[发明专利]一种基于电压模型的球电机控制系统

权利要求书

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_一阶、以及r的二阶微分参数r_二阶；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_一阶；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_一阶减去转子实际转动轨迹的一阶微分参数q_一阶，得到转子轨迹一阶微分误差e_一阶＝|r_一阶-q_一阶|；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_二阶-K_ve_一阶-K_pe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_二阶-K_ve_一阶-K_pe中的K_v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_p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_二阶+c(q,q_一阶)+τ_f+τ_l，且

M(q)=Nx×cos2β+Nz×sin2β0Nz×sinβ0Nx0Nz×sinβ0Nz,]]>

动力学分析模块（12）第二方面将输入控制信号关系m＝r_二阶-K_ve_一阶-K_pe和转子实际轨迹参数Q＝{q,q_一阶,q_二阶}代入动力学模型关系τ＝M(q)q_二阶+c(q,q_一阶)+τ_f+τ_l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_一阶)表示动力学控制增益矩阵；τ_f表示摩擦转矩；τ_l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Nx=Ny=1.75×10-3(kgm2)Nz=1.45×10-3(kgm2),]]>N_x表示三自由度球形电机在X轴上的转动惯量，N_z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_期望＝G^T(GG^T)^-1τ解析，得到期望的定子线圈电流I_期望；

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_F＝K_F(q)q_一阶对转子实际轨迹参数q,q_一阶进行处理，得到定子线圈的反电动势电压U_F；

其中，K_F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_期望减去接收到的实际的定子线圈电流I_实际，得到定子线圈电流误差ΔI＝I_期望-I_实际；

代数运算模块（32）采用电流电压转换运算关系对定子线圈电流误差ΔI＝I_期望-I_实际进行代数运算，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_F，得到定子线圈的电枢电压误差ΔU＝U-U_F；

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_F进行电压转电流的处理，得到实际定子线圈电流I_实际输出；

矢量运算模块（41）对接收到的实际定子线圈电流I_实际与转子实际轨迹参数Q＝{q,q_一阶,q_二阶}进行相乘，得到转子实际转矩τ_实际＝I_实际Q；

反动力学分析模块（42）采用反动力学模型q_二阶＝M⁺(τ_实际-cq_一阶)对转子实际转矩τ_实际＝I_实际×Q进行求解，得到转子实际轨迹参数的二阶微分q_二阶；

其中，M⁺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_二阶进行积分处理，得到转子实际轨迹参数的一阶微分q_一阶；

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_一阶进行积分处理，得到转子实际轨迹参数q。