永磁球形步进电动机的研制

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 5.19MB 125 页 15积分

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摘要

随着工业的发展，传统的单自由度电机已无法满足日益复杂的机械系统的要

求，永磁球形步进电动机作为一种新型的多自由度球形电机，能使三维运动缩小

在一个较小的空间里实现，减小了体积和质量、简化了系统结构，提高了电机系

统的动静态性能和精度，在机器人关节、机械手等需要三维运动的装置的应用中

有很大优势，成为电机领域中的研究前沿。

本文针对 David Stein 等人设计的永磁球形步进电动机作为研究对象，重点对

其结构设计、控制驱动器以及控制算法进行研究，主要研究内容如下：

永磁球形步进电动机是一种高精度的机械系统，本文在 Chirikjian 等人的设计

思想基础上，对其结构进行改善，设计电机各部分参数，并在 AutoCAD 中绘出电

机模型。同时对该电机的坐标转换、转矩和力学模型进行了简单的分析，并在

MATLAB 平台上搭建了仿真模型。

根据电流滞环跟踪 PWM 原理设计了单相永磁球形步进电动机的控制器，包括

电源、微控制器、A/D 转换、电流检测等，并在此实验平台上进行了相关单相电

流控制实验，取得了较好的效果。在实验基础上，设计了电机的 16 相控制驱动电

路，包含电源模块、缓冲模块和 A/D 转换模块。

在永磁球形步进电动机的数学模型基础上，将模糊控制算法与电机控制相结

合，分别研究了电机的 PID 控制算法、常规模糊控制算法、参数自调整模糊控制

算法和模糊 PID 控制算法，并在 MATLAB 平台上设计了相应的模糊控制器，进行

了各控制算法的仿真，给出了仿真结果，验证了模糊控制算法的有效性。

关键词：永磁球形步进电机结构设计控制驱动模糊控制

ABSTRACT

With the development of the industry ，the traditional single degree of freedom

motor has been unable to meet the increasingly complex mechanical system

requirement. As a new type of multi-DOF spherical motor ，the permanent magnet

spherical stepper motor can implement the three-dimensional motion in a smaller

space,it can reduce the volume and quality, simplify the system structure, improve the

static and dynamic performance of the motor system and the accuracy, it has great

advantage in the application of the robot joints and robot devices which require the

three-dimensional motion, so it has become research front in the motor domain.

In this paper, the permanent magnet spherical stepper motor which designed by

David Stein and others is researched.The structural design, control, drive and control

algorithms of the motor are mainly studied, the main contents are as follows:

The permanent magnet spherical stepper motor is a high-precision mechanical

system, the structure of the motor is improved on the basis of its structure which

model of the motor is designed in AutoCAD.At the same time,the coordinate

transformation, the torque and mechanical model of the motor are analyzed simply,and

the simulation models are built in the MATLAB.

The single phase control drive of the permanent magnet spherical stepper is

designed according the PWM hysteresis current tracking principle, including power

supply, microcontroller, A/D converter, current detection and so on.Relevant

single-phase current control experiment was completed and achieved good results. 16

phase control drive of the motor is designed on the basis of the experiment, including

power module, the buffer module and the A/D converter module.

The fuzzy control algorithm is combined with motor control on the basis of the

mathematical model of the permanent magnet spherical stepper motor. The PID control

algorithm, the conventional fuzzy control algorithm, the parameter self-tuning fuzzy

control algorithm and fuzzy PID control algorithm are researched, the corresponding

fuzzy controller is designed in MATLAB and all of the control algorithms above are

simulated, the simulation results are presented,which verify the effectiveness of the

fuzzy control algorithm.

KEY WORDS ：permanent magnet spherical stepper motor,

structure designe, control drive,fuzzy control

摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 永磁球形电动机的研究背景和意义...............................................................1

§1.2 永磁球形电动机的研究状况...........................................................................2

§1.2.1 多自由度电动机的类型.........................................................................2

§1.2.2 国外多自由度电动机的研究与发展状况.............................................2

§1.2.3 国内多自由度电动机的研究与发展状况.............................................9

§1.3 本文研究工作的主要内容.............................................................................10

第二章永磁球形步进电动机的结构设计与运动分析...............................................12

§2.1 永磁球形步进电动机的基本结构.................................................................12

§2.2 永磁球形步进电动机定转子磁极的球面定位方法.....................................14

§2.3 永磁球形步进电动机部件选择及结构参数设计.........................................17

§2.3.1 定子线圈...............................................................................................18

§2.3.2 定子支座...............................................................................................19

§2.3.3 电机气隙...............................................................................................21

§2.3.4 永磁体...................................................................................................22

§2.3.5 转子球...................................................................................................23

§2.3.6 电机 CAD 模型 .................................................................................... 24

§2.4 永磁球形步进电动机的坐标变换.................................................................26

§2.5 永磁球形步进电动机的转矩分析.................................................................29

