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混合驱动式多自由度电机的电磁及动力学控制研究

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混合驱动式多自由度电机的电磁及动力学控制研究

作者：刘令旗河北科技大学

学位级别：硕士

随着智能化运动驱动装置的不断创新和发展,可于狭小空间内实现具有多个自由度的运动受到人们的广泛关注。采用多台电机实现多自由度运动需要依赖从动机构进行组合连接,而由多自由度电动机作为主动机构进行直接驱动,可避免中间传动装置... 详细信息

随着智能化运动驱动装置的不断创新和发展,可于狭小空间内实现具有多个自由度的运动受到人们的广泛关注。采用多台电机实现多自由度运动需要依赖从动机构进行组合连接,而由多自由度电动机作为主动机构进行直接驱动,可避免中间传动装置所带来的设备体积庞大、非线性耦合强、运动精度偏低等诸多不利因素。为了解决三维空间中多自由度电机传动精度较低、运动控制较差等问题,提出一种混合驱动式的三自由度电机,由自转型电动模块和偏转型电动模块构成,各采用一套控制电路进行单独控制,避免了相互之间的电磁耦合,从而简化了控制机理,能够实现高速平稳的单自由度自转运动和连续精准的二自由度倾斜操作,通过两类模块的协同控制下,可使电机围绕其静平衡位置处做各式各样的三自由度运动。本文主要研究工作具体如下:1)介绍了该混合驱动式电机的基本结构,分为自转和偏转两类驱动模块,可分别独立运行,实现电机的高速旋转和精准倾斜;也可同步运转,实现电机在空间内的三自由度运动。2)利用Halbach阵列强力聚磁的作用与磁路屏蔽的效果,对电机自转永磁体磁场特性进行优化与完善。结合电机的有限元结构,在静态磁场下了分析了自转与偏转模块的磁场分布规律,通过在特定的边界条件下求解拉普拉斯方程,建立了磁场解析法模型。将有限元法的计算结果与解析法的推导结果进行比对,相互验证了所建立解析法模型的正确性和有限元模型的准确性。3)为了综合衡量电机的性能指标,在永磁体不同充磁方式下,对电机的定子铁芯损耗、绕组铜损耗和永磁体涡流损耗进行了有限元计算,可以得出在电机运行输出功率一定的情况下,Halbach阵列充磁下电机损耗数值较小的结论。同时,将计算所得损耗作为热源,在磁-热-固的多物理场下对电机的温升效应和应力形变进行了分析。采用虚位移法分别求解了电机的自转转矩和偏转转矩,并对输出转矩的空间分布特性进行了分析。结果表明:线圈电流在合理的范围内,电机具有良好的转矩特性。4)基于动力学仿真软件ADAMS建立了电机的虚拟样机模型,通过添加运动约束,规划了电机对应自转运行和偏转操作的控制策略,实现虚拟样机技术的运动学仿真。在单独实现自转运动时,设定了刚体系统和在刚-柔耦合系统下的运行模式;在单独实现偏转操作时,设计了沿轴线偏转和多角度倾斜的运动方式,验证了两类驱动模块可独立运行的合理性和正确性。5)对电机转子部分的旋转坐标转换和拉格朗日第二类方程的推导,得到混合驱动式电机的动力学数学模型。通过施加外部载荷,规划了转子轴的运转轨迹,从而实现了电机由静平衡位置下做三自由度运动的动力学仿真,并使其兼备了自转运动的平稳性和偏转操作的精准性。进一步说明了该电机结构适用于协同控制的可行性,为后续的轨迹跟踪控制提供了依据。6)基于联合仿真平台的搭建,由ADAMS软件导出被控对象,在MATLAB软件中设计控制系统。针对非线性、强耦合的动力学系统,选择滑模控制作为研究电机转子轴轨迹跟踪的动态控制算法。通过结合电机的动力学模型,编写S函数完成控制器的设计。仿真结果表明:联合仿真接口和滑模控制算法可较好地实现了混合驱动式电机的轨迹跟踪。

关键词：混合驱动式 Halbach阵列磁场建模电磁转矩电磁损耗虚拟样机模型联合仿真

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永磁三自由度电机的磁场分析与电磁计算

燕山大学学报 2019年第5期43卷 433-441页

作者：李争刘令旗杨凯河北科技大学电气工程学院

为解决现有驱动装置在多刚体耦连系统的复杂运动协调性偏差、灵活性较低等问题,提出一种新式永磁三自由度电机的结构设计,区分为内侧偏转模块和外围自转模块,其运行策略可分为独立控制型与混合驱动式。首先对比了不同充磁方式下的电磁损... 详细信息

