（检测技术与自动化装置专业论文）基于s3c2440的平动式啮合电机驱动控制系统设计.pdf

螽 。毒 q 一 产 k 卜 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另j j d l ：i 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：型 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：墨! 生 导师签名：三睡硇毛一 同期：堡丝! ：丝 日期：幽竺：三：z ， ， - k ，一 厶 ， 北京邮l u 人学硕l ：论义基十$ 3 c 2 4 4 0 的1 i - 动式啮合电机驱动控制系统设计 基于$ 3 c 2 4 4 0 的平动式啮合电机驱动控制系统设计 摘要 为了满足机器人系统对续航能力和空间适应性的要求，本文在一 种新结构、新原理的用于机器人关节的低速大扭矩电动机平动式啮合 电动机的基础上提出了对此电机的运动控制的方案。平动式啮合电机 转子相对于定子只有平动没有转动，从而避免了传统电机转子相对定 子旋转一周而造成作用距离长、响应速度慢、低速工况不稳定、输出 扭矩小等弱点。采用微处理器、通用计算机、a r m 控制器等现代手段 构成的数字式控制系统已经成为当前调速技术的主流。 随着a r m 技术的发展以及其功能的不断强大，a r m 作为电机控制 主选控制器成为了一个不错的选择，$ 3 c 2 4 4 0 强大的事件处理能力为 系统控制提供了便利。本文提出了对一种新型平动电机的运动控制系 统，设计了基于嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 的控制系统，产生p w m 信号对 电机进行精确控制。并通过电感线圈、电流传感器实时采集电机各个 绕组的磁通量及各绕组的电流，提供了实时控制电机的参考数据。并 设计了$ 3 c 2 4 4 0 控制主板的驱动程序与系统控制软件，以及驱动电路 的设计；并实现与上位计算机之间u s b 、网口通信程序，能够将数据 实时发送给上位机。或者从上位机发送控制命令，$ 3 c 2 4 4 0 处理器对 控制命令进行处理后对电机进行实时控制。 关键词：平动啮合电机a r m 磁通量p w m 北京邮i 乜人学硕l ：论文皋十$ 3 c 2 4 4 0 的、f 动式啮合i 乜机驱动控制系统设计 ， ：t ； 一 厂 ? 、 式 北京邮 乜人学硕i j 论文 雉千s 3 c 2 4 4 0 的f 动式啮合 u 机驱动控制系统设计 ac o n t r o ls y s t e md e s i g n e db a s e d o ns 3 c 2 4 4 0f o rt r a n s l a t i o n a lm e s h i n gm o t o r a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n tat y p eo fl o ws p e e da n dh i g ht o r q u em o t o ri nr o b o t j o i n t t r a n s l a t i o nm e s h i n gm o t o r ( t m m ) w i t hn e ws t r u c t u r ea n dn e wp r i n c i p l ew h i c h m e e t st h en e e do fs p a c ef i t n e s so fr o b o t a n dac o n t r o ls y s t e mf o rt h i sm o t o ri sp r e s e n t t o o t h er o t o ro ft h em o t o rt r a n s l a t e so n l yr e l a t i v e l yt ot h es t a t o ro ft h em o t o r b yt h i s w a y , t h ew e a k n e s so fl o n go p e r a t i n gd i s t a n c e ，s l o wr e s p o n dv e l o c i t y , i m s t a b l e w o r k i n gp o i n tw h e n t h ev e l o c i t yi sl o wa n ds m a l lo u t p u tm o m e n ta r ea l la v o i d e d a l l w