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基于ANSYS的360°有动力旋转的盘式音圈电机仿真

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微特电机 2023年第6期51卷 8-13,26页

作者：李晗哈尔滨理工大学电气与电子工程学院哈尔滨150080

设计了一种新型盘式音圈电机,提出了一种可以通过两个线圈交替向转轴传输转矩实现360°有动力旋转的音圈电机结构。ANSYS有限元仿真结果表明,该音圈电机结构可以为360°旋转提供动力。

关键词：旋转式音圈电机 360°有动力旋转 ANSYS 有限元仿真

含LCL滤波器的旋转式音圈电机伺服控制系统研究

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含LCL滤波器的旋转式音圈电机伺服控制系统研究

作者：武志伟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

音圈电机在航天、半导体加工、精密仪器隔振等需要高精度伺服控制的场合有着广泛的应用。传统驱动方式包括模拟和斩波驱动,模拟驱动损耗大,斩波驱动电流纹波大,给精密加工及其热控系统带来额外的难度和成本。对此,本文首次将LCL滤波驱... 详细信息

音圈电机在航天、半导体加工、精密仪器隔振等需要高精度伺服控制的场合有着广泛的应用。传统驱动方式包括模拟和斩波驱动,模拟驱动损耗大,斩波驱动电流纹波大,给精密加工及其热控系统带来额外的难度和成本。对此,本文首次将LCL滤波驱动方式引入旋转式音圈电机位置伺服。论文主要研究了该滤波驱动方式的参数设计,以及该驱动方式下的电流谐振的抑制及位置控制。首先,研究了用于音圈电机伺服系统的LCL滤波器的参数设计方法。在分析传统模拟驱动与斩波驱动优缺点的基础上,提出了含LCL滤波器的音圈电机斩波驱动方式并对其参数进行研究。传统LCL滤波器主要用于并网逆变器,参数设计主要关注稳态性能。而LCL滤波器用于电机伺服中,需要考虑暂态性能和伺服控制指标。本文以电流纹波、位置响应时间、滤波器体积三个因素为指标,设计了适合于音圈电机伺服驱动的滤波器。其次,研究了含LCL滤波器的音圈电机PID伺服控制策略。LCL滤波器会引入电流谐振问题,本文采用电容电流负反馈的有源阻尼方案来抑制谐振。然后,根据系统传递函数和伯德图设计了含电容电流反馈、含前馈的位置-速度-电流三闭环PID控制器。然后,研究了含LCL滤波器的音圈电机ADRC伺服控制策略。采用PID控制器的音圈电机伺服系统需要引入附加传感器来实现谐振抑制,而自抗扰控制器在不附加滤波器的条件下实现谐振抑制。采用位置-电流串级和直接位置控制两种不同结构的高阶ADRC控制器。利用伯德图分析观测器与控制器带宽对系统位置响应的影响,并采取减小积分步长、相位超前校正、ADRC位置环-PI电流环串级结构等措施来补偿带宽不足引起的性能的限制。最后,LCL滤波器参数设计与PID、ADRC控制策略的有效性均通过仿真与实验得以验证。在带宽不足的前提下,ADRC位置环-PI电流环串级结构的带宽最高,参数适应性、抗干扰性也最强。

关键词：旋转式音圈电机 LCL滤波器 PID控制 ADRC控制位置伺服

双磁路旋转式音圈电机的峰值参数与电磁阻尼的研究

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双磁路旋转式音圈电机的峰值参数与电磁阻尼的研究

作者：任留阳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

音圈电机(VCA)是一种只在有限范围内往复运动的特种电机。与传统电机相比,VCAs具有体积小、无齿槽力矩、直接驱动、高定位精度、低转子惯量及线性控制特性等优点,主要用于驱动轻型小惯量负载。按磁路结构来分,音圈电机可分为单磁路VCAs... 详细信息

音圈电机(VCA)是一种只在有限范围内往复运动的特种电机。与传统电机相比,VCAs具有体积小、无齿槽力矩、直接驱动、高定位精度、低转子惯量及线性控制特性等优点,主要用于驱动轻型小惯量负载。按磁路结构来分,音圈电机可分为单磁路VCAs和双磁路VCAs,按运动形式来分,音圈电机又可分为直线式音圈电机(LVCA)和旋转式音圈电机(RVCA),后者主要应用于航空航天等领域的有限转角范围内的精密伺服驱动系统。本文以双磁路旋转式音圈电机为主要研究对象,借助有限元计算软件Maxwell,深入分析了其峰值参数和转子参数的关系、电磁阻尼的机理和抑制方法、电枢反应的机理和抑制方法,并制作样机进行了实验研究。目前关于音圈电机本体设计的文献大多集中在电磁设计和定子参数优化上,忽略了转子参数对电机性能的影响。本文采用简化磁路法推导了旋转式音圈电机的峰值力矩和峰值功耗的解析表达式,并分析了导线直径和线圈有效面积等参数对峰值力矩和峰值功耗的影响。根据其应用特点,还分析了这种电机所特有的安装尺寸和环境温度的影响,并总结了改善旋转式音圈电机峰值转矩特性的几种可行措施。当前国内未见电磁阻尼效应的相关文献。本文分析了单、双磁路RVCAs的电磁阻尼的产生机理,通过理论推导得到了阻尼力的解析表达式,并利用有限元方法进行了验证。证明了单磁路RVCAs中的电磁阻尼由磁场极性不同引起;双磁路RVCAs中的电磁阻尼由磁场层数不同或磁场边缘效应引起,且由磁场层数不同引起的阻尼力的幅值是由磁场边缘效应引起的阻尼力的幅值的30倍。借助ANSYS Workbench软件,仿真验证了铝合金制的转子框架散热性能和强度都优于聚酰亚胺制的转子框架。对于铝合金制的转子框架,横向开口使形变量仅增大了4.24%,纵向开口使形变量增大了5倍,所以纵向开口应该尽量避免。本文还研究了RVCAs的电枢反应问题,在磁路分析的基础上提出了用于抑制双磁路RVCAs电枢反应的导磁体断开结构,并与传统的导磁体开孔结构进行对比,仿真结果证明了定子上下板断开的结构具有最均匀的气隙磁密,还提出了在断口中补充磁钢的结构,以弥补导磁体断开所带来的气隙磁密下降,进而提高转矩。然后又进一步对断口宽度以及断口处补充磁钢的厚度进行了优化,得到了更佳均匀的气隙磁密。最后,研制了样机,并测试了峰值指标、转子框架各个支撑臂之间的电压、转子位于行程不同位置时的峰值转矩,实验结果与理论和仿真分析结果符合,证明了上述分析方法的正确性。

