机运动范围内无运动奇点,显著减少了控制电流的计算量。

三自由度永磁球形电机的建模和电压控制

为了提高三自由度永磁球形电机的运动性能、控制效率和减少控制成本,对具有三维位置检测功能的三自由度永磁球形电机的控制方法进行了研究。首先建立了三自由度永磁球形电机的磁场模型、动力学模型、力矩模型和反电动势模型,并分析其运动控制机理。在此基础上求解永磁球形电机的电压平衡方程和动力学方程,得到永磁球形电机的控制模型,并结合PID控制方法,提出了永磁球形电机的基于电压模型的PID闭环控制方法。仿真结果表明,提出的电压控制方法与传统的电流力矩控制法相比可以明显提高球形电机的运动性能。

永磁球形电机的自适应反演滑模控制

针对非线性、强耦合、直驱型的永磁球形电机动力学系统,设计了一种自适应反演滑模控制器。首先,通过拉格朗日第二方程以及卡尔丹角坐标变换建立永磁球形电机的转子动力学方程。然后,将反演设计方法和滑模控制有机结合抑制外界扰动和参数摄动的影响。其中,基于类李雅普诺夫方法获得外界扰动上界的自适应律,并采用一种新颖的趋近律消除抖振问题。最后,仿真结果对比证实:该控制器不仅能保证永磁球形电机动力学系统高精度的轨迹跟踪、快速的动态响应,而且对外界扰动具有较强的鲁棒性。

永磁球形电机定子绕组的永磁体模型及磁场分析

采用等效磁网络法分析了永磁球形电机定子磁场.在永磁体的体电流模型基础上,推导了电流密度与永磁体磁化强度的关系,得到了定子绕组的永磁体模型.在此基础上,在柱坐标下对分析模型进行剖分,并将不同磁场边界条件表达为磁阻单元对应节点或支路的不同状态,建立了永磁球形电机定子绕组磁场的二维等效磁网络模型.推导了各单元磁阻及磁动势的表达式,并利用平均磁能法求得了磁通密度在空间的分布.结果表明,定子绕组近场和远场具有不同的分布特征,远场时磁通密度小且变化相对平缓.通过与有限元法的析结果比较可知,相对误差均在6%左右,证明了所提方法具有较好的计算精度.

基于随机森林的永磁球形电机优化通电策略

针对永磁球形电机的复杂转矩建模问题,提出了一种基于随机森林建模方法,同时提出了基于粒子群优化方案来解决永磁球形电机的优化通电策略问题。首先,通过电磁分析得到永磁球形电机转子与定子线圈在不同角度下驱动线圈产生的转矩值。然后,采用随机森林法建立了位置-转矩的黑箱模型。并在此基础上结合倾斜轨迹,采用粒子群算法对其通电策略进行优化设计,使得通电损耗降低了5%~10%。仿真和实验结果均表明,该方法能有效地实现永磁球形电机的稳定控制且通电损耗较小,可为下一步实现永磁球形电机高精度的轨迹跟踪控制提供参考和借鉴。

基于转矩模型和改进MOPSO的永磁球形电机磁极优化

为了提升永磁球形电机(PMSM)的输出转矩,应用多目标粒子群优化(MOPSO)算法对转子球内的永磁磁极尺寸进行优化设计。应用等效面电流和洛伦兹力的原理推导一种八极Halbach磁极阵列永磁球形电机的转矩解析模型,并依托电机原型进行有限元仿真和实验验证。运用空间几何的方法分析了转子球内磁极尺寸之间的约束关系,以自旋转矩和俯仰转矩的幅值为目标,应用改进的多目标粒子群优化算法进行转子磁极尺寸优化。对优化后的电机转矩分布进行有限元仿真验证,并与电机原型做比较。结果表明,优化后的电机转矩分布曲线更优,自旋转距幅值、平均值和俯仰转矩幅值、平均值分别提升了40.8%、31.9%、12.0%、26.8%,验证了所提优化方法的有效性,也为永磁球形电机的磁极参数设计提供了一种寻优方法。

