CN109375527A - 一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，涉及电机控制技术领域。包括以下步骤：利用三维机械设计软件构建并绘制虚拟样机模型；给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，进行运动学和动力学分析计算；实现多自由度电机的倾斜操作和旋转运行以及空间三自由度的运动，实现虚拟样机技术中的交互式时域仿真；最后进行基于多自由度电机的运动与动力学仿真与控制系统联合平台的搭建，实现电机在内、外转子协同配合下的滑动模态控制。本发明能实现三自由度运动点到点的精准定位，能克服控制系统的输入冲击、外部扰动、参数摄动等不利因素，具有控制精度高、研发时间短、设计质量好质量、效率高的特点。

Description

一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体是一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，涉及到电机做多自由度运动的轨迹规划与控制流程的设计。

背景技术

一个复杂繁琐的多体机械系统中，往往伴随着非线性、强耦合的控制方法与多样式、多自由度的运动工况，单一多台传统电机相互配合构成的传动装置，一来系统体积重量过于庞大，而且多个轴承的相互间隙容易影响传动装置的旋转精度；二来对于规划复杂的多自由运动，也有响应速度较慢、传动灵活性差的缺陷。为此，国内外学者为解决上述存在的局限性，纷纷致力于具有多个旋转自由度特种电机的设计和研究。

多自由度电机具有体积轻巧、结构紧凑、材料利用率和机械集成度较高的诸多优势，从而大幅度的减少了系统耦联机构的数量，同时也使电机定位运动的精度得以进一步提高。近年来，从国内外的参考文献中可以看出，对多自由度电机的分析和研究大多注重其本体结构的设计，而对电机三自由度的运动控制及轨迹规划却鲜有涉猎。在探究多自由度电机的动力学分析时，主要源于机械设计原理和经典理论力学的结合，但由于电机做多自由度运动时快速响应的运动特性以及轴承摩擦、外部扰动等因素，致使电机很难连续、稳定、精准控制，常规的PID控制和转矩法控制往往无法满足其轨迹跟踪精度的要求。

因而，基于复杂机械系统强耦合、非线性的特点，提出一种新型适用于多自由度电机的智能控制方案，可自由设计被控对象的参数变化，降低扰动的灵敏性，使控制系统具有较好的鲁棒性。

伴随工业科技性与现代生产力的不断提升，永磁多自由度电机的应用领域与未来前景愈加广泛，且于一些需要精密的尖端科技中的尤为重要，例如人体仿生领域、航空航天领域、医疗器械领域、军用武器领域，具体可应用于机器人关节仿生、多旋翼航空飞行器、多自由度微创手术刀、重载型反馈式操纵杆中。在概念电机的设计和开发阶段中，需要不断对其结构进行优化，持续对其性能进行调试，而以传统方式研发样机的周期较长，耗资金额也相对较大。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中存在的多自由度运动的运转轨迹复杂、难以精准定位、控制系统难以控制、研发时间太长、设计效率低的问题，提供了一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，能实现三自由度运动点到点的精准定位，能克服控制系统的输入冲击、外部扰动、参数摄动等不利因素，具有控制精度高、研发时间短、设计质量好质量、效率高的特点。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、把多自由度电机带输出轴的内转子与连接外壳的外转子的运动结构看作是由一种类型电动模块或一种类型运动模块和其他类型电动模块的合成，依据类型电动模块的驱动机理和轨迹规划，利用三维机械设计软件构建并绘制虚拟样机模型，即一种类型电动模块的几何实体模型、其他类型电动模块的几何实体模型及整体模块的几何实体模型；

(2)、将构建完毕的几何实体模型导入多体运动与动力学仿真软件中，并依据类型电动模块的运动机理，给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，设置与之相匹配的运动铰链，并施加外部载荷；基于电机的多自由度运动理念，分别使用运动副中的驱动形式和外加载荷中的旋转力矩，对电机的运动学和动力学进行分析计算，编辑部件的初始状态，在指定旋转序列下完成输出轴运动计算；

(3)、利用计算得到的驱动加速度、位移量变化和力矩周期性变化结果，设定多自由度电机输出轴内、外转子分别基于偏转与自转自由度的约束关系下，实现多自由度电机的倾斜操作和旋转运行；基于协同控制三自由度的约束关系下，实现多自由度电机的空间三自由度运动。并在后处理模块和动态画回放内观测电机的动态性能和运行轨迹，实现虚拟样机技术中的交互式时域仿真；

(4)、最后设置作为输入/输出的接口模块，进行基于多自由度电机的运动与动力学仿真与控制系统联合平台的搭建，由多体运动与动力学仿真软件作为输出系统方程的数据，再由其他控制程序读取，建立仿真下的控制系统方案，以电机的三自由度运动轨迹跟踪作为控制目标，实现电机在内、外转子协同配合下的滑动模态控制。

进一步的，所述的一种类型电动模块为偏转型模块，并依据偏转型模块的驱动机理，利用三维机械设计软件构建并绘制该偏转型模块的几何实体模型。

优选的，所述的偏转型模块的几何实体模型包括偏转转子部分和位于偏转转子部分内部的偏转定子部分；所述偏转转子部分通过十字联轴器和两个联动接头与对外输出轴相连；偏转转子部分包括偏转永磁体和位于偏转永磁体外围的偏转转子轭；所述偏转定子部分通过固定基座与地面固定；偏转定子部分包括定子线圈和铁芯、定子轭与定子支架和盘式基座；在十字联轴器处添加配合两个联动输出接头的万向节铰链，其余部件均以固定副相连偏转铰链的驱动部件。

进一步的，所述的单自由度旋转铰链中绕z轴方向上驱动加速度，以嵌套式的IF函数将自转运动分为启动、匀速、制动的三个阶段；所述的二自由度万向节铰链中绕x轴、y轴方向上驱动位移量，以累加型的STEP函数完成沿轴线和多方位的两类偏转操作；所述的三自由度球铰链绕x轴、y轴、z轴的作用点上施加三个方向转矩，其方向上相互垂直，在时域仿真的进程中相互作用产生的合转矩的作用下，实现空间三自由度的螺旋轨迹和闪电轨迹。

进一步的，所述步骤(1)中，还包括其他类型电动模块，即自转型模块；所述自转型模块包括自转定子部分和自转转子部分，所述自转转子部分位于自转定子的外围；所述自转定子部分包括上述偏转型模块；添加一个贴合对外输出轴与十字连杆的旋转铰链，其余自转转子部件均以固定副相连自转铰链的驱动部件；

另外还包括电机的整体模块，电机的整体模型除了自转型模块和偏转型模块的结合外，另有传动装置、和与电机外壳相连的十字连杆及对外输出轴；

在所述步骤(2)中，依据偏转型模块和自转型模块的电动机理，给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，包括添加各个部件的质量属性和转动惯量，设定各部件位姿之间的约束关系以及匹配相应的运动副，控制电机自转运动的添加旋转副，控制电机偏转运动的添加万向节副，控制电机三自由度的运动的添加球副；并施加外部载荷；编辑部件的初始状态，在指定旋转序列下完成电机对外输出轴运动的组装计算；

