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六安江淮电机新的通电控制策略,可显著减少永磁球形电机的控制电流计算量

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/7/2     浏览次数:    

近期,江淮电机、安徽大学电气工程与自动化学院、安徽大学高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室、安徽大学工业节电与电能质量控制协同创新中心的研究人员过希文、李绅、王群京、周睿、文彦,在2019年第8期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“基于三角形(△)组合线圈的永磁球形电机转矩特性与通电策略分析”),为了减少永磁球形电机轨迹跟踪过程中的控制电流计算量,提出一种基于三角形(△)组合线圈的通电策略。

首先,通过Maxwell软件,利用叠加原理建立基于单个定子线圈的电磁转矩模型;然后,对比分析不同组合线圈自旋和倾斜运动的静态电磁转矩,确立△组合线圈的电磁转矩方程;同时,通过电流-转矩表达式,获得定子线圈的控制电流;最后,通过仿真计算和实验验证该方案的可行性。

实验结果表明相对于单个线圈的独立控制,基于△组合线圈的通电策略在电机运动范围内无运动奇点,显著减少了控制电流的计算量。


传统的多自由度运动装置是由多个单轴电机连接传动机构构成的,这种结构不仅体积庞大,而且响应慢,动态性能差。球形电机的出现,迅速引起了国内外学者的广泛关注。它不仅能够实现多自由度的运动,而且具有体积小、重量轻、响应速度快等优点。因此,在航空航天、微型机器人关节等具有较高要求的场合,球形电机具有广阔的应用前景。

现有的球形电机结构多样,主要是根据同步电机、步进电机、感应电机等电机的运行机理发展而来。有学者介绍了一款永磁球形电机,并进行了磁场分析和转矩建模。有学者对Halbach阵列的永磁球形电机的涡流损耗进行了分析。有学者介绍了球形轮式电机的结构,并分析了该电机的动力学特性,设计了开环控制器。有学者将球形感应电机用于移动机器人。有学者介绍了球形超声电机的设计与实验。

上述球形电机由于结构不同,因而采用的通电控制策略也不同。有学者通过加权无向图的方式对永磁体附近的线圈通电,实现了永磁球形电机的运动控制。有学者采用直接磁场反馈的方法控制永磁球形电机。有学者采用基于转矩图的线圈驱动技术实现了球形电机的旋转控制。有学者在功率控制方式下,通过估测绕任意轴旋转时的转矩域的方法,对电机进行转矩建模与运动控制。有学者基于定子球面划分的方法,通过对不同球面区域的定子线圈通电来实现球形电机的运动控制。

然而,由于球形电机定子数量多,转矩建模复杂,上述通电控制策略不仅要求精确的位置检测,而且需要大量的电流计算,这使得控制系统的通信和计算负担加重。

本文以24/40结构的永磁球形步进电机为研究对象,采用有限元分析的方法,通过叠加原理对不同组合线圈产生的电磁转矩特性进行分析。同时,针对典型的自旋和倾斜运动,建立了基于三角形(△)组合线圈的永磁球形电机转矩方程,并对通电策略进行验证和分析。

图1 永磁球形电机结构及线圈标记示意图
图9 实验平台

结论

本文通过搭建永磁球形电机最小有限元模型,获得了单对定子线圈与永磁体的转角特性。采用叠加原理分析了两种组合线圈的自旋和倾斜转矩分布,在此基础上建立了电流-转矩表达式,提出一种基于△组合线圈的通电控制策略,得出以下结论:

1)通过与常规单定子线圈对称分组方式进行对比分析可知,△组合线圈方式具有转矩幅值更大、分布更广的优势。

2)通过与常规单定子线圈独立控制的电磁转矩方程相比,△组合线圈电磁转矩方程中的转角特性矩阵维数降低了4倍,大大降低了控制电流的计算量。

3)另外,基于△组合线圈的通电策略远离运动奇点。实验结果表明:相比较于常规单定子线圈独立控制,该通电策略电机抖动小,运行稳定,进一步验证了该通电策略的有效性和正确性。

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