MaxwellD无人驾驶机器人用直线电机建模与仿真研究

1、-范文最新推荐- Maxwell2D无人驾驶机器人用直线电机建模与仿真研究 毕业设计说明书（论文）中文摘要在这篇文章中以汽车试验用的无人驾驶机器人驱动系统中圆筒型永磁动圈式直流直线电机为分析对象，通过有限元数值计算方法对电机进行仿真研究，建立了电磁场与位移场的耦合模型，并且研究了线圈匝数与电机动圈速度响应的关系。 首先对无人驾驶机器人在汽车试验中的广泛应用以及用于驱动驾驶机器人的直线电机的特性进行了简要叙述，并且介绍了直线电机国内外的发展以及研究现状。然后简要论述了永磁直流电机的原理和永磁直流直线电机的数学模型。 再然后对有限元数值方法的优点进行了介绍，并且着重对电磁场有限元分析软件 Anso

2、ft Maxwell 2D 的特点进行叙述，在此基础上阐述了使用Maxwell 2D 进行有限元建模计算的步骤。 最后对本文中设计的两种电机进行了有限元仿真分析，通过施加不同大小或方向的电流得出电磁力与位置的关系，并以此来建立位移场与电磁场的耦合关系。 通过恒定电流下改变线圈匝数的办法得出了速度响应与线圈匝数的定量关系。6559关键词无人驾驶机器人，永磁动圈式直线电机，有限元方法，电机原理，位移场，电磁场，耦合，线圈匝数，速度响应毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleCoupling modeling and simulation ofLinear electromagnet driven

3、unmanned robotAbstractThis dissertation focuses on theanalysis of aCylindrical permanent magnetmoving coil DC linear motor,establishing acoupling model of theelectromagnetic field and the displacement field, with astimulation studyof the motor using the finite element method,and thenstudies the nume

4、rical 2.1无人驾驶机器人的系统构成及其关键技术62.2动圈式直流直线电动机的工作原理92.3直流直线电动机的分类与结构分析 .102.3.1直线直流电动机的结构分类 .102.3.2永磁式直线直流电动机的结构分析 .102.3.3永磁动圈式直流直线电机的永磁材料122.4永磁动圈式直流直线电动机的数学模型 .132.4.1永磁动圈式直线电动机的力平衡方程132.4.2永磁动圈式直流直线电动机的电压平衡方程152.5本章小结163圆筒型永磁动圈式直流直线电机建模 .173.1有限元方法在电机磁场计算中的应用173.2Ansoft有限元分析软件及直线电机 Maxwell 2D 瞬态场建模.

5、183.2.1Ansoft 有限元分析软件183.2.2直线电机 Maxwell 2D瞬态场建模193.3本章小结244圆筒型永磁动圈式直流直线电机的结构尺寸设计与仿真分析264.1圆筒型永磁动圈式直线电机的磁路设计 .264.2200mm行程直线电机的结构尺寸及仿真分析.284.2.1尺寸及部件材料284.2.2200mm行程电机的仿真分析294.3240mm行程直线电机的结构尺寸及仿真分析.384.3.1尺寸及部件材料384.3.2240mm行程电机的仿真分析384.4本章小结46结论 .47致谢 .48参 考 文 献 .49 本科毕业设计说明书（论文）第1 页共45 页 步进电机需要使用

6、一些减速设备来减速和提高力矩，由于存在各种损耗，会导致电机力矩损失，也存在摩擦、弹性所造成的非线性。于是人们发明了直线电机，这种电机将负载直接加到电机上由电机直接驱动。直接驱动机器人具有的优点主要有高速，高精度重量轻、高刚性、机械结构设计简单。另外由于其较理想的刚体动力学模型，很适合作为控制方法的研究对象。很多直线驱动装置中普遍采用旋转电机作为动力源，然后通过一些转换装置（如链条、齿轮、丝杠皮带等）将电机的旋转运动转换成直线运动。在工业机器人领域，对驱动元件的精度和速度的要求越来越越高，传统的步进电机需要使用一些减速设备来减速和提高力矩，由于存在各种损耗，会导致电机力矩损失1，也存在摩擦、弹性

7、所造成的非线性。最终影响机器人的控制及可操作性。于是人们发明了直线电机，这种电机将负载直接加到电机上由电机直接驱动。直接驱动技术的核心是设计专门的直接驱动电机，以获得低速、高力矩输出，从而免除了使用齿轮减速器的必要，同时也可以获得更高的驱动性能。直接驱动机器人具有的优点主要有高速，高精度重量轻、高刚性、机械结构设计简单2。另外由于其较理想的刚体动力学模型，很适合作为控制方法的研究对象3。在需要直线运动的场合下与旋转电机结合中间变换环节的传动形式相比具有明显的优势，因此直线电机驱动技术近年来一直是人们研究的一个热门问题。动圈式直流直线电机作为一种特殊结构的直线电机，它具有运行效率高，控制简 1.

