多自由度球形电机基于磁场的高性能传感控制和驱动

For the emerging requirement of dexterous and precise multi-degree-of-freedom (multi-DOF) manipulation in industries such as precision engineering, robotics and medical equipments, this project aims at developing a high performance ball-joint-like spherical motor. Utilizing the characteristics of electromagnetic field as a non-contact media of energy and information other than the electromagnetic interaction in the motor, this project will focus on the following to improve the spherical motor performances in the aspects of accuracy, sampling rate, loading capacity, stiffness and service life: a magnetic spherical bearing with reduced mechanical wear by using repulsive permanent magnets; a magnetic-field-based parallel sensing-control system; electromagnetic system optimization based on methods for field and force/torque computation and analysis. Although the immediate outcome of this project is a high performance spherical motor, the magnetic field-based methods on sensing and control can also bring new thoughts to the design and development of other motion systems. Also, the key components developments in this project such as the magnetic spherical bearing can directly contribute to other multi-DOF motion systems.

本项目针对复杂精密加工、机器人、医疗等领域对于精密灵活的多自由度操作的需求，开展具有类似关节结构的高性能球形电机的研究。除了电机本身提供驱动力及力矩的电磁作用，本项目还将利用磁场作为非接触的能量、信息媒介的特质，通过探索利用磁场排斥力减小磨损的智能磁性球形轴承、建立基于磁场的并行式传感和控制系统、以及利用电磁场和电磁力及力矩的计算分析方法进行电磁驱动优化，致力于提高球形电机在精度、频响、负载、刚度和服役期限等方面的性能。尽管本项目的直接成果是高性能的多自由度球形电机，但其中关于磁场的传感控制方法将可以为其他运动系统的设计和开发带来新的思路，且其他关键组件如磁性轴承也可以直接应用于其他的多自由度系统。

本课题针对现有球形电机在球轴承的设计、传感控制效率以及负载能力这三个方面的挑战开展高性能球形电机的研究。围绕三个主要研究内容，即智能磁性轴承设计、基于磁场的传感-控制系统和驱动系统优化，本课题进行的研究工作取得了以下进展：. 改进球形电机设计并提出新的关键组件设计。利用提出的电磁力模型，可以高效进行设计分析和优化，从而提高电机负载能力。该设计中主要组件之一智能磁性球关节轴承具有永磁斥力减小摩擦、嵌入式磁传感器进行自身转轴姿态测量的功能。机械支撑装置则可以提高电机的静态刚度并减小电流输入能耗。.建立了基于磁链模型的无传感式的姿态测量方法。该方法利用电机自身永磁在线圈中产生感应电动势，通过测量电压变化求解电机转子姿态，从而舍去了在电机上外加姿态传感器的需要，简化了电机设计。通过实验验证并与商业姿态测量工具进行比较，此方法可以较为准确的得到转子多自由度姿态及相应角速度，并具有较好的信噪比。. 提出直接场反馈控制方法。该方法利用嵌入式磁传感器的测量值直接进行反馈控制，取消了传统控制方法中对实时姿态测量的依赖和串行计算导致的低带宽和累计误差，从而大大提高了球形电机多自由度姿态控制的效率。通过实验验证，该方法实现了球形电机的精确姿态跟踪。. 本课题在提高球形电机的性能和扩展其应用范围方面做出了一定的贡献。同时其中的相关方法的也为其他运动系统的设计和开发带来新的思路，并且已经取得了一定的应用。