仿人機器人關節(jié)用永磁球形步進電動機的基礎研究.pdf

1、本論文在系統(tǒng)分析多自由度電機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢的基礎上,針對一種新型仿人機器人關節(jié)用永磁球形步進電動機進行了分析和研究,建立和提出了適合于該電機的磁場和轉矩計算、力學建模、穩(wěn)態(tài)熱分析和運動控制等方面的理論與分析方法.由于永磁球形步進電機獨特的三維球形結構,使得該電機的理論研究與傳統(tǒng)電機具有明顯的不同.目前該類電機的研究較為匱乏,因此,研究成果可為同類型電機的研究提供借鑒和參考.與一般多自由度電機相比,永磁球形步進電機具有結構簡單、體積相對

2、較小、控制簡單、力能指標較高等優(yōu)點.作為執(zhí)行元件在驅動機構完成三維空間運動方面,能有效簡化機構的復雜度、提高系統(tǒng)的動靜態(tài)性能,也因此成為當前機電驅動元件的一個研究前沿,不僅具有較深的理論研究背景,也具有良好的實際應用意義. 本論文的主要工作具體包括以下幾個方面: 1、對電機的永磁體產(chǎn)生的磁場進行建模和分析,并用積分方程法和三維有限元法對電機進行了分析、建模和計算,得到了電機氣隙磁場整體分布規(guī)律,并將兩種方法加以對比驗證.

3、 2、通過建立該電機電磁轉矩的麥克斯韋張量法計算模型,得到了電機的轉矩特性,同時采用虛位移法進行計算,兩種方法的計算結果十分接近.在此基礎上,分別研究了電機的單對極轉矩特性、相鄰轉子磁極之間相互作用以及定位轉矩特性.在對電機電磁系統(tǒng)進行線性解析分析的基礎上,建立了適合于電機實時運動控制的簡化轉矩計算模型.最后針對電機的結構參數(shù)和轉矩特性進行了分析和探討,包括結構參數(shù)對于轉矩特性和動態(tài)響應的影響、基于試驗設計方法的電磁系統(tǒng)優(yōu)化.

4、 3、在運動學建模方面,建立了電機的單剛體和帶有滑軌支架的剛體系運動學模型,為采用滑軌支架位置檢測裝置進行實時位置檢測提供了理論基礎.基于動量矩定理建立了電機的剛體動力學方程,在考慮負載轉矩和非線性摩擦的情況下,建立了電機完整的剛體系力學模型,由此可以對電機的動態(tài)過程和控制策略進行仿真研究.對電機動態(tài)響應過程進行了仿真分析,給出了仿真結果.在穩(wěn)態(tài)溫度場分析方面,主要針對離散步進和連續(xù)軌跡跟蹤兩種控制模式下電機的發(fā)熱情況進行了研究,

5、探討了定子材質、厚度、冷卻方式等與電機溫升的關系,給出了具體的計算結果. 4、在對電機運動特點進行分析的基礎上,提出了改進的運動控制算法,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,突破了該電機軌跡跟蹤控制精度較差的缺點.在此基礎上.針對電機負載轉矩及非線性摩擦明顯的特點,結合前面所建立的簡化轉矩計算方法和系統(tǒng)的非線性模型,進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抵消其對