§2.6 永磁球形步进电动机的动力学模型.............................................................31

§2.7 小结.................................................................................................................37

第三章永磁球形电动机的单相电流跟踪 PWM 控制器的设计 ............................... 39

§3.1 永磁球形步进电动机的电流控制方法.........................................................39

§3.2 电流跟踪 PWM 控制的基本原理 .................................................................41

§3.3 单相电流跟踪 PWM 控制器的设计 .............................................................43

§3.3.1 控制器总体设计方案...........................................................................43

§3.3.2 电源、接地及缓冲驱动模块...............................................................45

§3.3.3 MOS 管桥臂模块 ..................................................................................45

§3.3.4 MOS 管驱动模块 ..................................................................................45

§3.3.5 电流检测模块.......................................................................................47

§3.4 单相电流跟踪 PWM 控制实验及结果 .........................................................49

§3.4.1 单相电流跟踪 PWM 控制的硬件连接 ...............................................49

§3.4.2 单相电流跟踪 PWM 控制的软件设计 ...............................................52

§3.4.3 单相电流跟踪 PWM 控制的实验结果 ...............................................54

§3.5 小结.................................................................................................................55

第四章永磁球形步进电动机的 16 相控制驱动器的设计 .........................................56

§4.1 永磁球形步进电动机的 16 相控制方法.......................................................56

§4.2 永磁球形步进电动机的 16 相控制驱动电路的设计...................................57

§4.2.1 16 相控制驱动器的总体设计...............................................................57

§4.2.2 微处理器模块.......................................................................................58

§4.2.3 电源模块...............................................................................................59

§4.2.4 缓冲驱动模块.......................................................................................63

§4.2.5 A/D 转换模块 ........................................................................................64

§4.3 永磁球形步进电动机控制驱动的软件设计.................................................66

§4.4 小结.................................................................................................................68

第五章永磁球形步进电动机的模糊控制算法及仿真...............................................70

§5.1 模糊控制理论基础.........................................................................................70

§5.1.1 模糊控制的基本思想...........................................................................70

§5.1.2 模糊控制系统的基本组成...................................................................71

§5.1.3 模糊控制的设计原理...........................................................................72

§5.2 永磁球形步进电动机的 PID 控制算法及仿真............................................ 76

§5.2.1 PID 控制算法原理................................................................................ 76

§5.2.2 永磁球形步进电动机的 PID 控制算法............................................... 77

§5.2.3 永磁球形步进电动机的 PID 算法仿真............................................... 78

§5.3 永磁球形步进电动机的常规模糊控制算法及仿真.....................................82

§5.3.1 永磁球形步进电动机的模糊控制设计...............................................82

§5.3.2 永磁球形步进电动机的模糊控制仿真...............................................83

§5.4 永磁球形步进电动机的参数自调整模糊控制算法及仿真.........................93

§5.5 永磁球形步进电动机的模糊 PID 控制算法及仿真.................................... 98

§5.6 控制算法的比较...........................................................................................104

§5.7 小结...............................................................................................................107

第六章总结与展望.....................................................................................................109

参考文献.......................................................................................................................112

