发明名称 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。
申请公布号 CN102761306A 申请公布日期 2012.10.31
申请号 CN201210236633.3 申请日期 2012.07.07
申请人 北京航空航天大学 发明人 陈伟海;孟艳艳;刘敬猛;吴星明
分类号 H02P21/00(2006.01)I 主分类号 H02P21/00(2006.01)I
代理机构 北京永创新实专利事务所 11121 代理人 李有浩
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<sub>一阶</sub>、以及r的二阶微分参数r<sub>二阶</sub>;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<sub>一阶</sub>;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<sub>一阶</sub>减去转子实际转动轨迹的一阶微分参数q<sub>一阶</sub>,得到转子轨迹一阶微分误差e<sub>一阶</sub>=|r<sub>一阶</sub>-q<sub>一阶</sub>|;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<sub>二阶</sub>-K<sub>v</sub>e<sub>一阶</sub>-K<sub>p</sub>e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<sub>二阶</sub>-K<sub>v</sub>e<sub>一阶</sub>-K<sub>p</sub>e中的K<sub>v</sub>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<sub>p</sub>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<sub>二阶</sub>+c(q,q<sub>一阶</sub>)+τ<sub>f</sub>+τ<sub>l</sub>,且<maths num="0001"><![CDATA[<math><mrow><mi>M</mi><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfenced open='[' close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>N</mi><mi>x</mi></msub><mo>&times;</mo><msup><mi>cos</mi><mn>2</mn></msup><mi>&beta;</mi><mo>+</mo><msub><mi>N</mi><mi>z</mi></msub><mo>&times;</mo><msup><mi>sin</mi><mn>2</mn></msup><mi>&beta;</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>N</mi><mi>z</mi></msub><mo>&times;</mo><mi>sin</mi><mi>&beta;</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>N</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>N</mi><mi>z</mi></msub><mo>&times;</mo><mi>sin</mi><mi>&beta;</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>N</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow></math>]]></maths><img file="FDA00001862179300012.GIF" wi="1344" he="205" />动力学分析模块(12)第二方面将输入控制信号关系m=r<sub>二阶</sub>-K<sub>v</sub>e<sub>一阶</sub>-K<sub>p</sub>e和转子实际轨迹参数Q={q,q<sub>一阶</sub>,q<sub>二阶</sub>}代入动力学模型关系τ=M(q)q<sub>二阶</sub>+c(q,q<sub>一阶</sub>)+τ<sub>f</sub>+τ<sub>l</sub>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<sub>一阶</sub>)表示动力学控制增益矩阵;τ<sub>f</sub>表示摩擦转矩;τ<sub>l</sub>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<maths num="0002"><![CDATA[<math><mrow><mfenced open='' close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>N</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>N</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mn>1.75</mn><mo>&times;</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><msup><mi>kgm</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>N</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mn>1.45</mn><mo>&times;</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mi>kg</mi><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow></math>]]></maths>N<sub>x</sub>表示三自由度球形电机在X轴上的转动惯量,N<sub>z</sub>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<sub>期望</sub>=G<sup>T</sup>(GG<sup>T</sup>)<sup>-1</sup>τ解析,得到期望的定子线圈电流I<sub>期望</sub>;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<sub>F</sub>=K<sub>F</sub>(q)q<sub>一阶</sub>对转子实际轨迹参数q,q<sub>一阶</sub>进行处理,得到定子线圈的反电动势电压U<sub>F</sub>;其中,K<sub>F</sub>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<sub>期望</sub>减去接收到的实际的定子线圈电流I<sub>实际</sub>,得到定子线圈电流误差ΔI=I<sub>期望</sub>-I<sub>实际</sub>;代数运算模块(32)采用电流电压转换运算关系<img file="FDA00001862179300021.GIF" wi="483" he="129" />对定子线圈电流误差ΔI=I<sub>期望</sub>-I<sub>实际</sub>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<sub>F</sub>,得到定子线圈的电枢电压误差ΔU=U-U<sub>F</sub>;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<sub>F</sub>进行电压转电流的处理,得到实际定子线圈电流I<sub>实际</sub>输出;矢量运算模块(41)对接收到的实际定子线圈电流I<sub>实际</sub>与转子实际轨迹参数Q={q,q<sub>一阶</sub>,q<sub>二阶</sub>}进行相乘,得到转子实际转矩τ<sub>实际</sub>=I<sub>实际</sub>Q;反动力学分析模块(42)采用反动力学模型q<sub>二阶</sub>=M<sup>+</sup>(τ<sub>实际</sub>-cq<sub>一阶</sub>)对转子实际转矩τ<sub>实际</sub>=I<sub>实际</sub>×Q进行求解,得到转子实际轨迹参数的二阶微分q<sub>二阶</sub>;其中,M<sup>+</sup>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<sub>二阶</sub>进行积分处理,得到转子实际轨迹参数的一阶微分q<sub>一阶</sub>;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<sub>一阶</sub>进行积分处理,得到转子实际轨迹参数q。
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