两自由度电机控制策略综述及发展动态分析

两自由度电机驱动控制的研究可以提高两自由度电机的性能,具有较高的理论与应用价值。以两自由度电机结构为分类标准,综述了感应式、永磁式、开关磁阻式及其他类型两自由度电机的控制策略;以开环控制与闭环控制为分类标准,梳理了各个两自由度电机中所用的控制策略,分析了各类控制策略的优缺点;依据现阶段汽车、医疗、工业、机器人、新能源与军工等相关领域的应用需求,分析并总结了两自由度电机控制的应用发展情况;最后根据理论研究与现实需求,从解耦、系统化、智能化与低速高精度4个角度,探讨了未来两自由度电机控制的发展动态。

两自由度直驱感应电机静态耦合效应分析

针对一种新型两自由度直驱感应电机存在的静态耦合效应,采用3D有限元法分析直线定子供电、气隙厚度、铜层厚度等对静态耦合效应的影响。建立3D有限元耦合模型,分析静态耦合效应在旋转定子中产生的感应电流及在动子上产生的感应转矩,结果表明:恒压频比条件下,静态耦合效应随着直线定子电源频率增加而增强;随着气隙厚度的增大而增强,随着铜层厚度的增大而减弱,对两自由度直驱感应电机的优化设计及进一步研究具有一定的参考价值。

两自由度直驱感应电机直线部分绕组的优化与分析

针对两自由度直驱感应电机直线部分定子分布绕组端部过长、所占空间较大、直线部分定子扇形弧度过小,将直线部分绕组由分布绕组优化为集中绕组,在保持功率、尺寸、槽型等电机参数不变的前提下,将直线部分的分部绕组改为集中绕组,分别建立有限元模型,对比分析优化前后电机性能。结果表明集中绕组缩短了绕组端部,增大了有效铁心的长度,从而减小定子电流,提高了电机稳定性。

两自由度直驱感应电机优化设计及特性分析

针对两自由度驱动技术多采用两个或者多个旋转电机以及中间传动装置的复杂性,提出一种两自由度直驱感应电机新结构,可以实现直线、旋转及螺旋运动。采用解析算法,初步确定电机的主要参数;采用有限元参数化建模方法对实心转子导电材料、导电层放置位置以及导电层厚度等进行优化。仿真结果表明,转子采用钢铜复合次级材料,钢层外置铜层内置时,电机运行特性最佳。分析了旋转运动部分和直线运动部分堵转(堵动)及突加负载情况的电机特性,分析结果表明该电机性能达到设计要求。

两自由度直驱感应电机电磁场分析和特性计算

能够做直线、旋转或螺旋运动的两自由度驱动器在机械工具和机器人等领域有可观的应用价值。本文提出一种具有新型结构的两自由度直驱感应电机并针对该电机镀铜铁磁空心动子特殊结构及多运动形式加剧转子电磁场分析的复杂性,采用简化三维电磁场分析的等效平板模型,利用Maxwell方程组建立电机三维电磁场约束方程并求解气隙、转子铜层和钢层的电磁场量;利用电磁场计算结果和介质表面阻抗的概念计算电机转子参数,采用等效复数磁导率考虑铁磁材料非线性磁化影响。对比分析电机等效电路模型和有限元模型的特性计算结果,表明所述两自由度电机等效电路的合理性以及采用等效平板模型简化分析的可行性。

基于电磁感应原理的两自由度直线旋转电机研究综述

以基于电磁感应原理的两自由度直线旋转电机为研究对象,查阅了国内外相关文献,回顾了此类电机的发展历程,总结归纳出其发展脉络和演进特点,对比分析了各种电机的拓扑结构差异和性能特点,探讨了该类电机本体结构、控制方法和控制技术的研究现状,指明了未来的研究重点、发展方向和发展趋势。