第一章绪论

§1.1 永磁球形电动机的研究背景和意义

电机从起源发展至今，人们在电机技术领域进行了广泛而深入的研究，各种

新型特种电机层出不穷。传统的一维电动机（如交直流电动机、步进电机、旋转

电动机、直线电动机等）技术成熟，在各领域已经得到了广泛的应用。新近发展

的二维电动机（如平面电动机、螺旋电动机）因其广泛的应用前景，而受到了学

术界与工业界的关注，国内外在二维电动机技术方面已经有了卓越的成效，发表

了大量的论文，技术日渐成熟，且平面电机、螺旋电机已成功的用于 X-Y 平面绘

图仪、电动螺旋压力机等设备上[1]。

但常规的旋转电机或直线电机只能做单自由度的旋转或直线的运动。随着工

业的发展，机械系统的复杂程度日益增大，对机器人关节、机械手等装置的性能

要求越来越高，单自由度电机显然无法满足精密要求。在多自由度电动机还未出

现之前，要实现多维运动，传统的装置由多组旋转电机或直线电机与复杂的机械

传动机构等组合而成，以实现转动的三维运动，这不仅会使机械系统体积庞大、

笨重、动态性能很差，而且因为摩擦、间隙、变形等系列问题造成的传动机构的

误差将直接影响到机械装置的定位精度和系统工作的稳定性，同时由于附加部件

的质量及摩擦，还会妨碍定位装置的响应速度，效率低下。多自由度电机（如平

面电动机，球形电动机）的出现，使得多维运动由一个单独集成的机械系统完成，

这样不仅提高了电机的机械集成度，高效的利用电机材料和伺服系统元件，而且

能大大简化机械系统结构的复杂度，减小体积和重量，提高静动态性能和经济效

益，提高定位精度和响应速度，有效的提高传动效率。因此在机器人、机械手、

人体假肢关节、各种金属切削机床、搅拌机、卫星跟踪天线、火炮炮塔控制台、

全景摄像控制台、雷达天线跟踪机构[2]等多自由度设备中有广泛的应用前景。

多自由度电动机发展至今，已出现平面电机、螺旋电机和球形电机，其中前

两者为二维运动，已有成熟而广泛的实际应用。球形电机是三维运动的，三维电

动机多以球形电机为主，与其相关的研究和应用还非常薄弱。三维球形电机的实

现是建立在电磁理论和力学理论基础上的，同时需要精密的伺服控制系统和控制

策略，其结构本身就是电动机和电子设备的机电一体化设备，是适应工业化需求

以及电动机理论和控制技术发展到一定阶段的产物。球形电机是集电机设计原理、

电子技术和自动控制理论于一身的新型特种电机。随着计算机技术、电力电子技

术、电机理论以及现代控制理论的飞速发展，同时电机制造工艺水平不断提高和

各种新材料不断出现，这些都为球形电机的制造和控制奠定了基础，促进了球形

永磁球形步进电动机的研制

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电机从理论走向实际应用的工业化和商业化进程。其中，永磁球形步进式结构电

机与其它结构球形电机相比，无需叠片结构，具有运行原理相对简单、力能指标

高、体积小、重量轻，便于制造及控制简单等优点，受到广泛关注，本文将以其

为研究对象，深入研究其结构和控制方面的问题，有助于我国及时掌握该电机领

域的理论基础和实际应用的关键技术，从而促进该电机与现代控制理论、电力电

子技术和微处理器控制技术相结合，促进永磁球形步进电机从理论走向实际，使

我国在多自由度电动机研究领域步入先进水平。

§1.2 永磁球形电动机的研究状况

§1.2.1 多自由度电动机的类型

从20 世纪 50 年代开始，国内外众多研究机构和学者就开始对多自由度电机

和球形电机进行了研究。目前，国内外出现的多自由度电动机按其原理可分为以

下几类：自整角机式多自由度电动机[3]、感应式多自由度电动机[4]、变磁阻式多自

由度电动机[5]、双馈式多自由度电动机[2]、无刷直流式多自由度电动机[6]、永磁式

多自由度电动机[7](含直流、步进、同步式)、超声波多自由度电动机[8]、磁悬浮球

形电动机[9]、组合式多自由度电动机等。球形结构的多自由度电动机在各类之中占

据主导地位，因为球形结构最有利于多维运动，可以绕球心做任意角度和方向的

转动，便于定位和运行。上述各类多自由度电动机中，除了超声波多自由度电动

机，其余均是基于电磁原理的，大部分研究还不够深入，处于实验室阶段。

§1.2.2 国外多自由度电动机的研究与发展状况

早在 20 世纪 50 年代，乌克兰学者就研究出了球形电机的实验模型以及相关理

论，随后欧美也开始了相关研究。前苏联学者А.Н.Милях等人在同世纪 50

年代初就对球形电机进行了基础研究，著有《三自由度电机电气系统基本理论》

一书，主要从理论上介绍了他们研制的实验型具有自整角机功能的球形电机模型。

1959 年英国学者 Williams 和Laithwaite 等人介绍了感应式球形电机，主要用于改

善调速性能，Davey 等人分析了该电机的电磁场[10]，但该球形电动机定子铁芯和

绕组复杂，同时其固有的伺服特性较差，导致这种电机没有得到发展。

到了 80 年代，因为机器人技术的蓬勃发展，机器人关节需要多维运动及精简

机构，因此美国、日本、德国等国家又开启了球形电机的研究热潮。美国乔治亚

理工学院的 Kok-Meng Lee 等人对球形电机进行了一系列的研究[11-24]，他和 George

Vachtsevanos 等人在 1987 年提出了三绕组感应式球形电动机，并在电磁场的角度

从概念上完善了该种电机的设计，1988 年，Kok-Meng Lee 等人指出感应式球形电

机的缺点，指出多自由度步进电机与普通步进电机的不同，又首次提出了变磁阻

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摘要随着工业的发展，传统的单自由度电机已无法满足日益复杂的机械系统的要求，永磁球形步进电动机作为一种新型的多自由度球形电机，能使三维运动缩小在一个较小的空间里实现，减小了体积和质量、简化了系统结构，提高了电机系统的动静态性能和精度，在机器人关节、机械手等需要三维运动的装置的应用中有很大优势，成为电机领域中的研究前沿。本文针对DavidStein等人设计的永磁球形步进电动机作为研究对象，重点对其结构设计、控制驱动器以及控制算法进行研究，主要研究内容如下：永磁球形步进电动机是一种高精度的机械系统，本文在Chirikjian等人的设计思想基础上，对其结构进行改善，设计电机各部分参数，并在AutoCA...

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