在所述步骤(4)中，最后设置作为输入/输出的接口模块，建立联合仿真下的控制系统方案。

优选的，所述联合仿真下的控制系统方案，以施加的外部载荷作为数据输入，以电机的运动特性作为数据输出，定义6个状态变量，其中3个为旋转力矩，与之关联输入变量，3个为电机的轴向角速度，与之关联输出变量；其中，令虚拟样机输出的运动特性同时作为控制系统的输入输出变量，确定滑模控制系统的控制方案，以跟踪电机的三自由度运动轨迹；建立电机整体运动控制一体化的联合仿真平台；优选的，所述的基于联合仿真平台下的滑模控制系统的控制器函数为S-Function。

所述一种类型运动模块和其他类型电动模块的合成，也可为其他电动模块形式的运动合成。例如，包括由2个或3个自转型模块的运动合成，即在第一个自转型模块的基础上，转子部分上再设有第2个自转型模块，第2个自转型模块的基础上，转子部分上再设有第3个自转型模块。或者在2个自转型模块的再加一个偏转型模块，又或者设置由2个或3个偏转型模块的运动合成，等等。

优选的，上述自转型模块包括自转定子线圈、自转永磁体、自转定子铁芯与自转定子轭以及电机外壳；偏转电机包括偏转定子线圈、偏转永磁体、偏转定子铁芯和偏转定子轭、偏转转子轭和偏转定子支架以及盘式基座。整体模型除了自转型模块和偏转型模块的结合外，另有传动装置和与外壳相连的十字连杆及对外输出轴；

在所述步骤(3)中，多自由度电机输出轴内、外转子分别基于偏转与自转自由度的约束关系下，实现多自由度电机的倾斜操作和旋转运行；基于协同控制三自由度的约束关系下，实现多自由度电机的空间三自由度运动。；

在电机自转的虚拟样机模型中，于输出轴始端处添加切合对外输出轴的旋转铰链，其余部件均以固定副相连自转铰链的驱动部件；

在电机偏转的虚拟样机模型中，于内置式的十字联轴器与穿孔轴套处添加配合两个联动输出接头的万向节铰链，其余部件均以固定副相连偏转铰链的驱动部件；

在二者协同控制下的电机整体模型中，于内置式的球面轴承与穿孔轴套处添加球铰副。在其相互作用的铰点上进行装配计算，使相关的两个零件有确定的运动约束方程，冗余的作用点与必需的作用点重合，以确保电机对外输出轴在驱动自转、偏转运动时的回转精度。

优选的，将具备几何关系的三类模型分别导入多体动力学仿真Adams软件中，在相应模型中分别添加各个部件的质量属性和转动惯量，设定各部件位姿之间的约束关系以及匹配相应的运动副铰链，控制电机自转运动的添加旋转铰链，控制电机偏转运动的添加万向节铰链，控制电机三自由度的运动的添加球铰链；

基于自转运动的旋转铰链中，添加旋转驱动，设置以加速度为自变量，进行运动学仿真，实现旋转电机的启动、匀速、制动的三个过程；

基于偏转运动的万向节铰链中，添加万向节驱动，设置以位移为自变量，进行运动学仿真，实现偏转电机的两类操作，一是沿轴线的正反向倾斜20°运动，二是多方位旋转一周倾斜20°的运动，相间夹角为5°；

基于三自由度运动的球铰链中，约束三个滑移自由度，施加三个铅直坐标面的轴向转矩，进行动力学仿真，实现电机的两种三自由度运动：一是自上而下、半径逐渐增大的螺旋式运动，二是围绕z轴向左右两侧的摇摆运动和偏离z轴的倾斜运动，其合成为往复三次的闪电型运动；

所述的基于虚拟样机自转模块独立运行的驱动，其特征在于：设定外围环式转子的驱动加速度函数，加速阶段与减速阶段分别为二次函数凸弧上升与凹弧下降，对应的速度曲线为三次函数的抛物线式增减；

所述的基于虚拟样机偏转模块独立运行的驱动，其特征在于：设定内置球状转子的驱动位移函数，利用累加型的Step函数实现每次倾斜到点和返回原点的平滑过渡，位移量的改变有一定的时间停滞，使得沿轴线偏移和多方位倾斜的二自由度运动得以平稳运行；

所述的基于虚拟样机三自由度电机的协同控制动力学分析，设定三个沿x、y、z轴的旋转力矩函数，内、外转子部分均以固定铰链联动球面轴承。规划电机的螺旋式运动，合转矩下的速度曲线同样分为启动、匀速、制动的三个阶段，其加、减速曲线近似为斜坡上升与斜坡下降；规划电机的闪电型运动，合转矩下的角速度曲线为幅值缓慢增加的正弦趋势，在仿真结束时减小为零。实现电机在两类驱动下的协同控制的空间三自由度运动。

优选的，所述的三维机械设计软件为Solidworks。

优选的，所述的多体动力学仿真软件为ADAMS。

本发明的积极效果是：主要是解决现有技术中存在的多自由度运动的运转轨迹复杂、难以精准定位、控制系统难以控制、研发时间太长、设计效率低的问题，提供了多自由度电机运动特性的模拟控制方法，能实现三自由度运动点到点的精准定位，能克服控制系统的输入冲击、外部扰动、参数摄动等不利因素，具有控制精度高、研发时间短、设计质量好、效率高的特点。

本发明采用虚拟样机的辅助技术替代物理样机的实际测试，进而模拟电机几近真实的运转状况，在极大程度上减少了产品的开发周期、提高产品的制造精度。本发明混合驱动式永磁多自由度电机由于其结构设计和控制方式的特殊性，可在两类驱动形式下独立运行，实现高速平稳的单自由度自转运动和连续精准的二自由度倾斜操作，也可在二者的协同控制下，完成空间内三自由度定形定位的运转轨迹。

与现有技术相比，本发明多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，是一种协同联合仿真的智能控制方案，带来的益处有：

1)基于专业机械设计软件Solidworks逐步设计绘制出自转电机、偏转电机和三自由度电机的实体模型，在建模初步完成后进行特征编辑、装配设计、总体布置，模型更为形象具体。将电机模型的结构参数化后扫描，具有较高的修正效率，便于协调和优化电机的某一参量。

2)基于混合驱动式电机结构设计与运动模式的特殊性，规划了其中自转电机与偏转电机的运动铰链，依次施加了轴承摩擦、外部载荷、运动驱动等因素，使电机能够在各自铰链约束下独立运行和在相互配合下协同控制，进一步论证了电机多自由度运动模式精准性与可靠性。