关键词：旋转式音圈电机双磁路峰值参数电磁阻尼电枢反应

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快速运动目标跟踪测量技术研究

快速运动目标跟踪测量技术研究

作者：李超西安工业大学

学位级别：硕士

为了得到快速运动目标在其运动过程中的实时速度和实时运动过程中的运动图像,本文在基于快速运动目标跟踪测量系统的基础上,开展了对快速运动目标跟踪测量系统中的伺服控制系统的研究。通过该系统中所包含的数学方程建立了其伺服控制系... 详细信息

为了得到快速运动目标在其运动过程中的实时速度和实时运动过程中的运动图像,本文在基于快速运动目标跟踪测量系统的基础上,开展了对快速运动目标跟踪测量系统中的伺服控制系统的研究。通过该系统中所包含的数学方程建立了其伺服控制系统模型,在此基础上对伺服系统进行了仿真分析,并搭建实验系统平台,最终进行了相关试验研究。本文首先介绍了快速运动目标跟踪测量的结构组成及其工作原理。其次,在外弹道数学方程的基础上得到了其仿真模型,并由此得到反射镜摆动的仿真曲线。然后根据伺服系统的数学方程建立其系统模型,建立了速度环和位置环的双闭环伺服仿真系统,在此基础上研究了PID控制算法中的各系数和前馈控制对伺服系统的影响。最后,根据上述工作的基础上,对伺服控制系统的软件实现和部分硬件系统进行了设计,在此基础上搭建了实验平台,进行了相关试验,并验证了快速运动目标跟踪测量系统的可行性。

关键词：伺服系统 DSP 反射转镜外弹道旋转式音圈电机

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盘式绕组旋转式音圈电机的研究

盘式绕组旋转式音圈电机的研究

作者：张波哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

音圈电机是一种结构特殊的电磁机构。根据其运动轨迹可分为直线式音圈电机和旋转式音圈电机。由于具有响应速度快、结构简单、体积小、无齿槽效应、定位精度高等特性，音圈电机在很多场合中得到越来越广泛的应用。在航空航天领域，当负... 详细信息

音圈电机是一种结构特殊的电磁机构。根据其运动轨迹可分为直线式音圈电机和旋转式音圈电机。由于具有响应速度快、结构简单、体积小、无齿槽效应、定位精度高等特性，音圈电机在很多场合中得到越来越广泛的应用。在航空航天领域，当负载为有限转角旋转且对位置精度要求较高时，音圈电机已经代替传统的力矩电机成为这类工程应用中的主流产品。为了适应某些特殊领域微型轻量的要求，设计时音圈电机的动子只能在有限角度范围内转动。对于一些特殊的场合，要求旋转部分既能连续多圈旋转进行扫描，又能在确定目标范围内进行小范围精密控制，所以音圈电机的动子部分在旋转方向上不能有机械限制。现有的音圈电机结构都不能满足这个要求，而且目前的产品中都不能实现这个功能。本文研制了一种特殊结构的盘式绕组旋转式音圈电机。首先介绍了盘式绕组旋转式音圈电机的原理，对其结构的特殊性进行了分析。给出了此类电机在结构设计时的结构参数约束条件，推导了电机空载时的等效磁路。通过有限元软件进行了模型仿真与性能计算，给出了不同结构参数对电机综合性能的影响。剖析了音圈电机中：电枢反应引起气隙磁密畸变致使电机出力不均匀这一共性问题。给出了不同定子底座材料时的气隙磁密、最大力矩和重量的计算结果对比，给出不同场合下选用不同定子底座材料的依据。当前国内外对音圈电机中的损耗、温度场计算、热应力及其热变形分析较少。本文分析了盘式绕组旋转式音圈电机在扫描工况下的电机损耗问题，包括定子铁心损耗、永磁体涡流损耗、盘式绕组铜耗。指出了电机温升的主要来源，根据温度场常用的热源载荷对音圈电机的温度场进行计算，并与热应力进行耦合，分析了机构的热应力和热变形情况，指出在精密配合处的材料选取原则。由于本文研制的音圈电机工况特殊，文章最后对音圈电机进行了结构的优化。通过S-N曲线方法对优化结构进行了音圈电机的强度校核，分析了机构的疲劳寿命，给出了机构的极限屈服强度。最后对研制的样机进行了包括电气时间常数、气隙磁密、力矩系数等方面的实验。结果表明本文研制的音圈电机满足设计要求。

关键词：旋转式音圈电机盘式绕组有限元应力计算疲劳分析