开关磁阻电机发展概况及市场趋势

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的结构和形态适应不同场合的要求，而不只是局限于旋转电机。图2(a)及图2(b)分别是直线和旋转开关磁阻执行器。当通入电流流过线圈时，产生磁通。磁通就像“一只无形的手”一样，它将尽可能地缩短磁路和活塞间的空气隙的距离。对于旋转的情形,通电后,动子将顺势旋转与定子极完全对齐为止。同样，对于直线的情况，活塞将向上运动直至与上端相接触。这里所描述的可变磁阻执行器是最简单鲁棒性最好的电机。它不包括任何永磁体，鼠笼结构或是换向器。目前，主要应用于日常的开/关设备中（车锁，洗衣机中的截水阀等等）。但是，开关磁阻具有磁和电方面的非线性控制的非线性化特点，因而它不能用作比例执行机构。与无刷直流电机和交流同步电机相比，它更难进行控制。控制的因素绝大部分取决于其磁通的分布特性，然而磁通却是非线性的参数。虽然如此，在过去几年中，确实有一部分致力于对开关磁阻线性执行器的研究[3]，这要归功于高速电子开关，计算设备和高级控制理论的发展。。香港理工大学电力电子研究中心开发了一些高性能的用于运动控制的开关磁阻执行机构。其中包括：（机器人）手指抓取器，人造关节，直线磁阻电机，和平面磁阻电机。本文中，作者将按顺序详细介绍每一个科研项目，并且讨论它们各自在高性能的机器人结构中的应用。在本文的最后，将简要介绍开关磁阻执行器的控制方案。开关磁阻执行器在电特性上具有严重的非线性，而且主要取决于实际的机械结构[4]。但仍可以按下列状态方程描述：1．（机器人）手指抓取器；2．人造关节；手指抓取器用于机器人领域4各自为相应的受动器提供力矩。每个移动的转子都连接在各自的轴上，从而运动机构可以自由地移动于定子的极间。图5显示了总体结构。该执行器鲁棒性好,结构简单，并适用于危险的环境中。由于不包含永磁体，加工成本和难度都大大降低。自感和互感参数在制造过程中已经进行过测量，并应用三阶差值函数差值。控制方案采用双模式位置/力控制策略。在目前的研究中，该设备具有0.5的角度精度和5mN的力精度。最大抓取力达到大约8N。它已被测试于高速和高精度的抓取多种精密或脆弱物件的应用中。开关磁阻原理可以应用于人造关节的制造上。直接驱动旋转关节对机器人的结构建造上有很大的用处。图5显示了整体结构和实际形态。它包含了两个线圈和居于中心的层叠板，层叠板作为运动的电机部分。磁路走向由两个线圈控制，各自提供与对方方向相反的力矩。最大旋转角度为90o。基板由两部分组成；一部分负责顺时针方向的转距，另一个负责逆时针方向。每个线圈负责各自的旋转部分。每个部分是层叠结构，一端固定，中间是转子部分而另一端是磁回路(由Carpenter430FR型金属条板提供）。整体结构十分简单，而且可以根据需要制成人的手指形状。通过单独控制各自线圈的导通和关断，可以让它跟随不同的运动轨迹，提供不同的抓取力或者以不同的力度停留在某个位置上保持静止。磁漏和涡流损耗；动态输出特性。该电机安装在精确的直线导轨上。三项线圈组装在动子上，并相隔120o由于线圈互相之间是完全磁通解耦的，三项线圈各自独立，互不目前，位置控制精确度达到0.8μm，具有3.5个自由落体加速度。电机的驱动控制器目前还没有使电机工作在饱和区。预计下一代的平面组电动机具有二维空间的延展性。它可以在X方向，同时和Y的方向上产生力。二维空间运行在工业生产中有着极高的需求。新型的平面结构可以完全替代传统的X-Y工作台。在机械上结构简单，部件很少，而且易于加工和制造。但目前需要解决的困难不光是在执行部件的结构上的设计，位置传感器二维传感，而且包括非线性控制方法和PWM电流驱动器上。图7(a)是该电机的外观图，它是基于6/4的型旋转磁阻电机，经过平面延展，形成二维平面的运动结构。动子平台上安装两组3项线圈和较宽的动子齿。齿的宽度保证两个方向的力的耦合达到最小。个μm的直线位置解码器分别安装在两个方向的移动导轨上。300mm×300mm>5个自由落体（0.5公斤负载）5kg目前该电机还处于最终试制阶段。通过有限元分析，可以证实无论从固有特性和控制策略上，这个平面电机与直线电机有很多的共同点。3平面电机的控制方案开关磁阻执行机构具有非线性的特点，也就是说力/力矩输出相对于位置和电流呈非线性关系。为了纠正其非线性，控制器必须包含一个力/电流的二维表。通常可变磁阻电机运行于位置和力的调节模式下，因此常采用双模式控制策略。图8是典型的控制器框图。采用分级闭环控制。控制器内环包含一个快速的电流调节器和慢速的位置调节器在外环。外环采用自适应PI调节器；在位置控制器和电流控制器之间的是非线性的二维表。