[发明专利]磁悬浮机器手臂支撑系统及其轴径向基准调控方法

权利要求书

1.一种磁悬浮机器手臂支撑系统，其特征是，包括支撑塔架、支撑旋转体、机器手臂、被动阻尼、主控单元、变流器单元、气隙传感器、压力传感器、编码器组成，完成机器手臂的轴径向基准调控；所述支撑塔架包括内定子、外定子和支撑底座，所述内定子和外定子轴向高度一致，为支撑旋转体的原始基准，内定子上端设置三相定子绕组，与定子变流器相联，产生电磁转矩，驱动支撑旋转体旋转定位；所述支撑旋转体包括支撑固定体和旋转体转子，所述支撑固定体底端设置4个正交压力传感器，测量支撑旋转体对内定子的压力，上端设置机器手臂伺服和编码器，与两关节机械手臂相联；所述旋转体转子包括16个按照N/S排列的转子绕组，以机器手臂俯仰角度90度为界等分为前侧绕组和后侧绕组，分别与前侧变流器和后侧变流器相联；所述气隙传感器正交分布在旋转体转子绕组下侧，分别测量前侧绕组和后侧绕组对支撑底座的气隙高度；所述机器手臂为执行取物的两关节机器手；所述被动阻尼为外定子内侧磁环带和旋转体转子磁槽所组成的一体化结构；所述变流器单元包括前侧变流器、后侧变流器、定子变流器、机器手臂伺服驱动器，所述前侧变流器和后侧变流器为轴向基准调控变流器，拓扑结构为H桥变流器，内置电流传感器，实测绕组电流；所述定子变流器为径向基准调控变流器，拓扑结构为三相桥逆变器，内置三个电流传感器，实测和控制三相绕组电流，旋转支撑旋转体。

2.一种如权利要求1所述的磁悬浮机器手臂支撑系统的控制方法，其特征在于，采用如下步骤：

步骤一，构建支撑旋转体轴向基准调整运动方程

其中：z为轴向气隙，θ_p为支撑旋转体俯仰角度，m_s为支撑旋转体和机器手臂总重量，i₁为前侧绕组电流，i₂为后侧绕组电流，δ₁为前侧气隙，δ₂为前侧气隙，△m为抓取物重量，ks为电磁吸力系数，J为支撑旋转体转动惯量，R为绕组到内定子轴心距离，g为重力加速度；

步骤二，分别以q^T＝[φ₁,φ₂]为变量，以τ^T＝[τ₁,τ₂]为控制输入，构建机械手运动方程的矩阵形式表示为

其中：D为机器手臂的正定惯性系数矩阵，C为机器手臂的离心和哥氏力项，

m₁为机器手长臂质量，r₁为机器手长臂质心到关节1处长度，L_A为机器手长臂长度，m₂为机器手短臂质量，r₂为机器手短臂质心到关节2处长度，L_B为机器手短臂长度；

步骤三，首先根据支撑旋转体轴向基准设定z_ref和原始基准z_max判定支撑旋转体的工作模式，当z_ref和z_max相等时，支撑旋转体运行在轴向压控模式，当z_ref和z_max不等时，支撑旋转体运行在轴向定位模式；

一)轴向压控模式：控制支撑旋转体对内定子压力严格为零，同时轴向基准为z_max，支撑旋转体和内外定子无压力接触，控制方法如下：

第一步，将式(2)机器手运动方程的变化量和设置为0，求取机器手臂稳态状态时，机器手臂对支撑旋转体的负载转矩为

τ₁＝m₁gr₁ cosφ₁+m₂g(L_A cosφ₁+r₂ sinφ₂) (3)

第二步，基于式(1)支撑旋转体轴向基准调整运动方程以及式(3)，求取稳态运行时且满足θ_p＝0，z＝z_max时的前后侧绕组电流稳态值，作为前后侧变流器电流控制参考设定的基准值

第三步，基于四个压力传感器的实测p(i)，其中i＝1,2,3,4，求取支撑旋转体前侧绕组和后侧绕组的实测压力平均值分别为p₁＝0.5(p(1)+p(2))和p₂＝0.5(p(3)+p(4))，基于轴向压力参考p_ref＝0，分别求取压力偏差e₁＝p_ref-p₁和e₂＝p_ref-p₂，基于PID控制器，实时获得前侧绕组和后侧绕组电流参考的实时调整量和其中k_p1p、k_p1i、k_p1d、k_p2p、k_p2i、k_p2d分别为控制器系数；结合式(4)和式(5)，最终计算获得前侧绕组和后侧绕组的电流参考分别为i_p1ref＝i_p10+Δi_p10和i_p2ref＝i_p20+Δi_p20；

