基于D-H参数的磁阻式球形电机动力学建模*

doi:10.11985/2024.01.016

电气工程学报 ›› 2024, Vol. 19 ›› Issue (1): 150-158.doi: 10.11985/2024.01.016

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基于D-H参数的磁阻式球形电机动力学建模^*

李瑞英¹^,²(), 李国丽²^,³, 鞠鲁峰¹^,⁴(), 王群京¹^,³

1.安徽大学电气工程与自动化学院合肥 230601
2.安徽大学高节能电机及控制技术国家地方联合实验室合肥 230601
3.安徽大学工业节电与用电安全安徽省重点实验室合肥 230601
4.安徽大学工业节电与电能质量控制安徽省级协同创新中心合肥 230601

收稿日期:2023-03-18 修回日期:2023-09-04 出版日期:2024-03-25 发布日期:2024-04-25
通讯作者: 鞠鲁峰，男，1983年生，博士，讲师。主要研究方向为特种电机优化设计、电机电磁场分析计算。E-mail：julf@ahu.edu.cn
作者简介:李瑞英，女，1997年生，硕士研究生。主要研究方向为磁阻式球形电机转矩建模等。E-mail：l_r_y@foxmail.com
基金资助:
国家自然科学基金(51637001);安徽省自然科学基金面上(1908085ME168)

Dynamic Modeling of Reluctance Spherical Motor Based on D-H Parameter

LI Ruiying¹^,²(), LI Guoli²^,³, JU Lufeng¹^,⁴(), WANG Qunjing¹^,³

1. School of Electrical Engineering and Automation, Anhui University, Hefei 230601
2. National Engineering Laboratory of Energy-Saving Motor & Control Technology, Anhui University, Hefei 230601
3. Anhui Key Laboratory of Industrial Energy-Saving and Safety, Anhui University, Hefei 230601
4. Anhui Collaborative Innovation Center of Industrial Energy-Saving and Power Quality Control, Anhui University, Hefei 230601

Received:2023-03-18 Revised:2023-09-04 Online:2024-03-25 Published:2024-04-25

摘要/Abstract

摘要：

三自由度球形电机的动力学模型是对转子运动过程的数学描述，在球形电机的闭环控制中用于计算转子从当前位置运动到期望位置时所需要的驱动转矩。以计算磁阻式球形电机驱动转矩为目标，提出一种动力学方程的建模方法。针对磁阻式球形电机的运动特征，将球形转子等效为三个串联旋转关节，推导出磁阻式球形电机基于D-H参数的动力学方程，再对方程中的未知参数进行辨识，最终模型的预测结果与仿真结果有较高的拟合度，试验验证了该模型在设定运动工况下的可靠性，为磁阻式球形电机驱动控制提供了理论基础。

关键词: 磁阻式球形电机, D-H参数, 动力学模型, 机器人, 参数辨识

Abstract:

Dynamic model of 3-DOF spherical motor is a mathematical description of the rotor motion process. In the closed-loop control of spherical motor, it is used to calculate the drive torque required when the rotor moves from the current position to the desired position. Aiming at calculating the driving torque of reluctance spherical motor, a dynamic equation modeling method is proposed. According to the motion characteristics of reluctance spherical motor, the spherical rotor is equivalent to three rotary joints in series. The dynamics equation of reluctance spherical motor is derived based on D-H parameters. Then, the unknown parameters in the equation are identified. The prediction results of the final model agree well with the test data. Finally, the reliability of the model under a specific motion is verified by experiments, which provides a theoretical basis for the drive control of reluctance spherical motor.

Key words: Reluctance spherical motor, D-H parameter, dynamics model, robot, parameter identification

中图分类号:

TM351

李瑞英, 李国丽, 鞠鲁峰, 王群京. 基于D-H参数的磁阻式球形电机动力学建模^*[J]. 电气工程学报, 2024, 19(1): 150-158.

LI Ruiying, LI Guoli, JU Lufeng, WANG Qunjing. Dynamic Modeling of Reluctance Spherical Motor Based on D-H Parameter[J]. Journal of Electrical Engineering, 2024, 19(1): 150-158.

图/表 13

图1

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参考文献 18

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主要参数	数值
定子外径/mm	122
转子外径/mm	73
气隙长度/mm	1
线圈匝数	350
转轴长度/mm	40

序号	a_i	α_i	d_i	变量
1	0	$\frac{\mathrm{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{2}$	l₁	θ₁∈[-180°180°]
2	l₂	$-\frac{\mathrm{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{2}$	0	θ₂∈[-33°33°]
3	0	0	l₃	θ₃∈[-180°180°]

序号	运动组合	运动形式	运动轨迹
1	θ₁	自旋	点
2	θ₂	侧倾	圆弧
3	θ₃	自旋	点
4	θ₁+θ₂	章动	球面螺旋线
5	θ₁+θ₃	自旋/旋进	点/圆
6	θ₂+θ₃	侧倾+轴伸自转	圆弧
7	θ₁+θ₂+θ₃	复合运动	球面螺旋线

参数	辨识结果/(kg·mm²)
J_xy₁	32.531
J_xy₂	29.870
J_xy₃	30.001
J_z₂	56.014
J_z₃	89.235

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Dynamic Modeling of Reluctance Spherical Motor Based on D-H Parameter

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