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基于计算力矩法的永磁球形电动机轨迹跟踪控制

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2013年第11期46卷 991-997页

作者：李洪凤宋振辉郭辰李斌天津大学电气与自动化工程学院天津300072 华能新能源股份有限公司北京100036

永磁球形电动机动力学系统是一个多变量、非线性、强耦合系统.外部扰动、参数估计误差以及模型的近似均会影响系统的控制效果.为了获得良好的静态和动态性能,改善轨迹跟踪性能,提出了一种基于计算力矩法的永磁球形电动机轨迹跟踪控制策... 详细信息

永磁球形电动机动力学系统是一个多变量、非线性、强耦合系统.外部扰动、参数估计误差以及模型的近似均会影响系统的控制效果.为了获得良好的静态和动态性能,改善轨迹跟踪性能,提出了一种基于计算力矩法的永磁球形电动机轨迹跟踪控制策略.仿真结果表明,此方法可有效地削弱各轴向间非线性交叉耦合的影响,对外部扰动和模型误差具有良好的鲁棒性,可实现理想的轨迹跟踪控制效果.

关键词：永磁球形电动机动力学模型轨迹跟踪计算力矩法

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永磁球形电动机轨迹跟踪控制研究

永磁球形电动机轨迹跟踪控制研究

作者：宋振辉天津大学

学位级别：硕士

永磁球形电动机动力学系统是一个多变量、非线性、强耦合系统，外部扰动和模型误差的存在严重影响了其运动控制的效果，本文围绕这一热点问题展开了相应的研究工作。本文以永磁球形电动机轨迹跟踪控制为切入点，提出了两种相应的轨迹跟... 详细信息

永磁球形电动机动力学系统是一个多变量、非线性、强耦合系统，外部扰动和模型误差的存在严重影响了其运动控制的效果，本文围绕这一热点问题展开了相应的研究工作。本文以永磁球形电动机轨迹跟踪控制为切入点，提出了两种相应的轨迹跟踪控制策略，分别是基于计算力矩法的永磁球形电动机轨迹跟踪控制策略，以及基于鲁棒控制法的永磁球形电动机轨迹跟踪控制策略，并且仿真验证了所提方法的有效性和可行性。本文首先推导了两套笛卡尔坐标系，在此基础之上针对永磁球形电动机的结构特征，分别推导了永磁球形电动机的简化动力学模型以及较完整的动力学模型，并对两种模型的准确性进行了仿真比较分析，结果表明，较完整模型显著提高了模型的准确性。其次以永磁球形电动机的较完整动力学模型为研究对象，采用了计算力矩法对其展开了轨迹跟踪控制方面的研究。分别从轨迹跟踪效果、轨迹跟踪误差比较、解耦效果、鲁棒性等角度展开分析，并且和传统的PD控制算法以及直接前馈补偿法在轨迹跟踪误差以及解耦效果方面进行了比较分析。仿真结果表明，此方法可有效地削弱各轴向间非线性交叉耦合的影响，对外部扰动和模型误差具有良好的鲁棒性，实现较理想的轨迹跟踪控制效果。最后采用了鲁棒控制法对其完整的动力学模型进行了轨迹跟踪控制方面的研究。分别从系统的轨迹跟踪效果、轨迹跟踪误差比较、鲁棒性等角度展开相应的研究，并且与传统的PD控制算法、直接前馈补偿法以及计算力矩法进行了比较分析研究。仿真结果显示，此方法对外部干扰和模型误差具有优良的鲁棒性，实现较理想的轨迹跟踪控制效果，拓宽了永磁球形电动机运动控制研究的思路。

