[发明专利]一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法

说明书

本发明公开了一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，其特征是根据偏航、俯仰和自旋三种运动姿态预先将电机定子线圈分组，分别对三种运动姿态建立电磁转矩模型；然后由期望角位移通过动力学方程求解出运动所需的控制转矩；再利用基于运动解耦的通电控制方法，将控制转矩分别通过对应的偏航、俯仰和自旋电磁转矩模型，逆向求解出所需控制转矩对应电流，最后通过电流控制装置实现期望位置的运动。本发明通电控制方法简单，同一时刻只需对四个线圈供电就能实现永磁球形电机对应的偏航、俯仰和自旋运动，具有功耗小、响应快、运动稳定等优势。

技术领域

本发明属于特种电机控制技术领域，更具体地说是涉及一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法。

背景技术

永磁球形电机能够完成三维空间中多自由度运动，其体积小、重量轻、响应快、定位精度高，而传统的多自由度运动装置，是由多个单自由度电机连接传动机构组成，不仅体积庞大，而且响应慢。因此，永磁球形电机在多自由度运动需求的场合具有广泛的应用前景。

永磁球形电机在结构上主要由球形定子外壳和球形转子组成，一般其定子外壳上安装了许多定子线圈，通过控制定子线圈通电顺序和电流大小来实现其多自由度的运动。然而，这种特殊的结构使其通电控制变得尤为复杂。有文献采用定子球面划分，通过位置检测对每个划分区域进行通电控制，这种方式不仅通电线圈数量多，而且需要耗费大量的计算和时间。实际应用中常见偏航、俯仰和自旋三种运动姿态，其运动形式简单，但却没有针对性的通电控制方法。因此需要一种针对性的通电控制方法，以期使用较少的线圈来实现永磁球形电机的偏航、俯仰和自旋三种运动姿态的通电控制。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，以期使用较少的线圈来实现偏航、俯仰和自旋的三种姿态的通电控制，减少了功耗，并提高了时效性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，所述控制方法适于三自由度永磁球形电机，所述永磁球形电机包括环形支撑底座、上方开口的球形定子外壳、两层对称均匀分布在定子外壳上的二十四个空心定子线圈、内嵌在定子外壳里的球形转子，四层极性交替对称均匀分布在球形转子上的四十个圆柱形永磁体，以及固定在球形转子上方的输出轴，所述三自由度永磁球形电机能够在最大倾斜角37.5°内做偏航、俯仰和自旋运动；本发明控制方法的特点是：所述永磁球形电机通电控制方法是：根据偏航、俯仰和自旋三种运动姿态预先将电机定子线圈分组，分别对所述三种运动姿态建立电磁转矩模型；然后由期望角位移通过动力学方程求解出运动所需的控制转矩；再利用基于运动解耦的通电控制方法，将控制转矩分别通过对应的偏航、俯仰和自旋电磁转矩模型，逆向求解出所需控制转矩对应电流，最后通过电流控制装置实现期望位置的运动。

本发明基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法的特点也在于：所述定子线圈分组是按如下步骤进行：

步骤1：以球形定子外壳中心点为原点，建立定子静坐标系，以所述球形转子球心为原点，建立转子动坐标系O-xyz，所述定子静坐标系的Z轴垂直水平面向上，所述定子静坐标系和所述转子动坐标系的原点O固定为同一点，初始位置上的定子静坐标系和转子动坐标系为重合，所述转子动坐标系O-xyz可随球形转子绕原点O旋转；