8、3直线电机的发展和应用直线电机出现于20世纪下半叶， 1890年便有人公开发表了有关直线电机的专利，就在5 年之后，用直线电机驱动的纺织梭子就问世了，从此以后直线电机便引起了人们极大兴趣。在 20世纪初期，曾经有人设想过将直线电机应用于火车了推动上，但是由于当时的火车推动系统能够满足当时的速度及稳定性要求，这样的设想就没有实现。直到次世界大战结束之前，日本、美国开始了电磁炮的研究，终于，美国的西屋公司成功研制出了一台用直线电机推动的飞机弹射器，该弹射器在速度和推力方面都较为出色，但是由于当时的制作成本过高，因此该飞机弹射器未能得到实际的使用。自从 1955年，随着电子器件的飞速发展，以及新型材

9、料的快速发展，直线电机的研究进入了实验开发阶段，各式各样的直线电机都相继研制出来并且纷纷投入了应用领域。由于直线电机的突出优势，因此国外更加重视对直线电机的研究，比如，英国、德国等国家都建立了直线电机实验室，世界上的一些非常著名的公司，比如美国的westinghouse、德国的 siemens公司、日本的松下公司都纷纷研制直线电机。由于现代的交通运输的需要，人们开始研究用直线电机驱动火车，直线电机在该方面的应用主要分为高速与低速两类，我国的广州地铁四号线和五号线便是低速应用的例子，而正处于研制中的磁悬浮则是高速应用的例子，磁悬浮列车具有安全舒适的特点，日本、德国等许多国家在这方面的研究处于前列

10、，并且已经开始向实用化过度，我国在这方面也已经取得了不小的进展。上海市与德国合作成功建设的世界上第一条商业运营磁悬浮列车示范线，已经于 2003年开始了运营5 计了200mm 与240mm 行程两种行程的永磁动圈式直线直流电机，本论文根据圆筒型永磁动圈式直线直流电机的工作原理与结构特点，采用了有限元方法对圆筒型永磁动圈式直线电机进行了瞬态仿真分析并且建立了电机位移场与电磁场的耦合模型，本论文的主要工作如下：第一章是绪论。对直线电机的特点，国内外的发展历史、国内外的研究现状。第二章讲了无人驾驶机器人的永磁动圈式直线直流电机的基本结构、基本原理以及永磁直线电机的永磁材料的选择，最后描述了直线直流电

11、机的数学模型。第三章主要是有限元方法的介绍和有限元仿真软件 Ansoft的介绍。 首先比较了数值计算方法相比于解析方法的优点，然后介绍了有限元方法的原理及采用有限元方法计算的步骤，最后讲了 Ansoft Maxwell 2D的特点和优点，以及采用该软件分析直线电机的分析步骤。第四章是圆筒型永磁动圈时直线直流电机的尺寸及仿真验证。探讨了电机主要尺寸的计算，并且结合有限元仿真软件最终确定了电机的结构尺寸，然后在此基础上进行了电机的仿真分析，并且建立了位移场和电磁场的耦合关系，探讨了电机线圈匝数对速度响应的定量关系。第五章是结论。1.6本章小结本章首先介绍了本课题的研究背景及其意义，然后简要叙述了无

12、人驾驶机器人在国内外的研究现状、直线电机的发展以及直线电机在国内外的研究现状。最后简要列出了本文所做的主要工作。2无人驾驶机器人的系统构成及其驱动电机2.1无人驾驶机器人的系统构成及其关键技术驾驶机器人在不改造试验车辆的基础上代替试验人员驾驶汽车，按照预先设定的 图2-3 驾驶机器人的分层递阶控制结构从上到下,它主要由多传感信息融合仿人驾驶决策模块、优化性能的多机械手/腿协调控制模块、各执行模块、控制对象模块等组成。其中控制对象可能是室外的车辆-道路,或者室内的车辆-底盘测功机(模拟道路),或者驾驶模拟器(用于无人驾驶的虚拟现实研究)等。当然上述各模块并没有明确的界限,而是一个相互联系的有机整

13、体。 对于该控制结构,其关键技术问题主要有以下几个方面:(1).多传感信息融合仿人驾驶决策模型的研究。该模块处于分层递阶控制的最高级——组织级,其作用是根据车辆性能试验的任务要求和人的外部指令(由人机接口实现)、以及获取的多传感融合信息,按照一定的决策推理机制决策出合适的车速和驾驶方向角。(2).优化性能的多机械手/腿协调控制的研究。 组织级驾驶决策结果需要经过协调级的实时处理,产生一系列可供执行的动作序列。如决策出的参考车速最终要靠油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿、换档机械手等子系统的协调动作来产生。理想的各子系统协调控制除了要满足基本的车辆运动跟踪控制要求外,还

14、要满足降低变速箱磨损、提高燃油经济性、减少震动和提高乘坐舒适性等性能优化的要求。(3).车辆运动控制技术的研究。 车辆的运动控制,即车速和方向的跟踪控制是执行级的研究问题。在各执行系统的闭环控制策略的选择和设计中,除了要考虑通常的控制性能要求外,还应充分考虑系统的抗干扰性能和鲁棒性等。(4).车辆系统辨识方法的研究。 不同类型的车辆,甚至同型号的不同车辆或者同一车辆在不同的运行时刻,其动力学参数是不同的。为了缩短在不同车况下以及更换车 行程结构系统中就很难实现无刷无接触运行。另外，在精密控制中，还需采用闭环控制系统这也可以说是个缺点。直线直流电机被广泛应用于工业检测、自动化控制、信息系统、民用

15、及其他各个技术领域。2.2动圈式直流直线电动机的工作原理如图 2-4为直线直流电动机最简单的工作原理。 图2-4 直线直流电机工作原理图（动圈型）线圈沿着软铁芯轴轴向自由移动。在线圈的行程范围内，永久磁铁给予它大致均匀的磁场d B。当线圈中通入直流电a I时，载有电流的导体在磁场中就会受到电磁力的作用。这个电磁力的方向可以根据 Flaming 左手定则来确定。让左手掌正对着方向，四指顺着电流方向，则拇指所指的方向即为线圈所受的电磁力作用方向。设在铁芯下面的线圈截面中的电流方向为垂直纸面向内，则线圈所受的电磁力方向由图中F(N)表示。改变直流电流a I的方向就可以改变线圈受力的方向。电磁力的大小可有下式算出：a lNI B LI B F a d d =