多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电机控制技术领域，尤其设及一种多自由度永磁感应子式步进电机的 控制方法。
【背景技术】
[0002] 作为机器人与机械手关节运动的执行机构，一维控制电机较为常见。新型的=自 由度球形电机的出现，使得机器人关节运动可在较小的=维空间中完成，从而简化了系统 结构、缩小了机构体积，W及提高了系统的动态性能、静态性能和定位精度。
[0003] 但是，永磁球形步进电机由于受制于通过继电器控制定子线圈进行换相控制模式 的限制，而只能采用球面有限离散点来描述连续的S维空间，使得该球形电机仅能完成定 点运动，定位精度过低。显然地，对于永磁球形步进电机而言，控制和定位精度始终是一个 难点。
[0004] 寻求一种控制稳定、定位精度高的永磁球形步进电机的控制方法已成为本领域技 术人员亟待解决的技术问题之一。
[0005] 故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究 改良，于是有了本发明一种多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法。
【发明内容】
[0006] 本发明是针对现有技术中，传统永磁球形步进电机由于受制于通过继电器控制定 子线圈进行换相控制模式的限制，而只能采用球面有限离散点来描述连续的S维空间，使 得该球形电机仅能完成定点运动，定位精度过低等缺陷提供一种多自由度永磁感应子式步 进电机的控制方法。
[0007] 为实现本发明之目的，本发明提供一种多自由度永磁感应子式步进电机的控制方 法，所述多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，包括：
[000引执行步骤S1 ;根据永磁球形步进电机之运行过程，并利用卡尔丹角旋转建立转子 固定坐标系下永磁球形步进电机的动力学模型；
[0009] 执行步骤S2;基于最优稳定性控制理论，优化永磁球形步进电机运行之控制过 程。
[0010] 可选地，所述永磁球形步进电机运行之控制过程优化系通过对永磁球形步进电机 之电流矢量控制，提出多自由度永磁感应子式步进电机优化自适应控制方案，对转子各轴 向转动惯量及力矩进行有效控制，使其有效的适应各种环境条件和负荷的变化，获得最优 输出控制特性，W实现驱动机器人的最佳运动轨迹和最优控制特性。
[0011] 可选地，所述自适应模糊系统的逼近误差足够小，则系统保持稳定状态。
[0012] 可选地，所述永磁球形步进电机的动力学模型之建模过程忽略摩擦及不确定性扰 动。
[0013] 可选地，所述永磁球形步进电机空载时，转子球的球屯、与定子建立在静止坐标系。
[0014] 可选地，O-x^ynZ。的运动坐标系与0-xyz系的初始位置重合。
[0015] 综上所述，本发明通过分析永磁球形步进电机运行过程，建立了转子动力学模型， 并在利用卡尔丹角旋转建立转子固定坐标系下球形转子动力学模型的基础上，基于系统最 优稳定性控制理论，进一步优化永磁球形步进电机运行控制过程，通过对永磁球形步进电 机之电流矢量控制，提出多自由度永磁感应子式步进电机优化自适应控制方案，对转子各 轴向转动惯量及力矩进行有效控制，使其有效的适应各种环境条件和负荷的变化，获得最 优输出控制特性，W实现驱动机器人的最佳运动轨迹和最优控制特性。
【附图说明】
[0016] 图1所示为本发明多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法之流程图。
[0017] 图2所示为卡尔丹角旋转的示意图；
[001引图3所示为本发明多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法之自适应控制框 图。
【具体实施方式】
[0019] 为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实 施例并配合附图予W详细说明。
[0020] 请参阅图1，图1所示为本发明多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法之流 程图。所述多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，包括：
[0021] 执行步骤S1 ;根据永磁球形步进电机之运行过程，并利用卡尔丹角旋转建立转子 固定坐标系下永磁球形步进电机的动力学模型；
[0022] 执行步骤S2 ;基于最优稳定性控制理论，优化永磁球形步进电机运行之控制过 程。
[0023] 作为本领域技术人员，容易理解地，球形转子模型对坐标系间旋转变化的描述并 非采用常用的变换矩阵进行，逆变矢量和协变矢量的引入不易于对模型的理解。另一方面， 变磁阻式球形转子动力学模型建立在广义欧拉旋转X-Y-Z的基础上，实际转角较小时，计 算过程容易产生奇点，不利于角位移微元的引入。
[0024] 请参阅图2、图3,图2所示为卡尔丹角旋转的示意图。图3所示为本发明多自由 度永磁感应子式步进电机的控制方法之自适应控制框图。在步骤S1中，为了简化永磁球形 步进电机的动力学模型之建模过程，忽略摩擦及各种不确定性扰动。在所述永磁球形步进 电机空载时，转子球的球屯、与定子建立在静止坐标系。0-XuyuZ。的运动坐标系与0-xyz系的 初始位置重合，则转子球所确定的位置变化可由卡尔丹角旋转来描述。建立的控制向量如 下所示：
【主权项】
1. 一种多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，其特征在于，所述多自由度永磁 感应子式步进电机的控制方法，包括： 执行步骤Sl:根据永磁球形步进电机之运行过程，并利用卡尔丹角旋转建立转子固定 坐标系下永磁球形步进电机的动力学模型； 执行步骤S2 :基于最优稳定性控制理论，优化永磁球形步进电机运行之控制过程。
2. 如权利要求1所述的多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，其特征在于，所 述永磁球形步进电机运行之控制过程优化系通过对永磁球形步进电机之电流矢量控制，提 出多自由度永磁感应子式步进电机优化自适应控制方案，对转子各轴向转动惯量及力矩进 行有效控制，使其有效的适应各种环境条件和负荷的变化，获得最优输出控制特性，以实现 驱动机器人的最佳运动轨迹和最优控制特性。
3. 如权利要求2所述的多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，其特征在于，所 述自适应模糊系统的逼近误差足够小，则系统保持稳定状态。
4. 如权利要求1所述的多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，其特征在于，所 述永磁球形步进电机的动力学模型之建模过程忽略摩擦及不确定性扰动。
5. 如权利要求4所述的多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，其特征在于，所 述永磁球形步进电机空载时，转子球的球心与定子建立在静止坐标系。
6. 如权利要求5所述的多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，其特征在于， O-Xc^ciZtl的运动坐标系与O-xyz系的初始位置重合。
【专利摘要】一种多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法，包括：步骤S1：根据永磁球形步进电机之运行过程，并利用卡尔丹角旋转建立转子固定坐标系下永磁球形步进电机的动力学模型；步骤S2：基于最优稳定性控制理论，优化永磁球形步进电机运行之控制过程。本发明通过对永磁球形步进电机之电流矢量控制，提出多自由度永磁感应子式步进电机优化自适应控制方案，对转子各轴向转动惯量及力矩进行有效控制，使其有效的适应各种环境条件和负荷的变化，获得最优输出控制特性，以实现驱动机器人的最佳运动轨迹和最优控制特性。
【IPC分类】H02P21-14, H02P25-02
【公开号】CN104821769
【申请号】CN201510249784
【发明人】王伟
【申请人】上海电机学院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月15日