[發(fā)明專利]一種基于電壓模型的球電機(jī)控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210236633.3
• 申請日: 2012-07-07
• 公開（公告）號: CN102761306A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳偉海;孟艷艷;劉敬猛;吳星明
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 李有浩

1.一種基于電壓模型的球電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于：該電壓模型包括有軌跡誤差和控制信號模塊（11）、動力學(xué)分析模塊（12）、反轉(zhuǎn)矩求解模塊（13）、反電動勢求解模塊（21）、第一減法運(yùn)算模塊（31）、代數(shù)運(yùn)算模塊（32）、第二減法運(yùn)算模塊（33）、線圈電流獲取模塊（34）、矢量運(yùn)算模塊（41）、反動力學(xué)分析模塊（42）、第一積分運(yùn)算模塊（43）和第二積分運(yùn)算模塊（44）；

軌跡誤差和控制信號模塊（11）第一方面設(shè)置三自由度球形電機(jī)的轉(zhuǎn)子期望軌跡參數(shù)r、以及r的一階微分參數(shù)r_一階、以及r的二階微分參數(shù)r_二階；第二方面用于接收轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)q和轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)動軌跡的一階微分參數(shù)q_一階；第三方面采用轉(zhuǎn)子期望軌跡參數(shù)r減去轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)q，得到轉(zhuǎn)子軌跡誤差e＝|r-q|；轉(zhuǎn)子期望軌跡一階微分參數(shù)r_一階減去轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)動軌跡的一階微分參數(shù)q_一階，得到轉(zhuǎn)子軌跡一階微分誤差e_一階＝|r_一階-q_一階|；第四方面采用基于PID控制算法的球電機(jī)外環(huán)輸入控制信號關(guān)系m＝r_二階-K_ve_一階-K_pe對轉(zhuǎn)子軌跡進(jìn)行解析，得到輸入控制信號m；

所述輸入控制信號關(guān)系m＝r_二階-K_ve_一階-K_pe中的K_v是指以PID控制算法中PD位置控制三自由度球形電機(jī)外環(huán)的一階PID控制參數(shù)，K_p是指以PID控制算法中PD位置控制三自由度球形電機(jī)外環(huán)的PID控制參數(shù)；

動力學(xué)分析模塊12第一方面通過拉格朗日方程和歐拉角方法，得到球電機(jī)轉(zhuǎn)子的動力學(xué)模型關(guān)系為τ＝M(q)q_二階+c(q,q_一階)+τ_f+τ_l，且

M(q)=Nx×cos2β+Nz×sin2β0Nz×sinβ0Nx0Nz×sinβ0Nz,]]>

動力學(xué)分析模塊（12）第二方面將輸入控制信號關(guān)系m＝r_二階-K_ve_一階-K_pe和轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)Q＝{q,q_一階,q_二階}代入動力學(xué)模型關(guān)系τ＝M(q)q_二階+c(q,q_一階)+τ_f+τ_l中進(jìn)行解析，得到球電機(jī)轉(zhuǎn)子的控制轉(zhuǎn)矩τ；

其中，M(q)表示動力學(xué)二階控制增益矩陣；C(q,q_一階)表示動力學(xué)控制增益矩陣；τ_f表示摩擦轉(zhuǎn)矩；τ_l表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩；τ表示控制轉(zhuǎn)矩；

三自由度球形電機(jī)在X軸、Y軸、Z軸上的轉(zhuǎn)動慣量為Nx=Ny=1.75×10-3(kgm2)Nz=1.45×10-3(kgm2),]]>N_x表示三自由度球形電機(jī)在X軸上的轉(zhuǎn)動慣量，N_z表示三自由度球形電機(jī)在Z軸上的轉(zhuǎn)動慣量；

反轉(zhuǎn)矩求解模塊（13）對接收到的三自由度球形電機(jī)轉(zhuǎn)子的控制轉(zhuǎn)矩τ采用反轉(zhuǎn)矩模型I_期望＝G^T(GG^T)^-1τ解析，得到期望的定子線圈電流I_期望；

其中，G表示球形電機(jī)的轉(zhuǎn)矩慣量矩陣；

反電動勢求解模塊（21）依據(jù)反電動勢模型U_F＝K_F(q)q_一階對轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)q,q_一階進(jìn)行處理，得到定子線圈的反電動勢電壓U_F；

其中，K_F表示球形電機(jī)的反電動勢慣量矩陣；

第一減法運(yùn)算模塊（31）應(yīng)用接收到的期望的定子線圈電流I_期望減去接收到的實(shí)際的定子線圈電流I_實(shí)際，得到定子線圈電流誤差ΔI＝I_期望-I_實(shí)際；

代數(shù)運(yùn)算模塊（32）采用電流電壓轉(zhuǎn)換運(yùn)算關(guān)系對定子線圈電流誤差ΔI＝I_期望-I_實(shí)際進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，得到定子線圈電壓U；

其中，k和t表示球形電機(jī)的電壓與電流轉(zhuǎn)換參數(shù)，s表示定子線圈的軸向向量；

第二減法運(yùn)算模塊（33）應(yīng)用接收到的定子線圈電壓U減去接收到的定子線圈的反電動勢電壓U_F，得到定子線圈的電樞電壓誤差ΔU＝U-U_F；

線圈電流獲取模塊（34）對接收到的定子線圈的電樞電壓誤差ΔU＝U-U_F進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)電流的處理，得到實(shí)際定子線圈電流I_實(shí)際輸出；

矢量運(yùn)算模塊（41）對接收到的實(shí)際定子線圈電流I_實(shí)際與轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)Q＝{q,q_一階,q_二階}進(jìn)行相乘，得到轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)矩τ_實(shí)際＝I_實(shí)際Q；

反動力學(xué)分析模塊（42）采用反動力學(xué)模型q_二階＝M⁺(τ_實(shí)際-cq_一階)對轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)矩τ_實(shí)際＝I_實(shí)際×Q進(jìn)行求解，得到轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)的二階微分q_二階；

其中，M⁺表示球形電機(jī)的動力學(xué)二階控制增益矩陣M(q)的逆矩陣；

第一積分運(yùn)算模塊（43）對接收到的轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)的二階微分q_二階進(jìn)行積分處理，得到轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)的一階微分q_一階；

第二積分運(yùn)算模塊（44）對接收到的轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)的一階微分q_一階進(jìn)行積分處理，得到轉(zhuǎn)子實(shí)際軌跡參數(shù)q。