3)设计了两种基于二自由度运动下的驱动形式，提出了两种基于三自由度运动的下转矩控制。为虚拟样机技术应用于多自由度的运动学与动力学分析提供了诸多思路，印证了实现电机多自由度结构设计的合理性。

4)面对可能存在的输入扰动、轴承摩擦、参数摄动的不定性系统因素，选取拥有不变性、可靠性高、鲁棒性好的滑模变结构控制算法，与球形电机的动力学数学模型相结合后，建立机控一体的联合控制流程，可有效减少基于联合控制平台下机械系统的动静态性能的不利影响。对多自由度电机控制形式的改进和创新有一定的借鉴意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明混合驱动式三自由度电机独立运行与协同控制下与滑模控制系统联合仿真的结构框图。

图2为本发明混合驱动式三自由度电机的整体虚拟样机模型。

图3为本发明针对独立驱动时自转电机的虚拟样机模型及旋转铰链。

图4为驱动加速度变量，完成自转电机启动、匀速、制动过程的角速度/时间曲线。

图5为本发明针对独立驱动时偏转电机的虚拟样机模型及万向节铰链。

图6为电机整体模型内置式轴承中的添加的三个方向转矩及球铰链。

图7为基于两自由度运动学中偏转电机沿轴线正反向倾斜的偏转轨迹。

图8是基于图7对x、y的分量位移监测。

图9为驱动位移变量，完成偏转运动中沿轴线偏移的角速度/时间曲线。

图10为基于两自由度运动学中偏转电机多方位倾斜操作的弧面轨迹。

图11是基于图10对x、y的分量位移监测。

图12为驱动位移变量，完成偏转运动中多方位角倾斜的角速度/时间曲线。

图13是为规划闪电型三自由度运动轨迹，所施加外部载荷(三个轴向的转矩)。

图14为基于三自由度动力学中电机整体的闪电型运动轨迹。

图15是基于图14对x、y、z轴的夹角监测。

图16是为规划螺旋式三自由度运动轨迹，所施加外部载荷(三个轴向的转矩)。

图17为基于三自由度动力学中电机整体的螺旋式运动轨迹。

图18是基于图17对x、y、z轴的夹角监测。

图19为联合仿真下多体动力学被控对象的设计。

图20为联合仿真下输入/输出接口的设计。

图21为基于滑模控制方案下控制系统的结构框图。

图22为名称为现有技术一种混合驱动式三自由度运动电动机的结构示意图(有关详细技术内容同专利公开号CN108462346A)。

图23为图22中的关节轴承立体结构示意图。

图24为电机偏转模块的结构示意图。

图25为电机自转模块的结构示意图。

图26为电机传动装置的结构示意图。

图27为电机的十字连杆与对外输出轴结构示意图。

图中各标号含义：

1—定子，2—自转转子，3—偏转定子，4—偏转转子，7—偏转模块转子磁轭，9—永磁体(Halbach阵列)，11—定子分布式绕组，14—输出轴，15—轴承，16—关节轴承，18—电动机端盖，19—顶部凹槽，20—输出轴活动孔，21—电动机基座，22—转子磁轭支架，24 —关节轴承固定基座，25—关节轴承外圈，26—关节轴承内圈，27—关节轴承固定杆(即轴承固定座)；

30-偏转定子铁芯、31-偏转定子线圈、32-偏转转子轭、33-偏转定子支架、34-偏转定子轭、35-盘式基座、36-偏转永磁体、37-自转定子铁芯、38-电机外壳、39-自转定子轭、40-自转定子线圈、41-自转永磁体、42-联动输出接头、43-穿孔轴套、44-十字联轴器、45-轴承支架、46-球面轴承、47-固定基座、48-固定接头、49-转子磁轭支架或称十字连杆、50-对外输出轴。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1-图21与图24-图27。现对本发明进行说明，作为本发明提供的一种具体实施方式。本发明一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、把多自由度电机带输出轴的内转子与连接外壳的外转子的运动结构看作是由一种类型电动模块或一种类型运动模块和其他类型电动模块的合成，依据类型电动模块的驱动机理和轨迹规划，利用三维机械设计软件构建并绘制虚拟样机模型，即一种类型电动模块的几何实体模型、其他类型电动模块的几何实体模型及整体模块的几何实体模型；

(2)、将构建完毕的几何实体模型导入多体运动与动力学仿真软件中，并依据类型电动模块的运动机理，给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，设置与之相匹配的运动铰链，并施加外部载荷；基于电机的多自由度运动理念，分别使用运动副中的驱动形式和外加载荷中的旋转力矩，对电机的运动学和动力学进行分析计算，编辑部件的初始状态，在指定旋转序列下完成输出轴运动计算；

(3)、利用计算得到的驱动加速度、位移量变化和力矩周期性变化结果，设定多自由度电机输出轴内、外转子分别基于偏转与自转自由度的约束关系下，实现多自由度电机的倾斜操作和旋转运行；基于协同控制三自由度的约束关系下，实现多自由度电机的空间三自由度运动。并在后处理模块和动态画回放内观测电机的动态性能和运行轨迹，实现虚拟样机技术中的交互式时域仿真；

(4)、最后设置作为输入/输出的接口模块，进行基于多自由度电机的运动与动力学仿真与控制系统联合平台的搭建，由多体运动与动力学仿真软件作为输出系统方程的数据，再由其他控制程序读取，建立仿真下的控制系统方案，以电机的三自由度运动轨迹跟踪作为控制目标，实现电机在内、外转子协同配合下的滑动模态控制。

本发明解决了现有技术中存在的多自由度运动的运转轨迹复杂、难以精准定位、控制系统难以控制、研发时间太长、设计效率低的问题，提供了多自由度电机运动特性的模拟控制方法，能实现三自由度运动点到点的精准定位，能克服控制系统的输入冲击、外部扰动、参数摄动等不利因素，具有控制精度高、研发时间短、设计质量好质量、效率高的特点。

作为本发明提供的一种具体实施方式。进一步的，所述的一种类型电动模块为偏转型模块，并依据偏转型模块的驱动机理，利用三维机械设计软件构建并绘制该偏转型模块的几何实体模型。

作为本发明提供的一种具体实施方式。优选的，所述的偏转型模块的几何实体模型包括偏转转子部分和位于偏转转子部分内部的偏转定子部分；所述偏转转子部分通过十字联轴器和两个联动接头42与对外输出轴50相连，偏转转子部分包括偏转永磁体36和位于偏转永磁体36外围的偏转转子轭32；所述偏转定子部分通过固定基座47与地面固定，偏转定子部分包括偏转定子线圈31和铁芯30、偏转定子轭34与偏转定子支架33和盘式基座35；在十字联轴器44处添加配合两个联动输出接头42的万向节铰链，其余部件均以固定副相连偏转铰链的驱动部件。