表位于两个控制器之间。它接收来自控制器的力的命令和位置信息，输出所需的电流值给电流控制器。该双闭环分级运行是以电流控制器能够正确地进行跟踪为基本前提的。只要电流内环跟踪正确，外环给定的位置指令将取决于内环，最后将指令送给电机。若电机运行于位置和力的控制模式之下，建议采用模式切换机制。该切换模式对输入的力命令在轨迹控制器和力产生器之间进行选择。4.结语高性能低成本的机器可以由可变磁阻为原理的直接驱动执行器和“利用特种驱动的执行器和高级控制方案简化机械结构”的理念来实现。在本文中所描述的特种开关磁阻电机成本低，鲁棒性强和可靠性好，无需繁琐的机械校准工作，而且容易加工制造。这些优点将最终取代包含很多旋转电机和机械螺钉组成的X-Y工作台。当应用上述的电机所组成的仪器进行电子设备和零件（手提电脑，半导体设备芯片等）的加工时，生产成本也将随之大大降低。甚至可以将它们用于那些由于条件所限从未付诸实施的应用中。上述的直接驱动开关磁阻电机将对自动化工业做出贡献，所研究的重点是如何利用有限的人力物力成本制造高科技含量价值的高、精、尖产品。本文作者在此感谢香港大学基金会和香港理工大学研究委员会对本项目（PolyU5066/01EandG-T223）所提供的支持和帮助。[1]Miller,T.J.E.(1993),Switchedreluctancemotorandtheircontrol,MagnePhysicsPublishingandClarendonPress,Oxford.[2]Taylor,D.G.,(1991),"Anexperimentalstudyoncompositecontrolofswitchedreluctancemotors",IEEEControlSystemsMagazine,Vol11,Iss6,p31-36.[3]Goldenberg,A.A.,Laniado,I.,Kuzan,P.,andZhou,C.,(1994),"Controlofswitchedreluctancemotortorqueforforcecontrolapplications",IEEETrans.onIndustrialElectronics,Vol41,No4,p461-466.[4]Rahman,M.F.,Cheung,N.C.,andLim,K.W.,(1996),"Modellingofanonlinearsolenoidtowardsthedevelopmentproportionalactuator",Proc.Ofthe5thInternationalConferenceonModellingandSimulationofElectricalMachines,Convertors,andSystems,ELECTRIMACS'96,SaintNazaire,France,17-19September,Vol1,pp121-128.[5]Lim,K.W.,Cheung,N.C.,andRahman,M.F.,(1994),"Proportionalcontrolofasolenoidactuator",IEEEProceedingsonIndustrialElectronicsSocietyannualgeneralmeeting,IECON'94,Bologna,vol.3,pp2045-2050,ISBNNo0-7803-1328-3.[6]Rahman,M.F.,Cheung,N.C.,andLim,K.W.,(1996)"Conversionofaswitchingsolenoidtoaproportionalactuator",TransactionsofIEEJapan,VolI16,PtD,No5,May,pp531-537.[7]Rahman,M.F.,Cheung,N.C.,andLim,K.W.,(1996)"Positionestimationinsolenoidactuators",IEEETransactionsonIndustryApplications,Vol32,No.3,May/Jun1996,pp552-559.[8]Cheung,N.C.(1998),Acompactandroustvariablereluctanceactuatorforgraspingapplications,IEEEIndustrialElectronicsSocietyannualgeneralmeeting,IECON'98,AachenGermany,31Aug-4Sep,pp1072-1