仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)用永磁球形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)研究.pdf

1、本論文在系統(tǒng)分析多自由度電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)的基礎(chǔ)上,針對(duì)一種新型仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)用永磁球形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了分析和研究,建立和提出了適合于該電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩計(jì)算、力學(xué)建模、穩(wěn)態(tài)熱分析和運(yùn)動(dòng)控制等方面的理論與分析方法.由于永磁球形步進(jìn)電機(jī)獨(dú)特的三維球形結(jié)構(gòu),使得該電機(jī)的理論研究與傳統(tǒng)電機(jī)具有明顯的不同.目前該類電機(jī)的研究較為匱乏,因此,研究成果可為同類型電機(jī)的研究提供借鑒和參考.與一般多自由度電機(jī)相比,永磁球形步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積相對(duì)

2、較小、控制簡(jiǎn)單、力能指標(biāo)較高等優(yōu)點(diǎn).作為執(zhí)行元件在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成三維空間運(yùn)動(dòng)方面,能有效簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度、提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能,也因此成為當(dāng)前機(jī)電驅(qū)動(dòng)元件的一個(gè)研究前沿,不僅具有較深的理論研究背景,也具有良好的實(shí)際應(yīng)用意義. 本論文的主要工作具體包括以下幾個(gè)方面: 1、對(duì)電機(jī)的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行建模和分析,并用積分方程法和三維有限元法對(duì)電機(jī)進(jìn)行了分析、建模和計(jì)算,得到了電機(jī)氣隙磁場(chǎng)整體分布規(guī)律,并將兩種方法加以對(duì)比驗(yàn)證.

3、 2、通過建立該電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的麥克斯韋張量法計(jì)算模型,得到了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性,同時(shí)采用虛位移法進(jìn)行計(jì)算,兩種方法的計(jì)算結(jié)果十分接近.在此基礎(chǔ)上,分別研究了電機(jī)的單對(duì)極轉(zhuǎn)矩特性、相鄰轉(zhuǎn)子磁極之間相互作用以及定位轉(zhuǎn)矩特性.在對(duì)電機(jī)電磁系統(tǒng)進(jìn)行線性解析分析的基礎(chǔ)上,建立了適合于電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型.最后針對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了分析和探討,包括結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于轉(zhuǎn)矩特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響、基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的電磁系統(tǒng)優(yōu)化.

4、 3、在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方面,建立了電機(jī)的單剛體和帶有滑軌支架的剛體系運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,為采用滑軌支架位置檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)位置檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ).基于動(dòng)量矩定理建立了電機(jī)的剛體動(dòng)力學(xué)方程,在考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩和非線性摩擦的情況下,建立了電機(jī)完整的剛體系力學(xué)模型,由此可以對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過程和控制策略進(jìn)行仿真研究.對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了仿真分析,給出了仿真結(jié)果.在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析方面,主要針對(duì)離散步進(jìn)和連續(xù)軌跡跟蹤兩種控制模式下電機(jī)的發(fā)熱情況進(jìn)行了研究,

5、探討了定子材質(zhì)、厚度、冷卻方式等與電機(jī)溫升的關(guān)系,給出了具體的計(jì)算結(jié)果. 4、在對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制算法,并加以仿真研究和分析,證明了算法的合理性、有效性與可行性.提出了連續(xù)軌跡跟蹤的控制思想,突破了該電機(jī)軌跡跟蹤控制精度較差的缺點(diǎn).在此基礎(chǔ)上.針對(duì)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及非線性摩擦明顯的特點(diǎn),結(jié)合前面所建立的簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法和系統(tǒng)的非線性模型,進(jìn)行了采用魯棒控制理論,通過在模型中引入不確定性因素來(lái)抵消其對(duì)