e a k n e s s e sa l eb r o u g h ti nw h e nt h er o t o ro ft h et r a d i t i o n a lm o t o rr o t a t i n gac y c l e r e l a t i v e l yt oi t ss t a t o r n o wt h ed i 西t a lc o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hu s e dt h em i c r o p r o c e s s o r , g e n e r a lc o m p u t e r , a r mc o n t r o l l e rh a v ea l r e a d yb e e nt h em a i n s t r e a mo f t h e r e c e n ts p e e d - a d l u s t m gt e c t m o l o g y 一一 一一 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea r m t e c h n o l o g y , i th a sb e e nag o o dc h o o s et h a tt h e a r mu s e da st h em a i nc o n t r o l l e ri nm o t o rc o n t r 0 1 an e wm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m f o rt h ek i n do ft r a n s l a t i o nm e s h i n gm o t o rh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e dp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0w a sd e s i g n e dt og e n e r a t e p w ms i g n a l st oc o n t r o lt h em o t o ra c c u r a t e l y f u r t h e r m o r e ，i ta l s os u p p l i e dt h ed a t a b yc o l l e c t i n gt h ef l u xa n dc u r r e n to fe v e r yp a r tr e s p e c t i v e l yf r o mi n d u c t a n c ea n d c u r r e n t s e n s o rt oc o m p u t et h em o t o rt o r s i o n i nt h i sp a p e r , t h ed r i v i n gp r o g r a ma n d s y s t e mc o n t r o l l i n gs o , w a r e ，a sw e l la st h ed r i v i n gc i r c u i t r yh a s a l s ob e e nd e s i g n e d i t a l s or e a l i z e du s bc o m m u n i c a t i n gp r o g r a ma n di n t e r a c tc o m m u n i c a t i n gp r o g r a m i t c a ns e n dt h ed a t at op ci nt i m eo rr e c e i v et h ec o n t r o l l i n gc o m m a n dw h i c hs e n tb yt h e p c a f t e rt h ec o m m a n dd a t aa r ep r o c e s s e db yt h ea r m ，t h ed a t ac e n t r e lt h em o t o ri n r e a l t i m e k e yw o r d s ：t r a n s l a t i o nm e s h i n gm o t o r ，a r m ，f l u x ，p w m 北京i l f l ；i 【1 人学硕i ：论义 皋十$ 3 c 2 4 4 0 的r 动式啮合电机驱动控制系统砹汁 ； 一 ， ， ，心 一 北京邮i 乜人学颂1 二论文 皋于$ 3 c 2 4 4 0 的。