基于旋转编码器的永磁球形电动机三自由度位置检测方法研究

【摘要】永磁球形电动机是一种新型的多维电动机,具有结构简单、重量轻、体积小、控制相对简单等特点,在完成三维空间运动方面,相比传统的电动机,可以有效的简化结构的复杂性,提高系统的动静态性能。本论文在系统分析多自由度电动机的发展现状与趋势的基础上,对一种新型的三自由度永磁球形电动机进行了分析和研究,建立并提出了适合于该电动机的动力学模型,分析了基于旋转编码器的滑轨结构的三自由度位置检测装置,在建立的完整的永磁球形电动机动力学模型的基础上,采用PD控制策略对基于位置检测的反馈控制策略进行了仿真验证。本文主要具体工作包括以下几个方面：(1)分析了一种三自由度永磁球形电动机,对它的结构、转矩和运动特性进行了分析。永磁球形电动机定子磁极由两层共24个空芯线圈组成,转子磁极由四层共40个永磁体组成。对单对定转子磁极间相互作用的磁场力进行分析,进而拟合得到单对定转子磁极间转矩和角度之间的关系,结合永磁球形电动机的定转子位置参数得出整个电动机合成转矩的表达式。(2)求解了单刚体的运动学模型,对三维旋转坐标的变换做了阐述,依次对三个轴旋转得到转子坐标系和定子坐标系的转换关系,验证了X-Y-Z欧拉角更适合于球形电动机转子位置的描述。根据单刚体的运动学模型提出两种基于旋转编码器的带滑轨支架的检测装置,对工和Ⅱ类滑轨结构都给出了正向与逆向的运动学分析,为采用滑轨支架结构进行三自由度实时位置检测提供了理论基础。(3)分析了Ⅰ和Ⅱ类带滑轨支架的球形电动机转子位置和编码器输出的关系,对其进行转子位置检测的仿真,分别从单自由度、两自由度、三自由度三个方面举例分析并仿真,对连续运动中滑轨支架的检测装置上旋转编码器输出进行了分析,比较了两种滑轨结构的异同点,还仿真得到永磁球形电动机转动后旋转矩阵T的变化以及转动后永磁球形电动机转子在定子坐标系中的空间位置。(4)对永磁球形电动机磁场、转矩和线圈中电流的关系进行了分析,求解出永磁球形电动机的动力学模型,用Matlab对永磁球形电动机动力学建模,建立了永磁球形电动机基于PD控制的运动控制系统,得出关于位置的反馈闭环系统,对永磁球形电动机转动中三个轴上的位置跟踪、位置的跟踪误差和控制转矩的变化进行了研究,分析了测量延迟对PD系统的影响,为以后球形电动机的深入研究提供了基础本论文的研究工作得到国家自然基金项目“三自由度永磁球形电动机若干关键问题的深入研究”(51177001)、国家自然基金项目“基于虚拟样机建模的永磁球形电机自适应反演协同控制研究”(51307001)、安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目“三自由度永磁球形电机伺服控制系统的研究”(KJ2013A012)、安徽省教育厅自然科学研究重点项目“多自由度永磁球形电动机结构优化及位置检测研究”(1308085QE82)的共同资助。
【作者】唐李；
【导师】李国丽；
【作者基本信息】安徽大学，控制工程，2014，硕士
【关键词】永磁球形电动机；多自由度；旋转编码器；位置检测；PD；动力学模型；

【参考文献】
[1]王志林.高k NdAlO_3/SiO_2堆栈栅MIS结构的电特性研究[D].西安电子科技大学,微电子学与固体电子学,2012,硕士.
[2]武建君.资产减值准备的质量控制复核制度问题解析[D].首都经济贸易大学,会计学,2014,硕士.
[3]于浩甜.表达人IFN-α真核表达载体抗HBV效应及机制研究[D].山东大学,免疫药物学,2013,硕士.
[4]廖明涛.冻藏条件下蓝鳍金枪鱼鱼肉色泽变化的研究[D].浙江工商大学,食品科学与工程,2013,硕士.
[5]张哲.湖泊沉积物碱性磷酸酶活性差异及其对磷元素生态效应影响[D].河北科技大学,环境工程,2013,硕士.
[6]孙金山.政府投资与新疆经济增长关系实证研究[D].新疆财经大学,政治经济学,2013,硕士.
[7]付虎.半导体制造中具有重入的双臂组合设备的调度与仿真[D].广东工业大学,工业工程,2013,硕士.
[8]刘分明.《走马纪游》创作报告[D].湖南师范大学,美术（专业学位）,2014,硕士.
[9]徐志强.梅山铁矿低贫化放矿可行性研究[D].西安建筑科技大学,2004.
[10]郭生泉.Ku波段卫星地球站中高频设备的维护[J].广播与电视技术.2003(04)
[11]汪东欣.大型主氦变频驱动电机电磁设计方法研究与强度校核[D].哈尔滨理工大学,电机与电器,2012,硕士.
