圆柱定子3自由度球转子超声波电机驱动控制技术的研究

驱动控制电源的设计和制作直接决定了超声波电机的输出性能，国内超声波电机产业化空白的最主要原因之一是驱动控制手段的落后。该文从原理上提出了3自由度超声波电机驱动控制电源的要求，以自行设计的圆柱定子3自由度球转子超声波电机为驱动控制对象，设计并实现了3种可用于3自由度驱动控制的电源。一种基于高频开关电源技术设计，适用于一般的控制，第二种对两相驱动控制电源的改进设计，适用于实验室调试，性价比较高，另一种是基于DSP技术的驱动控制电源，适用于超声波电机的产业化制造。实验证明，3种驱动控制电源适用于任意一种结构的3自由度超声波电机的驱动控制，并通过对电机输出性能的测试，验证了3种驱动控制电源的可行性和正确性，为提高3自由度超声波电机的能量转换效率和进一步增大电机的输出性能奠定了必要的技术和理论基础。     

基于结构对称性的新型直线超声电机的研究

针对小型超声电机两自由度驱动功能的需求,分析了两种对称性结构的振动特性,及其在超声电机中的典型应用方式和电机工作原理;并基于两种对称性,设计了一种通过低刚度梁串联组合换能器结构,通过对电机振动特性进行有限元仿真,阐明了工作原理,进而设计、组装了一种新型超声电机并进行了性能测试及分析。新型电机采用了多种模态复合激励的方式,实现了平面两自由度的驱动功能。     

多自由度电机的发展及关键技术综述

多自由度电机可以实现空间中的复杂运动,且具有结构简单、精确度高等优势,在机器人仿生关节、机械手臂及工业制造业上具有广阔的应用前景。对多自由度电机的背景、基本原理及技术优势进行了相关叙述。按照驱动机理的不同将多自由度电机进行分类,并对当前多自由度电机的国内外研究现状进行了总结。此外,基于多自由度电机的运动特点,对电机控制过程中的位置检测技术和运动控制策略进行了相关分析。最后,从多自由度电机的结构、控制体系、材料及制造工艺等方面进行了相关的叙述,对多自由度电机的发展趋势进行预测。通过对多自由度电机的研究与分析,为其未来的发展提供参考。     

二自由度行波型超声波电机的驱动和运动姿态控制

球形二自由度行波型超声波电机是一种多自由度超声波电机,文中介绍了一种二自由度行波型超声波电机简要的结构和机理,并介绍其驱动控制电源的设计,然后提出了一种新颖的电机姿态测量机构,最后研制基于相位差PI控制策略的电机驱动和运动姿态控制系统.实验表明,球形二自由度超声波电机驱动和运动姿态控制是可行和正确的,而且具有较高的定位精度.本文为二自由度行波型超声波电机的优化设计和性能提高奠定了理论基础.     

多自由度平面感应电机发展综述

多自由度平面感应电机具有集成度高、空间体积小、运动灵活多变等优点,在需要全向驱动的场合已得到应用,有着重要的研究意义和发展前景。主要介绍了多自由度平面感应电机的研究现状,对几种多自由度平面感应电机的结构及各自的工作原理和特点展开分析,指出了多自由度平面感应电机在现研究阶段存在的缺点和不足,并提出了一些性能优化方法,探讨了多自由度平面感应电机在未来的发展前景及趋势。     

一种新型三环定子多自由度超声电机

由于环形行波定子发展较为成熟,性能较为稳定,但只能实现单自由度旋转运动,对此提出了一种三环形定子多自由度球形超声电机,通过三个环形行波定子空间排布和激励电压的协调控制实现球形转子的三自由度运动。首先,详细介绍了三环形定子多自由度球形超声电机的结构及其所选材料;然后对环形行波定子和三环形定子多自由度球形超声电机进行理论分析,论证环形行波定子的驱动作用和三自由度运动的可行性;再通过有限元分析对环形行波定子进行模态和瞬态仿真;最后通过实验测试证明三环形定子多自由度球形超声电机,得出超声电机的输出性能,验证三环形定子多自由度球形超声电机的可行性。     

定子励磁型混合磁路直线旋转永磁电机磁路设计与实验研究

针对智能装备系统直线与旋转两自由度驱动需求,提出定子励磁型混合磁路直线旋转永磁(statorexcitedhybrid magnetic circuit linear and rotary permanent magnet,SEHMCLRPM)电机,采用轴向和径向双凸极齿结构,轴向直线运动与径向旋转运动磁场共用定、转子磁路。永磁体设置在定子上,动子上既无绕组也无永磁体,动子结构简单坚固,重量轻,具有转矩惯量比高、动态响应速度快、可靠性高等特点;定子同时设置有直线与旋转两套绕组,直线和旋转运动控制独立,降低两自由度驱动控制的复杂度。分析该类电机的运行原理和结构特点,探讨混合磁路特征,构建该类SEHMC-LRPM电机的解耦等效磁路模型,实现该类电机的磁路设计。在此基础上,基于3D有限元方法分析混合磁路与两自由度耦合磁场,揭示两自由度磁场与电机磁场分布、空载和负载特性的关系。最后,加工制造样机,并进行实验研究,验证该电机结构的有效性和理论分析的正确性。     

