[发明专利]一种基于电压模型的球电机控制系统

说明书

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_一阶、以及r的二阶微分参数r_二阶；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q_一阶；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_一阶减去转子实际转动轨迹的一阶微分参数q_一阶，得到转子轨迹一阶微分误差e_一阶＝|r_一阶-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_二阶-K_ve_一阶-K_pe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-K_ve_一阶-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电机外环的一阶PID控制参数，K_p是指以PID控制算法中PD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τ＝M(q)q_二阶+c(q,q_一阶)+τ_f+τ_l，且