机器鱼电磁舵机设计与控制系统的研究.pdf

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1、第４期（总第２０３期）机械工程与自动化Ｎｏ．４２０１７年８月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＡｕｇ．文章编号：１６７２６４１３（２０１７）０４０１８１０３机器鱼电磁舵机设计与控制系统的研究朱红秀，高子航，桑伟，何召硕，赵铁磊，马琳静（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京１０００８３）摘要：电磁驱动具有结构精简、无污染、可靠性高和驱动力大的优点，更重要的是可以应用理论成熟并广泛使用的经典控制方法实现精确的过程控制。机器鱼的尺寸有限，内部空间狭小，电磁舵机不

2、需要复杂的传动机构，可方便地应用于机器鱼当中。根据机器鱼模型的要求，合理设计了电磁舵机的结构；利用ＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ有限元分析软件对电磁舵机进行了仿真，得出其输入电流与输出电磁力的关系；通过ＭＡＴＬＡＢ／ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ对机器鱼模型进行分析，提出了电磁舵机的控制方法，并绘制了控制系统原理图，对于机器鱼的驱动和控制具有一定的意义。关键词：机器鱼；电磁舵机；结构设计；控制系统中图分类号：ＴＰ３９１．７文献标识码：Ａ０引言外壳上；给线圈通入按一定规律变化的电流信号，线圈根据仿生机器鱼驱动原

3、理的不同，可以将驱动器带动线圈支架和后一关节绕轴作往复摆动。前关节与分为三大类：①采用新型功能材料作为驱动元件，主要轴用销钉固结，后关节与轴用轴承连接。包括压电陶瓷、形状记忆合金和人造合成肌肉，主要应用于微型水下行器的驱动中；②采用常规动力元件如伺服电机等作为驱动器，但是常规驱动元件重量大，噪声大，在输出过程中还需要一定的机械结构进行运动转化，这就致使仿生机器鱼内部结构复杂，密封性差，驱动效率低，加工精度要求高；③以电磁驱动器作为驱１－中心轴；２－上连接构件；１－鱼体外壳（前）；２－连接轴承；动元件

4、，电磁驱动器与电机及新型材料相比，驱动结构３－下连接构件；４－线圈支架；３－鱼体外壳（后）简单，密封性好，无需其他转换连接机构即可直接连接５－连接销钉尾鳍，输出摆动运动，工作效率高，而且电磁驱动器控图１舵机支架装配结构示意图图２关节连接机构剖视图制简单，线性度好，动态响应速度快，输出力矩满足小１．２永磁体与电磁线圈的参数设计型仿生机器鱼的驱动要求。因此本文重点对机器鱼电１．２．１永磁体的参数设计磁舵机设计与控制系统进行研究。在进行永磁铁的参数设计时，一方面要求永磁铁１电磁舵机结构设计提供的气隙磁场强

5、度能够驱动电磁线圈；另一方面要１．１电磁舵机结构与连接求钕铁硼永磁铁保持性能稳定。永磁铁的工作点尽量电磁舵机包括外壳、永磁体、电磁线圈和线圈支选在磁能积最大处。钕铁硼永磁铁矫顽力很大，回复架。电磁舵机的外壳上设置有两个永磁体定位卡座，导磁率几乎与空气相同，接近于１。在永磁铁为圆柱相对放置，永磁体通过对应的定位卡座安装于永磁体形状时，轴向磁化，长径比（犔犿／犇，其中，犔犿为轴向长安装筒内；由于电磁线圈在电磁舵机中作弧线往复摆度，犇为永磁铁直径）的选择很重要，其选取原则为：①动运动，因此，永磁体卡座平面

6、设有一定角度，避免电对于低矫顽力永磁铁，即矫顽力犎犫小于０．５倍剩磁磁线圈在往复摆动中与永磁体产生摩擦，引起不必要犅狉，长径比必须大于１，对于高矫顽力永磁铁，即矫顽的能量损失。图１为电磁舵机支架装配结构示意图，力犎犫大于０．５倍剩磁犅狉，长径比可以小于１；②在满它由线圈支架４、中心轴１、上连接构件２（与前外壳连足工作条件下，使犔犿／犇尽可能的小。接）、下连接构件３（与后外壳连接）以及轴承、定位销在本课题的研究中，由于机器鱼内部空间有限，因组成。图２为机器鱼关节间连接机构的剖视图，电磁此，在考虑永磁工

7、作点的同时，还应考虑机器鱼的装配线圈置于线圈支架中，线圈两侧为永磁体，固结在鱼体问题，以尾鳍处的电磁舵机为例，选择永磁铁直径犇＝收稿日期：２０１７０１０４；修订日期：２０１７０６１１作者简介：朱红秀（１９７０），女，河北遵化人，副教授，博士，研究方向：测试测量技术与仪器。·１８２·机械工程与自动化２０１７年第４期８ｍｍ，厚度犔＝１０ｍｍ，永磁铁的牌号选择Ｎ３５Ｍ。３．１机器鱼动力学仿真分析１．２．２电磁线圈的参数设计为了对电磁舵机进行控制，必须对机器鱼进行动由于仿生机器鱼内部空间有限，在设

8、计电磁线圈力学分析，得到机器鱼关节驱动力矩与关节运动摆角时，首先考虑到线圈应满足空间要求，以此为前提选择之间的关系。利用ＭＡＴＬＡＢ下的ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ模电磁线圈的尺寸参数；此外，还需选择缠绕线圈所需电块，建立的单关节机器鱼仿真模型如图５所示。磁线及绕线方式，计算线圈的电动力，若不能满足设计需求，在满足空间限制的条件下应对线圈参数进行优化设计。以尾鳍处电磁舵机为例，在尾鳍的摆动过程中应保证线圈不能撞击到机器鱼形体内壁及永磁铁，以免引起舵机在工作过程中的不稳定性