CN112701987B - 多自由度球形感应电机的驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度球形感应电机的驱动控制方法，所述球形感应电机包括球形转子以及围绕所述球形转子周向均匀分布的若干定子；包括如下步骤：S1.将转子偏转角所在的平面划分为若干工作区；其中，所述平面为转子的转动工作平面；S2.设定目标偏转角，并确定所述目标偏转角所在的工作区；S3.根据目标偏转角所在的工作区，调整各定子的工作参数，使得所述转子的输出转矩与输出转速分别达到设定的目标转矩与目标转速。本发明的一种多自由度球形感应电机的驱动控制方法，能够实现转子在2个自由度上的驱动控制，控制简单、精度高、可靠性强。

Description

多自由度球形感应电机的驱动控制方法

技术领域

本发明涉及感应电机领域，具体涉及一种多自由度球形感应电机的驱动控制方法。

背景技术

随着空间技术、机器人技术以及自动化技术的迅速发展，为克服传统多自由度驱动系统结构复杂、动态性能差、不易于控制等缺陷，多自由度电机的研究成为了研究热点。根据工作原理和结构特征的不同，多自由度电机可分为多自由度平面电机、多自由度旋转直线电机和多自由度球形电机。其中，球形结构电机由于其运动形式的特殊性，十分有利于多维运动，同时可省去中间机构，简化装置结构，降低控制难度。

球形结构电机作为实现多自由度运动的重要执行器，其具有广泛的发展前景。多自由度球形感应电机作为球形结构电机的一种，可作为轮毂电机应用于车辆驱动，能够为未来车辆的全方位转向的实现提供一种参考方案。

而在电机驱动领域，不同类型电机对应的驱动控制方法存在差异。针对多自由度球形感应电机的驱动控制方法通常需充分考虑其结构特征和工作原理的特殊性，以避免驱动控制不够准确，可靠性差等问题；而现有的多自由度驱动控制设计比较复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供多自由度球形感应电机的驱动控制方法，能够实现转子在2个自由度上的驱动控制，控制简单、精度高、可靠性强。

本发明的多自由度球形感应电机的驱动控制方法，所述球形感应电机包括球形转子以及围绕所述球形转子周向均匀分布的若干定子；包括如下步骤：

S1.将转子偏转角所在的平面划分为若干工作区；其中，所述平面为转子的转动工作平面；

S2.设定目标偏转角，并确定所述目标偏转角所在的工作区；

S3.根据目标偏转角所在的工作区，调整各定子的工作参数，使得所述转子的输出转矩与输出转速分别达到设定的目标转矩与目标转速；所述工作参数包括定子作用于转子的输出转矩以及输出转速。

进一步，根据如下步骤确定转子的偏转角：

S11.以转子的转动工作平面作为直角坐标平面XOY，并以转子的球心为坐标原点建立三维直角坐标系；

S12.确定出各定子同时作用于转子球面时的合力作用点，并将坐标原点与合力作用点之间的连线投影到直角坐标平面XOY上，将连线的投影与直角坐标平面XOY的X轴所形成的夹角作为转子的偏转角。

进一步，所述定子为3个，并选取一个定子作为第一定子，以第一定子为参照，沿转子转动工作平面的逆时针方向，依次将剩余的定子作为第二定子以及第三定子。

进一步，将转子偏转角所在的平面划分为第Ⅰ工作区、第Ⅱ工作区、第Ⅲ工作区以及第Ⅳ工作区；所述转子的偏转角为：-180°～180°；所述第Ⅰ工作区对应的转子偏转角为：0～120°；所述第Ⅱ工作区对应的转子偏转角为：120°～180°；所述第Ⅲ工作区对应的转子偏转角为：-180°～-120°；所述第Ⅳ工作区对应的转子偏转角为：-120°～0。

进一步，步骤S3中，若目标偏转角所在的工作区为第Ⅰ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅱ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅲ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅳ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

其中，T_1ref为第一定子作用于转子的输出转矩；T_2ref为第二定子作用于转子的输出转矩；T_3ref为第三定子作用于转子的输出转矩；γ_ref为目标偏转角；T_ref为目标转矩。