f 动武啮含i 乜机驱动控制系统设计 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 平动式啮合电动机的提出和研究意义3 1 2 1 平动式啮合电动机的提出3 1 2 2 平动式啮合电动机的研究意义5 1 3 本章小结s 第二章平动式啮合电机结构与运行原理7 2 1 平动式啮合电机基本运行原理7 2 1 1 平动式啮合电机的电磁原理与特点7 2 1 2 机电能量转换8 2 1 3 电磁转矩9 2 z 4 启动特性1 1 2 2 分布式磁极平动电机结构特点与转矩分析1 2 2 2 1 结构特点1 2 2 2 2 转矩分析1 3 2 3 本章小结1 4 第三章平动啮合电机控制系统结构1 s 3 1 平动啮合电机控制方式分析1 5 3 2 磁场力分析1 s 3 3 驱动控制系统整体结构1 8 3 4 本章小结1 9 第四章控制系统硬件设计2 1 4 1 硬件结构2 1 4 2a r m 9 系列处理器2 2 4 2 1 三星$ 3 c 2 4 4 0 处理器详解2 2 4 2 2 系统硬件开发平台2 4 4 2 3 $ 3 c 2 4 4 0 系统设计2 6 4 3 隔离电路设计2 9 4 4 驱动器设计3 0 4 4 1l m d l 8 2 0 0 特点3 0 4 4 2 驱动电路设计3 l 4 5 电流采集电路一3 2 4 6 本章小结3 4 第五章控制系统软件设计3 5 5 1 嵌入式软件平台选择3 5 5 1 1 嵌入式操作系统方案3 5 5 1 2 嵌入式应用软件方案3 8 5 2 $ 3 c 2 4 4 0 端软件系统4 l 5 2 1l i n u x 和嵌入式u n u x 概述4 1 5 2 2 嵌入式l i n u x 系统的组成。4 1 5 2 3 建立交叉编译环境。4 3 s 2 4 内核移植和编译4 4 北京邮i 乜人学硕i ：论文皋一 二$ 3 c 2 4 4 0 的i ，动式啮合i i l 机驱动控制系统嫂计 5 2 s 文什系统4 7 5 2 6b o o t l o a d e r 4 9 5 2 7l i n u x 设备驱动程序的开发5 l 5 2 8 电流凋节程序设计5 6 5 2 9 触摸屏控制界面程序设计5 8 5 2 1 0u s b 通讯程序设计6 3 5 3 上位机控制界面程序设计6 8 5 4 试验结果6 9 5 5 本章小结7 1 第六章总结。7 3 参考文献7 s 附录。7 7 附录一u s b 同件程序7 7 附录二u s b 驱动程序8 0 致 射8 7 发表论文目录8 9 一 一 ，味 北京邮电人学顾l j 论文基卡$ 3 c 2 4 4 0 的、r 动式啮合电机驱动控制系统设汁 1 1 课题研究背景 第一章绪论 电机是机器人关节的重要组成部分，而关节又是机器人伺服系统中的一个重 要环节，关节的结构、重量和尺寸对机器人性能有直接影响。就机器人关节而言， 要求其整个机构体积小，重量轻，传动链尽可能短，传动效率要高。同时考虑到机 器人的移动性和工作空间受限性，近几年机器人驱动装置的发展主要集中在如何 提高驱动关节的输出扭矩与输入功率的比值及输出扭矩与自身体积的比值方面， 以期让机器人系统具有更好的续航能力和空间适应性。并且伴随自动控制理论、 电力电子技术和计算机技术的飞速发展以及机器人和空间技术的日益成熟，对机 器人用电机的要求也达到了新的高度。 ， 本课题正是基于机器人需要电机直接输出低速大力矩，简化传动系统，减少 重量的大背景下，针对现有机器人用电机中存在的不足之处，提出了一种新结构 的平动式啮合电动机。平动电机是一种新型的电机，是一种以电磁吸合力作为驱 动力，通过自身摆线机构进行减速、增扭的新型关节用直驱马达。基本原理：基于 摆线啮合所具有的传动特性，将电磁吸合所引发的平动输入经摆线机构转化为转 动输出，以带动旋转负载。平动电机具有做功距离短、启动快和摆线传动的啮合 平顺、啮合齿数多、传动比大的特点，因此该电机具有直接驱动、瞬时带载启动、 响应速度快、保持力矩大等优点。可适用于恶劣工况下的低速大扭矩场合，如机 械人关节、阀门驱动、快速微调等领域。 由于机器人关节用电机的附加值较高，加之机器人的应用领域逐年增加，因 而极具市场开发潜力。据国际机器人联盟( i f r ) 2 0 0 6 年5 月发布的“2 0 0 6 世界 机器人调查”显示，2 0 0 5 年世界新安装工业机器人1 2 1 0 0 0 台，比2 0 0 4 年的9 7 0 0 0 台增长2 5 。若按此速度，到2 0 1 0 年，全世界机器人年新增台数将达到3 7 万台， 若按每台平均使用5 台电机计算，则每年机器人用电机的需求量将达1 8 5 万台以 上。 