[发明专利]一种三自由度永磁球形电机转矩控制策略

摘要

本发明涉及一种三自由度永磁球形电机转矩控制策略首先将控制转矩分解为自转转矩和倾斜转矩，在此基础上，将自转转矩分配到不同定子相绕组；考虑到球形电机转子倾斜时，不同定子绕组自转转矩的差异，获得二维转矩分配函数，最终根据永磁球形电机转矩特性可直接得到自转运动的控制电流。对于倾斜转矩，根据倾斜转矩与各绕组转矩矢量间的相对位置，通过比较不同组合方式的比功耗，确定出倾斜控制绕组，获得降维的倾斜转矩控制矩阵，通过求解降维后的转矩控制矩阵逆矩阵获得倾斜运动的控制电流。本发明能够提高永磁球形电机控制系统的响应速度、控制精度，减小自转运动时的转矩脉动，并避免过大地增加定子控制电流。

主权项

一种三自由度永磁球形电机转矩控制策略，所适用的电机为三自由度球形电机，包括底座，球形定子壁、定子线圈和转子，转子位于定子壁内，其输出轴从定子壁上方的开口处伸出，其特征在于，定子线圈为柱形无铁心结构，沿球形定子壁的赤道及与赤道平行的纬线上均匀分布3层，呈放射状固定在球形定子壁上；转子表面嵌有永磁体磁极，磁极沿与赤道分为上下两层，每层的N极和S极交替分布，该控制策略为：首先将控制转矩分解为自转转矩和倾斜转矩，在此基础上，将自转转矩分配到不同定子相绕组；考虑到球形电机转子倾斜时，不同定子绕组自转转矩的差异，获得了二维转矩分配函数，最终根据永磁球形电机转矩特性可直接得到自转运动的控制电流；对于倾斜转矩，根据倾斜转矩与各绕组转矩矢量间的相对位置，通过比较不同组合方式的比功耗，确定出倾斜控制绕组，获得降维的倾斜转矩控制矩阵，通过求解降维后的转矩控制矩阵逆矩阵获得倾斜运动的控制电流，具体包括下列的步骤：(1)利用有限元法数值算法或解析法获得电机的自转转矩和倾斜转矩特性，以表格或公式形式存储；(2)采用旋转编码器和角度传感器检测转子位置信号，并进行欧拉角变换，获取描述转子位置信息的欧拉角(α、β、γ)；(3)设永磁球形电机的给定轨迹为(αd、βd、γd)，由给定轨迹与实际角度，采用计算转矩法，确定电机所需要的目标控制转矩(4)将目标转矩分解为转子坐标系下的自转转矩参考值τp*和倾斜转矩参考值τdq*；(5)将定子绕组进行编号，如果两个定子绕组位于定子球体一条直径的两端，则称之为一组绕组，设定子球面沿赤道的定子绕组编号依次为1、2、3、4，而上下两层绕组分别为A、B、C、D四相，A+代表当该定子绕组给定为正向电流时，该相吸引S极性转子磁极，排斥N极性转子磁极，当A相导通时，A+、A‑所给的电流极性相反，以合成自转转矩；对于定子的上下两层绕组构成的A、B、C、D四相，应用转矩分配思想，确定各相的一维分配函数下标i表示定子相，为定子相绕组在转子坐标系中的坐标折算到一个转子磁极下的经度角，考虑到转子输出轴倾斜时各相的两组定子绕组转矩特性的不同，将各相自转转矩在两个绕组间进行二次分配，绕组的分配函数分别为下标i+、i‑表示第i相的两组定子绕组，θi+、θi‑为i相两个绕组在转子坐标系中的坐标折算到一个转子磁极下的纬度角；(6)对于中间层定子绕组为1、2、3、4相，根据电机倾斜转矩特性和定子绕组坐标，可得到1‑4相绕组产生的倾斜转矩T1θ、T2θ、T3θ、T4θ，利用4个倾斜转矩矢量将转子赤道平面划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个扇区；(7)选择合成目标倾斜转矩τdq*的转矩分量：(a)若τdq位于扇区Ⅰ，备选转矩矢量为(T3θ,T4θ)、(T3θ,T1θ)、(T2θ,T4θ)、(T2θ,T1θ)；计算出各组产生的比功耗p34*、p31*、p24*、p21*，选择功耗最小的定子绕组对；(b)若τdq位于扇区Ⅱ，备选转矩矢量为(T1θ,T4θ)、(T1θ,T3θ)、(T2θ,T4θ)、(T2θ,T3θ)；计算出各组产生的比功耗p14*、p13*、p24*、p23*，下标表示不同的组合，选择功耗最小的定子绕组对；(c)若τdq位于扇区Ⅲ，备选转矩矢量为(T2θ,T4θ)、(T2θ,T1θ)、(T3θ,T4θ)、(T3θ,T1θ)；计算出各组产生的比功耗p24*、p21*、p34*、p31*，选择功耗最小的定子绕组对；(d)若τdq位于扇区Ⅳ，备选转矩矢量为(T1θ,T4θ)、(T2θ,T3θ)、(T1θ,T3θ)、(T2θ,T4θ)；计算出各组产生的比功耗p14*、p23*、p13*、p24*，选择功耗最小的定子绕组对；(8)在上述选择出的两组绕组基础上，选取A、B、C、D四相中与两组倾斜绕组处于同一定子经度线上的绕组，共六组定子绕组作为倾斜控制绕组；(9)由(5)中的转矩分配函数和自转转矩参考值τp*得到定子各相绕组的转矩给定值，根据球形电机自转转矩特性，求得自转运动的定子各绕组控制电流；(10)根据球形电机倾斜转矩特性，获得(8)中倾斜绕组的转矩矩阵Tn2，求解其逆矩阵Tn2‑1，根据倾斜转矩参考值τdq*求得倾斜运动的定子各绕组控制电流；(11)由(9)、(10)得定子各绕组总的控制电流；(12)利用电流滞环控制策略，实时控制各绕组的电流的大小和方向，使转子输出预期的转矩，跟踪期望轨迹。