一種基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法技術

本發(fā)明專利技術公開了一種基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法，其特征是根據偏航、俯仰和自旋三種運動姿態(tài)預先將電機定子線圈分組，分別對三種運動姿態(tài)建立電磁轉矩模型；然后由期望角位移通過動力學方程求解出運動所需的控制轉矩；再利用基于運動解耦的通電控制方法，將控制轉矩分別通過對應的偏航、俯仰和自旋電磁轉矩模型，逆向求解出所需控制轉矩對應電流，最后通過電流控制裝置實現期望位置的運動。本發(fā)明專利技術通電控制方法簡單，同一時刻只需對四個線圈供電就能實現永磁球形電機對應的偏航、俯仰和自旋運動，具有功耗小、響應快、運動穩(wěn)定等優(yōu)勢。

Permanent magnet spherical motor energizing control method based on motion decoupling

The invention discloses a method for controlling the power of permanent magnet spherical motor based on decoupling, which is based on yaw, pitch and spin three motion pre motor stator coil group, respectively to three kinds of motion based on electromagnetic torque model; then the desired angular displacement control torque required by dynamics equation. A movement; again through the electric motion control method based on decoupling control, torque respectively through corresponding yaw, pitch and spin torque model, inverse the required control torque corresponding to current, finally through the current control device to achieve the desired position of the movement. The invention of electricity control method is simple, the same time only yaw, pitch and spin on the four coil power supply can achieve the corresponding permanent magnetic spherical motor, has low power consumption, fast response, the advantages of stable motion.