近年来，国内将新型减速机与电机进行一体化的研究有了一些新的进展，例 如机械工程学会会讯，2 0 0 1 年第1 0 期介绍的低速电机。就是把电机与谐波减速 北京邮l 乜人学硕i ：论义皋十$ 3 c 2 4 4 0 的| ，动式啮合i l l u l 驱动控制系统设计 机做到了一起，二者一起设计，不但输出力矩增加，而且尺寸得到了显著的减小。 另外，北京邮电大学廖启征教授提出了啮合电动机的新理念。将电动机定子的外 圈和转子内圈做成齿轮形状，依靠电磁力驱动电机工作，同时依靠齿轮啮合实现 减速，真正将电机与减速机结合到了一起。于2 0 0 1 年开发出了外径l o m m 的微型 电机原理样机。该模型样机证明了将电机与减速器进行一体化设计是可行的，但 该电机目前还存在一些问题，例如转子输出是一个既有公转又有自转的混合运动， 而不是我们期望的纯转动。 在国外尤其在日本，基于齿轮啮合的减速传动原理，开发出多种类型的马达。 由日本学者在1 9 9 2 年提出了一种全新的压电摆线马达设计。通过一对摆线齿轮 的啮合将压电驱动器的伸缩运动转换成转子的旋转运动，依靠压电驱动器输出的 驱动力推动摆线马达使其转动输出。该结构的减速比是转子与定子齿数的差值与 转子齿数的比值，减速比很高。同时由于齿轮啮合传动，摩擦损失小、传动效率高， 因此该结构较靠定转子之间的摩擦力来输出低转速、大扭矩的超声波及谐波马达 有更高的效率和使用寿命。由于齿轮啮合存在一定的优势，先后出现了将齿轮啮 合与不同类型的驱动器相结合，制作出多种低速大扭矩马达。如靠橡胶变形驱动 的摆线马达、靠气缸驱动的锥齿轮马达、靠液压缸驱动的端面齿轮马达及电磁摆 线马达和电磁锥齿轮马达等。上述马达都具有效率高、精度好、磨损小、体积小、 结构紧凑的优点，作为机器人的驱动装置得到了很好的应用。但由于驱动器与定 子只是连接并未成为一体，结构还不够紧凑。对于气缸和液压缸驱动的马达，除驱 动器外，还额外需要一套动力源。压电或超磁致伸缩材料驱动的马达由于驱动器 作用行程短( 微米级) ，为满足定子运动行程需要，还需要加一套杠杆以增大作用 行程。 平动啮合式电机作为针对拓展机器人应用领域而开发的电机，具有美好的前 景，可应用于以下领域： 可代替用于机器人肩臂旋转的功率1 0 瓦左右的步进驱动电机。 - 可用于机器人的伸缩、摆动、升降、旋转、弯陆、开闭等运动部位。 一对该电机进行深入研究和性能提升后，还可作为航空航天用电机、医疗 器械用电机、轻工机械用电机和一般产业用电机。 综上，齿轮减速装置与马达驱动器结合已成为了一种研究趋势。综合国内外 的现有成果，在我们现有研究基础上将电磁吸力作为驱动力，将摆线齿轮啮合作 为减速输出，使符合低速电动机的发展方向。平动电机的研究成功，不仅会使我国 机器人驱动和传动技术水平得到提升，也会对机器人在各工业领域的普及起到促 进作用。该项研究既有其科学意义，也有推广应用价值，其发展前景令人鼓舞，由 此带来的社会和经济效益将是巨大的。 ，心 北京邮电人学顾i ：论文 基于$ 3 c 2 4 4 0 的、f 动式啮合i 乜机驱动控制系统没计 1 2 平动式啮合电动机的提出和研究意义 1 2 1 平动式啮合电动机的提出 北京邮电大学廖启征教授结合机器人电机的特点和国内外研究动态，从结构 集成以减少体积和传动链，从新型电磁结构减小作用距离、增大电磁吸力两方面 考虑，于1 9 9 8 年构想了新的机电转换方式：利用非同轴磁场的作用提高电磁吸 力，通过摆线啮合输出扭矩并对非同轴电磁部分起到支撑作用，同时协调输出电 磁部分的做功，达到了机电磁一体化和减速增扭的作用。在此构想上提出了啮合 式电机，并于2 0 0 0 年制作出了外径l o m m 的微型电机原理样机。 图卜1 啮合电机结构原理 如图卜1 所示，电机采用外转子结构，其定子和转子的极对制作成齿轮形状， 定子的齿数为2 4 ，转子齿数为2 5 。转子的轴心不固定，绕定子的轴心转动，定 子上有六个极，每极上有三个齿，每极间有一个齿的间隙。每相邻两极组成一组 极对，共组成三组极对。工作时，对于电源的每一个脉冲周期，转子轴心绕定子 轴心转动1 3 周，转子则自转1 7 5 周，从而电动机就能够直接输出较低的转速， 其输出力矩也相应增大。 该模型样机证明了新的机电转换方式的设想是可行的。基于此，廖启征教授 又提出了平动式啮合电机的概念，图1 - 2 和1 - 3 为其基本运行原理图和通用结构 图，后续本实验室设计的两种典型结构的平动式啮合电机( 在本文中分别称为平 动电机和柔性平动电机) 均由此演化而来。图1 - 2 所示结构，内侧两对极为定子， 外侧圆环为转子，转子采用永磁体( 也可采用软磁材料) ，浅色部分为n 极，深色 部分为s 极。