基于分布多极磁场模型的三自由度永磁球形电动机位置检测研究

The orientation detection of permanent magnetic spherical motor (PMSM) is one of the problems that restricts the research of spherical motor. The non-contact method for solving the problem based on multipole magnetic field model has presented. The main research contents include：(1) The magnetic field of PMSM using multipole magnetic field theory is built. According to the magnetic field by finite element method, the distribution and amount of magnetic dipoles which have effect on analytical solution are analyzed. (2) The rotor orientation of PMSM is sloved by the magnetic filed of mang different positons based on principle of superposition, the distribution of magnetic poles and analytical model. The sensors distribution regularity and magnetic field compensation method are also researched. The influence factors which have effect on resolving power, sensitivity and linearity are analyzed. (3) The closed-loop control of spherical motor platform are improved to realize step-by-step and continuation motion by experiments and simulation. The project provides a new idea for the orientation detection of PMSM.

转子位置检测问题成为制约三自由度永磁球形电动机发展的“瓶颈”之一。本项目采用分布多极模型分析电机磁场，以获取球形电机转子位置为目的，进行基于磁场解析模型的非接触式测量方法研究。主要研究内容包括：（1）基于分布多极理论的三自由度永磁球形电机磁场分析计算，通过与有限元法分析比较，对影响磁场解析解精度的磁偶极子分布规律、数量等因素进行优化分析。（2）根据三自由度永磁球形电动机磁场叠加原理、磁极分布规律及解析模型，建立基于多个磁场检测点磁场的转子位置检测方法。研究传感器分布规律，建立电励磁线圈磁场补偿方法。研究影响该测量方法分辨率、灵敏度和线性度的主要因素。（3）利用实验和仿真数据，完善永磁球形电机闭环控制平台，使整个系统能够进行初步的闭环步进/连续运动控制。本项目的研究为永磁球形电动机转子位置检测提供一种新思路。

随着现代工业和技术的不断进步及电力电子技术、微电子技术、控制理论、精密制造及测量技术的不断发展,国内外学者相继开展了各种新型的三自由度单电动机研究。并试图在未来取代传统单自由度电动机在机器人工业应用中的地位。在三自由度球形电动机控制系统中，为了提高系统的控制精度和改善系统的性能，反馈控制环节必不可少。而作为反馈控制关键技术之一：三自由度电动机转子位置测量就成为一个新的问题亟需解决。由于三自由度电动机的结构限制，传统用于单自由度电机的位置测量方式不能简单直接应用于三自由度球形电动机。转子位置检测问题成为制约三自由度永磁球形电动机发展的“瓶颈”之一，因此对球形电机位置检测的研究尤为重要。. 本项目的主要研究内容：（1）基于分布多极磁场模型、圆环函数法、等效电流法等对圆柱形永磁体磁场解析分析。采用多种磁场解析方法对比分析，采用分布多极磁场模型构建磁场解析模型。（2）采用分布多极磁场模型法，通过传感器检测电机输出轴上安置单一轴向磁源磁场，建立了球形电机转子两自由度转子位置（转轴偏转、倾斜）方法位置检测方法。分析了转子永磁体及线圈对测量的影响。（3）为实现电机转子三自由度测量，在电机转子外部增加一个固定永磁体，并在电机输出轴上增加一个随转子运动的传感器，采用分布多极磁场模型法初步建立了球形电机转子三自由度位置检测方法。.综上所述，本项目的研究为今后的非接触式永磁球形电机位置检测提供了一种新的思路。