三自由度永磁球形电机高精度位置控制的关键技术研究

Existing position control process of the spherical actuator are influenced by machining and assembling errors of the mechanism, the coupling exists in three-DOF motions, and external interference factors such as load variations. These problems cause low position control accuracy under the three-DOF motion, and cannot meet the application requirement. This project makes in-depth discussions on several key aspects which affect the position control accuracy, based on deeply analysis and investigation of the basic working principle of three-DOF permanent magnetic spherical actuator. We propose a two-level mechanism parameters calibration algorithm, which can effectively compensate the processing and assembling errors. On this basis, this project focuses on the prototype design, the magnetic field, torque and dynamic analysis to study the inherent coupling mechanism of spherical actuator's three-DOF motion. This project proposes the dynamic decoupling control strategy under strong interference, and a combine control algorithm which can combine the dynamic and inverse torque control model. The combine control algorithm can ensure the accuracy of the position control and reduce the energy consumption. This project also designs rotor trajectory planning strategy based on differential geometry. The major objectives of the project are to achieve a breakthrough in key technologies of the position control of spherical actuator, to explore new theoretical tools and research method, and to promote the development of the multi-DOF drive technology and the relative subjects.

深入分析和研究了三自由度永磁球形电机的基本工作原理，针对现有球形电机在位置控制过程中由于机构加工及装配误差、各个自由度间的运动耦合以及负载变化等外界干扰因素影响，从而导致三自由度运动下的位置控制精度不理想，难以满足应用要求的问题，从多个关键方面进行了深入细致的探讨。课题提出了一种两级机构参数标定算法，从而有效补偿了其加工及装配误差。在此基础之上，从样机设计、磁场、力矩及动力学内在特性分析方面入手，研究了其三维运动内在耦合机理，并提出了强干扰下的动力学解耦控制策略和联合动力学与逆力矩学的控制模型，可以在保证位置控制精度的同时降低能量消耗。针对球形电机三自由度旋转运动特点，课题还设计了基于微分几何的转子最优轨迹规划策略。项目的主要意义是拟通过该课题的研究，深入探索新的理论工具和新的研究方法，以求在影响球电机位置控制精度的关键技术上有所突破和创新，推动多自由度驱动技术及相关学科的研究和发展。

课题综合分析和研究了三自由度永磁球形电机的机械结构设计、磁场和力矩解析建模、动力学模型建模、两级机构误差标定算法、不确定性因素影响下的动力学解耦控制等问题。针对当前球电机在位置控制过程中由于机构加工及装配误差、各个自由度间的运动耦合以及负载变化等外界干扰因素影响，从而导致三自由度运动下的位置控制精度不理想，难于满足应用要求的问题，从多个方面进行了深入的探讨。课题建立了球电机的三维磁场和力矩的解析模型，从而对球电机的机械结构进行了优化设计。为了提高球电机精度，课题提出一种两级机械结构标定算法，有效补偿球电机的加工及装配误差。课题还针对球电机系统存在的强耦合、非线性且在建模过程中存在的模型估计的不确定性以及负载、摩擦等外界干扰影响的特点，设计了鲁棒自适应迭代学习控制算法、基于混合H2/H∞的鲁棒控制、基于反推算法的自适应滑模控制、基于分散控制的模糊滑模自适应控制算法以及联合动力学与逆力矩学算法应用于球形电机的控制中。在以上研究的基础上，设计并研制了一套具有姿态检测功能的三自由度球电机样机，开发了球电机多轴运动控制器、电流控制器等。并成功实现了球电机的高精度位置控制，项目将为我国在多自由度驱动设计和开法方面提供理论支撑和技术支持，为球电机在机器人、雷达驱动、航空航天等领域的应用打下良好的基础。目前共发表SCI源的国际期刊论文7篇，EI论文9篇，申请发明专利3项，其中2项已经授权。通过该项目，共培养博士生4名，硕士生7名，其中一位博士的学位论文获得校级优秀博士学位论文奖励，发表在TIE期刊的论文获得该期刊2016年度唯一最佳论文奖。