所述的偏转转子部分包括偏转永磁体36和位于偏转永磁体36外围的偏转转子轭32；所述的偏转定子部分包括偏转定子铁芯30、偏转定子线圈31与偏转定子轭34及定子支架33；偏转定子铁芯30的一侧为凹面，另一侧引出三个接头，偏转定子线圈31缠绕于定子铁芯30 的上下两个接头；与偏转定子铁芯30相对的内侧为偏转定子轭34，且由偏转定子铁芯30 的中间接头与之固定相连；偏转定子支架33的一端与偏转定子轭34相连，另一端与盘式基座47固定，起连接定子部分与支撑电机的作用；添加两个配合联动输出接头42的万向节铰链，其余偏转转子部件均以固定副相连偏转铰链的驱动部件。

作为本发明提供的一种具体实施方式。进一步的，所述的单自由度旋转铰链中绕z轴方向上驱动加速度，以嵌套式IF函数将自转运动分为启动、匀速、制动的三个阶段。所述的二自由度万向节铰链中的绕x轴、y轴方向上驱动位移量，以累加型的STEP函数完成沿轴线和多方位的两类偏转操作；所述的三自由度球铰链绕x轴、y轴、z轴的作用点上施加三个方向转矩，其方向上相互垂直，在时域仿真的进程中相互作用产生的合转矩的作用下，实现空间三自由度的螺旋轨迹和闪电轨迹。

作为本发明提供的一种具体实施方式。所述步骤(1)中，还包括其他类型电动模块，即自转型模块。所述自转型模块包括自转定子部分和自转转子部分，所述自转转子部分位于自转定子部分的外围；所述自转定子部分包括上述偏转型模块；添加一个贴合对外输出轴50 与十字连杆49的旋转铰链，其余自转转子部件均以固定副相连自转铰链的驱动部件；

所述自转型模块包括自转转子部分和自转定子部分，所述自转转子部分包括自转永磁体 41和位于自转永磁体41外围的电机外壳38；所述定子部分包括自转定子铁芯37与缠绕于自转定子铁芯37凸出处的自转定子线圈40。添加一个贴合对外输出轴50与十字连杆49的旋转铰链，其余自转转子部件均以固定副相连自转铰链的驱动部件。

另外还包括电机的整体模块，电机的整体模型除了自转型模块和偏转型模块的结合外，另有传动装置、和与电机外壳38相连的十字连杆49及对外输出轴50；

在所述步骤(2)中，依据偏转型模块和自转型模块的电动机理，给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，包括添加各个部件的质量属性和转动惯量，设定各部件位姿之间的约束关系以及匹配相应的运动副铰链，控制电机自转运动的添加旋转铰链，控制电机偏转运动的添加万向节铰链，控制电机三自由度的运动的添加球铰链；并施加外部载荷；编辑部件的初始状态，在指定旋转序列下完成电机对外输出轴运动的组装计算；

在所述步骤(4)中，最后设置作为输入/输出的接口模块，建立联合仿真下的控制系统方案。

作为本发明提供的一种具体实施方式。优选的，所述的联合仿真下的控制系统方案，以施加的外部载荷作为数据输入，以电机的运动特性作为数据输出，定义6个状态变量，其中 3个为旋转力矩，与之关联输入变量，3个为电机的轴向角速度，与之关联输出变量；其中，令虚拟样机输出的运动特性同时作为控制系统的输入输出变量，确定滑模控制系统的控制方案，以跟踪电机的三自由度运动轨迹；建立电机整体运动控制一体化的联合仿真平台。

优选的，所述的基于联合仿真平台下的滑模控制系统的控制器函数为S-Function。

作为本发明提供的一种具体实施方式。优选的，自转型模块包括自转定子线圈40、自转永磁体41、自转定子铁芯37与自转定子轭39以及电机外壳38；偏转电机包括偏转定子线圈31、偏转永磁体36、偏转定子铁芯30和偏转定子轭34、偏转转子轭32和偏转定子支架33以及盘式基座35；

电机的整体模型除了自转型模块和偏转型模块的结合外，另有传动装置和与外壳相连的十字连杆49及对外输出轴50；

在所述步骤(3)中，多自由度电机输出轴内、外转子分别基于偏转与自转自由度的约束关系下，实现多自由度电机的倾斜操作和旋转运行；基于协同控制三自由度的约束关系下，实现多自由度电机的空间三自由度运动；

在电机自转的虚拟样机模型中，于输出轴始端处添加切合对外输出轴的旋转铰链，其余部件均以固定副相连自转铰链的驱动部件；

在电机偏转的虚拟样机模型中，于内置式的十字联轴器与穿孔轴套处添加配合两个联动输出接头的万向节铰链，其余部件均以固定副相连偏转铰链的驱动部件；

在二者协同控制下的电机整体模型中，于内置式的球面轴承与穿孔轴套处添加球铰副。在其相互作用的铰点上进行装配计算，使相关的两个零件有确定的运动约束方程，冗余的作用点与必需的作用点重合，以确保电机对外输出轴在驱动自转、偏转运动时的回转精度。

作为本发明提供的一种具体实施方式。进一步的，将具备几何关系的模型导入多体动力学仿真Adams软件中，添加各个部件的质量属性和转动惯量，设定各部件位姿之间的约束关系以及匹配相应的运动副铰链，控制电机自转运动的添加旋转铰链，控制电机偏转运动的添加万向节铰链，控制电机三自由度的运动的添加球铰链；

基于自转运动的旋转铰链中，添加旋转驱动，设置以加速度为自变量，进行运动学仿真，实现旋转电机的启动、匀速、制动的三个过程；

基于偏转运动的万向节铰链中，添加万向节驱动，设置以位移为自变量，进行运动学仿真，实现偏转电机的两类操作，一是沿轴线的正反向倾斜20°运动，二是多方位旋转一周倾斜20°的运动，相间夹角为5°；

基于三自由度运动的球铰链中，约束三个滑移自由度，施加三个铅直坐标面的轴向转矩，进行动力学仿真，实现电机的两种三自由度运动：一是自上而下、半径逐渐增大的螺旋式运动，二是围绕z轴向左右两侧的摇摆运动和偏离z轴的倾斜运动，其合成为往复三次的闪电型运动；

所述的基于虚拟样机自转模块独立运行的驱动，其特征在于：设定外围环式转子的驱动加速度函数，加速阶段与减速阶段分别为二次函数凸弧上升与凹弧下降，对应的速度曲线为三次函数的抛物线式增减；

所述的基于虚拟样机偏转模块独立运行的驱动，其特征在于：设定内置球状转子的驱动位移函数，利用累加型的Step函数实现每次倾斜到点和返回原点的平滑过渡，位移量的改变有一定的时间停滞，使得沿轴线偏移和多方位倾斜的二自由度运动得以平稳运行；

