直流永磁球形电机的三维位置检测和冗余磁场控制的关键技术研究

深入分析和研究了直流永磁球电机的基本工作原理，针对当前球电机研制中遇到的定子和转子间接触摩擦力过大，三维位置检测的实时性和准确性难以实现的困难，提出一种被动三自由度球关节的设计思想，可以有效解决以上问题。课题研究了样机的设计和研制中的若干问题，通过综合分析定子线圈电流和转子力矩间的相互关系，提出冗余磁场和电流自流动的概念，并进一步开发了利用电流的零空间解优化线圈电流、转子力矩、和进行容错控制的算法。在此基础上，探讨球关节在机器人应用中出现的新特点，研究如何设计球关节的运动控制器和电流控制器，使其对球关节的控制具有一定的智能去协调整个机器人系统的任务要求。针对环境不确定和扰动等因素造成非线性动力学建模困难，制定了基于模型和传感信息反馈的Backstepping 分散自适应实时运动控制策略。项目的主要意义是拟通过该项目的研究，提高球电机的实用水平，推动若干相关学科和智能机器人技术的研究和发展。

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、磁场和力矩建模、动力学建模、机构几何参数及动力学参数标定、电流优化和控制策略等问题。针对当前球电机研制中遇到的定子和转子间接触摩擦力过大，三维位置检测的实时性和准确性难以实现的困难，提出一种被动三自由度球关节的设计方法，有效解决了球电机转子姿态检测难题。为了提高球电机在实际工作中的定位精度，分别开发了机构几何参数和动力学参数标定算法，可以有效补偿控制系统模型误差。通过综合分析定子线圈电流和转子力矩间的相互关系，设计了基于系统总体调配的冗余电流再分配方法，该方法能为提高球电机的容错能力和系统资源的动态再分配能力提供一个有效的工具。除了电流控制方法外，课题还对球电机的电压控制方法展开了研究，建立了相应的电压控制模型。此外，考虑到动力学模型的建模误差以及系统存在的摩擦力及外界干扰，将神经网络逼近系统模型方法应用于球型电机控制中。在以上研究的基础上，设计并研制了两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、电流控制器和电压控制器。目前共发表SCI源的国际期刊论文5篇，EI论文22篇，申请发明专利5项（已授权3项）。