本发明专利技术属于永磁球形电动机电流控制的技术领域，涉及一种基于球面规划的永磁球形电动机定子绕组通电方法，首先提出了针对３层５４个定子绕组的永磁球形电动机的静态转矩模型，然后，根据定子绕组的分布对球面区域进行了规划，划分出７２个球面子区域，用以对检测出来的转子位置状态进行归类。对各个子区域中的定子绕组进行标号，设计出了不同状态下定子绕组的通电规则，在各种状态下，５４个定子绕组都有１８个同时通电。根据永磁球形电动机动力学控制中的期望转矩和永磁球形电动机的静态转矩模型，求解出了１８个定子绕组所通的电流值。应用本发明专利技术的通电策略，便于对永磁球形电动机进行分辨率较高的连续控制，能够实现各种复杂的连续轨迹跟踪。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于永磁球形电动机电流控制的
，涉及一种基于静态转矩模型和球面子区域划分的通电策略。
技术介绍
在现代航天、军事、化工、工业自动化和智能机器人等的研究和应用领域，都越来 越多地需要实现多自由度运动。永磁球形电动机具有体积小，重量轻，力能指标高等的突出 优点，能够实现三自由度的运动，可以应用于机器人关节等做空间多自由度运动的精密装 置中。其转子能够实现自转、俯仰和偏航三个自由度的运动，控制定子绕组的通电顺序 和通电大小，即通过一定的通电策略，就可以使永磁球形电动机实现三自由度运动的合成。 然而，由于永磁球形电动机的绕组分布和运动控制较传统的单自由度电动机复杂，其通电 策略也十分复杂。定子绕组通电策略的研究成为永磁球形电动机控制问题研究中的难点和 关键。目前，有几种永磁球形电动机的实现方案，其中，美国霍普金斯大学提出了一种定 子绕组位于定子球面下半球的永磁球形电动机结构，共有16个定子绕组。本专利技术是针对一 种3层定子绕组结构的永磁球形电动机，该电动机定子的3层绕组每层分别沿定子球面上 北纬22.5°纬线圈、赤道和南纬22. 5°纬线圈分布，每层18个绕组，每层相邻绕组之间相 隔20°经度，于是，本专利技术所涉及的永磁球形电动机共有54个定子绕组。本专利技术中的永磁 球形电动机转子球上嵌有6个永磁体，沿转子赤道呈N、S极交替分布；转子磁极采用平行充 磁的方法进行充磁。通电方法的研究是永磁球形电动机控制问题研究的难点和关键。合肥 工业大学王群京等人提出了一种基于美国霍普金斯大学提出的永磁球形电动机结构的通 电方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种定子绕组通电策略，能够使得永磁球形电动机转子在 可控范围内实现各种指定的三自由度运动。为此，本专利技术采用如下技术方案，适用于下述类型的电动 机定子的3层绕组每层分别沿定子球面上北纬22. 5°纬线圈、赤道和南纬22. 5°纬线圈 分布，每层18个绕组，每层相邻绕组之间相隔20°经度，定子线圈没有安装铁心，按照如下 步骤实现定子绕组通电第一步根据永磁球形电动机动力学模型，设计永磁球形电动机的动力学控制方 案，得到动力学控制系统中的期望转矩表达式，继而得到在控制过程中每个时刻的期望转 矩值；第二步用有限元方法或解析法得到永磁球形电动机的静态转矩模型；第三步定子绕组的编号和四类子区域的划分设定子球面和转子球面均为单位 球面，定义附着在定子和转子上的球坐标系分别为定球坐标系和动球坐标系，把某点在上 述两个坐标系中的球面坐标值记为(外的，转子表面上经纬度均为零的点设为点S，根据点 S位置的不同，确定相应的通电绕组及其所通的电流，对于定子球面上北纬22. 