两自由度直驱感应电机旋转部分对直线部分的耦合效应

由于两自由度直驱感应电机的特殊电机结构,其旋转部分和直线部分会通过磁场的耦合影响电机整体的性能,主要表现在转矩波动、速度降低、损耗增加等。文章通过三维有限元法对两自由度直驱感应电机旋转部分对直线部分的耦合效应进行分析。在恒压频比的条件下,建立两自由度直驱感应电机的三维有限元模型,对感应电压、感应电流、电磁推力和动子损耗进行分析。结果表明,两自由度直驱感应电机旋转部分通电后产生的旋转磁场与直线部分交链,在直线部分的绕组中会产生三相不对称的感应电压和感应电流,作用于电机动子,造成电机推力波动和动子损耗的增加,为两自由度直驱感应电机进一步的优化和控制系统研究提供重要的参考价值。

两自由度直驱感应电机耦合效应分析和矢量控制建模

两自由度直驱感应电机轴端可以输出旋转运动、直线运动和螺旋运动。本文针对两自由度直驱感应电机的特殊结构与现象,建立耦合模型分析直线部分行波磁场对旋转运动的影响,修正了旋转部分转矩方程与直线部分推力方程。在两自由度直驱感应电机dq坐标系数学模型的基础上,建立该电机的转子磁场定向矢量控制模型,加入对直线部分与旋转部分耦合效应的动态补偿,在Matlab中搭建了该电机的矢量控制系统。仿真结果表明,旋转速度与直线速度能够快速跟踪给定速度,验证了考虑耦合效应动态补偿矢量控制模型的正确性。

一种新型两自由度永磁电机动力学模型

提出了一种新型结构的两自由度永磁电机,阐述了基本结构及各部分功能。电机转子仅由径向磁化永磁体构成,定子部分为三轴亥姆霍兹线圈组,显著降低了永磁电机内部多维磁场的复杂程度。根据径向磁化永磁体对空间万向旋转磁场的随动效应,即径向磁化永磁体轴线会转动直到与空间万向旋转磁场轴线重合这一现象,通过空间万向旋转磁场控制电机输出端到达空间指定位置,实现空间两自由度任意运动。动力学仿真验证了基于随动效应的两自由度永磁电机方案的可行性,可控制电机输出端到达指定位置。

两自由度直驱感应电机转子结构设计与优化研究

针对两自由度直驱感应电机(2DoFDDIM)采用实心转子结构其性能指标较低的问题,设计了一种适用于2DoFDDIM的开槽铸铜转子结构。从有限元分析结果可以看出:开槽铸铜的转子结构可以有效改善转子涡流回路进而提高电机性能指标。为了选取转子最优的开槽参数,以2DoFDDIM旋转运动部分为研究对象,引入了田口法实现2DoFDDIM的多目标优化。选取电机的转矩、转矩波动、效率、功率因数、转矩电流比等特性作为优化目标,确定了对优化目标影响较大的参数及其影响因子范围。建立实验正交矩阵,计算开槽参数的因子水平对目标性能的影响比重,从而确定最优的参数组合。通过优化前后特性对比,结果表明优化后2DoFDDIM的综合性能得到极大的提高。

海上风浪结合发电系统用两自由度发电机研究综述及展望

近年来,多能互补利用成为能源开发的一种新趋势。海上风能和波浪能具有无污染、能量形式集中等诸多优点,一种基于两自由度直线旋转发电机的新型风浪结合发电系统应运而生。对海上风能和波浪能发电系统的研究现状进行综述,对比独立开发海上风能和波浪能的发电系统、传统风浪结合发电系统及新型海上风浪结合发电系统各自的优缺点;对作为新型海上风浪结合发电系统核心能量转换装置的两自由度直线旋转发电机的研究现状进行总结,并通过有限元方法初步验证了两自由度发电机用于新型海上风浪结合发电系统中的可行性,随后探讨该类发电机的研究热点及难点。最后,对海上风浪结合发电系统用两自由度发电机未来主要的研究方向进行了展望。