所述的基于虚拟样机三自由度电机的协同控制动力学分析，设定三个沿x、y、z轴的旋转力矩函数，内、外转子部分均以固定铰链联动球面轴承。规划电机的螺旋式运动，合转矩下的速度曲线同样分为启动、匀速、制动的三个阶段，其加、减速曲线近似为斜坡上升与斜坡下降；规划电机的闪电型运动，合转矩下的角速度曲线为幅值缓慢增加的正弦趋势，在仿真结束时减小为零。实现电机在两类驱动下的协同控制的空间三自由度运动。

作为本发明提供的一种具体实施方式。进一步的，所述控制电机多自由度运动的传动装置包括两个联动接头42、两个固定接头48、十字联轴器44、穿孔轴套43、固定基座47、轴承支架45与球面轴承46。所述的十字联轴器44与联动接头42相连，可随电机的转子部分运动而运动；所述的联动接头42通过偏转转子轭32与对外输出轴14相连，与电机的内外转子保持联动；所述的球面轴承46起支撑十字联轴器44与联动接头42的作用，十字联轴器44和穿孔轴套43的内腔为中空球面结构，并与球面轴承留有一定间隙；所述的轴承支架 45起支撑球面轴承46的作用，并与固定基座47相连，固定不变。

电机的整体模型除了自转型模块和偏转型模块的结合外，另有传动装置、和与电机外壳 38相连的十字连杆49及对外输出轴50；

在电机自转的虚拟样机模型中，于输出轴始端处添加切合转轴的旋转铰链，其余部件均以固定副相连自转铰链的驱动部件；

在电机偏转的虚拟样机模型中，于内置式的十字联轴器与穿孔轴套处添加配合两个联动输出接头的万向节铰链，其余部件均以固定副相连偏转铰链的驱动部件；

在二者协同控制下的电机整体模型中，于内置式的球面轴承与穿孔轴套处添加球铰副。在其相互作用的铰点上进行装配计算，使相关的两个零件有确定的运动约束方程，冗余的作用点与必需的作用点重合，以确保电机对外输出轴在驱动自转、偏转运动时的回转精度。

作为本发明提供的一种具体实施方式。优选的，上述各方案中，所述的三维机械设计软件为Solidworks。

作为本发明提供的一种具体实施方式。优选的，上述各方案中，所述的多体动力学仿真软件为ADAMS。

所述一种类型运动模块和其他类型电动模块的合成，也可为其他电动模块形式的运动合成。例如，包括由2个或3个自转型模块的运动合成，即在第一个自转型模块的基础上，转子部分上再设有第2个自转型模块，第2个自转型模块的基础上，转子部分上再设有第3个自转型模块。或者在2个自转型模块的再加一个偏转型模块，又或者设置由2个或3个偏转型模块的运动合成，等等。

以下通过本发明多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法一个较佳具体实施例，说明其详细应用：

图1中所示混合驱动式三自由度电机独立运行与协同控制下与滑模控制系统联合仿真的结构框图，此类设计流程包含以下操作：第一，依据设计理念，利用三维机械设计软件Solidworks绘制出自转电机、偏转电机、电机整体的草图，并运用电机的特征与尺寸建立其详细的物理模型。第二，将构建好的且具备几何关系的电机模型导入多体动力学仿真软件 ADAMS中，添加各零件的质量属性、编辑各部件的初始状况，匹配电机在自转运动、偏转运动和三自由度运动下的约束副铰链，在静力学下进行旋转装配。第三，使用虚拟样机技术，设定电机自转运动的三段式运行，以二次函数的加速形式确定三次函数的角速度变化，利用 step函数平滑变化的特性，规划电机在运动学下两种特有的偏转运动，实现偏转电机的单一型摇摆运动与周期性往复操作；利用IF函数瞬间过渡的特性，规划电机在动力学下的两种典型工况的运动轨迹，实现电机的闪电型轨迹与螺旋式轨迹。并对其运动特性与动力学特性加以分析和说明。第四，选择具有不变性的滑模变结构控制方案，在ADAMS/View中定义状态变量，生成三个输入/输出接口，搭建在协同控制下虚拟样机技术与控制系统的联合仿真平台，通过编写S-Function实现滑模控制。

在本发明使用虚拟样机技术与控制系统流程进行协同控制前，需利用三维建模软件Solidworks建立电机的三类模型，并运用多体动力学仿真软件ADAMS进行运动约束、质量属性、旋转装配的添加。

(一)建立混合驱动式电机的几何物理模型

自转电机包括：自转永磁体41，自转定子线圈40、自转定子铁芯37、自转定子轭39、电机外壳38。其中自转永磁体41为柱状环式分布，共四块八极的相间排列一周，建立一极永磁体后，进行8次围绕z轴间隔45°的圆周阵列，并划分N、S极；自转定子轭39为圆柱型，自转定子铁芯37与自转定子线圈40均为矩形体，内侧凸出的磁轭嵌入线圈后相互配套，进行12次围绕z轴间隔30°的圆周阵列。自转电机的最外侧为电机外壳38，位于永磁体外侧，为柱状环式无间隙分布的结构。

偏转电机包括：偏转永磁体36，偏转转子轭32，偏转定子线圈31、偏转定子铁芯30、偏转定子轭34、偏转定子支架33、盘式基座35。其中偏转永磁体36为球状贴片式分布，在垂直方向分为上下两极，为互成90°的四块八级式，建立一极永磁体后，先进行2次围绕y 轴的镜像阵列，划分N、S极，再进行4次围绕z轴间隔90°的圆周阵列；永磁体嵌入空心圆柱式的偏转转子轭32；偏转定子线圈31的缠绕为圆筒型，且每一块永磁体对应两个定子线圈，定子铁芯一侧为球面，正对于永磁体内腔，另一侧为平面，并引出三个接头，其中两个对应缠绕的定子线圈，另一个对应嵌入定子轭中；四个偏转定子支架33外侧一面为贴合盘式基座35的柱形结构。

(二)建立混合驱动式电机的虚拟样机模型

将Solidworks中建立的电机模型，导出保存为Parasolid(*_x.t)格式，打开ADAMS/View 模块，在文件中点击导入，在弹出的对话框中分别设定好文件类型、读取文件和模型名称，导入具有几何关系的电机模型。

在ADAMS/View模块中设置工作环境，在单位中选择MMKS，默认电机底盘放置在地面上，取消添加的重力，在视图中显示屏幕图标、标题与坐标轴，选择750mm*750mm的工作栅格。

