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| 內容簡介： |
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本书从结构设计、磁场与力矩建模、转子姿态检测、运动控制等多个层面，系统介绍了三自由度永磁球形电动机的统一理论、研究体系与方法，是编者团队十多年研究成果的提炼和总结。球形电动机面世几十年来，由于研究工作者遵循各自的研究对象与方法，导致球形电动机理论研究缺乏系统性。本书在回顾球形电动机主要研究内容及基础核心问题的基础上，以几种规格、拓扑结构样机的研究内容为主线，按照理论分析、仿真对比、实验验证的思路，论述了球形电动机研究的理论体系及方法。本书适用于从事电机设计、电机电磁场分析、特种电机及电机控制等研究方向的博士与硕士研究生，以及电机工程和相关领域的科研人员。
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前言第1章绪论11.1球形电动机概述11.2国内外关于球形电动机的研究发展21.2.1球形电动机拓扑结构的研究发展21.2.2球形电动机姿态检测的研究发展161.2.3球形电动机运动控制策略的研究发展24第2章永磁球形电动机的基本结构与优化设计282.1永磁球形电动机的基本结构与参数282.1.1采用圆柱形永磁体的球形电动机282.1.2采用台阶式永磁体的球形电动机302.1.3采用Halbach阵列永磁体的球形电动机302.2永磁球形电动机单定转子磁极对矩角特性建模312.2.1样本数据选择312.2.2基于BP神经网络的单定转子磁极对矩角特性建模322.2.3基于遗传算法优化的BP神经网络单定转子磁极对矩角特性建模352.2.4基于粒子群优化算法的BP神经网络单定转子磁极对矩角特性建模372.3永磁球形电动机结构参数优化392.3.1以单定转子磁极对输出转矩为目标的结构参数优化402.3.2以输出转矩、线圈功耗小为目标的结构参数优化422.4本章小结48第3章球形电动机磁场模型与力矩模型493.1永磁球形电动机的磁场模型493.1.1基于等效面电流的磁场模型503.1.2基于球谐函数的磁场模型613.1.3基于等效磁网络法的磁场模型673.2永磁球形电动机的力矩模型743.2.1基于洛伦兹力的力矩模型743.2.2基于转矩线性叠加的力矩模型853.2.3基于数据驱动的力矩预测模型883.3本章小结103第4章永磁球形电动机的转子姿态检测1054.1基于MEMS的转子姿态检测1054.1.1基于MEMS的转子姿态检测系统构成1074.1.2MEMS数据采集与误差处理1084.1.3基于MEMS的转子姿态检测实验1124.1.4基于MEMS的转子姿态检测的优缺点1154.2基于机器视觉的转子姿态检测1164.2.1基于高速摄像机和光学特征点的转子姿态检测系统构成1174.2.2基于高速摄像机和光学特征点的转子姿态检测原理1184.2.3基于高速摄像机和光学特征点的转子姿态检测实验1254.2.4基于IFDSST算法的转子姿态检测系统构成1364.2.5基于IFDSST算法的转子姿态检测原理1374.2.6基于IFDSST算法的转子姿态检测实验1424.2.7基于OpenMV的转子姿态检测系统构成1504.2.8基于OpenMV的转子姿态检测原理1514.2.9基于OpenMV的转子姿态检测实验1564.2.10基于图像处理的转子姿态检测的优缺点1594.3基于光学传感器的转子姿态检测1604.3.1基于双光学传感器的转子姿态检测系统构成1604.3.2基于双光学传感器的转子姿态检测系统原理1624.3.3基于双光学传感器的转子姿态检测实验1654.3.4基于单光学传感器的转子姿态检测方法1694.3.5基于三光学传感器的永磁球形电动机转子姿态检测系统1724.3.6基于光学传感器的球形电动机转子姿态检测方法的优缺点1774.4转子姿态的磁敏检测方法1784.4.1转子姿态磁敏检测方法的基本原理1784.4.2球形电动机转子姿态解算原理与仿真分析1814.4.3转子姿态磁敏检测实验1854.4.4系统误差仿真分析1864.4.5转子姿态磁敏检测方法的优缺点1904.5本章小结191第5章永磁球形电动机的运动控制1925.1运动学分析1925.1.1坐标系与旋转方式1925.1.2正向运动学分析1945.1.3逆向运动学分析1965.2动力学分析1975.2.1欧拉角速度与转子角速度1975.2.2永磁球形电动机转子动力学模型1985.2.3永磁球形电动机转子动力学模型的典型性质2005.3永磁球形电动机的驱动电流求解2015.3.1广义逆矩阵求解驱动电流2015.3.2优化算法逆向求解驱动电流2025.4永磁球形电动机的运动控制算法2065.4.1基于名义模型的永磁球形电动机PD控制算法2075.4.2考虑模型不确定性的永磁球形电动机自适应控制算法2095.4.3考虑复合干扰的永磁球形电动机全阶滑模控制2135.4.4基于自适应干扰观测器的永磁球形电动机终端滑模控制2225.4.5带有延时补偿的永磁球形电动机自适应滑模轨迹跟踪控制2335.4.6基于轨迹再规划的永磁球形电动机闭环控制2395.5永磁球形电动机的运动控制系统测试平台2445.6本章小结250参考文献251
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本书在对编者团队十多年研究成果总结、提炼的基础上，针对永磁结构的球形电动机，在结构设计、磁场与力矩建模、转子姿态检测、运动控制等方面展开叙述，旨在建立球形电动机研究的统一理论、研究体系及方法，为球形电动机相关研究人员开展研究提供参考，也为球形电动机的发展、未来走向工程应用提供基础。本书的主要内容如下：1）从球形电动机的拓扑结构设计、转子姿态检测、运动控制3个方面对国内外研究现状进行了综述。2）给出了本书研究的永磁球形电动机的基本拓扑结构与参数，针对单定转子磁极对矩角特性进行了建模，介绍了两种永磁球形电动机的结构参数优化方法。3）通过建模、仿真、实验验证的方法，对永磁球形电动机的磁场和力矩建模方法进行介绍。4）针对永磁球形电动机的转子姿态检测方法展开叙述，主要介绍几种非接触式球形电动机姿态检测方法，并设计了对比实验，分析它们的优缺点，为球形电动机的闭环运动控制提供基础。5）针对永磁球形电动机的运动控制展开叙述，首先建立动力学模型，介绍由转矩模型求解驱动电流的方法，然后介绍几种运动控制策略，用仿真和实验说明了控制策略的有效性。本书由王群京、李国丽主编，周睿、文彦、鞠鲁峰、周嗣理、高世豪参编。其中，第1章由周嗣理、文彦、鞠鲁峰、李国丽编写，第2章由鞠鲁峰编写，第3章由周睿编写，第4章由李国丽、高世豪编写，第5章由文彦编写，王群京、李国丽对全书进行了统稿。本书在编写过程中，参考了有关文献内容，在此一并表示谢意！由于编者的水平有限，书中难免存在不妥之处，欢迎读者批评指正。本书的研究工作得到国家自然科学基金重点项目“复杂电机系统关键基础问题研究” （51637001，2017—2021年）和团队自2002年以来承担的国家863计划项目（2007AA04Z214）等十多个国家自然科学基金面上项目、青年基金项目、安徽省自然基金项目的共同资助。编者2022年2月
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