[12]李仲云.中国通信远程桌面应急推演平台分析与设计[D].北京交通大学,工业工程（专业学位）,2013,硕士.
[13]俞菊红.多功能羟基磷灰石复合材料的制备及其性能研究[D].浙江理工大学,材料学,2013,硕士.
[14]沈俊莹.PRRSV流行毒株NSP2、ORF5遗传变异分析及其弱毒疫苗免疫效果评价[D].华中农业大学,预防兽医学,2014,硕士.
[15]刘甜甜.大学生就业心理压力研究[D].辽宁大学,思想政治教育,2012,硕士.
[16]戚晶敏.风湿康冲剂治疗膝骨关节炎的实验研究[D].南方医科大学,中西结合临床,2012,硕士.
[17]童光煦,潘键,陈俊彦.1983年充填采矿法国际会议技术述评(三)[J].国外金属矿采矿.1984(06)
[18]张誉.大型丙烯绘画创作研究[D].沈阳师范大学,美术,2014,硕士.
[19]王国军.论民事恶意诉讼的法律规制[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[20]郑锋.小型西瓜四倍体诱变及不同倍性果实性状与胚胎发育研究[D].海南大学,作物遗传育种,2012,硕士.
[21]张亮.IT企业中领导行为和组织气氛对企业知识创新行为的影响研究[D].浙江大学,2006.
[22]唐梁凤.新疆财政教育投资及其经济效应研究[D].新疆财经大学,财政学,2013,硕士.
[23]刘平.硕士生师生关系研究[D].南京大学,高等教育学,2013,硕士.
[24]何艳.新疆舞健身操传播研究[D].新疆师范大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[25]侯琳.制度邻近性对高新技术企业合作创新绩效影响的评价研究[D].杭州电子科技大学,企业管理,2013,硕士.
[26]施佳.离散T-S模糊广义系统的稳定性分析与控制[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[27]王丽.CFG桩复合地基在包头地区的应用[D].吉林大学,地质工程,2014,硕士.
[28]王珊珊.仿真焊接软件系统关键技术的研究与应用[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[29]左姗姗.平均场正倒向随机系统微分对策的最大值原理[D].山东大学,运筹学与控制论,2013,硕士.
[30]杜欣,董丽杰,熊传溪.氧化石墨烯与PVDF复合材料介电性能的研究[A].中国化学会、中国机械工程学会、中国材料研究学会.2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（上册）[C].中国化学会、中国机械工程学会、中国材料研究学会:,2010:2.
[31]王栋.苏州中小企业融资难问题成因分析及其对策[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[32]王仲.IBM-PC/XT微机上磁盘文件的简单保护方法[J].冶金自动化,1986,05:60-62.
[33]李秋丽.变式教学在初中数学教学中的应用研究[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[34]陈威翰.中小型铁路客站通用设计研究[D].西南交通大学,建筑设计及其理论,2013,硕士.
[35]何英华.模式分类与视觉导航中的分层数据处理研究[D].清华大学,2005.
[36]孟佳丽.黄瓜染色体片段导入系群体的构建及果实主要数量性状位点的初步定位[D].南京农业大学,蔬菜学,2012,硕士.
[37]滕立春.电器连锁零售企业的供应商评价研究[D].西北工业大学,2005.
[38]海燕,李秀丽.数据挖掘技术浅析[J].水利电力机械,2005,01:56-57.
[39]王娇.A+H股交叉上市公司的现金股利政策研究[D].首都经济贸易大学,会计学,2013,硕士.
[40]宗明波.2012年欧洲足球锦标赛决赛阶段铲球技术运用情况的分析与研究[D].苏州大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[41]徐玮.基于工时管理的绩效考核系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[42]兰洪杰.食品冷链物流系统协同研究[D].北京交通大学,2009.
[43]玄文静.3，3-二甲基-1-（1，2，4-三唑-1-基）丁-2-酮肟醚酰胺的合成与生物活性[D].湖南大学,药物化学,2011,硕士.
[44]符玉梅.论黎族作家高照清的散文[D].吉林大学,中国现当代文学,2013,硕士.
[45]卢景丽.项集分布挖掘及其在模式分析中的应用[D].广西师范大学,2004.
[46]朱振峰.基于CCD传感器的高亮度LED光轴检测系统的研制[D].广东工业大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[47]葛燕.基于89C52的智能温室控制系统的研发[D].齐鲁工业大学,机械工程,2013,硕士.
[48]张佳丽.电针预处理对兔心肌缺血再灌注损伤腺苷A1受体、PKC的影响[D].湖南中医药大学,针灸推拿学,2014,硕士.
[49]宝乐（MariaPaula）.南美洲安全化进程：南美国家联盟案例研究[D].吉林大学,国际关系,2014,硕士.
[50]赵玉梅.划拨用地土地增值收益率分区研究[D].河北师范大学,自然地理学,2012,硕士.