基于FPGA的步进电动机伺服控制器通信系统设计

为实现某扫描机构伺服控制器与上位机的串行通信,提出了应用于该系统的专用异步串行通信和同步串行通信的FPGA设计方法。介绍了扫描机构伺服控制系统的构成;详述了异步串行通信各个功能模块及光电编码器脉冲计数值同步串行发送到上位机的FPGA设计与仿真实现。分析证明该设计时序正确,实现了功能指标,确保了伺服控制器与上位机的通信。

月球车驱动轮爬坡牵引性能预测

月球表面可通过性较差,预测月球车驱动轮的爬坡牵引性能,对于保证探测工作的正常进行有重要意义。在传统地面车辆理论与研究方法的基础上,考虑斜坡角度对浅层月壤应力分布的影响和轮刺作用,给出了刚性车轮与月壤的相互作用模型。通过实例,计算和分析了不同参数的变化对车轮牵引性能的影响。分析结果表明:车轮的挂钩牵引力和滚动阻转矩受到车轮滑转率、结构尺寸和轮刺高度等参数变化的影响;车轮驱动效率随滑转率变化呈现先增大后减小的趋势,在最优的滑转率区间内能获得较大值。分析结论为月球车车轮的设计和控制提供了参考。

月球车驱动轮爬坡性能的影响因素研究

研究了驱动轮的滑转率、结构参数和载荷对月球车爬坡性能的影响。针对月表复杂路况下车辆通过性较差问题,为提高月球车爬坡性能,基于车辆地面力学中土壤的承压和剪切特性理论,建立了刚性驱动轮与月面斜坡松软月壤间的相互作用模型。通过车轮实例对月球车爬坡性能进行预测和分析。实验结果表明,增大驱动轮的滑转率、半径、宽度、轮刺高度和减小载荷能够增强月球车爬坡能力和提高车轮驱动效率,但随着爬坡能力的增强,车轮驱动效率呈现先增大后减小的趋势。研究结果为月球车轮结构设计以及控制策略的研究提供了参考。

混合式步进电机细分驱动系统建模及故障仿真

为提高步进电机细分驱动系统的故障诊断水平,在Simulink下建立了包含两相混合式步进电机本体、细分驱动、功率驱动及电流控制等模块在内的仿真模型。针对H型逆变桥臂四个功率开关管正常运行、短路及开路故障等状况进行了仿真,得到了相应的相电流波形。对各类故障进行了研究,分析了不同故障条件下电流波形的特征,分析结论为步进电机细分驱动系统的故障诊断提供了参考。

极限温度下月球车轮驱动电机带障运行性能预测

月球车在月面极端恶劣环境下长时间运行,很难得到维护。预测故障发生后其车轮驱动电机的运行性能对月球车运动控制系统的可靠性研究有重要意义。建立了室温下电机的有限元仿真模型,通过修改材料属性,对月面极限温度下电机性能进行了预测。对正常运行时的模型施加故障条件,仿真了电机带障运行时的电流和电磁转矩波形。与正常运行时进行了比较和分析。仿真结果表明:电机发生故障后,车轮无法自主起动。但在某些故障条件下,电机仍然具备一定的转矩输出能力。实验结果证明室温时模型在额定转速附近具有较好的精度。研究结论为电机的性能预测和故障诊断以及月球车可靠性分析提供了参考。

定子斜槽月球车驱动电机性能的快速计算

通常采用3--D有限元方法分析斜槽电机的性能,但3--D模型剖分单元数目庞大、计算时间极长,对计算机性能要求也较高.为快速且准确地预测月表极限温度下月球车车轮驱动用斜槽电机的性能,提出了2--D几何模型耦合恒流源电路模型处理多截面模型中分段电机同槽导体电流相等以及定子斜槽的方法,并研究了计算精度的影响因素.针对一套永磁无刷直流电机方案,计算了齿槽转矩、空载感应电势和电磁转矩,并结合转子典型位置下气隙磁场沿电机轴向的分布特征以及谐波分析结果评估了计算精度.该方法的计算量较小,计算结果与3--D模型仿真结果、实测结果的比较表明了该方法的有效性.

