[发明专利]基于动态摩擦补偿的永磁球形电机转子自适应控制系统

说明书

技术领域

本发明属于永磁球形电机动力学控制技术领域，涉及一种基于动态摩擦补偿的永磁球形电机转子自适应控制系统。

背景技术

伴随着现代工业技术的不断发展，机器人、机械臂、全景摄像头等需要在三维空间内实现高精密伺服运动装置得到了广泛应用。由于该类装置通常采用多台单自由度电机并结合复杂的齿轮传动机构，一方面导致系统体积增大、重量增加、刚度降低。另一方面，受外界扰动等不确定性因素的影响，运动控制系统响应迟缓、动态性能较差，严重时甚至影响整个系统的稳定性。因此，国内外的研究学者开始着手研究一种能在单台电机上实现三自由度运动的球形特种电机。根据其不同的工作原理，可以分为感应球形电机、变磁阻球形电机、轮式球形电机以及永磁球形电机等。其中，永磁球形电机具有结构简单、体积小、重量轻等优点，近年来引起了学者们的广泛关注。

由于永磁球形电机定子与转子接触面间弹性鬓毛平均形变的存在，当其转子在三维空间内进行定点或者连续轨迹运动时必然受到摩擦力矩的影响。而摩擦力矩的存在给电机转子带来诸多不确定性因素，比如：在运动时造成滞滑现象、产生较大的位置误差、进而产生极限环，严重时甚至可能直接导致系统崩溃等。针对永磁球形电机转子控制系统，已经提出的控制方法主要有变结构控制、解耦控制以及自适应模糊控制。但是，现有的控制系统存在如下缺陷：

1、现有的控制系统在对永磁球形电机转子建模时，将可模型化的摩擦力矩一律视为外界扰动进行补偿，以达到补偿摩擦力矩的效果。但是，基于该建模方法的控制系统需要高增益的负反馈环节，大大增加系统控制器的计算负担，并需要较大的起动力矩。

2、现有的控制系统在设计摩擦补偿模块时基本采用简化的静态摩擦模型进行分析。但是，静态摩擦模型不能全面反映实际运动中摩擦力矩对永磁球形电机转子造成的动态影响，补偿能力有限，进而使控制器无法实现高精度的控制。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于动态摩擦补偿的永磁球形电机转子自适应控制系统，以实现永磁球形电机转子动态摩擦补偿的目的，同时提高控制精度，减少起动力矩。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于动态摩擦补偿的永磁球形电机转子自适应控制系统的特点是：以永磁球形电机转子为被控对象，检测获得电机转子的实际位置测量值q，令q_d为电机转子的期望位置，位置跟踪误差e为：e=q-q_d；设置所述控制系统包括参数自适应调整模块、动态摩擦状态观测模块、动态摩擦前馈补偿模块和计算力矩模块；

所述参数自适应调整模块是以位置跟踪误差e、电机转子的实际转速测量值以及动态摩擦前馈补偿模块输出的摩擦补偿力矩τ_fc为输入变量，结合永磁球形电机转子数学模型和LuGre动态摩擦模型的结构信息分别构造线性回归矩阵Y_qr、和根据所述线性回归矩阵Y_qr、和以及位置跟踪误差e计算自适应律，利用所述自适应律在线计算获得计算力矩模块和动态摩擦前馈补偿模块的调整参数和并将所述调整参数和分别输出给计算力矩模块和动态摩擦前馈补偿模块；

所述计算力矩模块根据位置跟踪误差e和参数自适应调整模块输出的调整参数实时计算获得主控制力矩τ_c；

所述动态摩擦状态观测模块根据位置跟踪误差e和电机转子的实际转速测量值实时计算电机转子动态摩擦模型中的状态量估计值和并将所述状态量估计值和输出至动态摩擦前馈补偿模块；

所述动态摩擦前馈补偿模块根据参数自适应调整模块输出的调整参数和以及动态摩擦状态观测模块输出的状态量估计值和实时计算获得摩擦补偿力矩τ_fc；

设置所述永磁球形电机转子的总控制力矩τ为：τ=τ_fc+τ_c。

本发明基于动态摩擦补偿的永磁球形电机转子自适应控制系统的特点也在于：所述动态摩擦状态观测模块由两个动态项不同的状态观测器构成；所述两个动态项不同的状态观测器按如下方法构造：

a、采用LuGre动态摩擦模型描述永磁球形电机定子与转子接触面间的摩擦力矩τ_f，如式（1）：