【摘要】：球形電動機可以以單臺電機實現(xiàn)多自由度運轉(zhuǎn)而受到越來越多的研究者的重視。本文研究了一款三自由度永磁球形電動機,對其機械結(jié)構(gòu)及三自由度的運動性能進行了介紹。對永磁球形電動機的磁場、轉(zhuǎn)矩、運動奇點情況進行了分析,給出了永磁球形電動機轉(zhuǎn)子運動的描述方法,并推導(dǎo)出了永磁球電動機的動力學(xué)模型。對該球形電動機的轉(zhuǎn)子位置檢測問題進行了研究,提出了基于光學(xué)特征點識別的永磁球形電動機轉(zhuǎn)子位置檢測方法并進行了實驗驗證。對永磁球形電動機進行了逆運動學(xué)求解,確定了永磁球形電動機定子線圈通電方法,設(shè)計了永磁球電動機驅(qū)動電路,并進行了仿真和實驗研究。相關(guān)的研究成果可為同類電機的研究提供參考和借鑒。本文的主要具體工作包括以下幾個方面:1、介紹了永磁球形電動機的結(jié)構(gòu),對其定、轉(zhuǎn)子的構(gòu)成進行了詳細介紹;定義了定子靜坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子動坐標(biāo)系,以幫助描述球形電動機的轉(zhuǎn)動,并分析了永磁球形電動機的三自由度運動性能。借助ANSOFT軟件對永磁球形電動機的磁場進行了有限元分析,運用虛位移法求導(dǎo)出了單只通電線圈與單只永磁體相互作用產(chǎn)生的電磁力矩,并在此基礎(chǔ)上,運用疊加定理得出永磁球形電動機的定、轉(zhuǎn)子角度轉(zhuǎn)矩方程;分析了永磁球形電動機的運動奇點情況,證明所研究的永磁球形電動機遠離運動奇點。2、使用歐拉角、四元數(shù)的方法描述永磁球形電動機轉(zhuǎn)子的運動,并對兩種方法的原理進行介紹,給出了兩種方法的表達式;并在拉格朗日方程的基礎(chǔ)上結(jié)合歐拉角推導(dǎo)出了永磁球形電動機的動力學(xué)模型;四元數(shù)的方法可用于永磁球形電動機位置檢測對比實驗中的MEMS傳感器中位置信息的理論推導(dǎo)。3、提出了基于光學(xué)特征點識別的永磁球形電動機轉(zhuǎn)子位置檢測方法;分析了基于針孔模型的攝像機成像模型,給出了光學(xué)特征點生成模塊的構(gòu)成,運用圖像處理方法,對攝像機所得圖像中的光學(xué)特征點進行中心坐標(biāo)提取與識別。通過張氏標(biāo)定法可獲得攝像機的內(nèi)部參數(shù)矩陣;通過高速攝像機、球形電動機及安裝于其輸出軸上的光學(xué)特征點生成模塊的安裝位置關(guān)系可得到攝像機的外部參數(shù)矩陣。給出了獲得攝像機內(nèi)部參數(shù)及外部參數(shù)后,通過攝像機拍攝的圖像獲取光學(xué)特征點在世界坐標(biāo)系中的實際位置,并進一步地計算出球形電動機轉(zhuǎn)子位置的方法。最后通過球形電動機的中心點自轉(zhuǎn)運動、偏轉(zhuǎn)運動、軸向俯仰運動三種基本運動進行轉(zhuǎn)子位置檢測實驗研究,實驗結(jié)果表明該檢測方法可準(zhǔn)確地檢測出球形電動機的轉(zhuǎn)子位置信息,并對轉(zhuǎn)子位置檢測結(jié)果按俯仰角、偏航角及自轉(zhuǎn)角三個角度進行定量分析與誤差計算。4、對永磁球形電動機進行了逆運動學(xué)求解,并在求解出三個角度的基礎(chǔ)上,結(jié)合永磁球電動機轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置與期望位置及定、轉(zhuǎn)子角度轉(zhuǎn)矩方程,確定通電的定子線圈并計算出通電電流的大小和方向;給出了永磁球形電動機中心點自轉(zhuǎn)運動、軸向俯仰運動及偏轉(zhuǎn)運動的通電方法,并對通電過程中能夠產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩進行了仿真分析;設(shè)計了一套由24只恒流驅(qū)動模塊電路構(gòu)成的永磁球形電動機驅(qū)動電路,每只恒流驅(qū)動模塊電路最大可輸出5A的恒定電流,且電流方向可調(diào),通過485總線發(fā)送控制指令至所有的恒流驅(qū)動模塊電路,可實現(xiàn)永磁球形電動機定子線圈的驅(qū)動控制;對永磁球形電動機的中心點自轉(zhuǎn)運動、軸向俯仰運動及偏轉(zhuǎn)運動進行了實驗研究,實驗結(jié)果驗證了通電方法和驅(qū)動電路的有效性。
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM351
【圖文】：

馨．＿逡逑Ｓｌａｔ0ｒ邐ｒｏｔａｔｉｎｇ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ逡逑圖１－５漢陽大學(xué)設(shè)計的輪式球形電動機逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ邋ｗｈｅｅｌ邋ｍｏｔｏｒ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｈａｎｙａｎｇ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ逡逑（４）永磁球形電動機逡逑１９９７年，英國謝菲爾德大學(xué)的學(xué)者ＬＷａｎｇ、Ｇ．ＷＪｅｗｅｌｌ等提出了一種新型逡逑４逡逑

邐Ｗ邐Ｍａｕ，ｒ邋ｓｈｅｌｌ邋ｍ邋＾逡逑圖１－４邋Ｋ．Ｍ．邋Ｌｅｅ團隊設(shè)計的輪式球形電動機逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ邋ｗｈｅｅｌ邋ｍｏｔｏｒ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｋ．Ｍ．Ｌｅｅ’ｓ邋ｔｅａｍ逡逑２００８年，韓國漢陽大學(xué)的Ｃｈａｎｇ－Ｈｙｕｎ邋Ｃｈｏ等提出了一種輪式球形電動機，逡逑可實現(xiàn)三自由度運轉(zhuǎn)〖１４，１５］，該輪式球形電動機包含１２只定子線圈，分成兩層分逡逑布于赤道兩側(cè)，以及４只轉(zhuǎn)子磁極。轉(zhuǎn)子體由滑軌式支架支撐，可保證其在定子逡逑殼內(nèi)進行三自由度運轉(zhuǎn)。他們使用有限元的方法對該電動機進行三維分析，為了逡逑提高輪式球形電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，提出了采用回歸函數(shù)的方法以提高電動機的性逡逑能，與有限元計算法相比，采用回歸函數(shù)法可使空間定位更加精確、計算時間更逡逑短。逡逑＾＾Ａｌｐｈａ邋ｔｉｌｔｉｎｇ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ逡逑Ｇｕｉｄｅ邋Ｆ：ｍｅ邐，你遍邐Ｒ0，0ｒ逡逑馨．＿逡逑Ｓｌａｔ0ｒ邐ｒｏｔａｔｉｎｇ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ逡逑圖１－５漢陽大學(xué)設(shè)計的輪式球形電動機逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ邋ｗｈｅｅｌ邋ｍｏｔｏｒ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｈａｎｙａｎｇ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ逡逑（４）永磁球形電動機逡逑１９９７年

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