关键词：永磁球形电动机动力学模型计算力矩法鲁棒控制法轨迹跟踪控制

永磁球形电动机永磁体涡流损耗计算与温升分析

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永磁球形电动机永磁体涡流损耗计算与温升分析

作者：沈彦波天津大学

学位级别：硕士

随着机器人等高新技术的快速发展,单轴可以实现三自由度运动的永磁球形电动机成为国内外研究的热点。其中,永磁体涡流损耗的计算与电动机的温升分析一直是永磁球形电动机设计的关键性问题。目前,永磁体材料大多采用钕铁硼,这是因为其具... 详细信息

随着机器人等高新技术的快速发展,单轴可以实现三自由度运动的永磁球形电动机成为国内外研究的热点。其中,永磁体涡流损耗的计算与电动机的温升分析一直是永磁球形电动机设计的关键性问题。目前,永磁体材料大多采用钕铁硼,这是因为其具有较高的矫顽力和剩磁,但它的电导率较高,谐波会在永磁体内感应出大量的涡流。而涡流损耗的聚集将会使永磁体的温度升高,甚至导致部分不可逆退磁。因此,温升问题直接关系到电动机的运行性能甚至是寿命,很有必要对永磁球形电动机的温升进行分析。本文则主要围绕永磁球形电动机永磁体涡流损耗与电动机温升相关问题展开研究。永磁球形电动机的磁极呈球面锥体结构,各定子线圈相互独立分布于定子球壳内表面。针对这些特性,本文提出了一种计算永磁球形电动机永磁体涡流损耗的三维解析模型,该模型将双重傅里叶级数法与矢量磁位解析法相结合。首先利用双重傅里叶级数法求得定子内径处电流密度分布,继而将其作为边界条件,借助三维拉普拉斯方程,获得了矢量磁位的特解,最后推导得到了永磁球形电动机永磁体涡流损耗的解析表达式。该模型充分考虑到了时间谐波与空间谐波与涡流损耗的关系,并分析了不同的电动机结构参数对永磁体涡流损耗的影响。在计算得到了永磁体涡流损耗的基础上,讨论了作为热源的诸如永磁体磁滞损耗与铜耗。应用这些热源,建立了永磁球形电动机的三维等效热网络模型。结合永磁球形电动机的结构尺寸和材料属性,得到了各温升节点间的等效热阻值。应用该热网络模型分析了不同转速与负载对电动机温升的影响情况,并采用有限元法对电动机进行了热稳态分析。本文最后对永磁球形电动机的定子壳结构进行了改进。为永磁球形电动机通风冷却系统的设计提供了一定的理论基础。

关键词：永磁球形电动机双重傅里叶级数分解永磁体涡流损耗模型三维等效热网络模型

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永磁球形电动机逆运动学及轨迹规划研究

永磁球形电动机逆运动学及轨迹规划研究

作者：杨康天津大学

学位级别：硕士

永磁球形电动机逆运动学是一组三维强耦合、多变量、非线性的方程,采用解析法求解时,需要求解方程组雅克比矩阵的逆矩阵,计算比较复杂,求解比较困难。为了避开解析法求解困难的问题,将永磁球形电动机逆运动学问题转化为约束最优化问题,... 详细信息

