[发明专利]一种基于电压模型的球电机控制系统

摘要

本发明公开了一种基于电压模型的球电机控制系统，该系统通过轨迹误差和控制信号模块（11）进行转子期望轨迹参数设置与球电机外环输入控制信号的求解，所述球电机外环输入控制信号经动力学分析模块（12）、反转矩求解模块（13）、第一减法运算模块（31）、代数运算模块（32）、第二减法运算模块（33）后输出定子线圈的电枢电压误差；所述定子线圈的电枢电压误差经反电动势求解模块（21）的处理获得定子线圈的反电动势电压；然后线圈电流获取模块（34）进行电压转电流处理，转换后的电流经矢量运算模块（41）、反动力学分析模块（42）、第一积分运算模块（43）和第二积分运算模块（44）处理，最后输出转子实际轨迹参数。该控制系统结合了球形电机的电压模型和动力学模型，利用欧拉角形式表达转子实际轨迹参数，使得本发明设计的控制系统能够适用于三自由度永磁球形电机的控制。

主权项

1.一种基于电压模型的球电机控制系统，其特征在于：该电压模型包括有轨迹误差和控制信号模块（11）、动力学分析模块（12）、反转矩求解模块（13）、反电动势求解模块（21）、第一减法运算模块（31）、代数运算模块（32）、第二减法运算模块（33）、线圈电流获取模块（34）、矢量运算模块（41）、反动力学分析模块（42）、第一积分运算模块（43）和第二积分运算模块（44）；轨迹误差和控制信号模块（11）第一方面设置三自由度球形电机的转子期望轨迹参数r、以及r的一阶微分参数r_一阶、以及r的二阶微分参数r_二阶；第二方面用于接收转子实际轨迹参数q和转子实际转动轨迹的一阶微分参数q_一阶；第三方面采用转子期望轨迹参数r减去转子实际轨迹参数q，得到转子轨迹误差e＝|r-q|；转子期望轨迹一阶微分参数r_一阶减去转子实际转动轨迹的一阶微分参数q_一阶，得到转子轨迹一阶微分误差e_一阶＝|r_一阶-q_一阶|；第四方面采用基于PID控制算法的球电机外环输入控制信号关系m＝r_二阶-K_ve_一阶-K_pe对转子轨迹进行解析，得到输入控制信号m；所述输入控制信号关系m＝r_二阶-K_ve_一阶-K_pe中的K_v是指以PID控制算法中PD位置控制三自由度球形电机外环的一阶PID控制参数，K_p是指以PID控制算法中PD位置控制三自由度球形电机外环的PID控制参数；动力学分析模块12第一方面通过拉格朗日方程和欧拉角方法，得到球电机转子的动力学模型关系为τ＝M(q)q_二阶+c(q,q_一阶)+τ_f+τ_l，且M(q)=Nx×cos2β+Nz×sin2β0Nz×sinβ0Nx0Nz×sinβ0Nz,]]>动力学分析模块（12）第二方面将输入控制信号关系m＝r_二阶-K_ve_一阶-K_pe和转子实际轨迹参数Q＝{q,q_一阶,q_二阶}代入动力学模型关系τ＝M(q)q_二阶+c(q,q_一阶)+τ_f+τ_l中进行解析，得到球电机转子的控制转矩τ；其中，M(q)表示动力学二阶控制增益矩阵；C(q,q_一阶)表示动力学控制增益矩阵；τ_f表示摩擦转矩；τ_l表示负载转矩；τ表示控制转矩；三自由度球形电机在X轴、Y轴、Z轴上的转动惯量为Nx=Ny=1.75×10-3(kgm2)Nz=1.45×10-3(kgm2),]]>N_x表示三自由度球形电机在X轴上的转动惯量，N_z表示三自由度球形电机在Z轴上的转动惯量；反转矩求解模块（13）对接收到的三自由度球形电机转子的控制转矩τ采用反转矩模型I_期望＝G^T(GG^T)^-1τ解析，得到期望的定子线圈电流I_期望；其中，G表示球形电机的转矩惯量矩阵；反电动势求解模块（21）依据反电动势模型U_F＝K_F(q)q_一阶对转子实际轨迹参数q,q_一阶进行处理，得到定子线圈的反电动势电压U_F；其中，K_F表示球形电机的反电动势惯量矩阵；第一减法运算模块（31）应用接收到的期望的定子线圈电流I_期望减去接收到的实际的定子线圈电流I_实际，得到定子线圈电流误差ΔI＝I_期望-I_实际；代数运算模块（32）采用电流电压转换运算关系对定子线圈电流误差ΔI＝I_期望-I_实际进行代数运算，得到定子线圈电压U；其中，k和t表示球形电机的电压与电流转换参数，s表示定子线圈的轴向向量；第二减法运算模块（33）应用接收到的定子线圈电压U减去接收到的定子线圈的反电动势电压U_F，得到定子线圈的电枢电压误差ΔU＝U-U_F；线圈电流获取模块（34）对接收到的定子线圈的电枢电压误差ΔU＝U-U_F进行电压转电流的处理，得到实际定子线圈电流I_实际输出；矢量运算模块（41）对接收到的实际定子线圈电流I_实际与转子实际轨迹参数Q＝{q,q_一阶,q_二阶}进行相乘，得到转子实际转矩τ_实际＝I_实际Q；反动力学分析模块（42）采用反动力学模型q_二阶＝M⁺(τ_实际-cq_一阶)对转子实际转矩τ_实际＝I_实际×Q进行求解，得到转子实际轨迹参数的二阶微分q_二阶；其中，M⁺表示球形电机的动力学二阶控制增益矩阵M(q)的逆矩阵；第一积分运算模块（43）对接收到的转子实际轨迹参数的二阶微分q_二阶进行积分处理，得到转子实际轨迹参数的一阶微分q_一阶；第二积分运算模块（44）对接收到的转子实际轨迹参数的一阶微分q_一阶进行积分处理，得到转子实际轨迹参数q。