【技術實現步驟摘要】
一種基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法
本專利技術屬于特種電機控制
，更具體地說是涉及一種基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法。
技術介紹
永磁球形電機能夠完成三維空間中多自由度運動，其體積小、重量輕、響應快、定位精度高，而傳統(tǒng)的多自由度運動裝置，是由多個單自由度電機連接傳動機構組成，不僅體積龐大，而且響應慢。因此，永磁球形電機在多自由度運動需求的場合具有廣泛的應用前景。永磁球形電機在結構上主要由球形定子外殼和球形轉子組成，一般其定子外殼上安裝了許多定子線圈，通過控制定子線圈通電順序和電流大小來實現其多自由度的運動。然而，這種特殊的結構使其通電控制變得尤為復雜。有文獻采用定子球面劃分，通過位置檢測對每個劃分區(qū)域進行通電控制，這種方式不僅通電線圈數量多，而且需要耗費大量的計算和時間。實際應用中常見偏航、俯仰和自旋三種運動姿態(tài)，其運動形式簡單，但卻沒有針對性的通電控制方法。因此需要一種針對性的通電控制方法，以期使用較少的線圈來實現永磁球形電機的偏航、俯仰和自旋三種運動姿態(tài)的通電控制。
技術實現思路
本專利技術為避免上述現有技術存在的不足之處，提供一種基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法，以期使用較少的線圈來實現偏航、俯仰和自旋的三種姿態(tài)的通電控制，減少了功耗，并提高了時效性。本專利技術為解決技術問題采用如下技術方案：本專利技術基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法，所述控制方法適于三自由度永磁球形電機，所述永磁球形電機包括環(huán)形支撐底座、上方開口的球形定子外殼、兩層對稱均勻分布在定子外殼上的二十四個空心定子線圈、內嵌在定子外殼里的球形轉子，四層極性交替對稱均勻分布在球形轉子上的四十個圓柱形永磁體，以及固定在球形轉子上方的輸出軸，所述三自由度永磁球形電機能夠在最大傾斜角37.5°內做偏航、俯仰和自旋運動；本專利技術控制方法的特點是：所述永磁球形電機通電控制方法是：根據偏航、俯仰和自旋三種運動姿態(tài)預先將電機定子線圈分組，分別對所述三種運動姿態(tài)建立電磁轉矩模型；然后由期望角位移通過動力學方程求解出運動所需的控制轉矩；再利用基于運動解耦的通電控制方法，將控制轉矩分別通過對應的偏航、俯仰和自旋電磁轉矩模型，逆向求解出所需控制轉矩對應電流，最后通過電流控制裝置實現期望位置的運動。本專利技術基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法的特點也在于：所述定子線圈分組是按如下步驟進行：步驟1：以球形定子外殼中心點為原點，建立定子靜坐標系，以所述球形轉子球心為原點，建立轉子動坐標系O-xyz，所述定子靜坐標系的Z軸垂直水平面向上，所述定子靜坐標系和所述轉子動坐標系的原點O固定為同一點，初始位置上的定子靜坐標系和轉子動坐標系為重合，所述轉子動坐標系O-xyz可隨球形轉子繞原點O旋轉；步驟2：在所述定子靜坐標系O-XYZ下，處在X軸負方向上的上層定子線圈標記為C1，其余上層定子線圈按照順時針方向依次標記為C2～C12；處在X軸負方向上的下層定子線圈標記為C13，其余下層定子線圈按照順時針方向依次標記為C14～C24；初始位置上，球形轉子在所述定子靜坐標系O-XYZ下永磁體從上往下的各層依次為第一層、第二層、第三層和第四層，各層永磁體標記為：第一層：處在X軸負方向上的永磁體標記為P1，其余各永磁體按照順時針方向依次標記為P2～P10；第二層：處在X軸負方向上的永磁體標記為P11，其余各永磁體按照順時針方向依次標記為P12～P20；第三層，處在X軸負方向上的永磁體標記為P21，其余各永磁體按照順時針方向依次標記為P22～P30；第四層，處在X軸負方向上的永磁體標記為P31，其余各永磁體按照順時針方向依次標記為P32～P40；步驟3：由定子線圈C2、C12、C18和C20組成X+線圈組，用于控制球形電機的X軸正向偏航運動；由定子線圈C6、C8、C14和C24組成X-線圈組，用于控制球形電機的X軸負向偏航運動；由定子線圈C9、C11、C15和C17組成Y+線圈組，用于控制球形電機的Y軸正向俯仰運動；由定子線圈C3、C5、C21和C23組成Y-線圈組，用于控制球形電機的Y軸負向俯仰運動；由定子線圈C1、C7、C13和C19組成Z1線圈組，由C2、C8、C14和C20組成Z2線圈組，由C3、C9、C15和C21組成Z3線圈組，由C4、C10、C16和C22組成Z4線圈組，由C5、C11、C17和C23成組成Z5線圈組，由C6、C12、C18和C24組成Z6線圈組，利用Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6線圈組輪流通電控制Z軸自旋運動。本專利技術基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法的特點也在于：按如下步驟建立電磁轉矩建模：步驟a：采用有限元法或解析法分析單定子線圈和球形轉子間的轉角特性，分別獲得二十四個定子線圈與球形轉子在x、y、z方向的轉角特性；步驟b：在X+線圈組中，各定子線圈的電流大小相等，且定子線圈C2和C12的電流極性為正，定子線圈C18和C20的電流極性為負，X-線圈組中各定子線圈的電流大小相等，且定子線圈C6和C8的電流極性為負，定子線圈C14和C24的電流極性為正；在Y+線圈組中各定子線圈的電流大小相等，且定子線圈C9和C11的電流極性為正，定子線圈C15和C17的電流極性為負，在Y-線圈組中各定子線圈的電流大小相等，定子線圈C3和C5的電流極性為負，定子線圈C21和C23的電流極性為正；在Z1線圈組中各定子線圈的電流大小相等，定子線圈C1和C13的電流極性為正，定子線圈C7和C19的電流極性為負；計算獲得：X+線圈組對應的偏航轉矩為：其中為X+線圈組中對應定子線圈的轉角特性矩陣，為對應的電流；X-線圈組對應的偏航轉矩為：其中為X-線圈組中對應定子線圈的轉角特性矩陣，為對應的電流；Y+線圈組對應的俯仰轉矩為：其中為Y+線圈組對應定子線圈的轉角特性矩陣，為對應的電流；Y-線圈組對應的俯仰轉矩為：其中為Y-線圈組對應的定子線圈的轉角特性矩陣，為對應的電流；Z1線圈組對應的自旋轉矩為：其中為Z1線圈組對應的定子線圈的轉角特性矩陣，為對應的電流。本專利技術基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法的特點也在于：按如下步驟逆向求解出所需控制轉矩的對應電流：步驟A：由運動所需的給定期望角位移，根據永磁球形電機動力學方程，計算獲得運動所需的控制轉矩T為：T＝[TxTyTz]，Tx、Ty和Tz一一對應為偏航轉矩、俯仰轉矩和自旋轉矩，即步驟B：計算相應線圈組的通電電流Ix、Iy和Iz分別為：其中一一對應為的廣義逆矩陣，一一對應的廣義逆矩陣，為對應FZ1的廣義逆矩陣。與已有技術相比，本專利技術的有益效果體現在：1、本專利技術方法是以實際應用需求為出發(fā)點，針對永磁球形電機偏航、俯仰和自旋三種運動姿態(tài)，通過運動學得到的解耦控制轉矩，采用定子線圈分組控制的方式，分別實現永磁球形電機對應的偏航、俯仰和自旋運動，相比其它通電控制策略，本專利技術方法更具有針對性。2、本專利技術方法通過對定子線圈進行分組，每種運動姿態(tài)同一時刻只需對四個定子線圈進行通電控制，合理利用定子線圈進行通電，減少了不必要的通電線圈，使計算量大大減小，在降低功耗的同時，提高了時效性。3、本專利技術方法根據永磁球形電機偏航、俯仰和自旋三種運動方式對定子線圈進行分組控制，每組線圈控制相應的運動，只需逆向求解出對應分組線圈的電流大小本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法，所述控制方法適于三自由度永磁球形電機，所述永磁球形電機包括環(huán)形支撐底座、上方開口的球形定子外殼、兩層對稱均勻分布在定子外殼上的二十四個空心定子線圈(2)、內嵌在定子外殼里的球形轉子，四層極性交替對稱均勻分布在球形轉子上的四十個圓柱形永磁體(3)，以及固定在球形轉子上方的輸出軸(1)，所述三自由度永磁球形電機能夠在最大傾斜角37.5°內做偏航、俯仰和自旋運動；其特征是：所述永磁球形電機通電控制方法是：根據偏航、俯仰和自旋三種運動姿態(tài)預先將電機定子線圈分組，分別對所述三種運動姿態(tài)建立電磁轉矩模型；然后由期望角位移通過動力學方程求解出運動所需的控制轉矩；再利用基于運動解耦的通電控制方法，將控制轉矩分別通過對應的偏航、俯仰和自旋電磁轉矩模型，逆向求解出所需控制轉矩對應電流，最后通過電流控制裝置實現期望位置的運動。

