[发明专利]一种球形电机的滑模控制方法

说明书

本发明实施例公开了一种球形电机的滑模控制方法。该方法包括基于模块化思想，对球形电机的悬浮力和转矩进行解耦，分别建立球形电机在悬浮方向和空间旋转驱动方向的动力学模型；对球形电机在悬浮方向的动力学模型执行基于终端滑模控制算法；对球形电机的旋转驱动方向的动力学模型执行滑模控制算法，并在该滑模控制算法过程中，采用指数趋近律来削弱或消除抖振效应。该球形电机的滑模控制方法基于球形电机结构和磁场优化，针对球形电机旋转方向的速度环和位置环，分别设计了一种指数趋近律滑模控制算法，从而，不仅能够实现单关节多自由度运动控制，抑制抖振效应，还具有高速、高精、高动态特性。

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，特别是涉及一种用于机器人关节的球形电机的滑模控制方法。

背景技术

随着机电一体化和运动控制技术的发展，当前直驱永磁电机以其直接驱动负载、低损耗和高控制精度等优越性能而成为一种趋势。其中，永磁球形电机基于磁悬浮传动原理通过改变定子线圈通电策略，可实现多自由度运动。因此，永磁球形电机大量地应用于机器人领域。永磁球形电机是一种具有强轴间耦合的多变量非线性系统，因此，存在较差的静态性能和动态性能。进一步地，由于非线性转子动力学、复杂磁场和定向测量等原因，球形电机的控制系统的设计特别困难。

目前，一种基于指数趋近律的滑模控制方法应用于球形电机的控制系统，从而实现机器人关节的高速高动态响应。滑模控制方法是根据系统的性能要求来设计切换面，从而使得控制对象按照预设的轨迹在切换面附近反复切换，最终沿着切换面滑动到平衡点。滑模控制方法由于所设计的切换面和模型参数和外界的干扰没有任何关系，具有算法简单、抗干扰性能好等优点,特别适用于不确定非线性控制对象。但是，滑膜控制方法的不连续性会产生抖振效应，即受控变量的高频振荡，这可能会对受控设备产生破坏，从而限制执行器的生命周期。

因此，针对现有技术中球形电机的滑模控制方法存在抖振效应而限制执行器的生命周期的问题，本发明实施例提出一种能够削弱抖振效应的球形电机的滑模控制方法。

发明内容

针对现有技术中球形电机的滑模控制方法存在抖振效应而限制执行器的生命周期的问题，本发明实施例提出一种能够削弱抖振效应的球形电机的滑模控制方法。该球形电机的滑模控制方法基于球形电机结构和磁场优化，针对球形电机旋转方向的速度环和位置环，分别设计了一种指数趋近律滑模控制算法，从而，不仅能够实现单关节多自由度运动控制，抑制抖振效应，还具有高速、高精、高动态特性。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：一种球形电机的滑模控制方法，包括步骤S1：对球形电机的悬浮力和转矩进行解耦，分别建立球形电机在悬浮方向和旋转驱动方向的动力学模型；步骤S2：对球形电机在悬浮方向的动力学模型执行基于终端滑模控制算法；步骤S3：对对球形电机的旋转驱动方向的动力学模型执行滑模控制算法，并在该滑模控制算法过程中，采用指数趋近律来减弱或消除抖振效应。

作为本发明的进一步改进，步骤S3包括步骤S31:对球形电机的旋转驱动方向速度环执行指数趋近律滑模变结构控制算法；步骤S32:对球形电机的旋转驱动方向位置环执行指数趋近律滑模变结构控制算法；其中，步骤S31包括：步骤S311：设定球形电机处于稳定悬浮状态，建立单元电磁驱动模块的简化数学模型；步骤S312：获取球形电机定子电磁驱动模块的角速度误差信号；步骤S313：选用线性切换面作为速度环滑模切换函数；步骤S314：结合指数趋近律，获得基于指数趋近律的控制律，所述基于指数趋近律的控制律的表达式如下式所示：其中，ω^*为给定机械角速度，ω为实际机械角速度，a＝B/J，b＝k/J，k为转矩常数，J为电机转动惯量，B为阻力转矩的阻尼系数，s为线性切换面，σ为控制参数，T_L为所受负载转矩，iq为转矩电流，C为常量。

作为本发明的进一步改进，步骤S2包括步骤S21:建立球形电机在悬浮方向的动力学模型；步骤S22:获取球形电机定子电磁驱动模块的位置误差信号并根据误差信号定义滑模面；步骤S23:对所述滑模面进行一阶求导，获得滑模控制律。