基于运动解耦的永磁球形电机空间定位控制策略研究

空间定位是永磁球形电机亟待解决的问题之一，然而受到三自由度力学耦合关系的影响及位置检测方案不成熟的限制，关于空间定位的研究文献较少。项目鉴于本课题组前期的研究成果，重点解决永磁球形电机运动解耦的空间定位问题。从改善电机本体结构角度，研究磁场饱和、漏磁、端部效应及转子定位偏心等实际因素对转矩的影响，并结合实验测试结果对电机本体结构进行修正；在已知电机电磁设计及结构设计前提下，研究转矩逆模型，通过计算得到转矩的最优输入量。从改进电机控制策略角度，研究永磁球形电机的转子位置检测理论，解决电机无位置传感器运行控制的关键技术；综合考虑三自由度的力学解耦控制策略、位置检测及轨迹规划方案对空间定位的影响，研究永磁球形电机快速、稳定和精确的空间定位控制策略。本项目研究成果将使我国在该领域的研究处于国际先进水平。

提出一种新型的球面Halbach阵列永磁球形电动机，针对球形转子的Halbach阵列磁体结构，利用球谐波理论建立了永磁球形电动机磁场的解析模型，分析了气隙磁场基波和谐波的分布形式。利用永磁球形电动机气隙磁场的解析模型，以气隙磁场正弦性和磁材体积为目标函数，建立了永磁球形电动机磁极优化的数学模型。利用粒子群算法进行了Halbach阵列磁极极型的多目标优化设计，给出了优化设计方案，分析了优化设计结果。针对端部效应及其对电机自转反电势波形的影响进行了理论分析。基于球形电动机的特殊结构提出了一种量化其端部效应的方法，对定子线圈进行等效，然后通过计算得到一个端部系数来修正基于二维模型得到的空载自转反电势曲线。提出一种基于球面规划的定子绕组通电策略。将定子球面上定子绕组覆盖区域进行球面规划，划分为四类子区域，用解析法对所有子区域进行描述，并根据相似三角形原理对各个定子绕组进行标号。根据转子的位置，用特定的法则确定需要通电的定子绕组，并调用静态转矩模型，求解得到通电电流大小。采用该通电策略后，永磁球形电动机能在不同控制算法下实现复杂的轨迹跟踪运行。采用计算力矩法对永磁球形电动机展开了轨迹跟踪控制方面的研究。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。针对永磁球形电动机逆运动学问题提出了一种基于神经网络的逆运动学求解方法，用神经网络来逼近该电动机的逆运动学模型；根据神经网络采用L-M优化算法时的样本学习效果，确定了此神经网络的最优结构。为了实现永磁球形电动机的闭环控制，提出了一种基于光学原理的球形转子方位传感器。此方位传感器利用两个光学检测圆环检测球形转子表面绘制的经线和纬线，通过获得的交点计算球形转子的ZYZ欧拉角。基于理论分析，针对永磁球形电动机进行了机械结构与电磁设计，制作出样机一台，并搭建了球形电动机的实验控制系统，实现了球形电动机的连续自转运动。