[發明專利]一種基于電壓模型的球電機控制系統

有效

• 申請號: 201210236633.3
• 申請日: 2012-07-07
• 公開（公告）號: CN102761306A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 陳偉海;孟艷艷;劉敬猛;吳星明
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 李有浩

技術領域

本發明涉及一種適用于球電機的控制系統，更特別地說，是指一種基于電壓模型的球電機控制系統。

背景技術

球形電機主要包括半球形的轉子和球形的定子。半球形轉子的圓柱形的永磁極沿轉子的赤道線均勻分布，提供球形電機的磁場能量。球形電機定子的圓柱形的線圈沿赤道線分兩層對稱的均勻的嵌入定子球殼。所有的轉子磁極和定子線圈的軸線都通過球形電機的球心。在專利申請號201110048340.8中公開了一種具有三維拓撲磁極分布結構的球型電機。

球形電機的位置測量是通過球形關節實現的，球形關節包括三個相互關聯的軸和三個編碼器，這三個編碼器分別位于不同的軸上，測量不同軸的旋轉角度。球形關節和轉子連接，轉子帶動球關節一同轉動，因此通過編碼器可以讀出轉子的旋轉角度和位置。在申請號201010528171.3中公開了一種適用于球電機的具有姿態檢測的三自由度被動球關節。

當給球形電機的定子線圈通電時，定子線圈和轉子磁極之間產生力矩作用，在力矩作用下球形電機的轉子可以產生運動。當給所有的定子線圈通電時，轉子可以繞它的轉子軸旋轉運動即自旋運動；當給位于不同縱向位置的線圈通電時，轉子可以繞不同方向傾斜運動。所以，當給不同的定子線圈的通電時，轉子可以產生空間三自由度的運動。研究球形電機運動控制的根本就是研究定子線圈的通電順序及通電的大小。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于電壓模型的球電機控制系統，該控制系統結合了球形電機的電壓模型和動力學模型，利用歐拉角形式表達轉子實際軌跡參數，使得本發明設計的控制系統能夠適用于三自由度永磁球形電機的控制。本發明控制系統不僅具有常用的球形電機電流力矩控制系統的精確性、穩定性和抗干擾性的優點；而且不需要多路電流控制器，控制精度高，生產成本低。

本發明的一種基于電壓模型的球電機控制系統，該電壓模型包括有軌跡誤差和控制信號模塊（11）、動力學分析模塊（12）、反轉矩求解模塊（13）、反電動勢求解模塊（21）、第一減法運算模塊（31）、代數運算模塊（32）、第二減法運算模塊（33）、線圈電流獲取模塊（34）、矢量運算模塊（41）、反動力學分析模塊（42）、第一積分運算模塊（43）和第二積分運算模塊（44）；

軌跡誤差和控制信號模塊（11）第一方面設置三自由度球形電機的轉子期望軌跡參數r、以及r的一階微分參數r_一階、以及r的二階微分參數r_二階；第二方面用于接收轉子實際軌跡參數q和轉子實際轉動軌跡的一階微分參數q_一階；第三方面采用轉子期望軌跡參數r減去轉子實際軌跡參數q，得到轉子軌跡誤差e＝|r-q|；轉子期望軌跡一階微分參數r_一階減去轉子實際轉動軌跡的一階微分參數q_一階，得到轉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控制算法的球電機外環輸入控制信號關系m＝r_二階-K_ve_一階-K_pe對轉子軌跡進行解析，得到輸入控制信號m；

所述輸入控制信號關系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外環的一階PID控制參數，K_p是指以PID控制算法中PD位置控制三自由度球形電機外環的PID控制參數；

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