永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)式三自由度運動電機位置檢測方法的基礎(chǔ)研究.pdf

1、自19世紀初電機學(xué)發(fā)展至今，一維運動電動機及其控制已經(jīng)被各國學(xué)者進行了廣泛而深入的研究。然而，伴隨著機械系統(tǒng)自動化、人工智能復(fù)雜化的發(fā)展趨勢，執(zhí)行機構(gòu)對于運動技術(shù)裝置的需求已不僅局限于單個運動方向，因此，多自由度運動電機成為國內(nèi)外科研工作者的研究目標。隨著未來電機趨向于輕量化和小型化的發(fā)展方向，材料成了其中起決定性作用的因素。目前，眾多永磁材料如鐵氧體、鋁鎳鈷合金、稀土永磁體和釹鐵硼等的誕生，使體積龐大、操作笨重的電機及其激勵線圈逐漸被

2、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、操作便利的永磁材料制成的執(zhí)行機構(gòu)所代替，因此永磁多自由度電機已經(jīng)成為特種電機領(lǐng)域的新寵。
　　永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)式三自由度運動電機就是在這個大背景下提出的。在參考了國內(nèi)外學(xué)者們設(shè)計出的多種永磁多自由度電機結(jié)構(gòu)及位置檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文進一步提出雙層線圈定子、單層圓鼓形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁偏轉(zhuǎn)式三自由度電機的位置檢測技術(shù)。在分析多自由度電機及其位置檢測技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對體積小、結(jié)構(gòu)新穎、控制原理簡單的

3、新型永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)式三自由度運動電機的位置檢測技術(shù)進行了磁場建模、檢測算法應(yīng)用及檢測系統(tǒng)實驗裝置的設(shè)計等基礎(chǔ)研究，本文主要的研究工作具體包括以下幾個方面:
　　1)在簡要介紹永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)式三自由度運動電機的結(jié)構(gòu)和尺寸的基礎(chǔ)上，對電機實現(xiàn)三自由度運動的工作原理進行了詳細的描述。由于位置檢測技術(shù)是通過檢測裝置測量出轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)，為明確轉(zhuǎn)子磁場與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，對電機的定子及轉(zhuǎn)子坐標的相互轉(zhuǎn)換進行了介紹，并對磁場分析的正演和反演兩

4、個參數(shù)空間模型進行了分析說明，為檢測建模部分的研究做好概念基礎(chǔ)。
　　2)根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體的材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，本文采用分布式多極(DMP)磁場模型來等效轉(zhuǎn)子永磁體的建模方法。在簡要介紹磁場基本理論的基礎(chǔ)上，對圓柱形永磁體及多層線圈的磁場進行DMP等效，建立了簡化等效模型，同時應(yīng)用Matlab優(yōu)化工具箱對所建立的模型進行驗證，驗證結(jié)果表明了模型的有效性。
　　3)根據(jù)DMP模型理論提出了電機的位置檢測系統(tǒng)模型，介紹了應(yīng)用線性霍爾傳

5、感器來測量永磁體的磁場進行位置檢測的方法和原理，同時應(yīng)用多項式逼近法對永磁體的運動磁場與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系進行分析研究，并分別對檢測系統(tǒng)的正演和反演模型進行了仿真研究，仿真結(jié)果和誤差驗證了方法的合理性。
　　4)在對電機的磁場及檢測系統(tǒng)進行詳細討論與分析之后，搭建了基于線性霍爾傳感器的電機位置檢測系統(tǒng)實驗平臺，本文詳細介紹了利用傳統(tǒng)的高斯計多點測量方法進行轉(zhuǎn)子位置檢測的實驗研究，并將實驗結(jié)果與分析模型所得結(jié)果進行對比，同時對以ARM系