专利名称：一种基于电压模型的球电机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于球电机的控制系统，更特别地说，是指一种基于电压模型的球电机控制系统。
背景技术：
球形电机主要包括半球形的转子和球形的定子。半球形转子的圆柱形的永磁极沿转子的赤道线均匀分布，提供球形电机的磁场能量。球形电机定子的圆柱形的线圈沿赤道线分两层对称的均匀的嵌入定子球壳。所有的转子磁极和定子线圈的轴线都通过球形电机的球心。在专利申请号201110048340. 8中公开了一种具有三维拓扑磁极分布结构的球型 电机。球形电机的位置测量是通过球形关节实现的，球形关节包括三个相互关联的轴和三个编码器，这三个编码器分别位于不同的轴上，测量不同轴的旋转角度。球形关节和转子连接，转子带动球关节一同转动，因此通过编码器可以读出转子的旋转角度和位置。在申请号201010528171. 3中公开了一种适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节。当给球形电机的定子线圈通电时，定子线圈和转子磁极之间产生力矩作用，在力矩作用下球形电机的转子可以产生运动。当给所有的定子线圈通电时，转子可以绕它的转子轴旋转运动即自旋运动；当给位于不同纵向位置的线圈通电时，转子可以绕不同方向倾斜运动。所以，当给不同的定子线圈的通电时，转子可以产生空间三自由度的运动。研究球形电机运动控制的根本就是研究定子线圈的通电顺序及通电的大小。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电压模型的球电机控制系统，该控制系统结合了球形电机的电压模型和动力学模型，利用欧拉角形式表达转子实际轨迹参数，使得本发明设计的控制系统能够适用于三自由度永磁球形电机的控制。本发明控制系统不仅具有常用的球形电机电流力矩控制系统的精确性、稳定性和抗干扰性的优点；而且不需要多路电流控制器，控制精度高，生产成本低。本发明的一种基于电压模型的球电机控制系统，该电压模型包括有轨迹误差和控制信号模块(11)、动力学分析模块(12)、反转矩求解模块(13)、反电动势求解模块(21)、第一减法运算模块(31)、代数运算模块(32)、第二减法运算模块(33)、线圈电流获取模块
(34)、矢量运算模块(41)、反动力学分析模块(42)、第一积分运算模块(43)和第二积分运算模块(44)；轨迹误差和控制信号模块(11)第一方面设置三自由度球形电机的转子期望轨迹参数r、以及r的一阶微分参数r 一^以及r的二阶微分参数r 二@ ;第二方面用于接收转子实际轨迹参数q和转子实际转动轨迹的一阶微分参数;第三方面采用转子期望轨迹参数r减去转子实际轨迹参数q，得到转子轨迹误差e= |r-q| ;转子期望轨迹一阶微分参数r—&减去转子实际转动轨迹的一阶微分参数q—M得到转子轨迹一阶微分误差e—M= Ir —阶-q—M I ;第四方面采用基于PID控制算法的球电机外环输入控制信号关系m = r 二@-Kve —@-Kpe对转子轨迹进行解析，得到输入控制信号m ；所述输入控制信号关系m = r二阶-Kve^-Kpe中的Kv是指以PID控制算法中位置控制三自由度球形电机外环的一阶PID控制参数，Kp是指以PID控制算法中ro位置控制三自由度球形电机外环的PID控制参数；动力学分析模块12第一方面通过拉格朗日方程和欧拉角方法，得到球电机转子的动力学模型关系为T = M(q)q二阶+c(q, q一阶)+T f+T ^且
权利要求
1.一种基于电压模型的球电机控制系统，其特征在于该电压模型包括有轨迹误差和控制信号模块(11)、动力学分析模块(12)、反转矩求解模块(13)、反电动势求解模块(21)、第一减法运算模块(31)、代数运算模块(32)、第二减法运算模块(33)、线圈电流获取模块(34)、矢量运算模块(41)、反动力学分析模块(42)、第一积分运算模块(43)和第二积分运算模块(44)； 轨迹误 差和控制信号模块(11)第一方面设置三自由度球形电机的转子期望轨迹参数r、以及r的一阶微分参数r—i以及r的二阶微分参数r 二@ ;第二方面用于接收转子实际轨迹参数q和转子实际转动轨迹的一阶微分参数;第三方面采用转子期望轨迹参数r减去转子实际轨迹参数q，得到转子轨迹误差e= |r-q I ;转子期望轨迹一阶微分参数减去转子实际转动轨迹的一阶微分参数q—w得到转子轨迹一阶微分误差Ir—& _q 一阶;第四方面采用基于PID控制算法的球电机外环输入控制信号关系m = r^-Kve^-Kpe对转子轨迹进行解析，得到输入控制信号m ； 所述输入控制信号关系m = r 二阶-Kve^-Kpe中的Kv是指以PID控制算法中位置控制三自由度球形电机外环的一阶PID控制参数，Kp是指以PID控制算法中ro位置控制三自由度球形电机外环的PID控制参数； 动力学分析模块12第一方面通过拉格朗日方程和欧拉角方法，得到球电机转子的动力学模型关系为T = M(q)q二阶+c(q, q一阶)+T