CN102412763B - 永磁无轴承自悬浮三自由度球形电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机设计和控制技术领域，涉及一种永磁无轴承自悬浮三自由度球形电机，包括底座，球形定子壁、定子线圈和转子，转子位于定子壁内，其输出轴从定子壁上方的开口处伸出，其特征在于，定子线圈为柱形无铁心结构，沿球形定子壁的赤道及与赤道平行的纬线上均匀分布3层，呈放射状固定在球形定子壁上；转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿与赤道分为上下两层，每层的N极和S极交替分布；每个定子线圈由一个驱动电路独立控制。本发明同时提供一种上述电机的控制方法。本发明的电机及其控制方法，实现了磁悬浮力的可控和电机的无轴承运行，并改善了电机的运动特性，提高了电机控制***设计的灵活性。

Description

永磁无轴承自悬浮三自由度球形电机及其控制方法

技术领域

本发明属于电机设计和控制技术领域，涉及一种多自由度球形电机。

背景技术

随着科技的进步，多自由度运动机构的应用范围越来越广。传统的多自由度运动机构是由多台单自由度电机联合实现的，机构庞大、传动精度低、控制困难。球形电机可以实现转子三个自由度的运动，在机器人、纳米工作平台等高精度控制***中具有广泛的应用前景，而永磁球形电机还具有体积较小、转矩密度较高等特点。

由于特殊的结构和运动方式，球形电机转子的支撑装置也不同于普通电机。之前研究的结构方案中，转子的支撑方式主要采用以下方式：直接接触、万向球轴承、关节轴承、空气轴承等。这些接触方式都存在一些问题，在直接接触方式中，转子直接放置在定子内壁或滑环上，虽然采用低摩擦系数的涂层来减小滑动摩擦，但摩擦转矩仍然会对转子的运动产生影响，如专利200810053083.5中所涉及到的；万向球轴承利用滚动摩擦代替滑动摩擦，虽然减小了摩擦转矩，但由于轴承与转子是点接触，压强较大，有可能会损坏转子表面；关节轴承能较好的实现转子的三自由度运动，但这种轴承比较适合电机的低速运动；空气轴承能实现定转子之间非接触，大大减小了摩擦力，但需要额外的空气加压装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有的球形电机转子支撑方式的缺陷，提出一种能够防止转子和定子之间产生摩擦力的三自由度球形电机。本发明的技术方案如下：

一种永磁无轴承自悬浮三自由度球形电机，包括底座，球形定子壁、定子线圈和转子，转子位于定子壁内，其输出轴从定子壁上方的开口处伸出，其特征在于，定子线圈为柱形无铁心结构，沿球形定子壁的赤道及与赤道平行的纬线上均匀分布3层，呈放射状固定在球形定子壁上；转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿与赤道分为上下两层，每层的N极和S极交替分布；每个定子线圈由一个驱动电路独立控制。

本发明同时提供一种上述的电机采用的控制方法，包括下列步骤：

(1)利用位移传感器和角度传感器检测转子位置，获取定子坐标系下转子偏移量和转过的欧拉角；

(2)利用坐标变换原理，将各个定子线圈的位置坐标转换到转子球坐标系下，并计算各个定子线圈与转子之间的气隙长度；

(3)计算各定子线圈通单位电流时产生的电磁力，并将计算结果转换到定子直角坐标系，并计算出电磁力在直角坐标系下对应的电磁转矩；

(4)根据电机运行时所需磁悬浮力和输出的驱动转矩，计算出每个线圈电流的大小和方向；

(5)根据上步求出的电流，实时控制各线圈的电流的大小和方向，使转子悬浮在稳定位置并输出所需的转矩。

本发明提出的是一种无轴承自悬浮三自由度球形电机及其控制方法，利用径向电磁力产生支撑力，实现了磁悬浮力的可控和电机的无轴承运行；利用切向电磁力产生的电磁转矩驱动转子，实现三自由度运动，改善了电机的运动特性，提高了电机控制***设计的灵活性。具体而言，有益效果如下：