第四步，基于前后绕组电流参考i_p1ref和i_p2ref和实测的前后侧绕组电流，基于PI控制器，实时调控前侧变流器和后侧变流器占空比，直至完成参考电流的有效跟踪，此时支撑旋转体对内定子压力为0；

二)轴向定位模式：控制支撑旋转体轴向基准为z_ref，支撑旋转体两侧无俯仰角度，控制方法如下：

第一步，基于式(1)支撑旋转体轴向基准调整运动方程以及式(3)，求取稳态运行时且满足θ_p＝0，z＝z_ref时的前后侧绕组电流稳态值，作为前后侧变流器电流控制参考设定的基准值

第二步，根据支撑旋转体转子两侧实测的气隙δ₁和δ₂，基于式(1)以及z＝0.5(δ₁+δ₂)和计算实时参于控制的轴向气隙实测值和俯仰角度，引入轴向气隙偏差和俯仰角度偏差e_z＝z_ref-z和e_θ＝0-θ_p，基于e_z＝z_ref-z和状态反馈控制器，实时计算获得支撑旋转体轴向气隙的虚拟控制为

其中k_1p、k_1i、k_1d分别为轴向气隙控制器的比例系数、积分系数以及微分系数；基于e_θ＝0-θ_p和状态反馈控制器，实时计算获得支撑旋转体俯仰角度的虚拟控制为

其中k_2p、k_2i、k_2d分别为俯仰角度隙控制器的比例系数、积分系数以及微分系数；

第三步，基于式(8)和式(9)虚拟控制以及实测支撑旋转体两侧的气隙实测值δ₁和δ₂，计算支撑旋转体前后侧绕组电流参考的实时调整值分别为

第四步，结合式(6)、式(7)、式(10)和式(11)，计算前侧绕组和后侧绕组的电流参考分别为i_δ1ref＝i_δ10+Δi_δ10和i_δ2ref＝i_δ20+Δi_δ20；基于前后绕组电流参考i_δ1ref和i_δ1ref i_2ref和实测的前后侧绕组电流，基于PI控制器，实时调控前侧变流器和后侧变流器占空比，直至完成参考电流的有效跟踪，实现支撑旋转体转子两侧气隙相等，且满足轴向基准要求；

步骤四，支撑旋转体的旋转定位控制：

第一步，将前侧绕组和后侧绕组平均电流设置为主导励磁电流引入两侧电流波动量Δi_f作为轴向基准调控对旋转定位影响，综合考虑轴向压控和轴向定位两模式对旋转定位影响，构建支撑旋转体的旋转定位运动方程为

其中，ω为旋转定位角速度，μ_s为摩擦系数，F_s为支撑旋转体对定子压力；T_cog为磁槽转矩，i_q为定子电流转矩分量，Δi_f为两侧绕组电流变化量，n_p为转子极对数，L_m为定子绕组和上浮绕组之间互感；

第二步，将式(12)中两侧绕组电流波动对电磁转矩的影响、磁槽转矩T_cog以及摩擦干扰统一归结为旋转定位干扰f_d，则式(12)转化为

其中，

第三步，引入旋转定位误差变量E＝[∫e_ωdt,e_ω]，其中，e_ω＝ω_ref-ω，设置虚拟控制输入则旋转定位运动方程转化为

第四步，由式(14)采用反馈控制输入u_ω＝LE，其中L＝[k₄,k₅]为反馈系数阵，则旋转定位的有效控制输入的转矩电流iq的参考调整值为

其中，为旋转定位干扰值f_d的估计值；

第五步引入虚拟变量设计旋转定位的干扰估计值的自适应率为其中c₁和c₂为正实数；

第六步，采用转子磁链定向策略，将定子电流解耦成励磁电流id和转矩电流iq，为降低旋转定位对轴向基准控制影响，设置励磁电流id参考i_dref为零，采用电流内环PI控制器，对i_dref和式(15)i_qref的快速跟踪，动态调节定子变流器占空比，严格控制转速ω_ref恒定，经由编码器实时读取旋转角度θ，实时与参考值θ_ref对比，直至相等，旋转定位结束。