一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，其特征是根据偏航、俯仰和自旋三种运动姿态预先将电机定子线圈分组，分别对三种运动姿态建立电磁转矩模型；然后由期望角位移通过动力学方程求解出运动所需的控制转矩；再利用基于运动解耦的通电控制方法，将控制转矩分别通过对应的偏航、俯仰和自旋电磁转矩模型，逆向求解出所需控制转矩对应电流，最后通过电流控制装置实现期望位置的运动。本发明专利技术通电控制方法简单，同一时刻只需对四个线圈供电就能实现永磁球形电机对应的偏航、俯仰和自旋运动，具有功耗小、响应快、运动稳定等优势。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法
本专利技术属于特种电机控制
，更具体地说是涉及一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法。
技术介绍
永磁球形电机能够完成三维空间中多自由度运动，其体积小、重量轻、响应快、定位精度高，而传统的多自由度运动装置，是由多个单自由度电机连接传动机构组成，不仅体积庞大，而且响应慢。因此，永磁球形电机在多自由度运动需求的场合具有广泛的应用前景。永磁球形电机在结构上主要由球形定子外壳和球形转子组成，一般其定子外壳上安装了许多定子线圈，通过控制定子线圈通电顺序和电流大小来实现其多自由度的运动。然而，这种特殊的结构使其通电控制变得尤为复杂。有文献采用定子球面划分，通过位置检测对每个划分区域进行通电控制，这种方式不仅通电线圈数量多，而且需要耗费大量的计算和时间。实际应用中常见偏航、俯仰和自旋三种运动姿态，其运动形式简单，但却没有针对性的通电控制方法。因此需要一种针对性的通电控制方法，以期使用较少的线圈来实现永磁球形电机的偏航、俯仰和自旋三种运动姿态的通电控制。
技术实现思路
本专利技术为避免上述现有技术存在的不足之处，提供一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，以期使用较少的线圈来实现偏航、俯仰和自旋的三种姿态的通电控制，减少了功耗，并提高了时效性。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，所述控制方法适于三自由度永磁球形电机，所述永磁球形电机包括环形支撑底座、上方开口的球形定子外壳、两层对称均匀分布在定子外壳上的二十四个空心定子线圈、内嵌在定子外壳里的球形转子，四层极性交替对称均匀分布在球形转子上的四十个圆柱形永磁体，以及固定在球形转子上方的输出轴，所述三自由度永磁球形电机能够在最大倾斜角37.5°内做偏航、俯仰和自旋运动；本专利技术控制方法的特点是：所述永磁球形电机通电控制方法是：根据偏航、俯仰和自旋三种运动姿态预先将电机定子线圈分组，分别对所述三种运动姿态建立电磁转矩模型；然后由期望角位移通过动力学方程求解出运动所需的控制转矩；再利用基于运动解耦的通电控制方法，将控制转矩分别通过对应的偏航、俯仰和自旋电磁转矩模型，逆向求解出所需控制转矩对应电流，最后通过电流控制装置实现期望位置的运动。本专利技术基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法的特点也在于：所述定子线圈分组是按如下步骤进行：步骤1：以球形定子外壳中心点为原点，建立定子静坐标系，以所述球形转子球心为原点，建立转子动坐标系O-xyz，所述定子静坐标系的Z轴垂直水平面向上，所述定子静坐标系和所述转子动坐标系的原点O固定为同一点，初始位置上的定子静坐标系和转子动坐标系为重合，所述转子动坐标系O-xyz可随球形转子绕原点O旋转；步骤2：在所述定子静坐标系O-XYZ下，处在X轴负方向上的上层定子线圈标记为C1，其余上层定子线圈按照顺时针方向依次标记为C2～C12；处在X轴负方向上的下层定子线圈标记为C13，其余下层定子线圈按照顺时针方向依次标记为C14～C24；初始位置上，球形转子在所述定子静坐标系O-XYZ下永磁体从上往下的各层依次为第一层、第二层、第三层和第四层，各层永磁体标记为：第一层：处在X轴负方向上的永磁体标记为P1，