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>×</mo><msup><mi>cos</mi><mn>2</mn></msup><mi>β</mi><mo>+</mo><msub><mi>N</mi><mi>z</mi></msub><mo>×</mo><msup><mi>sin</mi><mn>2</mn></msup><mi>β</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>N</mi><mi>z</mi></msub><mo>×</mo><mi>sin</mi><mi>β</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>×</mo><mi>sin</mi><mi>β</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>×</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>×</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。 |