进一步，步骤S3中，若目标偏转角所在的工作区为第Ⅰ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅱ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅲ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅳ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

其中，n_1ref为第一定子作用于转子的输出转速；n_2ref为第二定子作用于转子的输出转速；n_3ref为第三定子作用于转子的输出转速；γ_ref为目标偏转角；n_ref为目标转速。

进一步，步骤S3中，采用直接转矩控制的方式，调整各定子的工作参数，使得所述转子的输出转矩与输出转速分别达到设定的目标转矩与目标转速。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种多自由度球形感应电机的驱动控制方法，通过准确有效地控制若干定子的输出转矩与转速，进而驱动转子在2个旋转自由度上转动，具有良好的动态特性和跟随性能；并采用直接转矩控制的方式驱动电机，相较于矢量控制，具有结构简单、响应快速以及对电机参数依赖程度小的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的电机立体结构示意图；

图3为本发明的转子偏转角工作区间示意图；

图4为本发明的驱动控制系统原理示意图；

图5为本发明的电机在直线运行工况下的响应示意图；

图6为本发明的电机在侧向运行工况下的响应示意图；

图7为本发明的电机在全向运行驶工况下的响应示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：

本发明的多自由度球形感应电机的驱动控制方法，所述球形感应电机包括球形转子以及围绕所述球形转子周向均匀分布的若干定子；所述若干定子均为弧面结构；包括如下步骤：

S1.将转子偏转角所在的平面划分为若干工作区；其中，所述平面为转子的转动工作平面；

S2.设定目标偏转角，并确定所述目标偏转角所在的工作区；

S3.根据目标偏转角所在的工作区，调整各定子的工作参数，使得所述转子的输出转矩与输出转速分别达到设定的目标转矩与目标转速；所述工作参数包括定子作用于转子的输出转矩以及输出转速。

本实施例中，根据如下步骤确定转子的偏转角：

S11.以转子的转动工作平面作为直角坐标平面XOY，并以转子的球心为坐标原点建立三维直角坐标系；也即是，控制X轴与Y轴两个自由度上的转动，可实现转子绕直角坐标平面XOY上过O点的任意轴进行旋转运动；如图2所示，所述三维直角坐标系的坐标轴分别为X轴、Y轴和Z轴，转子的球心为O，X轴穿过第一定子，球心与所述第一定子中心的连线的方向向量为向量OP₁，所述向量OP₁与直角坐标平面XOY的夹角为35°；

S12.确定出各定子同时作用于转子球面时的合力作用点，并将坐标原点与合力作用点之间的连线投影到直角坐标平面XOY上，将连线的投影与直角坐标平面XOY的X轴所形成的夹角作为转子的偏转角。如图3所示，图中外圈实线为球形转子的赤道截面，内圈虚线表示各定子的中心点所在的平面截面，点P为各定子同时作用于转子球面时的合力作用点，连接OP，线段OP在平面XOY上的投影为Op将Op与直角坐标平面XOY中X轴的夹角作为转子的偏转角γ。

本实施例中，如图2所示，所述定子为3个，所述球心转子为1个；将步骤S11中X轴穿过的定子作为第一定子S₁，以第一定子为参照，沿转子转动工作平面的逆时针方向，依次将剩余的定子作为第二定子S₂以及第三定子S₃。

本实施例中，如图3所示，将转子偏转角所在的直角坐标平面XOY划分为4个工作区；所述4个工作区包括第Ⅰ工作区、第Ⅱ工作区、第Ⅲ工作区以及第Ⅳ工作区；所述转子的偏转角γ为：-180°～180°；所述第Ⅰ工作区对应的转子偏转角为：0～120°；所述第Ⅱ工作区对应的转子偏转角为：120°～180°；所述第Ⅲ工作区对应的转子偏转角为：-180°～-120°；所述第Ⅳ工作区对应的转子偏转角为：-120°～0。

本实施例中，步骤S3中，若目标偏转角所在的工作区为第Ⅰ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅱ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅲ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅳ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