在ADAMS/View模块中添加质量属性、进行旋转装配计算，并匹配好与之相应的运动约束铰链，即可建立混合驱动式电机的虚拟样机模型。

在进行仿真计算前，分别于偏转电机和电机整体输出轴的末端中点处做下标记，即设定一个标记点，固定为局部坐标系。

(三)基于混合驱动式电机自转模块独立运行的运动学分析

在自转电机外转子十字连杆与输出轴始端相连的中点处设置旋转铰链，将所有外转子部分用固定副连在一起，于旋转铰链中添加以加速度为变量的驱动函数。设定仿真时间为50s，仿真步数为500，实现自转运动的加速、匀速、减速的三段式运行模式，其中加、减速时间为10s，匀速运行时间为30s，且使得匀速时段内的角速度为31.4rad/s，对应自转电机的最高转速为300r/min。设定加、减速时段内的角加速度曲线变化为二次函数的凸弧上升与凹弧下降，对应角速度曲线变化的趋势为三次函数的抛物线式递增与递减。

以IF函数的嵌套形式来完成电机自转运动启、停控制及匀速的运动模式，并在三个时段内加速度的变化始终与仿真时间相关。其绕z轴以加速度为变量的驱动函数为：

IF(time-10:3.14*(10-time),3.14*(10-time),IF(time-40:0,0,-3.14*(50-time)))

(四)基于混合驱动式电机偏转模块的运动学分析

在偏转电机内置式十字联轴器与穿孔轴套的交界处设置万向节副，将所有内转子部分用固定副连在一起，于万向节铰链中添加以位移为变量的驱动函数，在绕x轴和绕y轴驱动位移分别设定两个累加型的函数。在实现电机沿轴线的正反向偏移中，设定仿真时间为8s，仿真步数为300。前半个时段内为电机向x轴正向偏移20°后再返回静平衡点，向x轴反向偏移20°后再返回静平衡点。同理亦得，后半个时段内为电机向y轴正反向20°的偏移。在仿真回放中的第7s观测电机的偏转轨迹；在实现电机多方位旋转一周的倾斜操作中，设定仿真时间为146s，仿真步数为1000，绕x轴的位移驱动的为以20°为基准的正弦变化，绕 y轴的位移驱动的为以20°为基准的余弦变化，且每次变化为sin5°与cos5°依次递加，再将每次对应的仿真时间向下取整。即实现多次基于z轴向xoy面倾斜20°的操作、每次倾斜的夹角为5°的循环操作。在仿真回放中的第145s观测电机的偏转轨迹。电机的多方位倾斜操作可用于异形金属构件的表面抛光和球面的精加工、打磨。

以累加型STEP函数完成电机正反向偏移的驱动位移函数为：

Dir_x:STEP(time,0,0,1,20d)+STEP(time,1,0,2,-20d)+STEP(time, 2,0,3,-20d)+STEP(time,3,0,4,20d)

Dir_y:STEP(time,4,0,5,20d)+STEP(time,5,0,6,-20d)+STEP( time,6,0,7,-20d)+STEP(time,7,0,8,20d)

以累加型STEP函数驱动x、y对应间隔5°正余弦变化完成电机多方位倾斜操作，其驱动位移函数为：

Dir_x:STEP(time,0,0,AINT(time),20d*sin(AINT(time)*5))+STEP(time ,AINT(time),0,AINT(time)+1,-20d*sin(AINT(time)*5))

Dir_y:STEP(time,0,0,AINT(time),20d*cos(AINT(time)*5))+STEP(time ,AINT(time),0,AINT(time)+1,-20d*cos(AINT(time)*5))

(五)基于混合驱动式电机整体协同控制下的动力学分析

在电机整体内部球面轴承与穿孔轴套的交界处添加球铰链，并施加三个方向旋转力矩，作为驱动电机三自由运动的转矩，其余内、外转子均以固定副相连，视为一个联动体，随输出轴运动而运动，通过给定不同形式的转矩，即可使混合驱动式电机围绕其静平衡点做各式各样的三自由度运动。

为实现电机的螺旋式三自由度运动轨迹，设定仿真时间为60s，仿真步数为1500，控制绕x轴与绕y轴的转矩为等幅的正余弦变化的形式，范围为0～20s，相位差为90°，且其幅值随时间逐渐减小为0，完成电机的圆形轨迹；控制电机绕z轴的转矩为正负面积的梯形，范围为0～60s，同样随时间变化，前15s与后15s为常量的正值与负值力矩，完成电机的启停运动与空间下降，于自初始位置点形成自上而下的螺旋式轨迹。电机的螺旋式运动轨迹可实现玻璃纤维容器两头的精准布线。

以嵌套式IF函数给定三个轴向转矩，实现电机的螺旋式运动轨迹：

Tor_x＝IF(time-20:0.1*(20-time)*cos(720d*time),0.1*(20-time)*cos(720d*t ime),0)

Tor_y＝IF(time-20:0.1*(20-time)*cos(720d*time),0.1*(20-time)*cos(720d*t ime),0)

Tor_z＝IF(time-10:10*0.4,10*0.4,IF(time-20:(20-time)*0.4,(20-t ime)*0.4,IF(time-40:0,0,IF(time-50:(40-time)*0.4,(40-time)*0.4, -10*0.4))))

为实现电机的闪电型三自由度运动轨迹，设定仿真时间为24秒，仿真步数为1500，控制绕x轴与绕z轴的转矩为等幅的正余弦变化，范围为0～24s，相位差为90°，完成电机每次往复运动的弧线偏移；控制绕y轴的转矩为周期性的正弦变化，其中每8s为一个周期，每一个周期内的间隔2s进行分割，其转矩方向分别按照“+--+”的顺序循环三次，完成电机绕y轴往复三次的闪电运动轨迹。电机的闪电型运动轨迹能够实现在异性复杂机械零件加工时，走出单自由度电机不能实现、有特殊要求的复杂路径。譬如异形玻璃构件的玻璃钢丝缠绕时可有效的躲避障碍物。

以嵌套式IF函数给定三个轴向转矩，实现电机的闪电型运动轨迹：

Tor_x＝1.25*sin(pi*time)

Tor_y＝1.25*sin(pi*time)

Tor_z＝IF(time-2:25*sin(pi*time),25*sin(pi*time),

IF(time-4:-25*sin(pi*time),-25*sin(pi*time),

IF(time-6:-25*sin(pi*time),-25*sin(pi*time),

IF(time-8:25*sin(pi*time),25*sin(pi*time),

IF(time-10:25*sin(pi*time),-25*sin(pi*time),

IF(time-12:-25*sin(pi*time),-25*sin(pi*time),

IF(time-14:-25*sin(pi*time),-25*sin(pi*time),

IF(time-16:25*sin(pi*time),25*sin(pi*time),

IF(time-18:25*sin(pi*time),25*sin(pi*time),

IF(time-20:-25*sin(pi*time),-25*sin(pi*time),

IF(time-22:-25*sin(pi*time),-25*sin(pi*time),25*sin(pi*time))))))))))))