永磁球形电动机逆运动学是一组三维强耦合、多变量、非线性的方程,采用解析法求解时,需要求解方程组雅克比矩阵的逆矩阵,计算比较复杂,求解比较困难。为了避开解析法求解困难的问题,将永磁球形电动机逆运动学问题转化为约束最优化问题,即通过优化算法求得欧拉角的数值。永磁球形电动机逆运动学是对其进行动力学控制、运动分析、离线编程和轨迹规划的基础。借鉴机器人逆运动学求解的经验,将梯度投影法用于永磁球形电动机逆运动学模型求解中,仿真结果表明,当欧拉角的初始值不为零时,且转子输出轴的运动轨迹较为复杂时,梯度投影法具有较高的求解精度。但梯度投影法在构造可行下降方向时,计算量大,而且计算复杂。针对这些缺点,利用当欧拉角趋于无穷小时,其正弦、余弦量可线性化的思想,提出了一种改进逆运动学模型,该模型降低了方程组的耦合度,简化了构造可行下降方向的复杂度。仿真求解分析了旋转变量与求解时间和求解精度的关系,验证了改进模型的有效性。由逆运动学模型求解的欧拉角轨迹,不仅平滑性差,而且难以满足永磁球形电动机对作业时间、动力学约束的要求。为了提高永磁球形电动机的作业效率,同时保证转子输出轴运动的平稳性,减少不必要的能量浪费,在欧拉角速度、加速度和对应转矩满足给定约束值的情况下,采用5次非均匀有理B样条插值方法构造欧拉角轨迹,该方法的优点在于欧拉角起始运动参数可根据需要调整,且速度、加速度均为平滑的曲线。然后基于模拟退火思想的粒子群算法求解转子输出轴各段运动轨迹的最优时间,进而规划出满足球形电机运动学和动力学约束的欧拉角连续平滑轨迹。仿真结果表明,所求轨迹在满足运动学约束和动力学约束的同时,总的作业时间最短。避障技术是轨迹规划的重要方面,本文建立任务空间转子输出轴障碍物模型,采用约束处理技术对目标函数赋值进行惩罚,得到了一条作业时间短、满足动力学约束的综合最优避障轨迹。

关键词：永磁球形电动机逆运动学学模型梯度投影法轨迹规划时间最优粒子群算法避障技术

基于摩擦补偿的永磁球形电动机通电线圈的优化

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北京交通大学学报 2016年第2期40卷 63-70页

作者：李洪凤李伟健天津大学电气与自动化工程学院天津300072

为解决摩擦项导致控制系统品质恶化的问题,本文根据一种永磁球形电动机和支撑部件的结构,建立了永磁球形电动机的动力学模型和摩擦转矩模型.利用自适应滑模方法搭建摩擦补偿器,提出一种基于通电线圈优化的通电策略.此通电策略在自转和... 详细信息

为解决摩擦项导致控制系统品质恶化的问题,本文根据一种永磁球形电动机和支撑部件的结构,建立了永磁球形电动机的动力学模型和摩擦转矩模型.利用自适应滑模方法搭建摩擦补偿器,提出一种基于通电线圈优化的通电策略.此通电策略在自转和偏航两种运动形式下,对通电线圈进行了优化,实现在最小线圈损耗下的永磁球形电动机自转和偏航运行.并且该摩擦补偿器对摩擦转矩进行了在线估计,很好地补偿并抑制摩擦项的影响,实现对球形电动机的准确的跟踪控制.

关键词：永磁球形电动机摩擦转矩模型摩擦补偿器通电线圈优化

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双极永磁球形电动机的电磁模型及磁场分析

中国科学技术大学学报 2004年第4期34卷 480-486,510页

作者：王群京吴立建李川奇李争合肥工业大学电气工程与自动化学院合肥230009 中国科学技术大学精密机械及精密仪器系合肥230026

分析了双极永磁球形电机的电磁关系 ,将不对称绕组折算为对称绕组 ,建立了电机的电磁模型 :电压方程式、磁链方程式和电磁转矩方程式 .表明在dqp系中该电机内部电磁关系易于解耦 ,容易实现对转子位置的控制 .并用三维有限元方法分析和... 详细信息

分析了双极永磁球形电机的电磁关系 ,将不对称绕组折算为对称绕组 ,建立了电机的电磁模型 :电压方程式、磁链方程式和电磁转矩方程式 .表明在dqp系中该电机内部电磁关系易于解耦 ,容易实现对转子位置的控制 .并用三维有限元方法分析和计算了该电机的磁场 .所得结果表明 ,电机内部磁场基本正弦分布 ,电磁模型建立方法正确 .

