基于虚拟样机建模和周期性规划的球形电机协同控制的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及特种电机动力学系统建模与控制领域，具体是基于虚拟样机建模和周 期性规划的球形电机协同控制。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业技术水平的不断发展，机器人、机械臂、智能化柔性制造系统等需要 在三维空间内作平稳、复杂运动的高精密伺服装置得到了广泛应用。这类装置通常由多台 单自由度电动机以及复杂的传动机构组成。由于采用大量的减速齿轮，一方面导致系统体 积增大，刚度降低。另一方面，受衍生的非线性摩擦、死区等不确定性因素的影响，控制系统 响应迟缓、动态性能较差，严重时甚至影响整个运动控制系统的稳定性。为此，学者们提出 能实现多自由度运动（主要指三自由度）的球形特种电机，有效解决单自由度电机的局限 性，减小系统的体积，提高系统的动态性能和利用率。由于具备上述优点，目前可展望的应 用前景十分广阔，如机器人关节、全景摄像头、医疗器械、力反馈操纵杆、电动汽车、光伏跟 踪系统、触觉等需要多个运动自由度联动的仪器设备。
[0003] 目前，国内外针对球形电机动力学系统的建模与控制研宄主要采用基于多刚体力 学的直接数学建模法，并在此基础上探讨相应的控制策略。作为一个机电一体化、强耦合 的非线性控制系统，该方法普遍存在建模繁琐复杂、建模效率低下等问题。尤其是当非线 性耦合特性严重时，采用简化的数学模型替代实际的样机模型，一方面独特的三维结构使 得球形电机在不同的三维坐标系中建立的数学模型复杂程度差别很大，导致与实际系统脱 节，甚至出现较大偏差；另一方面，球形电机动力学系统自身具有快速动态变化的特性，同 时面临摩擦等不确定性因素的影响，势必导致球形电机无法顺利实现连续、稳定、高精度的 控制。为此，必须针对这个复杂系统的特点，在一个新的层次上进行分析，研宄适合于球形 电机动力学系统建模与控制的新方法。
[0004] 近年来，伴随着计算机技术水平的不断提高，虚拟样机技术在先进制造业的多个 领域得到了广泛应用，该技术主要采用数字化的虚拟样机模型代替传统的物理样机，并对 候选设计方案的某方面或综合特性进行仿真测试、评估和实验，大大提高模型的精度和产 品的开发效率。该建模方法避免对三维坐标系的特别描述，效率高且不容易出错。目前，该 方案在球形电机转子动力学系统中已有初步应用，主要是考虑无重力和摩擦的理想状态， 局限性很大，不能满足实际需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供基于虚拟样机建模和周期性规划的球形电机协同控制，以解 决现有技术存在的问题。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0007] 基于虚拟样机建模和周期性规划的球形电机协同控制，其特征在于：包括以下步 骤：
[0008] (I)、使用三维绘图软件Pro/Engineer对球形电机转子进行物理建模；
[0009] (2)、将建立好的物理模型导入动力学仿真软件ADAMS中，并添加质量属性、约束、 重力以及动摩擦因数建立球形电机转子的虚拟样机模型，然后添加三维力矩函数，并通过 后处理模块和动力学仿真揭示先倾斜后自旋、边倾斜边自旋两种典型工况下球形电机转子 的运动规律，优化虚拟样机模型；
[0010] (3)、基于傅里叶级数具有周期性且能逼近复杂型函数的特点，设置球形电机转子 的驱动力矩函数，利用动力学仿真软件ADAMS，实现两种基于周期性规划的典型工况运动； [0011] (4)、通过创建接口模块，基于动力学仿真软件ADAMS和控制仿真软件MTLAB搭建 球形电机机电一体化的协同控制平台，实现滑模控制。
[0012] 所述的基于虚拟样机建模和周期性规划的球形电机协同控制，其特征在于：虚拟 样机模型包括空孔转子、端盖、永磁体以及螺钉，使用三维绘图软件Pro/Engineer分别构 建上述部件，通过装配操作建立球形电机转子的物理模型；根据球形电机转子的结构、属性 以及约束关系，在动力学仿真软件ADAMS中，对空孔转子与端盖、空孔转子与永磁体、空孔 转子与螺钉分别添加固定副；在球形电机转子的中心添加一个球绞副；同时根据实际使用 材料，对上述部件分别添加质量属性、约束；由于添加重力将导致球形电机出现自发的俯仰 运动，采取在输出轴上添加方向相反的力来抵消该影响；最后，添加动摩擦因数实现球形电 机转子的虚拟样机建模。