通过调试电机转动惯量、驱动转矩的大小与质心点位置，控制电机做螺旋式运动的三个轴向夹角限制为15°

通过调试电机转动惯量、驱动转矩的大小与质心点位置，控制电机做闪电型运动的与x、 y轴向夹角限制为20°，与z轴的轴向夹角限制为25°。

(六)基于滑模控制方案与混合驱动式电机下联合仿真平台的搭建

启动ADAMS/View，打开导入的电机整体模型，创建6个状态变量，点击建模工具条中的控制按钮，选择以机械系统导出，弹出控制系统的对话框，设置三个轴向转矩为输入变量，三个角速度为输出变量，选取ADAMS的求解器为c++，实现作为控制系统的输出，此时在ADAMS 工作路径下生成了五个文件。

启动MATLAB，将其指向与ADAMS所在的同一路径下，在命令窗口中>>提示符下，输入 adams_sys命令后，弹出MATLAB/Simulink的窗口，其中包含非线性动力学计算的模型以及被控对象。

将被控对象拖拽到一个新建的MATLAB/Simulink的窗口，将先前设计的力矩函数作为三个随时间变化的输入信号，三个输出则相连示波器与工作空间模块。

将输出至工作空间模块的角速度作图后，作为控制系统的输入，以S-Function函数作为控制器设计，同时与被控对象的输出作为跟踪对比。

综合控制系统存在的输入扰动、轴承摩擦、参数摄动的不定性因素，选取滑膜控制方案实现混合驱动式电机的联合仿真，它与常规控制系统的根本区别在于不连续的控制，在到达滑模面时会存在一种类似“开关”的特性，致使控制系统有小幅度、高频率的抖动和振荡产生，被称为“抖振”，这种“抖振”现象是不可避免的，且在具有强耦合和非线性的混合驱动式电机中会更为突出。为了减弱“抖振”现象，选取具有光滑、连续性质的双曲正切函数h(s)替代符号函数sgn(s)。

以下为附图22、23为现有技术的一个较佳实施例的结构说明(同公开号CN108462346A)：

一种混合驱动式三自由度运动电动机，主要包括外部自转模块和内部偏转模块，所述外部自转模块包括定子1和自转转子2，所述定子1位于自转转子2的外围；所述自转转子2 包括偏转转子4和位于偏转转子4外围的偏转定子3；所述偏转转子4与输出轴14相连；偏转定子3和偏转转子4构成内部偏转模块；通过自转和偏转的协同控制，实现输出轴14的三自由度运动。所述定子1与自转转子2的旋转结合处呈圆柱面形，其间有气隙，自转转子 2通过轴承15和轴承固定座支承。所述轴承15为通过定子顶端的环状滚珠轴承。所述定子 1包括定子轭、定子槽和定子分布式绕组11；所述自转转子2的周围的外圆柱面上设置有与所述定子分布式绕组11适配的自转转子永磁体，采用Halbach阵列排布模式，至少为四极结构，每极永磁体分为3～6块，在外圆柱面圆周方向采用径向式与平行式磁极交替排列的方式。所述偏转转子4和偏转定子3旋转结合处呈球面形，其间有气隙；所述偏转转子4采用单侧输出轴式结构，所述偏转转子4的一侧与输出轴14连接，另一侧通过关节轴承16与偏转定子3连接。所述偏转转子4包括凸球面状偏转模块转子磁轭7以及设置在凸球面上的永磁体9，所述永磁体9呈Halbach阵列排列，每列永磁体磁极数至少为两极结构，径向式与平行式磁极交替排列；所述偏转定子3包括自转转子磁轭5，所述自转转子磁轭5内部设有和顶部凹槽19相连的凹球面，凹球面上设有与所述永磁体9适配的绕组磁轭10及其绕组12。所述自转转子磁轭5采用磁钢片叠压而成，外部为圆柱体，内腔为凹球面。所述偏转转子4 包括转子磁轭支架22，支承并固定偏转模块转子磁轭7，偏转模块转子磁轭7凸球面上沿圆柱面的轴线方向均布有四列转子永磁体9，每极永磁体分为2～5块；所述偏转模块转子磁轭 7和输出轴14均与所述转子磁轭支架22固定连接；所述偏转定子3的凹球面上沿圆柱面的轴线方向均布有与所述四列转子永磁体9适配的四列绕组磁轭及其绕组。所述磁轭支架22 上装有内部偏转模块转子位置检测系统。绕组和定子分布式绕组11的匝数与绕组类别可调；定子分布式绕组11为双层分布式绕组，漆包线绕制，无绝缘层；自转转子永磁体与转子永磁体9永磁体块数可调；轴承选用关节轴承。

上述所有实施例均是示例性的，不能理解为对本发明的限制。

以上未述部分本领域技术人员均能实施。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、把多自由度电机带输出轴的内转子与连接外壳的外转子的运动结构看作是由一种类型电动模块或一种类型运动模块和其他类型电动模块的合成，依据类型电动模块的驱动机理和轨迹规划，利用三维机械设计软件构建并绘制虚拟样机模型，即一种类型电动模块的几何实体模型、其他类型电动模块的几何实体模型及整体模块的几何实体模型；

(2)、将构建完毕的几何实体模型导入多体运动与动力学仿真软件中，并依据类型电动模块的运动机理，给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，设置与之相匹配的运动铰链，并施加外部载荷；基于电机的多自由度运动理念，分别使用运动副中的驱动形式和外加载荷中的旋转力矩，对电机的运动学和动力学进行分析计算，编辑部件的初始状态，在指定旋转序列下完成输出轴运动计算；

(3)、利用计算得到的驱动加速度、位移量变化和力矩周期性变化结果，设定多自由度电机输出轴内、外转子分别基于偏转与自转自由度的约束关系下，实现多自由度电机的倾斜操作和旋转运行；基于协同控制三自由度的约束关系下，实现多自由度电机的空间三自由度运动；并在后处理模块和动态画回放内观测电机的动态性能和运行轨迹，实现虚拟样机技术中的交互式时域仿真；

(4)、最后设置作为输入/输出的接口模块，进行基于多自由度电机的运动与动力学仿真与控制系统联合平台的搭建，由多体运动与动力学仿真软件作为输出系统方程的数据，再由其他控制程序读取，建立仿真下的控制系统方案，以电机的三自由度运动轨迹跟踪作为控制目标，实现电机在内、外转子协同配合下的滑动模态控制。

2.如权利要求1所述的一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于：所述的一种类型电动模块为偏转型模块，并依据偏转型模块的驱动机理，利用三维机械设计软件构建并绘制该偏转型模块的几何实体模型。