极端环境下月球车起动能力研究

为评估月球车的起动能力,建立了刚性车轮与松软月壤间的轮-地作用模型和车轮驱动电机的有限元模型.应用车辆地面力学理论分析了月球车载荷、车轮半径、车轮宽度、轮刺高度及月壤剪切特性参数的变化对起动初始时刻车轮所受阻碍转矩的影响.分析结果表明,减轻载荷和减小车轮尺寸能够降低起动难度,而月面不同位置下月壤参数的差异可能导致起动难度悬殊.计及月面昼夜巨大温差对磁钢磁性能和绕组电阻的影响,仿真了恒定母线电流下电机的电磁转矩,并结合气隙磁场分布分析了转矩脉动的原因,设计制作了一台样机,样机实验结果与仿真结果基本吻合.仿真结果表明,电机的起动性能对温度变化极其敏感.低温环境下,电机不仅可以获得较大的驱动电流,而且相同电流下输出转矩能力更强.因此,合理设计车轮、慎重选择停车位置和起动时间有助于月球车的起动.

电机故障对月球车驱动轮牵引性能的影响

月球车是一种在外太空极端恶劣环境下长时间自主运行、不可维修的轮式移动机器人,为准确预测车轮驱动电机故障运行时的牵引性能对于月球车的可靠性有重要意义。为确保月球车顺利完成任务,建立了电机正常运行时的电磁场仿真模型,在模型基础上针对开关管短路、开关管开路、霍尔位置信号恒值和绕组开路等分别建立了故障仿真模型,通过仿真确定了能够识别各种故障的特征波形,并绘制了电机的机械特性曲线。应用车辆地面力学理论对比分析了电机正常与故障运行时驱动轮牵引性能的变化。研究结果表明,当电机发生各种故障后,驱动轮的牵引性能均有不同程度的下降。可为带障运行条件下的多轮协调控制策略的制定提供了理论依据。

气隙偏心永磁电机绕组感应电势的快速计算与分析

制造过程中安装误差不可避免,复杂环境中长时间运行会导致轴承磨损,电机普遍存在不同程度的气隙偏心问题,分析气隙偏心后电机的性能对系统可靠性研究有重要意义。针对斜槽电机有限元建模复杂、求解耗时的问题,采用了一种由二维场分析数据合成三维场计算结果的等效算法,将整台斜槽电机分解成若干个直槽电机单元的串联形式,计算和分析了气隙偏心前后的表贴式无刷直流电机。针对样机数据,分析了等效算法的计算精度,对比了偏心前后的气隙磁场和感应电势。研究表明:气隙偏心会影响表贴式无刷直流电机的磁场分布,进而改变一相绕组中不同轴线位置的各个元件的感应电势,但绕组整体的感应电势却几乎不发生变化。研究结果能够为电机可靠性分析提供理论依据。

转子静态偏心对永磁电机斜槽特性的影响研究

加工工艺以及装配技术的局限导致电机定、转子轴线不能够完全重合,准确预测偏心状态下电机的性能对于精确控制电机有重要现实意义。精确计算斜槽电机性能一般需要构建三维有限元模型,而三维模型不仅建模复杂,而且求解极其耗时。针对永磁无刷直流电机端部磁场较弱的特点,采取分段直槽等效斜槽的思路,基于二维场分析模型建立了转子静态偏心、定子铁心斜槽的表贴式永磁无刷直流电机的快速仿真模型。针对样机,计算和分析了不同偏心程度下的磁场分布、齿槽转矩和空载感应电势,并分析了模型计算精度。研究结果表明:对于表贴式永磁电机,转子静态偏心仅轻微影响直槽电机性能,而定子铁心斜槽几乎能够完全消除这些影响。