f+T i，且Nx X cos2 P + N2X sin2 f5 0 N2 x sin fiM(q)=0Wx 0， Nz xsin/ 0 N2 "2(-i￥r)x/ grxcos^xsin^ N.xy ^xoos/ 0 —. . *C\q,q 2(iVr^iVjxcrCl iVrxa3 Kxfi atxcmfi00 动力学分析模块(12)第二方面将输入控制信号关系m = r^-Kve^-Kpe和转子实际轨迹参数Q= {q, q一阶，q二阶}代入动力学模型关系t = M(q) q二阶+c (q, q一阶)+ t f+T丄中进行解析，得到球电机转子的控制转矩T ； 其中，M(q)表示动力学二阶控制增益矩阵；C(q, q一表示动力学控制增益矩阵；t {表示摩擦转矩；T x表示负载转矩；T表示控制转矩； A； =A* =1,75 X Itr3 (tew2) 三自由度球形电机在X轴、Y轴、Z轴上的转动惯量为'|A 1/；，NX表示Ar = 1,45x1 (Tj (%wr)三自由度球形电机在X轴上的转动惯量，Nz表示三自由度球形电机在Z轴上的转动惯量；反转矩求解模块(13)对接收到的三自由度球形电机转子的控制转矩T采用反转矩模型Iwa= Gt(GGt)―1 T解析，得到期望的定子线圈电流Iwa ； 其中，G表示球形电机的转矩惯量矩阵； 反电动势求解模块(21)依据反电动势模型Uf = Kf(q)q—&对转子实际轨迹参数q, q —M进行处理，得到定子线圈的反电动势电压Uf ； 其中，Kf表示球形电机的反电动势惯量矩阵； 第一减法运算模块(31)应用接收到的期望的定子线圈电流Iwa减去接收到的实际的定子线圈电流I实^，得到定子线圈电流误差Al = Iwa-I实际；代数运算模块(32 )采用电流电压转换运算关系〖/ =A/X ^歷■土-ffl对定子线圈电 .S'流误差Al = Iwa-I@#进行代数运算，得到定子线圈电压U; 其中，k和t表不球形电机的电压与电流转换参数，s表不定子线圈的轴向向量； 第二减法运算模块(33)应用接收到的定子线圈电压U减去接收到的定子线圈的反电动势电压Uf，得到定子线圈的电枢电压误差AU = U-Uf ； 线圈电流获取模块(34 )对接收到的定子线圈的电枢电压误差AU = U-Uf进行电压转 电流的处理，得到实际定子线圈电流I 输出； 矢量运算模块(41)对接收到的实际定子线圈电流I 与转子实际轨迹参数Q = {q, q-阶，q二阶丨进彳了相乘，得到转子头际转矩t实p#= I实p示Q;反动力学分析模块(42)采用反动力学模型q二m=M+(t对转子实际转矩t实际=I娜XQ进行求解，得到转子实际轨迹参数的二阶微分q二阶； 其中，M+表示球形电机的动力学二阶控制增益矩阵M(q)的逆矩阵； 第一积分运算模块(43)对接收到的转子实际轨迹参数的二阶微分q二&进行积分处理，得到转子实际轨迹参数的一阶微分q—M ; 第二积分运算模块(44)对接收到的转子实际轨迹参数的一阶微分q—&进行积分处理，得到转子实际轨迹参数q。
2.根据权利要求I所述的基于电压模型的球电机控制系统，其特征在于所述一阶PID控制参数Kv取值为Kv = diag(0. 035, 0. 01, 0. 045)，所述PID控制参数Kp取值为Kp=diag (0. 7, 0. 5, 0. 3)。
3.根据权利要求I所述的基于电压模型的球电机控制系统，其特征在于三自由度球形电机的转子实际轨迹参数是以欧拉角形式表达的，则有三自由度球形电机的位置矢量是q= [a ^ y]T, a代表了三自由度球形电机的俯仰角，^代表了三自由度球形电机的倾斜角，Y代表了三自由度球形电机的旋转角，T表示坐标转置。
4.根据权利要求I所述的基于电压模型的球电机控制系统，其特征在于该电机控制系统是针对三自由度球形电机设计的。
全文摘要
本发明公开了一种基于电压模型的球电机控制系统，该系统通过轨迹误差和控制信号模块(11)进行转子期望轨迹参数设置与球电机外环输入控制信号的求解，所述球电机外环输入控制信号经动力学分析模块(12)、反转矩求解模块(13)、第一减法运算模块(31)、代数运算模块(32)、第二减法运算模块(33)后输出定子线圈的电枢电压误差；所述定子线圈的电枢电压误差经反电动势求解模块(21)的处理获得定子线圈的反电动势电压；然后线圈电流获取模块(34)进行电压转电流处理，转换后的电流经矢量运算模块(41)、反动力学分析模块(42)、第一积分运算模块(43)和第二积分运算模块(44)处理，最后输出转子实际轨迹参数。该控制系统结合了球形电机的电压模型和动力学模型，利用欧拉角形式表达转子实际轨迹参数，使得本发明设计的控制系统能够适用于三自由度永磁球形电机的控制。
文档编号H02P21/00GK102761306SQ20121023663
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月7日 优先权日2012年7月7日
发明者刘敬猛, 吴星明, 孟艳艳, 陈伟海 申请人:北京航空航天大学