多自由度球型驱动器新型磁场作用机理研究与应用

Through systematic analysis and study on the fundamental operating principle of multiple degree-of-freedom (DOF) spherical actuators, a novel design methodology without requiring variation or gradient property of magnetic field is proposed to improve the utilization of flux field, reduce the torque loss and increase the system working efficiency. Following that, from the essential decoupling perspective of magnetic field and structure, grouped permanent magnet array and spaced winding are proposed to separate the tilting and spinning torques, which in turn contributes to high precision motion control of the actuator system. The research scope includes following aspects: exploration on mathematic modeling, design and optimization of rotor magnet array and its sophisticated magnetic field in space, to achieve the well-matching of three-dimensional (3D) magnetic field and stator windings; high-precision analytical formulation of the torque output vector of spherical actuators under variable rotor orientations; employment of rotor flux field to generate stable radial magnetic force, and thus to provide efficient way for friction reduction; exploration on the system dynamics modeling, identification of parameter uncertainties and control strategy with strong anti-disturbances, to improve the system dynamic output performance, etc. The major purpose of this research is to solve the challenges raised in the study of torque output loss and coupling of spherical actuator, explore the corresponding theoretical tools and research methodologies, and thus to promote its commercialization, and the progress of multi-DOF intelligent actuators as well as related disciplines and technologies.

深入分析和研究多自由度球型驱动器的基本工作原理，提出一种基于非梯度磁场作用机理的新型设计思路，有效地提高转子磁场利用率，消除力矩内耗和增强系统工作效率。在此基础上，从空间磁场及机构解耦的本质出发，提出分组式永磁磁极阵列和空间绕组方案，实现球型驱动器倾斜与自旋力矩的分离，为高精度运动控制创造有利条件。深入探索转子磁极阵列及其空间复杂磁场的建模、设计和优化方法，实现三维磁场和定子空间绕组的最佳匹配；研究球型驱动器力矩向量在转子姿态变化情况下的高精度解析建模方法；探讨充分利用转子磁场产生稳定径向输出力，为降低轴承摩擦损耗提供有效途径；深入研究系统动力学模型、不确定性参数识别方法及具有强抗干扰特性的控制策略等，增强系统动态特性。项目的主要目标是通过对球型驱动器力矩输出及其解耦研究中难点问题的攻关，深入探索新的理论工具和研究方法，为其实用化创造有利条件，并推动多自由度智能驱动器及相关学科技术的发展。

本项目的研究目的是：提出一种新型多自由度球型驱动非梯度磁场作用机理，有效地提高转子磁场利用率，消除力矩内耗和增强系统工作效率。.围绕这一研究目的，项目主要完成了以下研究内容：.1.系统地分析了基于非梯度磁场的球型驱动器的各种磁极阵列，完成了磁极阵列构型设计及磁路优化研究；2.针对空间多区域三维复杂磁场分布特性，提出基于磁标量势的谐波函数建模方法，解决了驱动器高精度磁场建模问题；3.建立了驱动器力矩与磁悬浮力模型，完成了输出特性分析；4.为增强驱动器抗干扰能力，设计了基于单神经元自适应的控制器，可实现系统参数自我调节，增强鲁棒性，提高系统控制精度；5.完成样机及电流控制器等的优化设计、加工及装配；6.完成了空间磁向量场、可变姿态输出力矩等多个实验台的设计、加工与搭建，以及相关实验研究。.项目取得的主要创新点有：.基本原理创新：提出一种基于非梯度磁场的新型球型驱动器作用机理，为消除系统力矩内耗，增强驱动器输出力矩以及工作效率找到了一个新的突破口。.解耦方法创新：提出分组式转子永磁磁极阵列以及定子空间绕组设计思路，从根本上解决了困扰球型驱动器研究的力矩耦合关键性瓶颈。.控制方法创新：提出基于粒子群优化神经网络的不确定性系统参数识别技术，可有效地修正系统参数误差，并在带载情况下提高转子运动精度。.综上，项目按计划完成了相关研究内容，达到了预期研究目标。.基于上述研究，项目取得成果总体情况包括：①.项目负责人入选“长江学者”特聘教授、IET Fellow。②.获2017年中国航空学会科技一等奖(自然类，排名1)。③.在IEEE/ASME Trans. on Mechatronics、IEEE Trans. on Industrial Electronics等领域内顶级期刊和国际会议发表论文38篇，其中SCI 18篇；出版Spring Verlag英文学术专著1部。发表的成果受到英国皇家工程院电机学科主席C. Gerada等国际同行的积极评价。④.获2019 IEEE FPM国际会议最优张贴论文奖。⑤.授权国家发明专利6项。⑥.举办IEEE 国际会议4次。⑦.担任英国诺丁汉大学客座荣誉教授。⑧.成果服务于我国重大型号某大型飞机伺服阀的研制。