多物理场混合驱动三自由度球形电机及其控制系统研究

转矩性能的改善是超声波球形电机亟需解决的问题之一。然而受预压力装置不完善及定转子能量传递界面小的限制，优化定子结构、改善摩擦条件和增加激励强度等传统方法，提高转矩的效果并不十分理想。项目借鉴永磁球形电机研究成果，设计电磁预压力与助力系统，提出多物理场混合驱动球形电机的研究设想。电机定子采用超声振子和电磁绕组组合的结构，转子表面粘贴永磁体，运行时电磁斥力使定子绕组与转子分离，并提供转子与超声振子间的预压力，同时，激励超声振子产生摩擦转矩使其与电磁转矩同向，二者合力驱动转子实现偏航、倾斜和旋转运动；停止时弹簧压力通过定子绕组将转子压在超声振子上，摩擦力保证电机自锁。项目将探索新工况下摩擦传动机理的变化，改进电机定转子电磁设计方案，实现径向电磁力和电磁转矩的可控性，研究超声振子和定子绕组的同步换向策略，实现二者协调作用，研究速度和定位控制策略。

多自由度球形电机可以围绕空间任意轴旋转，在现代工业、医疗、航空等领域具有广泛的应用前景。本项目提出多物理场混合驱动概念，利用电磁转矩和摩擦转矩共同驱动球形转子运动，同时利用电磁力合成球形转子与超声振子之间的预压力，重点解决电磁转矩与电磁预压力的合成与控制问题。主要进行了以下研究工作：.1、分析了预压力合成、控制原理，提出了由定子线圈和具有永磁磁极的球形转子组成的电磁预压力装置设计方案。利用力的平移原理，将单个线圈的电磁力对转子的作用等效为力偶和过球心的力，建立了整个装置的预压力平衡方程，获得了定子坐标系下预压力的电流控制方程。.2、研究了球形电机定转子磁场分布及谐波情况，提出了基于三维等效磁网络的磁场分析方法。推导了电流密度与永磁体磁化强度的关系，得到了定子绕组的永磁体模型；将不同磁场边界条件表达为磁阻单元对应节点或支路的状态，利用平均磁能法求得了磁通密度在空间的分布；以转子球面为分析面，以球谐波级数为基函数，利用最小二乘法进行展开，得到了球面上定子线圈磁场各阶次谐波的系数。.3、研究了电机电磁转矩。根据定转子磁场分布，合成了气隙磁场；利用麦克斯韦张量法分析了单个定子绕组产生的电磁力及电磁转矩，获得了转矩与绕组位置之间的关系。.4、优化了定子线圈结构参数。采用人工免疫算法以线圈电感、最大输出转矩和线圈功耗为设计目标，优化设计了线圈内外径和高度参数；为了准确反映不同数值等级的设计目标的逼近程度，提出了相对欧式距离概念。.5、研究了球形电机控制问题，提出了转矩分配控制策略。为了避免求解高维转矩矩阵的广义逆矩阵，将目标转矩分解为自转和倾斜转矩，通过比较不同定子绕组的转矩分量，划分出相应的控制绕组集合；根据集合内部定子绕组转矩的分布特征及转子位置，制定了绕组的通电策略，获得两个降维的控制矩阵。.6、针对普通电流滞环控制中功率器件开关频率不稳定问题，采用变滞环宽度实现开关频率恒定。根据各采样时刻电流的上升斜率和下降斜率，调整下一周期的滞环环宽。 .7、完成样机初步设计。球形电机包括定子绕组、球形转子、机架部分和传感器导轨几部分，构建了以DSP和FPGA为核心的控制系统。.结合项目的研究，正在培养该领域硕士研究生6名，已毕业2名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表/录用论文7篇，被SCI收录1篇，EI收录5篇，获国家发明专利3项，申请国家发明专利1项。