两自由度直驱感应电机矢量控制系统建模与仿真分析

为解决两自由度直驱感应电机(Two Degree of Freedom Direct Drive Induct Motor, 2DoFDDIM)矢量控制因受端部效应与耦合效应影响而导致解耦错误的问题,提出了一种两自由度直驱感应电机矢量控制策略。该控制策略基于一种考虑动态端部效应与耦合效应的2DoFDDIM数学模型,对其解耦过程进行设计,在线计算修正滑差频率,通过MATLAB软件对2DoFDDIM启动、突增负载及给定转速变化等动态过程进行仿真,结果表明,该控制系统输出转速能够跟随给定,突加负载后恢复稳态时间为0.03 s,转速上升时间为0.05 s,并且能够抑制稳态时的转速波动。验证了控制系统模型的正确性及控制算法的可行性,为该类型电机的控制系统设计提供依据。

两自由度直驱感应电机运动耦合分析

两自由度直驱感应电机满足特殊场合的需求,其轴端可输出旋转、直线或螺旋运动。针对两自由度直驱感应电机多运动形式的耦合性造成对其特性分析具有一定困难,通过建立两自由度直驱感应电机的简化模型,利用麦克斯韦方程组建立旋转运动与直线运动之间相互影响的运动耦合数学模型,并对两自由度运动耦合影响进行定性分析;建立了两自由度直驱感应电机的三维有限元参数化模型。通过对电机在不同运行状态下进行仿真分析进行验证,结果显示旋转运动对直线运动存在一定的削弱影响,而直线运动对旋转运动影响则很小。说明所建立的运动耦合数学模型的合理性和可行性,对于旋转-直线电机的理论研究和应用具有一定的参考价值。

新型球形结构两自由度混合式步进电机二维等效模型分析方法

在智能系统发展时代机器人使用率在逐步提高,其中多自由度电动机在机器人的构成中占有较为重要的地位。多自由度电机发展历史较长,但大部分仍处于实验研究阶段。因此,为进一步简化电机结构、降低电磁耦合影响、提升电机运行稳定性等,本文依据非球形正交圆柱结构两自由度步进电动机运行原理,提出一种新型球形结构两自由度混合式步进电动机。首先,对该电机结构及运行原理进行介绍;其次,讲述削弱子电机间的耦合磁场方法,为缩短电机的分析计算时间及提高计算精度,提出二维等效电机模型分析方法;最后,三维电机模型与二维等效电机模型进行有限元仿真计算结果比较,并试制一台外径116mm实验样机实验验证了二维等效模型的可行性及准确性。

新型两自由度定子永磁球形混合式步进电机结构及性能分析

多自由度电机有望广泛应用于机器人和机器手等多运动自由度系统中。当前虽然有多种样机原型,但大多数都在实验室研究测试阶段,且电机机械机构、控制系统复杂,生产制造难度高,体积较大的同时材料利用率低。为了推进电机产品化进程和实际应用,提出一种新型定子永磁球形两自由度混合式步进电机。详细介绍电机结构及运行原理;建立电机齿层归一化分析模型,对电机空载和负载性能进行归一化分析,所得结论对于该类电机分析具有通用性;最后,设计一台整体外径为50 mm的新型定子永磁球形两自由度混合式步进电机样机,通过有限元仿真、与同规格转子永磁型两自由度混合式步进电机性能比较,验证了该新型电机性能的优越性,以及齿层归一化分析方法的可行性。

A novel two-degree-of-freedom spherical ultrasonic motor using three travelling-wave type annular stators

In order to promote the tolerance and controllability of the multi-degree-of-freedom(M-DOF) ultrasonic motor, a novel two-degree-of-freedom(2-DOF) spherical ultrasonic motor using three traveling-wave type annular stators was put forward. Firstly,the structure and working principle of this motor were introduced, especially a spiral spring as the preload applied component was designed for adaptive adjustment. Then, the friction drive model of 2-DOF spherical motor was built up from spatial geometric relation between three annular stators and the spherical rotor which was used to analyze the mechanical characteristics of the motor.The optimal control strategy for minimum norm solution of three stators' angular velocity was proposed, using Moore-Penrose generalized inverse matrix. Finally, a 2-DOF prototype was fabricated and tested, which ran stably and controllably. The maximum no-load velocity and stall torque are 92 r/min and 90 m N·m, respectively. The 2-DOF spherical ultrasonic motor has compact structure, easy assembly, good performance and stable operation.