对第一组线圈正反向加电时，外圈转子上下吸合( 如图1 - 2 ( a ) 和 图卜2 ( c ) ) ，当对第二组线圈正反向加电时，外圈转子左右吸合( 如图1 - 2 ( b ) 和图卜2 ( d ) ) ，控制两组线圈加电顺序和方向，可以使外圈转子按如图1 - 2 所 3 北京邮i 乜人学硕f ：论文壤十$ 3 c 2 4 4 0 的、r 动式啮合i 【l 机驱动控制系统鼓计 示顺序上分右峥下分左依次吸合。上述运动的特点是：转子在每一瞬间吸合，相 对于定子只做平动而没有转动，只有公转而没有自转。转子相对定子的运动可以 等效为转子的质心以定子中心为圆心，以半径r 0 一r o ( 图卜3 中所示销孔的半径 差) 作圆周运动：这样使得转子的转动惯量大大降低( 与半径平方成正比) ，因此它 的加速性能好，达到额定转速的时间短。 图1 - 2 啮合电机结构原理 孙参o | 墨戗i 够i e 。，j ，t ，? 。裕”i i ： 图1 - 3 啮合电机结构原理 同时转子的外层被设计成基于摆线齿廓的齿轮，在转子的外层再配合以共扼 4 一 ，7 北京邮i 乜人学硕i ：论文 皋十$ 3 c 2 4 4 0 的f ，动式啮合l 乜机驱动控制系统致计 齿轮，两齿轮设计成一齿差：通过该对共扼齿轮将转子绕轴线的偏心转动( 公转) 经过减速后输出，转子公转一周，最外层的齿轮仅转动一个齿，这样直接输出低 转速和大扭矩。该对共扼齿轮的基圆半径差理论上应等于转子公转半径，这样才 能够很好地相互配合。该类电机的机电转换方式与磁阻电机一样，均是通过在转 子相对定子运动中，定转子间磁阻的改变，在磁场作用下，将电能转化为机械能。 因此对于该类电机的电磁分析可以参照磁阻电机分析中较成熟的方法。 1 2 2 平动式啮合电动机的研究意义 随着工业的不断发展，有很多行业需要各种新型的电机，各种参数的要求也 越来也高，如要求启动快，瞬时带载启动、响应速度快、保持力矩大。平动电机 因为其工作原理具有这些方面的优点。如机械人关节、阀门驱动、快速微调等领 域，具有直流电机，步进电机等的不具有的方面。 电动机和减速机在工业中有着广泛的应用，普通电动机转速都较高，在用于 拖动设备运行时，必须与减速机配合使用。据不完全统计，我国每年生产近6 0 0 万台的各类配套的减速机与电动机。但减速机构复杂、体积较大，难以满足在纺 织、化工、电子、国防、科研等领域对体积小、输出力矩大、低转速的动力需求。 低速电机则属于机电一体化产品，它降低了系统功率损失，提高了系统的安装精 度和传动效率，因此低速电机的发展和创新无疑会对工业生产起巨大的促进作 用。 本文主要是基于平动式啮合电机的典型结构，设计并加工了多台原理验证样 机。并提供这种平动电机的驱动电路以及控制电路，对电机的参数测量做了一些 相关的实验，并逐渐完美驱动器以适应平动电机的发展。使控制器适合平动电机 的驱动，是电机有发挥它更大的优势，这是本文的研究意义。 1 3 本章小结 本课题首先介绍了一种平动啮合电机，给出了其工作原理以及平动电机的优 点，并对其进行速度方向控制。制作了这种平动电机的实物样机，以便于可以在 该实物样机上进行控制试验，电机参数测量。此外，本论文主要研究了基于 $ 3 c 2 4 4 0 的a r m 处理器的控制程序与平动啮合电机硬件控制系统的开发，并实际 开发了电机的驱动系统。包括：平动电机控制研究，平动电机驱动系统的研究， 传感器信号处理硬件研究，$ 3 c 2 4 4 0 芯片内部核心技术研究，芯片驱动程序编写， s 北京邮i u 人学顾i j 论义 皋十$ 3 c 2 4 4 0 的、卜动式啮合i 【i 机驱动控制系统改汁 控制系统控制软件编写，上位机控制程序的编写等。 6 p r 产 f 北京邮i u 人学硕i ：论文基十$ 3 c 2 4 4 0 的；f 动式啮合i 乜机驱动控制系统改；f 第二章平动式啮合电机结构与运行原理 2 1 平动式啮合电机基本运行原理 2 1 1 平动式啮合电机的电磁原理与特点 平动式啮合电机的机电转换方式与磁阻电机一样，均是通过在转子相对定子 运动中，定转子间磁阻的改变，在磁场作用下，将电能转化为机械能。因此两种 电机均是单边激励，产生磁场的绕组或永磁体只在电机的一侧，这一特点使这一 类电机不需要滑环或换向器之类的部件，提高了电机的可靠性，减少了电机的维 护工作量。所不同的是，磁阻电机中的旋转电机与直线电机均是将定转子在磁场 作用下，由磁阻变化中产生的切向磁拉力只( 图2 - 1 所示) 作为输出力，而与切向 磁拉力相伴产生的径向磁拉力凡则由于与电机转子运动方向垂直，而不对外界输 出功。平动式啮合电机则利用了磁阻在变化过程中产生的径向磁拉力凡，并使电 机转子沿径向吸力方向运动，在平行四边形约束机构的导向和约束下，做小半径 的圆周平动。