基于自适应干扰观测器的永磁球形电机连续非奇异终端滑模控制

针对新型永磁球形电机的轨迹跟踪问题,提出一种基于自适应干扰观测器的连续非奇异终端滑模控制策略。首先,通过拉格朗日第二方程构建了永磁球形电机在复合干扰下的动力学模型,根据线性叠加原理建立了永磁球形电机完整的转矩模型。然后,为降低复合干扰对永磁球形电机跟踪控制的影响,提出改进的自适应干扰观测器,估计永磁球形电机的外部扰动、摩擦力矩、动力学模型误差和转矩模型误差等在内的未知复合干扰。此外,基于永磁球形电机的名义动力学模型,提出连续非奇异终端滑模控制算法。最后,通过Lyapunov方法证明了该闭环控制系统的稳定性,分析了跟踪误差的收敛性。通过仿真对比和实验结果验证了所提出控制策略的有效性和精确性。

一种基于正六面体划分的永磁球形电机

针对永磁球形电机的结构,结合应用永磁同步电机矢量控制方法和球面的正多面体均匀划分,提出一种基于正六面体改进型的永磁球形电机结构。通过对球面多面体划分,优化永磁球形电机转子的永磁体和定子的线圈位置,使永磁球形电机可以分别绕三个正交轴独立旋转,令传统的矢量控制可以直接应用于球形电机的控制系统中。本文给出了电机结构的三维图并阐述了该电机的控制方法。

基于MEMS的永磁球形电机转子位置检测方法研究

为了实现对永磁球形电机运动的精准控制,需要准确快速地获取球形电机的转子位置信息,提出一种基于微机电系统(MEMS)姿态传感器的球形电机转子位置检测方法,该方法通过融合MEMS内部的陀螺仪和三轴加速度计输出的数据,根据一阶Runge-Kutta法则结合角速度数据不断更新四元数,可计算出球形电机的转子位置信息。同时提出了轴向角安装误差的补偿方法,以减小周期性的转子位置测量误差。最后搭建了基于MEMS的永磁球形电机转子位置检测实验平台,并就永磁球形电机的中点自旋运动、偏转运动和俯仰运动进行了实验研究,实验结果验证了所提出的球形电机转子位置检测方法的有效性。

新型多自由度永磁球形电机的设计与分析

提出一种新型的多自由度永磁球形电机,可用于机器人关节、航空航天、卫星通讯等领域。该球形电机由一个表面贴有永磁体的中空转子球壳和具有旋转线圈和倾斜线圈的单定子组成,定子由铁心和两个三相绕组组成。考虑到该新型电机与现有的大多数空心线圈的球形电机结构的差异性和新颖性,很难找到较为完善的设计理论和方法。对电机的结构和工作原理进行详细阐述,并开展电机的原始设计;利用三维有限元方法分析了电磁特性,包括磁密、转矩等。仿真结果满足电机的设计指标。该设计方法球形电机的设计提供了一定的理论基础。

复合干扰下永磁球形电机的全阶滑模控制

针对受外部干扰和模型不确定性影响的永磁球形电机运动系统,提出一种基于有限时间干扰观测器的全阶滑模控制方法。首先,在复合干扰下建立永磁球形电机的动力学模型,其不确定性包括建模误差和外界干扰。其次,设计有限时间干扰观测器以快速、准确地估计出系统的复合干扰。然后,为永磁球形电机设计了全阶滑模面,理想滑模运动时反映其全阶动态特性,而不是传统滑模控制系统中的降阶动态特性。最后,通过李雅普诺夫定理证明了所提控制方法的闭环系统的稳定性。仿真和实验结果表明所提控制器在复合干扰情况下具有良好的动态特性和抗干扰能力。

基于机器视觉的永磁球形电机转子姿态检测

为了实时精确地获取永磁球形电机(PMSM)的转子姿态信息,从而实现对PMSM的闭环控制,提出了一种基于机器视觉的PMSM转子姿态检测方法。首先,使用OpenMV摄像头检测安装于转子输出轴顶端的红绿标志点,然后将两个标志点的图像信息实时发送给上位机,并在上位机中解算出PMSM转子姿态信息。最后搭建了实验平台,通过与微机电系统姿态传感器所得结果的对比,验证了该方法的可行性。

基于光学传感器的永磁球形电机实时姿态检测方法

针对永磁球形电机转子体姿态检测技术精度不高,实时性较差等问题,提出了一种基于光学传感器的永磁球形电机转子体实时姿态检测方法。使用安装在定子外壳上的3只光学传感器实时检测转子体表面的速度。由微控制器将速度信息传递给上位机,并通过积分运算获得转子体的实时角度信息。在此基础上,通过坐标变换和转子体上任意点的初始姿态信息求解出该点的实时姿态。实验结果表明:所提出方法能够实时、准确地检测转子体的姿态信息,为下一步实现永磁球形电机高精度的跟踪控制提供参考和借鉴。