关键词：永磁球形电动机永磁电磁模型三维有限元分析

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关于永磁球形电动机轨迹规划研究

计算机仿真 2017年第3期34卷 238-242页

作者：吴凤英翟献超李睿张登权天津理工大学自动化学院天津300384

永磁球形电动机轨迹规划是指在通过指定路径点的运动过程中,计算其运动学参数,利用合适的方法规划出运动轨迹,并满足运动平稳,轨迹平滑连续的要求。目前永磁球形电动机的运动控制并未对速度、加速度和冲击等状态变量进行规划。在考虑以... 详细信息

永磁球形电动机轨迹规划是指在通过指定路径点的运动过程中,计算其运动学参数,利用合适的方法规划出运动轨迹,并满足运动平稳,轨迹平滑连续的要求。目前永磁球形电动机的运动控制并未对速度、加速度和冲击等状态变量进行规划。在考虑以上状态变量的前提下,根据运动学反解求出的欧拉角分别采用S曲线加减速法、三次样条法、非均匀有理B样条法插补对永磁球形电动机进行轨迹规划并进行仿真。仿真结果表明,对相同运动路径使用不同的轨迹规划方法得到的运动曲线有不同的特点,可以针对不同的性能指标选择合适的轨迹规划方法。

关键词：永磁球形电动机运动学轨迹规划插补

多自由度永磁球形电动机控制策略的研究与发展

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微特电机 2011年第2期39卷 72-76页

作者：过希文王群京李国丽合肥工业大学安徽合肥230009 安徽大学安徽合肥230039 浙江工业大学浙江杭州340014

阐述了当前多自由度永磁球形电动机结构与控制策略的研究与发展现状,探讨了永磁球形电动机控制策略的研究重点,最后对课题组前期工作进行总结,指出实现高精度闭环跟踪控制是未来研究的发展趋势。

关键词：多自由度永磁球形电动机控制策略连续轨迹跟踪

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三自由度永磁球形电动机静态转矩特性研究

三自由度永磁球形电动机静态转矩特性研究

作者：席金强天津理工大学

学位级别：硕士

三自由度永磁球形电动机是一种拥有球形结构、运行机理新颖、集成度高、能进行多维度运动的机电能量转换装置,有着极为广泛的应用前景。但目前还处在理论探索及实验阶段,静态转矩特性、电流求解等很多问题亟待解决。本文的具体研究内容... 详细信息

三自由度永磁球形电动机是一种拥有球形结构、运行机理新颖、集成度高、能进行多维度运动的机电能量转换装置,有着极为广泛的应用前景。但目前还处在理论探索及实验阶段,静态转矩特性、电流求解等很多问题亟待解决。本文的具体研究内容如下:首先,给出所研究的永磁球形电动机结构及工作原理,针对定子不同坐标位置时的电磁力及静态转矩特性,利用矢量磁位法建立了永磁球形电动机静态转矩三维有限元仿真模型,分析了单个定子绕组在转子球面各个位置下的电磁力及静态转矩分布形式,研究了定子结构参数对转矩的影响。对单定子线圈施加以线性电流得出了静态转矩随电流变化的关系。其次,为了获得理想转矩模型,采用MATLAB多项式拟合算法及分段式拟合方法对仿真得到的单个定子线圈静态转矩数据进行拟合,得到了单定子线圈在电流值为1A时的连续静态转矩多项式公式。通过欧拉角变换矩阵建立了转子运动的球坐标系与定子固定的球坐标系间的相互换算算法。在拟合得到的单定子线圈连续静态转矩多项式公式基础上建立了针对多个定子线圈的转矩模型及电流求解算法。最后,基于本课题已有永磁球形电动机样机及设备,以金属片式压力传感器系统作为主测量设备,搭建了永磁球形电动机系统实验平台。实验采集了转子在绕z轴方向所受电磁力F的数据,实现了对仿真数据的验证。实验表明本文采用三维有限元分析软件建立的永磁球形电动机仿真模型,能够准确有效的模拟该永磁球形电动机的各项电磁力及静态转矩特性。

关键词：三自由度永磁球形电动机静态转矩有限元仿真拟合