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  • 頭條新的通電控制策略,可顯著減少永磁球形電機的控制電流計算量
    2020-04-30 作者:過希文、李紳、王群京、周睿、文彥  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語安徽大學電氣工程與自動化學院、安徽大學高節能電機及控制技術國家地方聯合工程實驗室、安徽大學工業節電與電能質量控制協同創新中心的研究人員過希文、李紳、王群京、周睿、文彥,在2019年第8期《電工技術學報》上撰文(論文標題為“基于三角形(△)組合線圈的永磁球形電機轉矩特性與通電策略分析”),為了減少永磁球形電機軌跡跟蹤過程中的控制電流計算量,提出一種基于三角形(△)組合線圈的通電策略。 首先,通過Maxwell軟件,利用疊加原理建立基于單個定子線圈的電磁轉矩模型;然后,對比分析不同組合線圈自旋和傾斜運動的靜態電磁轉矩,確立△組合線圈的電磁轉矩方程;同時,通過電流-轉矩表達式,獲得定子線圈的控制電流;最后,通過仿真計算和實驗驗證該方案的可行性。 實驗結果表明相對于單個線圈的獨立控制,基于△組合線圈的通電策略在電機運動范圍內無運動奇點,顯著減少了控制電流的計算量。

    傳統的多自由度運動裝置是由多個單軸電機連接傳動機構構成的,這種結構不僅體積龐大,而且響應慢,動態性能差。球形電機的出現,迅速引起了國內外學者的廣泛關注。它不僅能夠實現多自由度的運動,而且具有體積小、重量輕、響應速度快等優點。因此,在航空航天、微型機器人關節等具有較高要求的場合,球形電機具有廣闊的應用前景。

    現有的球形電機結構多樣,主要是根據同步電機、步進電機、感應電機等電機的運行機理發展而來。文獻[7]介紹了一款永磁球形電機,并進行了磁場分析和轉矩建模。文獻[8]對Halbach陣列的永磁球形電機的渦流損耗進行了分析。文獻[9]介紹了球形輪式電機的結構,并分析了該電機的動力學特性,設計了開環控制器。文獻[10]將球形感應電機用于移動機器人。文獻[11]介紹了球形超聲電機的設計與實驗。

    上述球形電機由于結構不同,因而采用的通電控制策略也不同。文獻[12]通過加權無向圖的方式對永磁體附近的線圈通電,實現了永磁球形電機的運動控制。文獻[13]采用直接磁場反饋的方法控制永磁球形電機。文獻[14]采用基于轉矩圖的線圈驅動技術實現了球形電機的旋轉控制。文獻[15]在功率控制方式下,通過估測繞任意軸旋轉時的轉矩域的方法,對電機進行轉矩建模與運動控制。文獻[16]基于定子球面劃分的方法,通過對不同球面區域的定子線圈通電來實現球形電機的運動控制。

    然而,由于球形電機定子數量多,轉矩建模復雜,上述通電控制策略不僅要求精確的位置檢測,而且需要大量的電流計算,這使得控制系統的通信和計算負擔加重。

    本文以24/40結構的永磁球形步進電機為研究對象,采用有限元分析的方法,通過疊加原理對不同組合線圈產生的電磁轉矩特性進行分析。同時,針對典型的自旋和傾斜運動,建立了基于三角形(△)組合線圈的永磁球形電機轉矩方程,并對通電策略進行驗證和分析。

    新的通電控制策略,可顯著減少永磁球形電機的控制電流計算量

    圖1 永磁球形電機結構及線圈標記示意圖

    新的通電控制策略,可顯著減少永磁球形電機的控制電流計算量

    圖9 實驗平臺

    結論

    本文通過搭建永磁球形電機最小有限元模型,獲得了單對定子線圈與永磁體的轉角特性。采用疊加原理分析了兩種組合線圈的自旋和傾斜轉矩分布,在此基礎上建立了電流-轉矩表達式,提出一種基于△組合線圈的通電控制策略,得出以下結論:

    1)通過與常規單定子線圈對稱分組方式進行對比分析可知,△組合線圈方式具有轉矩幅值更大、分布更廣的優勢。

    2)通過與常規單定子線圈獨立控制的電磁轉矩方程相比,△組合線圈電磁轉矩方程中的轉角特性矩陣維數降低了4倍,大大降低了控制電流的計算量。

    3)另外,基于△組合線圈的通電策略遠離運動奇點。實驗結果表明:相比較于常規單定子線圈獨立控制,該通電策略電機抖動小,運行穩定,進一步驗證了該通電策略的有效性和正確性。

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