其余各永磁体按照顺时针方向依次标记为P2～P10；第二层：处在X轴负方向上的永磁体标记为P11，其余各永磁体按照顺时针方向依次标记为P12～P20；第三层，处在X轴负方向上的永磁体标记为P21，其余各永磁体按照顺时针方向依次标记为P22～P30；第四层，处在X轴负方向上的永磁体标记为P31，其余各永磁体按照顺时针方向依次标记为P32～P40；步骤3：由定子线圈C2、C12、C18和C20组成X+线圈组，用于控制球形电机的X轴正向偏航运动；由定子线圈C6、C8、C14和C24组成X-线圈组，用于控制球形电机的X轴负向偏航运动；由定子线圈C9、C11、C15和C17组成Y+线圈组，用于控制球形电机的Y轴正向俯仰运动；由定子线圈C3、C5、C21和C23组成Y-线圈组，用于控制球形电机的Y轴负向俯仰运动；由定子线圈C1、C7、C13和C19组成Z1线圈组，由C2、C8、C14和C20组成Z2线圈组，由C3、C9、C15和C21组成Z3线圈组，由C4、C10、C16和C22组成Z4线圈组，由C5、C11、C17和C23成组成Z5线圈组，由C6、C12、C18和C24组成Z6线圈组，利用Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6线圈组轮流通电控制Z轴自旋运动。本专利技术基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法的特点也在于：按如下步骤建立电磁转矩建模：步骤a：采用有限元法或解析法分析单定子线圈和球形转子间的转角特性，分别获得二十四个定子线圈与球形转子在x、y、z方向的转角特性；步骤b：在X+线圈组中，各定子线圈的电流大小相等，且定子线圈C2和C12的电流极性为正，定子线圈C18和C20的电流极性为负，X-线圈组中各定子线圈的电流大小相等，且定子线圈C6和C8的电流极性为负，定子线圈C14和C24的电流极性为正；在Y+线圈组中各定子线圈的电流大小相等，且定子线圈C9和C11的电流极性为正，定子线圈C15和C17的电流极性为负，在Y-线圈组中各定子线圈的电流大小相等，定子线圈C3和C5的电流极性为负，定子线圈C21和C23的电流极性为正；在Z1线圈组中各定子线圈的电流大小相等，定子线圈C1和C13的电流极性为正，定子线圈C7和C19的电流极性为负；计算获得：X+线圈组对应的偏航转矩为：其中为X+线圈组中对应定子线圈的转角特性矩阵，为对应的电流；X-线圈组对应的偏航转矩为：其中为X-线圈组中对应定子线圈的转角特性矩阵，为对应的电流；Y+线圈组对应的俯仰转矩为：其中为Y+线圈组对应定子线圈的转角特性矩阵，为对应的电流；Y-线圈组对应的俯仰转矩为：其中为Y-线圈组对应的定子线圈的转角特性矩阵，为对应的电流；Z1线圈组对应的自旋转矩为：其中为Z1线圈组对应的定子线圈的转角特性矩阵，为对应的电流。本专利技术基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法的特点也在于：按如下步骤逆向求解出所需控制转矩的对应电流：步骤A：由运动所需的给定期望角位移，根据永磁球形电机动力学方程，计算获得运动所需的控制转矩T为：T＝[TxTyTz]，Tx、Ty和Tz一一对应为偏航转矩、俯仰转矩和自旋转矩，即步骤B：计算相应线圈组的通电电流Ix、Iy和Iz分别为：其中一一对应为的广义逆矩阵，一一对应的广义逆矩阵，为对应FZ1的广义逆矩阵。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术方法是以实际应用需求为出发点，针对永磁球形电机偏航、俯仰和自旋三种运动姿态，通过运动学得到的解耦控制转矩，采用定子线圈分组控制的方式，分别实现永磁球形电机对应的偏航、俯仰和自旋运动，相比其它通电控制策略，本专利技术方法更具有针对性。2、本专利技术方法通过对定子线圈进行分组，每种运动姿态同一时刻只需对四个定子线圈进行通电控制，合理利用定子线圈进行通电，减少了不必要的通电线圈，使计算量大大减小，在降低功耗的同时，提高了时效性。