为解决现有驱动装置在多刚体耦连系统的复杂运动协调性偏差、灵活性较低等问题,提出一种新式永磁三自由度电机的结构设计,区分为内侧偏转模块和外围自转模块,其运行策略可分为独立控制型与混合驱动式。首先对比了不同充磁方式下的电磁损耗,并利用Halbach阵列的强力聚磁与磁路屏蔽的效果,对电机自转永磁体磁场特性进行优化与完善。结合电机的有限元结构,在静态磁场下了分析了自转与偏转磁场的各类特性参数。并于瞬态磁场下求解了电机自转与偏转空载运行时的转矩,均符合预期要求,同时计算了电机自转运行的反电动势与磁链,仿真结果证实了两类模块独立控制的可行性与正确性。

关键词：三自由度电机电磁损耗 Halbach阵列静态磁场瞬态磁场

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多自由度电机中的气体静压球轴承特性分析

机电工程 2020年第4期37卷 337-343页

作者：李争杨凯刘令旗杜磊河北科技大学电气工程学院河北石家庄050018

针对多自由度电机采用传统关节轴承在三维运动时存在摩擦力高,且易产生机械碰撞的问题,提出了一种利用气体静压球轴承代替传统关节轴承作为支撑的多自由度电机。在对不同气体静压球轴承的特性进行了对比的基础上,选定了多孔气体静压球轴... 详细信息

针对多自由度电机采用传统关节轴承在三维运动时存在摩擦力高,且易产生机械碰撞的问题,提出了一种利用气体静压球轴承代替传统关节轴承作为支撑的多自由度电机。在对不同气体静压球轴承的特性进行了对比的基础上,选定了多孔气体静压球轴承;建立了气体静压球轴承的数学模型及COMSOL三维仿真模型;通过仿真计算,验证了解析法算法的准确性,并进一步分析了各类参数对轴承的承载能力、耗气量和静态刚度的影响。研究结果表明:节流孔数目、包角角度及供气压力,对气体静压球轴承性能都有直接影响,其节流孔最优分布角度为32°;该结果为气体静压球轴承的设计以及在多自由度电机中的应用提供了参考。

关键词：多自由度电机气体静压球轴承数学模型轴承性能

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永磁三自由度电机的建模和动力学分析

日用电器 2018年第11期 37-42页

作者：李争刘令旗郭鹏河北科技大学电气工程学院石家庄050018

介绍了一种新型永磁三自由度电机的结构组成,采用混合驱动式将电机分为外部自转模块和内部偏转模块,各有一套控制策略能够分别独立运行。为了验证所设计混合驱动型电机的结构适用性和运行可靠性,规划电机自转运行的启动加速、平稳匀速... 详细信息

介绍了一种新型永磁三自由度电机的结构组成,采用混合驱动式将电机分为外部自转模块和内部偏转模块,各有一套控制策略能够分别独立运行。为了验证所设计混合驱动型电机的结构适用性和运行可靠性,规划电机自转运行的启动加速、平稳匀速、制动减速三个时段的控制策略。当自转转速稳定且符合期望要求时,通过给四列互成90°的集中式定子绕组通以三相工频交流电,启动内部偏转模块,通过自转和偏转的协同控制,实现三自由度运动。以输出轴末端原点作为标记点,观测电机的空间运行轨迹,实时监测电机运行时三个轴向的旋转角度,定义传感器判断发生动作,简化了控制机理。将电机的十字支撑杆与环形外壳作为柔性体,采用刚柔耦合系统的动力学仿真,以此分析电机自转、偏转时输出轴偏心状况。

关键词：三自由度电机运行轨迹刚柔耦合系统

永磁三自由度电机的运动学分析与动力学联合仿真

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河北科技大学学报 2019年第5期40卷 385-396页

作者：李争刘令旗河北科技大学电气工程学院

为了解决三维空间中多自由度电机传动精度较低、运动控制较差等问题,在刚性体机械系统下,基于复杂机械系统强耦合、非线性的特点,设计了一种可联动控制的三自由度电机。采用电机自转运动控制策略,分析了电机自转运行时的应力分布和形变... 详细信息

为了解决三维空间中多自由度电机传动精度较低、运动控制较差等问题,在刚性体机械系统下,基于复杂机械系统强耦合、非线性的特点,设计了一种可联动控制的三自由度电机。采用电机自转运动控制策略,分析了电机自转运行时的应力分布和形变程度,建立了混合驱动式电机的动力学模型,施加3个轴向转矩作为驱动力,规划了电机基于混合驱动式的三自由度运动,搭建并设计了机控一体化电机的动力学联合仿真接口。结果表明:通过激活有效阶模态,对刚柔耦合系统下的电机结构进行优化,可得到较小的偏心位移;多自由度电机的智能控制方案可自由设计被控对象的参数变化,降低了扰动的灵敏性,使控制系统具有较好的鲁棒性。结合三自由度电机的动力学数学模型来搭建基于滑模控制系统的联合仿真平台,可实现电机3个轴向角速度的轨迹跟踪,且在整个动力学联合仿真时段内均可实现跟踪效果,为后续实物样机的制造和测试提供了理论依据。