[0013] 所述的基于虚拟样机建模和周期性规划的球形电机协同控制，其特征在于：添加 基于傅里叶级数逼近的驱动力矩函数表达式，方向分别沿着X、γ、z轴的正方向，使球形电 机实现两种基于周期性规划的摇杆运动和爪形运动典型工况运动。
[0014] 所述的基于虚拟样机建模和周期性规划的球形电机协同控制，其特征在于：通过 定义输入-输出变量创建接口模块，其中：设置虚拟样机模型的输出变量作为控制系统的 输入变量，而控制系统的输出变量作为虚拟样机模型的输入变量，借助两个子系统模型之 间的数据共享和信息交互，搭建球形电机机电一体化的协同控制平台，并采用控制系统仿 真软件MTLAB实现球形电机转子动力学系统的滑模控制方案。
[0015] 本发明方法有利于精确建立球形电机转子动力学模型，提高仿真的准确性，实现 球形电机动力学系统的有效控制。
[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果有：
[0017] 1)基于虚拟样机技术逐步建立模拟实际样机的球形电机转子三维实体模型，建模 过程均以实际样机的尺寸、材料和结构为标准，形象具体，而且效率高，便于修改完善且利 于进行不同控制方案下仿真结果的对比分析，具有较强的创新性。
[0018] 2)对球形电机的动力学仿真，均以球形电机的实际运行工况为参考，逐步添加力 矩函数、重力、摩擦等因素，提高球形电机虚拟样机建模的精确性及可靠性，为进一步实施 控制奠定基础。
[0019] 3)提出一种基于傅里叶级数的周期性规划方法，为后续可预见的循环、复杂应用 提供了解决途径。
[0020] 4)在面对摩擦等不确定性因素影响的前提下，采用滑模控制方案并基于协同控制 平台探讨球形电机的机电一体化设计，这是球形电机动力学系统控制上的创新，同时对于 类似复杂系统的控制具有借鉴意义。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的基于虚拟样机建模和周期性规划的球形电机协同控制系统结构 框图。
[0022] 图2分别为球形电机转子的零件图和虚拟样机模型图，其中：
[0023] 图2a为零件图，图2b为虚拟样机模型图。
[0024] 图3为在边倾斜边自旋工况下，空载和考虑摩擦、重力因素的动力学仿真对比图。
[0025] 图4为在先倾斜后自旋工况下，空载和考虑摩擦、重力因素的动力学仿真对比图。
[0026] 图5是本发明基于傅里叶级数逼近的周期性（摇杆）运动。
[0027] 图6是本发明基于傅里叶级数逼近的周期性（爪形）运动。
[0028] 图7是本发明基于滑模控制方案的球形电机协同控制系统仿真框图。
[0029] 图8是本发明基于滑模控制方案的球形电机轨迹跟踪图。
[0030] 图9是本发明基于滑模控制方案的球形电机跟踪误差图。
【具体实施方式】
[0031] 图1基于虚拟样机建模和周期性规划的球形电机协同控制系统结构框图。如图 所示，本方法包括以下步骤：第一步、使用三维建模软件Pro/Engineer对球形电机转子进 行物理建模；第二步、将建立好的物理模型导入动力学仿真软件ADAMS中，并添加质量属性 和约束等构造球形电机转子的虚拟样机模型；第三步、首先，根据球形电机的实际运行工况 (先倾斜后自旋以及边倾斜边自旋），添加三维力矩对上述虚拟样机模型进行空载仿真。然 后添加重力因素，由于添加重力将导致球形电机出现自发的俯仰运动，采取在输出轴上添 加方向相反的力来抵消该影响。同时，添加动摩擦因数进行考虑摩擦因素的仿真，在此基础 上通过后处理模块揭示其运动规律，优化该球形电机转子的虚拟样机模型。最后，使用傅里 叶级数构建球形电机的驱动力矩函数，使球形电机做两种典型的周期性运动，分别为摇杆 运动和爪形运动。第四步、在该虚拟样机模型中创建接口模块，基于动力学仿真软件ADAMS 和控制仿真软件MATLAB搭建球形电机机电一体化的协同控