永磁转子偏转式三自由度电机转子位置非接触式磁敏检测方法的研究

摘要

在现代工业科技水平不断提高和人工智能化不断发展的今天，驱动机构往往需要完成多个方向上的运动。在用传统电动机实现多自由度运动时，需要多台电机同时运作，且其机械传动机构较为复杂，因此早已不适应现代科技发展的需求。能够独立完成多个方向运动的多自由度电动机应运而生。电机理论、控制理论的不断发展，电机制造工艺水平的不断改进和完善，为实现多自由度电动机的复杂控制奠定了理论基础。随着多种永磁材料如铝镍钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料的出现，使体积庞大、结构复杂的电动机逐步被由永磁材料制作成的结构简单、体积轻便、操作方便的执行机构代替，因此永磁多自由度电动机成为目前的研究热点。
　　在参考国内外学者研发的多种结构的多自由度电动机及其位置检测方法的基础上，针对双层定子线圈、单层圆鼓形永磁转子结构的偏转式三自由度电动机，提出一种转子位置检测方法，进行了永磁体磁场建模、检测算法应用及检测系统装置的设计等基础研究。
　　本论文的研究工作具体包括以下几个方面:
　　1)介绍了多自由度永磁电动机的优越性能，并总结概括了到目前为止国内外研究制造的各种不同结构的多自由度电动机，在此基础上对三自由度运动电动机的转子位置检测方法进行分类描述。介绍了其最新研究进展中的各种问题，并讨论了永磁多自由度电动机的发展前景和趋势。
　　2)利用PRO/E软件对一种永磁转子偏转式三自由度电动机进行仿真建模。介绍了这一新型三自由度电动机的结构和尺寸，同时对其三自由度运动的基本原理进行了详尽的描述。
　　3)以形状简单的圆柱体为例，用较为成熟的分布式多极(DMP)模型和本文讨论的分子电流模型对其进行建模仿真，应用MATLAB软件对所建立的模型进行对比分析，最终证明两种方法的仿真结果相一致，且误差在可接受范围之内，进一步验证了该方法的合理性。
　　4)本文所讨论的永磁偏转式三自由度电动机的转子形状较为特殊，为圆鼓形，采用分子电流模型对其进行仿真建模。并详细论述了采用磁敏传感器测量永磁体磁场来进行位置检测的方法。经过分析计算可以得到，永磁体磁场与旋转角度的关系与多项式逼近法的仿真结果相近，误差较小。
　　5)基于对磁场和位置检测系统的理论分析，针对具有代表性的阶梯型永磁体，搭建了基于霍尔传感器的转子位置检测实验平台。以ARM系列STM32F103RCT6开发板作为下位机的核心，上位机界面的显示采用VB与MATLAB软件结合的方法。在此基础上，提出并采用两种位置检测的方法，一是传统高斯计测量方法，二是自动检测方法。分别将两种方法用于该转子的位置检测实验中，并进行对比分析。实验结果证明了所搭建的自动检测系统和文中讨论的转子位置检测算法具有一定的可行性和合理性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 多自由度电机的国内外研究现状

1．2．1 国外多自由度电机的研究现状

1．2．2 国内多自由度电机的研究现状

1．3 多自由度电机位置检测技术的研究进展及发展方向

1．3．1 多自由度电机位置检测技术的研究进展

1．3．2 多自由度电机位置检测技术的发展方向

1．4 本文研究的主要内容

第2章 永磁偏转式三自由度电机的结构模型

2．1 引言

2．2 永磁转子偏转式三自由度电机的结构和工作原理

2．2．1 电机结构

2．2．2 永磁转子偏转式三自由度运动电机的工作原理

2．4 本章小结

第3章 基于分子电流模型的永磁体磁场建模与验证

3．1 引言

3．2 安培分子环流假说

3．3 毕奥-萨伐尔定律

3．4 磁化强度M

3．5 圆柱形永磁体的分子电流模型与验证

3．5．1 圆柱形永磁体的分子电流模型建模

3．5．2 圆柱形永磁体的分子电流模型验证

3．6 本章小结

第4章 基于分子电流模型的永磁偏转式三自由度电机转子建模

4．1 引言

4．2 基于分子电流模型的永磁偏转式三自由度电机转子建模

4．2．1 圆鼓形转子建模

4．2．2 等效电流密度Js求解

4．2．3 圆鼓形永磁体的旋转磁场

4．3 基于分子电流模型的转子位置检测方法

4．4 传感器放置位置的影响

4．5 本章小结

第5章 永磁转子偏转式三自由度电机位置检测方法的实验研究

5．1 检测方法的总体方案设计

5．2 高斯计多点测量方法

5．3 基于磁敏传感器的自动检测装置

5．3．1 磁敏传感器

5．3．2 下位机

5．3．3 上位机软件设计

5．4 实验结果

5．4．1 高斯计多点测量方法

5．4．2 自动检测方法

5．4．3 两种方法的对比

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