其中，T_1ref为第一定子作用于转子的输出转矩；T_2ref为第二定子作用于转子的输出转矩；T_3ref为第三定子作用于转子的输出转矩；γ_ref为目标偏转角；T_ref为目标转矩。

本实施例中，步骤S3中，若目标偏转角所在的工作区为第Ⅰ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅱ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅲ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅳ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

其中，n_1ref为第一定子作用于转子的输出转速；n_2ref为第二定子作用于转子的输出转速；n_3ref为第三定子作用于转子的输出转速；γ_ref为目标偏转角；n_ref为目标转速。

需要说明的是，根据球形感应电机的结构以及运行原理，通过确定T_1ref、T_2ref、T_3ref可以确定转子的输出转矩T、通过确定n_1ref、n_2ref、n_3ref可以确定确定转子的输出转速n。

本实施例中，步骤S3中，采用直接转矩控制的方式，调整各定子的工作参数，使得所述转子的输出转矩与输出转速分别达到设定的目标转矩与目标转速。具体地，针对所述球形感应电机的结构特殊性，设计基于直接转矩控制的控制子系统，以驱动球形转子的输出转矩与输出转速达到设定的目标转矩与目标转速，并降低了参数变化带来的不良影响。

如图4所示，所述控制系统为本发明的驱动控制原理示意图，所述控制系统包括一个控制子系统，所述控制子系统包括：磁链与转矩计算模块、磁链控制模块、转矩控制模块、电压矢量选择模块、坐标变换模块、转速控制模块、逆变器模块。其中，定子S_i的三相电压u_sa、u_sb、u_sc和三相电流i_sa、i_sb、i_sc经坐标变换模块的坐标变换处理得到电压u_sα、u_sβ和电流i_sα、i_sβ，再通过磁链与转矩计算模块的磁链、转矩计算，得到定子磁链

及其分量

和转矩值T_ei；其中，i为定子编号；定子S_i输出的转速n_iref与转子速度估计值n作差后，经转速控制模块的转速控制器的处理得到定子S_i的输出转矩T_iref，其中，速度的控制为PI控制；进一步，由

经过磁链位置控制得到磁通角θ_N；转矩和磁链的控制设计为滞环控制，通过转矩控制模块的转矩控制输出转矩控制信号△T，通过磁链控制模块的磁链控制得到磁链控制信号

将转矩控制信号△T、磁链控制信号

以及磁链位置信号θ_N输入到电压矢量选择模块，选择合理的空间电压矢量(S_a,S_b,S_c)，逆变器模块通过控制逆变器开关，对空间电压矢量(S_a,S_b,S_c)进行处理，进而达到控制电机速度的目的。

为验证本发明控制方法的合理性，根据控制系统原理，建立MATLAB/SIMULINK数学模型，结合多自由度球形感应电机作为城市微型代步电动汽车轮毂电机的设计目的，在不同工况下进行仿真研究。其中，电机额定转矩T_N＝5.25Nm；额定转速n_N＝600r/min；速度PI控制器参数：K_p＝2，K_i＝10，|T|≤40Nm；磁链滞环控制器容差：

转矩滞环控制器容差：2ε_T＝2mNm。

如图5所示，设定直线运行工况，即目标偏转角γ_ref＝0，空载启动至200r/min，在0.5s时给系统施加T_ref＝5.25Nm的负载转矩阶跃扰动；0～10s为匀变速过程，调速时间为0.2s，即加速度的大小约为105rad/s²；10～15s为变加速过程，设定转速为连续变化的正弦信号。仿真结果表明：转子偏转角γ＝0；输出转速具有良好的跟随性，0.5s时受负载转矩突变扰动影响较小，输出转矩满足调速要求。此外，输出转速n可达到600r/min(约34km/h)，对于车辆在城市工况下行驶是适用的。