5°和南纬 22.5°纬线圈之间的环形球面区域进行球面规划，划分为I、II、III、IV四类共72个子区 域，每个子区域都是每个子区域都是类似于球面三角形的区域，且在平面展开图中，各个子 区域都是相似三角形，每个子区域的三个角上分别有一个定子绕组，称子区域三个角上的 三个定子绕组位于该子区域内，每类子区域沿转子经度角编号，每类各有18个子区域，每 个子区域的解析表达式如下，定子球面上I类子区域内的点满足如下关系<formula>formula see original document page 5</formula>定子球面上III类子区域内的点满足如下关系<formula>formula see original document page 5</formula>定子球面上IV类子区域内的点满足如下关系(-22.5)·/ 20·/ ‘ζ>sin(-22.5°) ,/ = 1,···,18 φ<20· 第四步对各个子区域内的定子绕组进行标号。将球面子区域的平面展开图看作 相似三角形，则每个相似三角形的相似角处的定子绕组具有相同的区域内标号(1，2，3)，定 义在定子球面上，经度角相差180度，纬度角为相反数的一对绕组成为球面对角绕组，成球面对角的一对绕组具有同样的区域内标号。第五步对转子的位置进行实时检测，根据点S的实时位置确定通电绕组所在子 区域，确定该子区域和与该子区域在定子球面上分别沿正经度方向相距60度和120度的3 个子区域内的9个绕组，以及这9个绕组的球面对角绕组，共18个绕组为此时刻拟通电的 定子绕组。第六步根据已确定的通电定子绕组中特定的9个绕组与点S的相对位置，以及由 第二步得到的静态转矩模型，得出3X9的静态转矩矩阵，点S对应静态转矩模型中的原点， 在静态转矩模型中，经度角的取值范围为W，360) ；取上述9个绕组和点S在定球坐标系中 的经纬度作差，经度角之差如果小于零，则使经度角之差加上360，然后，将上述9个经纬度 差作为静态转矩模型中的坐标位置点调用其中的静态转矩值，上述9个绕组对应在静态转 矩模型的9个位置点处的三个自由度的静态转矩值可以组成静态转矩矩阵Tn e R3X9，静态 转矩矩阵中的9个列向量是按照上述9个绕组所在子区域及其在子区域中的标号顺序进行 排列的；第七步将第六步得到的静态转矩矩阵Tn e R3x9左乘初定电流向量I e R9xi等于 第一步得到的期望转矩向量T e R3X1，通过求解静态转矩矩阵的伪逆矩阵Tn+ e R9X3，求得 初定电流向量I eR9X1;第八步对由第七步求得的初定电流向量I进行分配将1/2中的9个分量分别分 配给第六步中确定的9个绕组，将-1/2中的9个分量分别分配给前述与9个绕组分别相对 应的球面对角绕组。本专利技术的有益效果在于1.本专利技术采用球面规划的思想划分子区域，划分方法比较简单，划分的子区域容 易解析表达和归类，且直观性好，易于实现。2.本专利技术基于永磁球形电动机的静态转矩模型，此静态转矩模型由大量的数据点 组成，具有较高的分辨率，当点S位于前述球面环形区域内相同分辨率的任意点处时都有 对应的静态转矩值。因此，应用本专利技术涉及的通电策略，便于对永磁球形电动机进行分辨率 较高的连续控制，能够使其在通电策略适用范围内实现各种复杂的连续轨迹跟踪。3.根据本专利技术所涉及的通电策略对永磁球形电动机定子绕组通电时，通电定子绕 组的分布较为均勻，有利于形成平稳的力矩，对于永磁球形电动机的稳定控制具有重要意 义。4.本专利技术所涉及的通电策略在已有的3层定子绕组和3对转子磁极结构下最大限 度地提高了定子绕组的利用率，每时刻均有18个定子绕组同时通电。这样，每个定子绕组 不用通太大的电流就能够保证总转矩达到期望转矩的要求，以完成永磁球形电动机的运行 要求。