直线旋转永磁电机及其控制技术综述与新发展

直线旋转永磁(linear and rotary permanent magnet,LRPM)电机是一种具有直线、旋转和螺旋驱动的两自由度电机,在智能制造装备、交通运输装备、新能源发电、国防装备等领域具有广阔的应用前景。主要论述直线旋转永磁电机的基本特点,分析几种典型的直线旋转电机的结构及工作原理,提出一种新的直线旋转永磁电机拓扑结构。在此基础上,分析直线旋转永磁电机的设计与优化方法,推导磁路独立的直线旋转永磁电机数学模型。在直线、旋转和螺旋驱动需求下,分别研究几种典型直线旋转永磁电机的控制技术。针对目前直线旋转永磁电机控制技术的需求,提出一种多运行模式协调控制策略。最后,给出了直线旋转电机及控制技术的发展趋势,展望其的应用前景。     

多自由度超声电机驱动电路研究

针对多自由度超声电机应用于X-Y工作平台相对复杂的逻辑电路控制要求,提出模拟式与数字式两种驱动电路解决方案,分别从信号输出原理、逻辑控制策略及并联谐振匹配方面对比研究了各自方案的特点,并在此基础上着重讨论了并联谐振匹配各参数对电路效率的影响。研究结果表明,一方面方波占空比D对抑制谐波分量,减少输入电流起着关键作用;另一方面采用数字式驱动方案,电路逻辑控制简单,易于实现快速切换,方便控制电机在平台上做复杂轨迹运动,为多自由度超声电机的推广应用提供有价值的参考依据。     

纵扭型压电超声电机的设计及有限元分析

介绍了纵扭复合型压电超声电机的工作原理，分析了定子驱动表面质点的运动轨迹，并对电机的一种结构进行了详细的有限元分析，最后对电机进行了扫频实验，电机的机械性能实验表明电机的最大扭矩达0.25Nm。     

不同转子极数下磁场解耦型双定子开关磁阻电机的研究

开关磁阻电机具有可靠性高、成本较低、高效平台较宽等优点,但其转矩脉动大、功率密度低的固有缺点严重限制了其在电动汽车领域的应用推广.为了解决上述问题,该文提出一种磁场解耦型双定子开关磁阻电机新结构,内外定子均采用U型分块结构,通过优化内外定子磁场的极性分布,使内外定子磁场解耦;在此基础上,通过转子内外齿错开一定机械角度降低转矩脉动.首先介绍新型电机的工作原理及其设计方法;然后综合比较两种不同转子极数下的静、动态运行性能;最后试制一台4相16/18/16结构的样机,通过实验验证其工作原理的实际可行性和两种电机性能比较的正确性,为新型电机在电动汽车驱动系统领域的推广应用奠定一定的理论基础.     

单定子三自由度超声电机的驱动及其位置控制

介绍了单定子三自由度超声电机的结构及实现三个自由运动的原理，制作了该超声电机的驱动电路，并根据控制目标设计并实现了该超声电机的运动信号的检测和位置控制，实验结果表明该超声电机的输出轴在一定范围内能够精确地按照预定轨迹达到空间的任一位置。     

圆柱定子三自由度球转子超声波电机的轨迹运动方程

圆柱定子3自由度球转子超声波电机利用一个定子的3种共振模态的两两叠加、合成，分别驱动一个球转子的3个自由度的旋转运动，三相同时激励时的轨迹运动方程是实现球转子预期轨迹控制的关键理论模型。在定子3种不同模态的有限元分析基础上，该文推导了圆柱定子3自由度球转子超声波电机在3相同时激励时的运动轨迹及传递机理，并对不同激励条件下的轨迹运动方程进行了分析、对比，为提高圆柱定子3自由度球转子超声波电机的定转子传动效率和进一步定量分析动力传递方式，定子优化设计，以及球转子的轨迹控制策略奠定了理论基础。     