3.如权利要求2所述的一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于：所述的偏转型模块的几何实体模型包括偏转转子部分和位于偏转转子部分内部的偏转定子部分；所述的偏转转子部分通过十字联轴器和两个联动接头(42)与对外输出轴(50)相连；偏转转子部分包括偏转永磁体(36)和位于偏转永磁体(36)外围的偏转转子轭(32)；所述偏转定子部分通过固定基座(47)与地面固定；偏转定子部分包括定子线圈(31)和铁芯(30)、定子轭(34)与定子支架(33)和盘式基座(35)；在十字联轴器(44)处添加配合两个联动输出接头(42)的万向节铰链，其余部件均以固定副相连偏转铰链的驱动部件。

4.如权利要求3所述的一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于：所述的单自由度旋转铰链中绕z轴方向上驱动加速度，以嵌套式的IF函数将自转运动分为启动、匀速、制动的三个阶段；所述的二自由度万向节铰链中绕x轴、y轴方向上驱动位移量，以累加型的STEP函数完成沿轴线和多方位的两类偏转操作；所述的三自由度球铰链绕x轴、y轴、z轴的作用点上施加三个方向转矩，其方向上相互垂直，在时域仿真的进程中相互作用产生的合转矩的作用下，实现空间三自由度的螺旋轨迹和闪电轨迹。

5.如权利要求1、2、3或4所述的一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，还包括其他类型电动模块，即自转型模块；所述自转型模块包括自转定子部分和自转转子部分，所述自转转子部分位于自转定子部分的外围；所述自转定子部分包括上述偏转型模块；添加一个贴合对外输出轴(49)与十字连杆(48)的旋转铰链，其余自转转子部件均以固定副相连自转铰链的驱动部件；

另外还包括电机的整体模块，电机的整体模型除了自转型模块和偏转型模块的结合外，另有传动装置、和与电机外壳(38)相连的十字连杆(48)及对外输出轴(49)；

在所述步骤(2)中，依据偏转型模块和自转型模块的电动机理，给出各部件位姿之间的运动约束关系及物理特性，包括添加各个部件的质量属性和转动惯量，设定各部件位姿之间的约束关系以及匹配相应的运动副铰链，控制电机自转运动的添加旋转铰链，控制电机偏转运动的添加万向节铰链，控制电机三自由度的运动的添加球铰链；并施加外部载荷；编辑部件的初始状态，在指定旋转序列下完成电机对外输出轴运动的组装计算；

在所述步骤(4)中，最后设置作为输入/输出的接口模块，建立联合仿真下的控制系统方案。

6.如权利要求5所述的一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于：所述联合仿真下的控制系统方案，以施加的外部载荷作为数据输入，以电机的运动特性作为数据输出，定义6个状态变量，其中3个为旋转力矩，与之关联输入变量，3个为电机的轴向角速度，与之关联输出变量；其中，令虚拟样机输出的运动特性同时作为控制系统的输入输出变量，确定滑模控制系统的控制方案，以跟踪电机的三自由度运动轨迹；建立电机整体运动控制一体化的联合仿真平台；所述的基于联合仿真平台下的滑模控制系统的控制器函数为S-Function。

7.如权利要求5所述的一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于：自转型模块包括自转定子线圈(40)、自转永磁体(41)、自转定子铁芯(37)与自转定子轭(39)以及电机外壳(38)；偏转型模块包括偏转定子线圈(31)、偏转永磁体(36)、偏转定子铁芯(30)和偏转定子轭(34)、偏转转子轭(32)和偏转定子支架(33)以及盘式基座(35)；整体模型除了自转型模块和偏转型模块的结合外，另有传动装置和与外壳相连的十字连杆(49)及对外输出轴(50)；

在所述步骤(3)中，多自由度电机输出轴内、外转子分别基于偏转与自转自由度的约束关系下，实现多自由度电机的倾斜操作和旋转运行；基于协同控制三自由度的约束关系下，实现多自由度电机的空间三自由度运动。

在电机自转的虚拟样机模型中，于输出轴始端处添加切合对外输出轴的旋转铰链，其余部件均以固定副相连自转铰链的驱动部件；

在电机偏转的虚拟样机模型中，于内置式的十字联轴器与穿孔轴套处添加配合两个联动输出接头的万向节铰链，其余部件均以固定副相连偏转铰链的驱动部件；

在二者协同控制下的电机整体模型中，于内置式的球面轴承与穿孔轴套处添加球铰链。在其相互作用的铰点上进行装配计算，使相关的两个零件有确定的运动约束方程，冗余的作用点与必需的作用点重合，以确保电机对外输出轴在驱动自转、偏转运动时的回转精度。

8.如权利要求5所述的一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于：将具备几何关系的三类模型分别导入多体动力学仿真Adams软件中，在相应模型中分别添加各个部件的质量属性和转动惯量，设定各部件位姿之间的约束关系以及匹配相应的运动副铰链，控制电机自转运动的添加旋转铰链，控制电机偏转运动的添加万向节铰链，控制电机三自由度的运动的添加球铰链；

基于自转运动的旋转铰链中，添加旋转驱动，设置以加速度为自变量，进行运动学仿真，实现旋转电机的启动、匀速、制动的三个过程；

基于偏转运动的万向节铰链中，添加万向节驱动，设置以位移为自变量，进行运动学仿真，实现偏转电机的两类操作，一是沿轴线的正反向倾斜20°运动，二是多方位旋转一周倾斜20°的运动，相间夹角为5°；

基于三自由度运动的球铰链中，约束三个滑移自由度，施加三个铅直坐标面的轴向转矩，进行动力学仿真，实现电机的两种三自由度运动：一是自上而下、半径逐渐增大的螺旋式运动，二是围绕z轴向左右两侧的摇摆运动和偏离z轴的倾斜运动，其合成为往复三次的闪电型运动；

所述的基于虚拟样机自转模块独立运行的驱动，其特征在于：设定外围环式转子的驱动加速度函数，加速阶段与减速阶段分别为二次函数凸弧上升与凹弧下降，对应的速度曲线为三次函数的抛物线式增减；

所述的基于虚拟样机偏转模块独立运行的驱动，其特征在于：设定内置球状转子的驱动位移函数，利用累加型的Step函数实现每次倾斜到点和返回原点的平滑过渡，位移量的改变有一定的时间停滞，使得沿轴线偏移和多方位倾斜的二自由度运动得以平稳运行；

所述的基于虚拟样机三自由度电机的协同控制动力学分析，设定三个沿x、y、z轴的旋转力矩函数，内、外转子部分均以固定铰链联动球面轴承。规划电机的螺旋式运动，合转矩下的速度曲线同样分为启动、匀速、制动的三个阶段，其加、减速曲线近似为斜坡上升与斜坡下降；规划电机的闪电型运动，合转矩下的角速度曲线为幅值缓慢增加的正弦趋势，在仿真结束时减小为零。实现电机在两类驱动下的协同控制的空间三自由度运动。

9.如权利要求1、2、3或4所述的一种多自由度电机运动特性仿真模拟控制方法，其特征在于：所述的三维机械设计软件为Solidworks；所述的多体动力学仿真软件为ADAMS。