1、永磁无轴承自悬浮三自由度球形电机可实现空间上的多自由度运动，将其应用于机器人、精密仪器等领域，可大大简化机械***的设计。

2、永磁无轴承自悬浮球形电机实现转子的自悬浮控制，定转子之间非接触，克服了摩擦转矩对运动控制的不利影响。

3、永磁无轴承自悬浮球形电机利用定子线圈产生的电磁力的径向分量合成磁悬浮力，无需另加辅助装置，简化了电机结构。

4、由于定子线圈采用无铁心结构，定子线圈之间无耦合效应，每个线圈由一个驱动电路独立控制，简化了控制***。

5、定子绕组线圈按等经度和等纬度均匀分布，通过控制线圈电流以及通电线圈的位置与个数可以调节总电磁转矩的方向和大小，能够获得不同的转矩-特性，满足不同的控制要求。

附图说明

图1永磁无轴承自悬浮三自由度球形电机结构图。

图中标号名称为：1定子壁；2定子线圈；3线圈螺栓；4球转子；5输出轴；6底座。

图2转子球体结构图。

图中标号名称为：41永磁体磁极

图3控制流程图。

图4转子球心偏移示意图。

图5δ＝1.5mm时球形转子坐标系下的电磁力。(a)f_r分量分量(c)f_θ分量。

具体实施方式

永磁无轴承自悬浮三自由度球形电机包括支撑部分、定子和球形转子传感器四部分，其中，支撑部分包括定子壁1，底座6，定子包括空心线圈2、线圈螺栓(3)，球形转子4上固定输出轴5。电机基本结构如图1所示。转子表面粘贴永磁体磁极41，磁极沿赤道分为上下两层，每层6极，每一层磁极N、S极交替，上、下两层磁极N、S极交替。如图2所示。

当定子绕组通电后，绕组受到的电磁力将包含径向分量和切向分量。电磁力的径向分量不产生电磁转矩，但其能够使转子产生位置偏移，电机运行前，转子被支撑在底座上的支架上，通电后，位移传感器可以检测到转子位置，控制器调节各线圈的电流，各线圈产生的电磁力的合力托起转子，至转子球心与定子球心的重合位置，此位置即为电机稳定运行时的位置。电机运行时，一旦转子位置偏移稳定运行位置，位移传感器将偏移量、角度传感器将转子转过的欧拉角反馈到控制***，控制器做出相应调整，使转子回复到稳定位置。另一方面，电磁力的切向分量产生电磁转矩驱动转子旋转，控制器调节各线圈电流的转矩分量，产生所需要的电磁转矩驱动转子进行偏航、倾斜和旋转运动。由于永磁无轴承自悬浮球形电机中磁路不饱和，电流的电磁力分量和转矩分量可独立控制。控制流程图如图3所示。具体的控制方法为：

1.电机运行前，定子线圈与转子接触，并提供支撑力。电机正常运行时，转子与定子球心重合，该位置为球形转子的稳定位置。一旦运行过程中发生偏移，如图5所示，转子球心初始点为O，发生偏移后变为O₁，偏移量为OO₁用矢量Δr表示，传感器检测转子位置，获取转子偏移量Δr和转子转过的欧拉角α、β和γ。

2.利用坐标变换原理，将定子各线圈的位置坐标转换到转子球坐标系下。各定子线圈在定子坐标系下的位置坐标已知，由电机结构确定。设第i个定子线圈在定子坐标系的坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，在转子直角坐标系下的坐标(x_i，y_i，z_i)，则

(x_i，y_i，z_i)＝(X_i，Y_i，Z_i)*R(α，β，λ)*L^-1     i＝1...24       (1)

其中R(α，β，γ)为欧拉角旋转变换矩阵，L为关于Δr的平移矩阵，上标-1为矩阵求逆运算，下标i表示定子线圈标号。

考虑到永磁球形磁场和转矩通常在球坐标系下进行分析，该线圈在转子球坐标系下的位置可表示为

$\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_i=2\mathrm{\π}-\arccos \frac{x_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2}}$

该线圈与转子球心间的距离

$R_i=\sqrt{{(X_i-\mathrm{\Δx})}^2+{(Y_i-\mathrm{\Δy})}^2+{(Z_i-\mathrm{\Δz})}^2}---\left(3\right)$

其中[Δx Δy Δz]为Δr在定子直角坐标系下的分量，由位移传感器获得。

则该线圈定、转子间气隙长度为

δ_i＝R_i-R_in    (4)

