永磁转子偏转式三自由度运动电机位置检测方法的基础研究

【摘要】自19世纪初电机学发展至今，一维运动电动机及其控制已经被各国学者进行了广泛而深入的研究。然而，伴随着机械系统自动化、人工智能复杂化的发展趋势，执行机构对于运动技术装置的需求已不仅局限于单个运动方向，因此，多自由度运动电机成为国内外科研工作者的研究目标。随着未来电机趋向于轻量化和小型化的发展方向，材料成了其中起决定性作用的因素。目前，众多永磁材料如铁氧体、铝镍钴合金、稀土永磁体和钕铁硼等的诞生，使体积庞大、操作笨重的电机及其激励线圈逐渐被体积小、重量轻、结构简单、操作便利的永磁材料制成的执行机构所代替，因此永磁多自由度电机已经成为特种电机领域的新宠。永磁转子偏转式三自由度运动电机就是在这个大背景下提出的。在参考了国内外学者们设计出的多种永磁多自由度电机结构及位置检测系统的基础上，本文进一步提出双层线圈定子、单层圆鼓形转子结构的永磁偏转式三自由度电机的位置检测技术。在分析多自由度电机及其位置检测技术的国内外发展现状的基础上，针对体积小、结构新颖、控制原理简单的新型永磁转子偏转式三自由度运动电机的位置检测技术进行了磁场建模、检测算法应用及检测系统实验装置的设计等基础研究，本文主要的研究工作具体包括以下几个方面：1)在简要介绍永磁转子偏转式三自由度运动电机的结构和尺寸的基础上，对电机实现三自由度运动的工作原理进行了详细的描述。由于位置检测技术是通过检测装置测量出转子的旋转角度来实现，为明确转子磁场与旋转角度的关系，对电机的定子及转子坐标的相互转换进行了介绍，并对磁场分析的正演和反演两个参数空间模型进行了分析说明，为检测建模部分的研究做好概念基础。2)根据转子永磁体的材料性质和结构，本文采用分布式多极(DMP)磁场模型来等效转子永磁体的建模方法。在简要介绍磁场基本理论的基础上，对圆柱形永磁体及多层线圈的磁场进行DMP等效，建立了简化等效模型，同时应用Matlab优化工具箱对所建立的模型进行验证，验证结果表明了模型的有效性。3)根据DMP模型理论提出了电机的位置检测系统模型，介绍了应用线性霍尔传感器来测量永磁体的磁场进行位置检测的方法和原理，同时应用多项式逼近法对永磁体的运动磁场与旋转角度的关系进行分析研究，并分别对检测系统的正演和反演模型进行了仿真研究，仿真结果和误差验证了方法的合理性。4)在对电机的磁场及检测系统进行详细讨论与分析之后，搭建了基于线性霍尔传感器的电机位置检测系统实验平台，本文详细介绍了利用传统的高斯计多点测量方法进行转子位置检测的实验研究，并将实验结果与分析模型所得结果进行对比，同时对以ARM系列STM32F103RCT6开发板为核心的基于位置传感器的自动检测方法做了初步实验研究。实验结果表明，应用高斯计多点测量方法所得出的转子位置与旋转角度的对应关系同分析结果吻合，证明了所设计的方案能够实现电机的位置检测；基于位置传感器的自动检测实验初步结果也证明了系统的合理性，且系统的深入研究还在进行中。
【作者】王欣欣；
【导师】李争；康蛇龙；
【作者基本信息】河北科技大学，电气工程，2014，硕士
【关键词】三自由度；DMP模型；位置检测；多项式逼近；磁场测量；

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