永磁游标轮毂电机设计优化

随着新能源汽车技术不断进步,人们越来越关注驱动系统开发,该系统直接关系到电机对能源利用率,影响到汽车的性能。目前驱动电机主要有交流感应电机,永磁同步电机和开关磁阻电机。而应用最广的为永磁同步电机。永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高等优点,但为进一步提高电机的转矩密度,越来越多学者将磁场调制技术应用于轮毂电机,因此从永磁游标轮毂电机参数设计、定子结构、转子结构等方面进行计算、优化,通过软件模拟分析变化趋势,设计合理的冷却系统,优化电机设计参数。     

混合驱动式永磁多自由度电机磁场及转矩分析

针对目前多自由度仿生电磁驱动研究所面临的问题,提出了一种新型的采用液质悬浮模式的混合驱动永磁多自由度电机。文章详细介绍了电机的结构及工作原理,建立和提出了适合于该电机的磁场和转矩计算方法;采用解析法和有限元法对电机气隙磁场进行对比分析,分析结果相互验证。最后对该电机大范围运动和精细运动的转矩特性进行了计算和仿真。研究结果表明该电机结构的合理性,并为电机进一步的优化及实验提供理论及数据支持。     

基于递推阻尼最小二乘辨识的六自由度磁悬浮平面电机动力学模型

六自由度磁悬浮平面电机是一种新型特种电机，具有六自由度运动、直接驱动、无机械摩擦、结构紧凑等特点，在光刻机等精密制造领域极具应用前景。然而，由于该类电机具有多变量、非线性、强耦合等突出特性，难以精确获取其动力学模型。为此，论文提出基于递推阻尼最小二乘辨识的六自由度磁悬浮平面电机动力学模型。首先，推导了六自由度磁悬浮平面电机的动力学模型。其次，基于多新息最小二乘法创新的引入阻尼项建立了递推阻尼最小二乘法，之后，利用Matlab对所提出方法进行仿真，获得电机在X、Y自由度上的辨识模型。最后，通过仿真验证了所建立动力学模型的准确性，实际系统与辨识模型之间的X、Y自由度上的均方误差分别为22.42 nm、7.11 nm。     

内箝位/外驱动型压电精密步进旋转驱动电机研究

提出一种新型的压电精密步进旋转驱动电机。该驱动电机以仿生运动的原理，以压电陶瓷叠堆为动力源，采用定子内侧箝位及转子外驱动的方式和薄壁柔性铰链微变形结构，提高了该驱动电机箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过静力学有限元分析和动力学分析，较深入的研究了该驱动电机的运动特性。研制的压电精密步进旋转驱动电机能够实现高频率(40Hz)，较高速度(325mrad /s)，大行程(>360°)，高分辨率(1mrad/step)，较大驱动力(30N×cm)等特点，提高了压电精密步进旋转驱动电机的驱动性能。该驱动电机在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中有广阔的应用前景。     

磁通切换永磁电机等效模型与控制策略分析

针对传统转子永磁型电机散热困难导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减少功率密度等问题,提出了一种定子永磁型磁通切换永磁(FSPM)电机,并对该电机结构特点与等效模型进行了分析,比较了定子磁场定向控制(SFOC)、直接转矩控制(DTC)及基于空间矢量调制的直接转矩控制(SVM-DTC)三种控制方法在FSPM电机上的应用效果.运用dSPACE的实验平台,对基于SFOC的FSPM电机驱动系统进行了实验研究.仿真与实验结果表明,采用SFOC的FSPM电机转矩脉动小、电流正弦度好以及低速性能优越,更适合于低速驱动领域的应用.     

新型球形结构两自由度混合式步进电机二维等效模型分析方法

在智能系统发展时代机器人使用率在逐步提高,其中多自由度电动机在机器人的构成中占有较为重要的地位。多自由度电机发展历史较长,但大部分仍处于实验研究阶段。因此,为进一步简化电机结构、降低电磁耦合影响、提升电机运行稳定性等,本文依据非球形正交圆柱结构两自由度步进电动机运行原理,提出一种新型球形结构两自由度混合式步进电动机。首先,对该电机结构及运行原理进行介绍;其次,讲述削弱子电机间的耦合磁场方法,为缩短电机的分析计算时间及提高计算精度,提出二维等效电机模型分析方法;最后,三维电机模型与二维等效电机模型进行有限元仿真计算结果比较,并试制一台外径116mm实验样机实验验证了二维等效模型的可行性及准确性。     

双定子永磁超环面电机结构与转矩特性分析

本文提出一种双定子结构的永磁超环面电机,介绍了该电机的结构及其驱动原理和特点。针对其特殊结构形式和工作原理,给出了主要结构参数满足的条件。在内外定子主要尺寸、磁路结构和绕组电路的基础上,对电磁转矩的计算公式进行推导,分析了该电机的转矩特性,并讨论了参数对输出转矩的影响规律。研究结果表明该电机具有特有的转矩特性,本文将为进一步研究该电机的控制策略提供依据。