其运动半径即为转子轴线( 中心线) 相对于定子轴线( 中心线) 的最大 偏距值( 图2 - 1 ( c ) 所示) 。下面我们基于两类电机的机电能量转换基础，通过比 较两类电机的主要特性，归纳出平动式啮合电机的自身特点，和适用的工况。 7 北京邮i 乜人学硕i j 论文摧十$ 3 c 2 4 4 0 的、i ，动式啮合i 也机驱动控制系统设计 ； 砖i ；守飞一j ，! 争l 7 | ；，| 酗 旋耱缀缀魄褫 彩纛线磁缀魄橇 2 1 2 机电能量转换 e 警幼旄赣蠹魄褫 图2 - 1 简化模型 图2 1 中所不分别为平动式啮合电机和磁阻电机的一相铁芯简图。根据能量 守恒原理，电磁电机中的能量转换方式遵循如下关系： d 形= u i d t i 2 r d t = 一i r ) i d t ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 中，d 形为电机的电能输入增量：d w 为耦合磁场内的储能增量： d 为电机内部的能量损耗，包括绕组的电阻损耗( 铜耗) 、电机机械部分的机械 损耗( 摩擦损耗和通风损耗) 以及祸合磁场在介质内产生的损耗( 包括磁滞和涡流 损耗，也称铁耗) 等：d 峨为电机的机械能输出。 对于两类电机，在时间d t 内，系统输入的净电能d 形为 d 形= u i d t f 2 r d t = ( u 一次) 砌 ( 2 2 ) 式中，u 为电源电压，i 为电机线圈中的电流，r 为线圈的电阻。 由法拉第电磁感应定律和电路平衡关系，可得 8 p q 。 1 一 * “ 。 一 ，一 籍 ，办零、， ；“醚：， ，o xo”允；，。， 善r嘭一，、镛 一 产 啸氇钐 r；臻lf囊o 北京邮电人学硕i 论义基f $ 3 c 2 4 4 0 的r 动式啮合i 乜机驱动拄制系统设计 d 形= - e i d t = 谢 ( 2 3 ) 式中e 为感应电势，说明系统输入的净电能( 忽略机械损耗部分) 的增量等于 电流i 和 磁链的变化d 相乘。忽略损耗部分时，式( 2 一1 ) 为 d 形= d w + d w 。 ( 2 4 ) 结合( 2 3 ) 式得： d wi d 一d w ( 2 5 ) 图2 - 2 磁能和磁共能 图2 2 给出了磁场储能和磁共能的图解表示。y 叫曲线和纵轴之间的面积 即为磁场储能形，而一i 曲线和横轴之间的面积就是磁共能w 。对于磁阻电机 和平动式啮合电机这类单边励磁系统来说，其磁场储能和磁共能之和为： w + w 7 2 y i ( 2 6 ) 由此( 2 - 6 ) 式结合( 2 - 5 ) 式可得： d 既= d w ( 2 7 ) 如此，平动式啮合电机的电磁转矩可由磁共能导出。 2 1 3 电磁转矩 跟据虚位移原理，机械能的增量d 既等于这一时刻广义力与在广义力方向上 广义位移的乘积，可以表达为下式： d 既= z d o ( 2 8 ) 对于磁阻电机，乏表示转子绕自身轴线所受到的电磁转矩，p 表示在电磁转 矩作用下转子沿自身轴线的转角。对于平动式啮合电机，z 则表示转子质心绕公 9 北京邮l u 人学硕i ：论文皋十$ 3 c 2 4 4 0 的- f 动式啮合i 【i 机驱动控制系统设计 转轴线的电磁转矩，参照图2 1 ，转矩值为z = c e 则表示转子绕轴心的转角。 结合( 2 7 ) 式和( 2 8 ) 式可得 z ：堡 ( 2 9 )。= z v ， 。d o 在通常情况下，考虑到磁路非线性因素，w w 。如果忽略铁芯部分的磁 压降，则磁化曲线一f 将变成一条直线，此时= 矿，- 丢沙f = 昙( 乡) f 2 ，式中l 为电感，这时，( 2 9 ) 可以写成： z ：一i 2 d l ( o ) ( 2 1 0 ) ，= 一一 iz 一 。 2d o 如果用场论符号表示，对于理想软磁材料( h = 0 时b = 0 ) ，磁共能可以写成： 地 矿= j ( j 曰d h ) d v ( 2 1 1 ) 对于磁导率产为常数的软磁材料( b = 日) ，上式可以简化为： 矿：f 譬d 矿 ( 2 1 2 ) j， 图2 - 1 中两种电机单相磁路励磁绕组导通时，遵循磁阻最小原理，磁通从气 隙重叠的地方通过( 忽略漏磁) 。由于假设中的铁芯磁导率为无穷大，磁压降为零， 因此磁压降全部加在气隙处，且铁芯中磁共能为0 。两种电机磁路中的气隙均为 串联，因此气隙磁场强度等于： 日。：丝 ( 2 1 3 ) 6 2 9 式中n 表示绕组匝数，g 表示气隙长度。依( 2 一1 2 ) 式，气隙磁共能密度为 风2 。磁阻电机磁路中重叠部分的气隙体积为2 9 h ( r + 0 5 9 ) o ，平动式啮合电 机为2 9 h r o h 。