如图6所示，模拟城市微型代步电动汽车侧方位起、停工况，设定侧向运行工况，电机以T_ref＝5.25Nm负载沿γ_ref＝90°方向启动至n_ref＝200r/min；在2s时开始减速至0；在2.5s时沿γ_ref＝-90°方向以相同调速模式运行。其中，调速时间为0.2s，即加速度大小为105rad/s²。仿真结果表明：电机启动时，转子偏转角γ快速达到目标值，偏转角反向度切换过程出现一定超调量(约1％)，但迅速恢复并跟随目标值；匀速运行时，转速相对误差不超过0.5％；转矩输出符合调速要求。

如图7所示，设定全向运行工况，n_ref＝200r/min，T_ref＝5.25Nm，γ_ref在-180°～180°范围变化，间隔30°改变一次，在12.5s时设定γ_ref为连续变化的正弦信号。仿真结果表明，电机正常运行，输出转速n达到200r/min时，由于偏转角的改变，转速输出出现一定波动，但整体保持稳定；其中，图(b)表明，驱动控制系统单独地调整各定子工作状态，使转子按照目标要求运行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种多自由度球形感应电机的驱动控制方法，所述球形感应电机包括球形转子以及围绕所述球形转子周向均匀分布的若干定子；其特征在于：包括如下步骤：

S1.将转子偏转角所在的平面划分为若干工作区；其中，所述平面为转子的转动工作平面；

根据如下步骤确定转子的偏转角：

S11.以转子的转动工作平面作为直角坐标平面XOY，并以转子的球心为坐标原点建立三维直角坐标系；

S12.确定出各定子同时作用于转子球面时的合力作用点，并将坐标原点与合力作用点之间的连线投影到直角坐标平面XOY上，将连线的投影与直角坐标平面XOY的X轴所形成的夹角作为转子的偏转角；

将转子偏转角所在的平面划分为第Ⅰ工作区、第Ⅱ工作区、第Ⅲ工作区以及第Ⅳ工作区；所述转子的偏转角为：-180°～180°；所述第Ⅰ工作区对应的转子偏转角为：0～120°；所述第Ⅱ工作区对应的转子偏转角为：120°～180°；所述第Ⅲ工作区对应的转子偏转角为：-180°～-120°；所述第Ⅳ工作区对应的转子偏转角为：-120°～0；

S2.设定目标偏转角，并确定所述目标偏转角所在的工作区；

S3.根据目标偏转角所在的工作区，调整各定子的工作参数，使得所述转子的输出转矩与输出转速分别达到设定的目标转矩与目标转速；所述工作参数包括定子作用于转子的输出转矩以及输出转速。

2.根据权利要求1所述的多自由度球形感应电机的驱动控制方法，其特征在于：所述定子为3个，并选取一个定子作为第一定子，以第一定子为参照，沿转子转动工作平面的逆时针方向，依次将剩余的定子作为第二定子以及第三定子。

3.根据权利要求1所述的多自由度球形感应电机的驱动控制方法，其特征在于：步骤S3中，若目标偏转角所在的工作区为第Ⅰ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅱ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅲ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅳ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转矩，使得所述转子的输出转矩达到设定的目标转矩：

其中，T_1ref为第一定子作用于转子的输出转矩；T_2ref为第二定子作用于转子的输出转矩；T_3ref为第三定子作用于转子的输出转矩；γ_ref为目标偏转角；T_ref为目标转矩。

4.根据权利要求1所述的多自由度球形感应电机的驱动控制方法，其特征在于：步骤S3中，若目标偏转角所在的工作区为第Ⅰ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅱ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅲ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

若目标偏转角所在的工作区为第Ⅳ工作区，则根据如下公式分别设置3个定子作用于转子的输出转速，使得所述转子的输出转速达到设定的目标转速：

其中，n_1ref为第一定子作用于转子的输出转速；n_2ref为第二定子作用于转子的输出转速；n_3ref为第三定子作用于转子的输出转速；γ_ref为目标偏转角；n_ref为目标转速。

5.根据权利要求1所述的多自由度球形感应电机的驱动控制方法，其特征在于：步骤S3中，采用直接转矩控制的方式，调整各定子的工作参数，使得所述转子的输出转矩与输出转速分别达到设定的目标转矩与目标转速。

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