【技術特征摘要】
1.一種基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法，所述控制方法適于三自由度永磁球形電機，所述永磁球形電機包括環(huán)形支撐底座、上方開口的球形定子外殼、兩層對稱均勻分布在定子外殼上的二十四個空心定子線圈(2)、內嵌在定子外殼里的球形轉子，四層極性交替對稱均勻分布在球形轉子上的四十個圓柱形永磁體(3)，以及固定在球形轉子上方的輸出軸(1)，所述三自由度永磁球形電機能夠在最大傾斜角37.5°內做偏航、俯仰和自旋運動；其特征是：所述永磁球形電機通電控制方法是：根據偏航、俯仰和自旋三種運動姿態(tài)預先將電機定子線圈分組，分別對所述三種運動姿態(tài)建立電磁轉矩模型；然后由期望角位移通過動力學方程求解出運動所需的控制轉矩；再利用基于運動解耦的通電控制方法，將控制轉矩分別通過對應的偏航、俯仰和自旋電磁轉矩模型，逆向求解出所需控制轉矩對應電流，最后通過電流控制裝置實現期望位置的運動。2.根據權利要求1所述的基于運動解耦的永磁球形電機通電控制方法，其特征是：所述定子線圈分組是按如下步驟進行：步驟1：以球形定子外殼中心點為原點，建立定子靜坐標系，以所述球形轉子球心為原點，建立轉子動坐標系O-xyz，所述定子靜坐標系的Z軸垂直水平面向上，所述定子靜坐標系和所述轉子動坐標系的原點O固定為同一點，初始位置上的定子靜坐標系和轉子動坐標系為重合，所述轉子動坐標系O-xyz可隨球形轉子繞原點O旋轉；步驟2：在所述定子靜坐標系O-XYZ下，處在X軸負方向上的上層定子線圈標記為C1，其余上層定子線圈按照順時針方向依次標記為C2～C12；處在X軸負方向上的下層定子線圈標記為C13，其余下層定子線圈按照順時針方向依次標記為C14～C24；初始位置上，球形轉子在所述定子靜坐標系O-XYZ下永磁體從上往下的各層依次為第一層、第二層、第三層和第四層，各層永磁體標記為：第一層：處在X軸負方向上的永磁體標記為P1，其余各永磁體按照順時針方向依次標記為P2～P10；第二層：處在X軸負方向上的永磁體標記為P11，其余各永磁體按照順時針方向依次標記為P12～P20；第三層，處在X軸負方向上的永磁體標記為P21，其余各永磁體按照順時針方向依次標記為P22～P30；第四層，處在X軸負方向上的永磁體標記為P31，其余各永磁體按照順時針方向依次標記為P32～P40；步驟3：由定子線圈C2、C12、C18和C20組成X+線圈組，用于控制球形電機的X軸正向偏航運動；由定子線圈C6、C8、C14和C24組成X-線圈組，用于控制球形電機的X軸負向偏航運動；由定子線圈C9、C11、C15和C17組成Y+線圈組，用于控制球形電機的Y軸正向俯仰運動；由定子線圈C3、C5、C21和C23組成Y-線圈組，用于控制球形電機的Y軸負向俯仰運動；由定子線圈C1、C7、C13和C19組成Z1線圈組，由C2、C8、C14和C20組成...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：過希文，李紳，王群京，文彥，趙麗娟，吳玉良，
申請(專利權)人：安徽大學，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽,34