式中皖表示两种电机磁路中转子磁极的极弧角，r 则表示极弧半径， 为便于比较，设两种电机的极弧参数相等。h 为铁芯轴向长度。 旋转磁阻电机的气隙是恒值，g = g o ，g o 为初始气隙长度：平动式啮合电机 由于转子有相对定子的径向运动，因此气隙长度是随转子转角变化， g = g o - r os i n o ，r o 为公转半径长度，r os i n 0 = e 。显然磁路中的磁共能全部集中 于气隙中，磁共能等于气隙磁通密度与气隙体积的乘积： 磁阻电机 矿：( 丝箬) ( 2 9 h ( r + o 5 9 ) 秒) ：鱼型堕芝型 ( 2 1 4 ) z 4 9 0 1 0 北京邮i 【i 人学硕l ：论文 笨f $ 3 c 2 4 4 0 的、严动式啮含i 乜机驱动控制系统没计 平动式啮合电机肚( 竽) ( 2 劝嘲= 瓦i z o ( n i i ) 2 h 丽r o h ( 2 _ 1 5 ) 由式( 2 - 9 ) 得磁阻电机和平动式啮合电机的转矩为： 磁阻电机z = 等= 趔掣 ( 2 - 1 6 ) 平动式啮合电机互= 争等篆警r(217)o s i n 珥【岛一 j 。 从上式可看出，在线性假设下，当励磁电流不变时，磁阻电机的输出转矩是 恒值：平动式啮合电机的转矩则随转子转角位置的改变而变化，具有电磁铁的吸 合特性，且当气隙最小时，由于此处o ：9 0 。，所对应的电磁力力臂为零，所以其 电磁转矩为零。设平动式啮合电机和磁阻电机为四极电机，其极弧角度为6 0 0 ， 则平动式啮合电机的启动转矩为 驴警 ( 2 _ 1 8 ) 当g ，时，平动式啮合电机的启动转矩约为磁阻电机的要玉倍，即 i 。= z - r ot ， ( 2 1 9 ) 2 1 4 启动特性 忽略机械损耗的影响，电机转子的角加速度由下式给出： 口= 乙i ( 2 2 0 ) 式中，表示转动惯量，对于沿自身轴线旋转，且沿自身轴线对称的磁阻电机 转子，其转动惯量可以等效为半径为r 的圆盘，其值由下式求出： ，= 耖刮如2 ( 2 _ 2 1 ) 平动式啮合电机转子公转平动，转子可以转化为一个质点，因此其绕公转轴 线的转动惯量为： = 聊疗 ( 2 2 2 ) 式中m 表示转子质量，r 0 为公转半径。 北京邮i u 人学硕i ：论文皋于$ 3 c 2 4 4 0 的、i ，动式啮合i e y l 驱动控制系统设汁 在起步时0 2 0 ，参照( 2 - 1 9 ) 式，平动式啮合电机的角加速度为 瓦乏 o g o r o ( 2 2 3 ) 石 式中吒为磁阻电机角加速度。 磁阻电机的气隙远小于其转子半径，因此当平动式啮合电机的气隙与磁阻电 机接近时，由于平动式啮合电机公转半径很小( 由图2 - 1 所示，受电机结构限制， 其公转半径不大于气隙长度) ，所以其空载时的转角加速度远高于磁阻电机，且 在负载越小时，其启动性能越有明显优势。尽管理论上平动式啮合电机的启动性 能远高于磁阻电机。但在具体实践中，受加工精度和结构可实现的局限性，平动 式啮合电机的气隙较磁阻电机大，因此其启动电磁转矩通常小于磁阻电机，所以 其电磁结构本身的带载启动能力弱于磁阻电机，适用于轻载工况。但由于平动式 啮合电机中集成有起减速作用的行星轮系，使外界重载荷经过齿轮机构传递到电 磁结构侧的载荷变为轻载，因此平动式啮合电机整体带载启动能力要强于磁阻电 机，只是由于其公转半径不能过小，影响了气隙长度，在同等功率条件下，其效 率低于磁阻电机。 。 2 2 分布式磁极平动电机结构特点与转矩分析 2 2 1 结构特点 图2 3 所示为分布式磁极的结构原理图。结构中的定子由以图中d 1 点为中 心呈9 0 。均匀分布的四个“一 字形铁芯构成，转子则由四个以图中d 点为中心 均匀分布的“山 字形铁芯构成，且与定子铁芯相对应。定转子均为导磁材料构 成，定子上即无绕组也无永磁体，转子则在各“山 字形磁极上分别绕制有四个 集中绕组，且每一绕组相互独立，自成一相。由于转子无需沿自身轴线旋转，为 降低转动惯量，可将转子上的线圈固定于机架上，使转子铁芯单独绕定子轴线n 旋转。也可以固定转子，使定子绕转子轴线d ，公转。 r 北京邮电人学硕l j 论文綦于$ 3 c 2 4 4 0 的、p 动j 啮合i 乜机驱动控制系统改计 c 摆线机构d 约束结构 图2 - 3 分布式磁极平动电机结构 定转子各磁极的分开布置可以有效的避免不同磁极间磁路的耦合，使磁路分 析得到简化，便于后续控制器的开发。由于图2 - 3 磁极几何形状简单，因此可以 采用解析方法建立电磁结构的数学模型。同时各磁极间不存在磁路耦合现象，适 用于通过控制绕组通断角，使其只有正功磁路，消除负功磁路，并可以多相导通， 增大电磁转矩。 