关键词：电机学三自由度电机偏心位移虚拟样机技术动力学模型联合仿真接口轨迹跟踪

考虑磁致伸缩效应的偏转式发电机的振动特性研究

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河北科技大学学报 2019年第4期40卷 325-332页

作者：李争杜磊杨凯刘令旗董维超河北科技大学电气工程学院

为了提高风能利用率,解决现有开关磁阻发电机转子旋转的单一性问题,提出一种新型可偏转双定子开关磁阻式风力发电机。首先,基于电磁-固体力学模块,建立定子结构磁固耦合数值模型,对电磁场、磁通密度、磁致伸缩密度进行了理论分析。其次... 详细信息

为了提高风能利用率,解决现有开关磁阻发电机转子旋转的单一性问题,提出一种新型可偏转双定子开关磁阻式风力发电机。首先,基于电磁-固体力学模块,建立定子结构磁固耦合数值模型,对电磁场、磁通密度、磁致伸缩密度进行了理论分析。其次,采用有限元平台对发电机进行了直观建模,基于力学理论建立考虑磁致伸缩效应的电磁-固体力学基本方程。最后,通过有限元法对发电机内、外双定子以及转子自转、偏转进行磁固耦合仿真,得到应力分布及对应的振动位移。仿真结果表明:磁致伸缩效应下的振动位移属纳米级别且所受应力较小,对发电机运行影响可忽略不计。磁固耦合的分析方法可为分析电机振动、进一步优化发电机参数提供理论参考。

关键词：电磁固体力学磁固耦合振动位移双定子磁致伸缩效应

过渡金属改性阳极制备并用于微生物燃料电池处理高浓有机废水的研究

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过渡金属改性阳极制备并用于微生物燃料电池处理高浓有机废水的研...

作者：刘令广西大学

学位级别：硕士

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智慧广电新型发射机系统的研究与设计

数字传媒研究 2024年第2期41卷 7-12页

作者：孟令旗内蒙古自治区广播电视传输发射中心呼伦贝尔广播发射中心台内蒙古呼伦贝尔市021008

智慧广电是广播电视媒体深度融合、广播电视行业高质量发展的基础所在。新型发射机在具备传统发射机所有功能的基础上,增加了开机自检、故障诊断专家、数据智能管理、多机组网、远程查询与操控、全生命周期管理以及语音管理、人脸识别... 详细信息

智慧广电是广播电视媒体深度融合、广播电视行业高质量发展的基础所在。新型发射机在具备传统发射机所有功能的基础上,增加了开机自检、故障诊断专家、数据智能管理、多机组网、远程查询与操控、全生命周期管理以及语音管理、人脸识别、3D模型显示等多项功能模块,使得发射机监控系统的操作更加人性化、智能化;减少设备维护,方便技术管理;既降低了设备造价,同时又达到安全稳定运行的目的。本文从组网配置,通信协议,器件全生命周期等几个方面进行研究,设计并实现了新型发射机系统的相应功能。

关键词：智慧广电中波发射机三级组网通信协议全生命周期界面设计

Er掺杂增强K-CN/UiO-66-NH的光生载流子转移用于糠醛高效光催化氧化制糠酸（英文）

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燃料化学学报(中英文) 2024年

作者：王浩存刘令涛卞俊杰李春虎中国海洋大学化学化工学院海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室

生物质衍生的平台分子如糠醛是一种丰富、可再生的化工原料，可被转化为高值化学品。在糠醛转化为高值化学品的过程中，制备可见光响应的高效选择氧化光催化剂至关重要。本研究采用直接水热法合成了Er@K-C3N4/UiO-66-NH2催化剂，在糠醛... 详细信息

生物质衍生的平台分子如糠醛是一种丰富、可再生的化工原料，可被转化为高值化学品。在糠醛转化为高值化学品的过程中，制备可见光响应的高效选择氧化光催化剂至关重要。本研究采用直接水热法合成了Er@K-C3N4/UiO-66-NH2催化剂，在糠醛光催化氧化制备糠酸的反应中表现出优异的催化活性。对催化剂进行了充分的表征，证实Er@KC3N4/UiO-66-NH2催化剂的带隙被有效调控。反应条件优化后，糠醛的转化率达到89.3%，相应的糠酸产率为79.8%。ESR测试和活性氧物种捕获实验的结果表明：反应过程中的主要活性氧物种为·O2-。Er和K的掺杂提高了催化剂的光生载流子转移速率，从而提高了光生电子-空穴对的分离效率。本研究拓展了稀土元素掺杂g-C3N4在糠醛光催化选择性氧化中的潜在应用。

关键词：糠醛糠酸选择性催化氧化金属有机框架氮化碳