其中R_in为转子半径。

3.由于定子绕组为空心线圈，气隙磁场主要由转子磁极建立，已知每个定子在转子球坐标系下的位置与定转子间气隙长度，根据电机的电磁力模型(通过有限元方法或解析法得到)，可得到定子线圈在此位置产生的电磁力参考坐标为转子球坐标系。图5给出了在一个转子磁极下，定转子气隙为1.5mm、定子线圈电流为1A时，转子球坐标系下电磁力的几F_r分量、

分量和F_θ分量与线圈位置之间的关系。

4.利用坐标变换，可获得电磁力在转子直角坐标系下的分量

其中上标T为矩阵转置运算，而变换矩阵T为

因此，转子直角坐标系下该定子线圈产生的转矩可表示为

M_i(x，y，z)＝[x_i，y_i，z_i]×[F_i，x，F_i，y，F_i，z](6)

5.考虑到永磁无轴承自悬浮球形电机中，磁悬浮力在定子直角坐标系下表示比较方便，因此将线圈产生的电磁力转换到定子直角坐标系下，表示为

6.重复步骤1-5，可得到所有24个线圈通过单位电流时，产生的电磁力和电磁转矩。

7.在永磁球形电机中，定子磁路不饱和，定子线圈产生的电磁力与通过的电流成线性关系。将24个线圈通过单位电流时产生的电磁力和电磁转矩组成力矩阵F和转矩矩阵M(均为3*24的矩阵)，而24个线圈电流组成电流向量I，可得力矩阵F、转矩矩阵M电流向量I和需产生的悬浮力矢量[F_XF_YF_Z]、电磁转矩[M_xM_yM_z]之间满足关系

[F_X，F_Y，F_Z]^T＝F(X，Y，Z)·I_F

[M_x，M_y，M_z]^T＝M(X，Y，Z)·I_M      (8)

其中I_F为线圈电流中控制悬浮力的分量，I_M为控制转矩的分量。

8.由式(8)可得出I_F和I_M

I_F＝F^-1(X，Y，Z)·[F_X，F_Y，F_Z]^T

I_M＝M^-1(X，Y，Z)·[M_x，M_y，M_z]^T    (9)

其中F^-1和M^-1为F与M的广义逆矩阵。因此，线圈电流向量为

I＝I_F+I_M                          (10)

9.在永磁无轴承自悬浮球形电机中，每个定子线圈均连接独立的H桥型主电路，控制策略采用滞环控制，将由式(10)得到的线圈电流I作为参考电流输入到滞环比较器中，得出的开关信号控制主电路功率管的开通与关断，使定子线圈的电流跟踪给定的参考电流，最终实现电机的自悬浮稳定运行。

Claims (1)

1.一种永磁无轴承自悬浮三自由度球形电机的控制方法，所适用的电机包括底座，球形定子壁、定子线圈和转子，转子位于定子壁内，其输出轴从定子壁上方的开口处伸出，其特征在于，定子线圈为柱形无铁芯结构，沿球形定子壁的赤道及与赤道平行的纬线上均匀分布3层，呈放射状固定在球形定子壁上；转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿赤道分为上下两层，每层的N极和S极交替分布，上、下两层磁极N、S极交替；每个定子线圈由一个驱动电路独立控制，其特征在于，包括下列步骤：

（1）电机运行前，定子线圈与转子接触，并提供支撑力；

（2）利用位移传感器和角度传感器检测转子位置，获取定子坐标系下转子偏移量和转过的欧拉角；

（3）利用坐标变换原理，将各个定子线圈的位置坐标转换到转子球坐标系下，并计算每个线圈与转子之间的气隙长度；

（4）计算每个线圈通单位电流时产生的电磁力，并将计算结果转换到定子直角坐标系，并计算出电磁力在直角坐标系下对应的电磁转矩；

（5）重复步骤（3）和（4）得到所有线圈通过单位电流时，产生的电磁力和电磁转矩；

（6）根据电机运行时所需磁悬浮力和输出的驱动转矩，计算出每个线圈电流的大小和方向；

（7）根据上步求出的电流，实时控制各线圈的电流的大小和方向，使转子悬浮在稳定位置并输出所需的转矩。

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