仿真表明，在进行复杂的三自由度运动时，采用此通电策略时的定子电流适中，易于 在硬件上得以实现。附图说明图1转子的三自由度运动示意图，(a)、(b)、(c)分别示意自转、俯仰和偏航三个自由度。图2计算力矩法控制框图。图3永磁球形电动机有限元模型和转子磁场分布。图4气隙长度为2mm时静态转矩空间分布图。图5固定纬度角θ时静态转矩沿经度角口的分布图。图6转矩值与安匝数的关系。图7定子绕组编号及球面子区域示意图。图8球面子区域平面展开图。图9子区域绕组标号图。图10通电区域沿θ方向分布示意图。图11章动运动中各个轴的轨迹跟踪情况。图12章动运动中点S在定球本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于球面规划的永磁球形电动机定子绕组通电方法，适用于下述类型的电动机：定子的３层绕组每层分别沿定子球面上北纬２２．５°纬线圈、赤道和南纬２２．５°纬线圈分布，每层１８个绕组，每层相邻绕组之间相隔２０°经度，定子线圈没有安装铁心，其特征在于，按照如下步骤实现定子绕组通电：第一步：根据永磁球形电动机动力学模型，设计永磁球形电动机的动力学控制方案，得到动力学控制系统中的期望转矩表达式，继而得到在控制过程中每个时刻的期望转矩值；第二步：用有限元方法或解析法得到永磁球形电动机的静态］∈Ｒ↑［３×９］，静态转矩矩阵中的９个列向量是按照上述９个绕组所在子区域及其在子区域中的标号顺序进行排列的；第七步：将第六步得到的静态转矩矩阵Ｔ↓［ｎ］∈Ｒ↑［３×９］左乘初定电流向量Ｉ∈Ｒ↑［９×１］等于第一步得到的期望转矩向量Ｔ∈Ｒ↑［３×１］，通过求解静态转矩矩阵的伪逆矩阵Ｔ↓［ｎ］↑［＋］∈Ｒ↑［９×３］，求得初定电流向量Ｉ∈Ｒ↑［９×１］；第八步：对由第七步求得的初定电流向量Ｉ进行分配：将Ｉ／２中的９个分量分别分配给第六步中确定的９个绕组，将－Ｉ／２中的９个分量分别分配给前述与９个绕组分别相对应的球面对角绕组。转矩模型；第三步：定子绕组的编号和四类子区域的划分：设定子球面和转子球面均为单位球面，定义附着在定子和转子上的球坐标系分别为定球坐标系和动球坐标系，把某点在上述两个坐标系中的球面坐标值记为（φ，θ），转子表面上经纬度均为零的点设为点Ｓ，根据点Ｓ位置的不同，确定相应的通电绕组及其所通的电流，对于定子球面上北纬２２．５°和南纬２２．５°纬线圈之间的环形球面区域进行球面规划，划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类共７２个子区域，每个子区域都是每个子区域都是类似于球面三角形的区域，且在平面展开图中，各个子区域都是相似三角形，每个子区域的三个角上分别有一个定子绕组，称子区域三个角上的三个定子绕组位于该子区域内，每类子区域沿转子经度角编号，每类各有１８个子区域，每个子区域的解析表达式如下，定子球面上Ⅰ类子区域内的点满足如下关系：＊＊＊，ｉ＝１，…，１８定子球面上Ⅱ类子区域内的点满足如下关系：＊＊＊，ｉ＝１，…，１８定子球面上Ⅲ类子区域内的点满足如下关系：＊＊＊，ｉ＝１，…，１８定子球面上Ⅳ类子区域内的点满足如下关系：＊＊＊，ｉ＝１，…，１８第四步：对各个子区域内的定子绕组进行标号。将球面子区域的平面展开图看作相似三角形，则每个相似三角形的相似角处的...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：夏长亮，郭辰，史婷娜，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]
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