[发明专利]一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法

说明书

本发明提供了一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，涉及电机控制技术领域。包括以下步骤：利用三维机械设计软件构建并绘制虚拟样机模型；给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，进行运动学和动力学分析计算；实现多自由度电机的倾斜操作和旋转运行以及空间三自由度的运动，实现虚拟样机技术中的交互式时域仿真；最后进行基于多自由度电机的运动与动力学仿真与控制系统联合平台的搭建，实现电机在内、外转子协同配合下的滑动模态控制。本发明能实现三自由度运动点到点的精准定位，能克服控制系统的输入冲击、外部扰动、参数摄动等不利因素，具有控制精度高、研发时间短、设计质量好质量、效率高的特点。

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体是一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，涉及到电机做多自由度运动的轨迹规划与控制流程的设计。

背景技术

一个复杂繁琐的多体机械系统中，往往伴随着非线性、强耦合的控制方法与多样式、多自由度的运动工况，单一多台传统电机相互配合构成的传动装置，一来系统体积重量过于庞大，而且多个轴承的相互间隙容易影响传动装置的旋转精度；二来对于规划复杂的多自由运动，也有响应速度较慢、传动灵活性差的缺陷。为此，国内外学者为解决上述存在的局限性，纷纷致力于具有多个旋转自由度特种电机的设计和研究。

多自由度电机具有体积轻巧、结构紧凑、材料利用率和机械集成度较高的诸多优势，从而大幅度的减少了系统耦联机构的数量，同时也使电机定位运动的精度得以进一步提高。近年来，从国内外的参考文献中可以看出，对多自由度电机的分析和研究大多注重其本体结构的设计，而对电机三自由度的运动控制及轨迹规划却鲜有涉猎。在探究多自由度电机的动力学分析时，主要源于机械设计原理和经典理论力学的结合，但由于电机做多自由度运动时快速响应的运动特性以及轴承摩擦、外部扰动等因素，致使电机很难连续、稳定、精准控制，常规的PID控制和转矩法控制往往无法满足其轨迹跟踪精度的要求。

因而，基于复杂机械系统强耦合、非线性的特点，提出一种新型适用于多自由度电机的智能控制方案，可自由设计被控对象的参数变化，降低扰动的灵敏性，使控制系统具有较好的鲁棒性。

伴随工业科技性与现代生产力的不断提升，永磁多自由度电机的应用领域与未来前景愈加广泛，且于一些需要精密的尖端科技中的尤为重要，例如人体仿生领域、航空航天领域、医疗器械领域、军用武器领域，具体可应用于机器人关节仿生、多旋翼航空飞行器、多自由度微创手术刀、重载型反馈式操纵杆中。在概念电机的设计和开发阶段中，需要不断对其结构进行优化，持续对其性能进行调试，而以传统方式研发样机的周期较长，耗资金额也相对较大。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中存在的多自由度运动的运转轨迹复杂、难以精准定位、控制系统难以控制、研发时间太长、设计效率低的问题，提供了一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，能实现三自由度运动点到点的精准定位，能克服控制系统的输入冲击、外部扰动、参数摄动等不利因素，具有控制精度高、研发时间短、设计质量好质量、效率高的特点。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、把多自由度电机带输出轴的内转子与连接外壳的外转子的运动结构看作是由一种类型电动模块或一种类型运动模块和其他类型电动模块的合成，依据类型电动模块的驱动机理和轨迹规划，利用三维机械设计软件构建并绘制虚拟样机模型，即一种类型电动模块的几何实体模型、其他类型电动模块的几何实体模型及整体模块的几何实体模型；

(2)、将构建完毕的几何实体模型导入多体运动与动力学仿真软件中，并依据类型电动模块的运动机理，给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，设置与之相匹配的运动铰链，并施加外部载荷；基于电机的多自由度运动理念，分别使用运动副中的驱动形式和外加载荷中的旋转力矩，对电机的运动学和动力学进行分析计算，编辑部件的初始状态，在指定旋转序列下完成输出轴运动计算；