2 2 2 转矩分析 由于转子只做平动，因此，在任意位置，定、转子的磁极面都相互平行，磁 场力矢量f a ，f b 、f c 的方向也固定。如图3 所示，假设转子当前运行处于q 一1 3 坐标系的第一象限内，转子中心分别在0 r 和o r 位置时，电磁力矢量f a 、f b 、 f c 、f d 和f a 、f b 、f c 、f d 、的方向均相同，0r 为转子中心与定子中心连线 o s o r 与q 轴夹角，称为转子的位置角；f e 和f e 代表转子在这个两个位置时 的磁场合力矢量。 平动啮合式电机的转矩可由下式确定： j z 2 吲，：ls i n ( o o e r ) ( 2 - 2 4 ) 【r o = i z t r 式中t r 一代表转子的公转转矩； 1 3 北京邮i u 人学硕i ：论文綦于$ 3 c 2 4 4 0 的f 动式啮合f 乜机驱动挖制系统设计 t o 一为输出转矩； i z 一为减速比； f e 一代表定子电磁场力矢量； f e | 一代表定子磁场力矢量幅值； ee 一为f e 相角； 0r 一为转子相角； r d 一转子公转半径，它等于齿圈与外齿轮的半径差。 图2 - 4 转矩形成分析 在第一象限内，只有磁极a 和b 工作，因此将电磁力矢量f e 在q b 坐标 系上分解，可以得到磁极a 和的电磁力表达式： 嘲= 一0i ，0 1 0j l 黝i 阻2 5 ， 忆l j _ l sn 吼j 怕删7 由于对称关系，当转子处于其他区域时依然可以采用2 2 5 式求合成磁场力 f e 的大小。同样，如果采用恒转矩控制，当转矩输出已知时，可以采用式2 - 2 4 和2 - 2 5 反推出所需要磁场力f a 、f b 、f c 和f d 的大小。 2 3 本章小结 本章主要介绍所要驱动电机的特性，在后面的章节中根据电机的特点对电机 进行控制。遵循机器人电机发展趋势，提出并设计了一种新型的集成度很高的机 电能量转换装置一平动式啮合电动机。通过解析方法获得了样机电磁转矩，结合 对柔性机构静态特性的分析。该机结构新颖合理，具有输出转矩大，启动快，集 成度高的特性，具有较高的研究和实用价值。 1 4 北京邮i u 人学硕i ：论文摹于$ 3 c 2 4 4 0 的、f 动式啮合i 乜机驱动控制系统设计 第三章平动啮合电机控制系统结构 3 1 平动啮合电机控制方式分析 分布式磁极的平动电机的控制方法可以采用类似磁阻电机的是开关式控制 方式，此方法较为简单，容易实现。根据平动啮合电机的单个磁极的结构特点， 单个磁极的驱动方式与直动式电磁铁n 类似，分析平动式啮合电机的运行原理， 要想使电机能够运行起来，只需按照一定顺序给四个绕组通电，就可以驱动电机 的转子围绕定子中心做公转运动。同时，应该看到，柔性4 相式平动电机的磁场 力夹角为9 0 。，简单的4 拍控制即可使驱动转子的磁场力相对于转子公转中心 的转矩获得最大值，但是会产生较大的转矩脉动。 由以上分析可知，平动啮合电机需要4 相8 拍控制方式或者更多的细分控制 节拍。在采用8 拍控制模式时，按照转子中心o r 所处的位置将绕组的工作状态 划分为8 个，具体划分方式如表3 - 1 所示。 当转子中心0 r 分别位于n l 刈8 区域时，每个绕组的工作状态如表3 - 1 所示。 表3 - 1 中的“l 代表绕组处于工作状态，“0 表示绕组处于断开状态。 表3 - 1 绕组工作状态 a 相b 相c 相d 相 n ll00 0 n 2llo 0 n 3ol o 0 n 4 oll0 n 5o0l0 n 6ool1 n 700o1 n 8loo 1 表3 - 1 中磁极状态描述了a b c d 四个磁极的工作状态，仅是从空间上给出了 每个磁极的控制状态，在具体控制中，最终需要调节的是每个磁极的磁场力的大 小，从而调节磁场合力矢量的大小和方向。 3 2 磁场力分析 上节中的分析可知控制系统的主要任务是调节每个磁极磁场力的大小和方 向，而磁场力与励磁电流之间的关系可以利用能量方法建立。 因为每个磁极的结构形状完全相同，去a 极为分析对象。假设磁场力f a 方 向为0 。方向，作为运行起始位置。当电机转子顺时针方向公转平动时，以磁极 北京邮l 乜人学顾i ：论文皋于$ 3 c 2 4 4 0 的、f 动式啮合电机驱动控制系统设汁 a 为分析对象，磁场力f a 可以通过虚功原理求得。忽略磁极部分损耗、涡流损 耗和漏磁通，磁场能量全部集中在气隙磁路部分，有能量平衡方程 d 彬= d 既+ d 阿， ( 3 一1 ) 式中：d w e 为输入电能变化量，d w f 为磁场能变化；d w m 为磁场力作的功， 有 d 呢= e d 6 ( 3 2 ) 式中：d6 为虚位移；f 2 为磁