3、本专利技术方法根据永磁球形电机偏航、俯仰和自旋三种运动方式对定子线圈进行分组控制，每组线圈控制相应的运动，只需逆向求解出对应分组线圈的电流大小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，所述控制方法适于三自由度永磁球形电机，所述永磁球形电机包括环形支撑底座、上方开口的球形定子外壳、两层对称均匀分布在定子外壳上的二十四个空心定子线圈(2)、内嵌在定子外壳里的球形转子，四层极性交替对称均匀分布在球形转子上的四十个圆柱形永磁体(3)，以及固定在球形转子上方的输出轴(1)，所述三自由度永磁球形电机能够在最大倾斜角37.5°内做偏航、俯仰和自旋运动；其特征是：所述永磁球形电机通电控制方法是：根据偏航、俯仰和自旋三种运动姿态预先将电机定子线圈分组，分别对所述三种运动姿态建立电磁转矩模型；然后由期望角位移通过动力学方程求解出运动所需的控制转矩；再利用基于运动解耦的通电控制方法，将控制转矩分别通过对应的偏航、俯仰和自旋电磁转矩模型，逆向求解出所需控制转矩对应电流，最后通过电流控制装置实现期望位置的运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，所述控制方法适于三自由度永磁球形电机，所述永磁球形电机包括环形支撑底座、上方开口的球形定子外壳、两层对称均匀分布在定子外壳上的二十四个空心定子线圈(2)、内嵌在定子外壳里的球形转子，四层极性交替对称均匀分布在球形转子上的四十个圆柱形永磁体(3)，以及固定在球形转子上方的输出轴(1)，所述三自由度永磁球形电机能够在最大倾斜角37.5°内做偏航、俯仰和自旋运动；其特征是：所述永磁球形电机通电控制方法是：根据偏航、俯仰和自旋三种运动姿态预先将电机定子线圈分组，分别对所述三种运动姿态建立电磁转矩模型；然后由期望角位移通过动力学方程求解出运动所需的控制转矩；再利用基于运动解耦的通电控制方法，将控制转矩分别通过对应的偏航、俯仰和自旋电磁转矩模型，逆向求解出所需控制转矩对应电流，最后通过电流控制装置实现期望位置的运动。2.根据权利要求1所述的基于运动解耦的永磁球形电机通电控制方法，其特征是：所述定子线圈分组是按如下步骤进行：步骤1：以球形定子外壳中心点为原点，建立定子静坐标系，以所述球形转子球心为原点，建立转子动坐标系O-xyz，所述定子静坐标系的Z轴垂直水平面向上，所述定子静坐标系和所述转子动坐标系的原点O固定为同一点，初始位置上的定子静坐标系和转子动坐标系为重合，所述转子动坐标系O-xyz可随球形转子绕原点O旋转；步骤2：在所述定子静坐标系O-XYZ下，处在X轴负方向上的上层定子线圈标记为C1，其余上层定子线圈按照顺时针方向依次标记为C2～C12；处在X轴负方向上的下层定子线圈标记为C13，其余下层定子线圈按照顺时针方向依次标记为C14～C24；初始位置上，球形转子在所述定子静坐标系O-XYZ下永磁体从上往下的各层依次为第一层、第二层、第三层和第四层，各层永磁体标记为：第一层：处在X轴负方向上的永磁体标记为P1，其余各永磁体按照顺时针方向依次标记为P2～P10；第二层：处在X轴负方向上的永磁体标记为P11，其余各永磁体按照顺时针方向依次标记为P12～P20；第三层，处在X轴负方向上的永磁体标记为P21，其余各永磁体按照顺时针方向依次标记为P22～P30；第四层，处在X轴负方向上的永磁体标记为P31，其余各永磁体按照顺时针方向依次标记为P32～P40；步骤3：由定子线圈C2、C12、C18和C20组成X+线圈组，用于控制球形电机的X轴正向偏航运动；由定子线圈C6、C8、C14和C24组成X-线圈组，用于控制球形电机的X轴负向偏航运动；由定子线圈C9、C11、C15和C17组成Y+线圈组，用于控制球形电机的Y轴正向俯仰运动；由定子线圈C3、C5、C21和C23组成Y-线圈组，用于控制球形电机的Y轴负向俯仰运动；由定子线圈C1、C7、C13和C19组成Z1线圈组，由C2、C8、C14和C20组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：过希文，李绅，王群京，文彦，赵丽娟，吴玉良，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34