三自由度永磁球形電機高精度位置控制的關鍵技術研究

《三自由度永磁球形電機高精度位置控制的關鍵技術研究》是依託北京航空航天大學，由劉敬猛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：三自由度永磁球形電機高精度位置控制的關鍵技術研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：劉敬猛
• 項目類別：面上項目

項目摘要

深入分析和研究了三自由度永磁球形電機的基本工作原理，針對現有球形電機在位置控制過程中由於機構加工及裝配誤差、各個自由度間的運動耦合以及負載變化等外界干擾因素影響，從而導致三自由度運動下的位置控制精度不理想，難以滿足套用要求的問題，從多個關鍵方面進行了深入細緻的探討。課題提出了一種兩級機構參數標定算法，從而有效補償了其加工及裝配誤差。在此基礎之上，從樣機設計、磁場、力矩及動力學內在特性分析方面入手，研究了其三維運動內在耦合機理，並提出了強幹擾下的動力學解耦控制策略和聯合動力學與逆力矩學的控制模型，可以在保證位置控制精度的同時降低能量消耗。針對球形電機三自由度旋轉運動特點，課題還設計了基於微分幾何的轉子最優軌跡規劃策略。項目的主要意義是擬通過該課題的研究，深入探索新的理論工具和新的研究方法，以求在影響球電機位置控制精度的關鍵技術上有所突破和創新，推動多自由度驅動技術及相關學科的研究和發展。

結題摘要

課題綜合分析和研究了三自由度永磁球形電機的機械結構設計、磁場和力矩解析建模、動力學模型建模、兩級機構誤差標定算法、不確定性因素影響下的動力學解耦控制等問題。針對當前球電機在位置控制過程中由於機構加工及裝配誤差、各個自由度間的運動耦合以及負載變化等外界干擾因素影響，從而導致三自由度運動下的位置控制精度不理想，難於滿足套用要求的問題，從多個方面進行了深入的探討。課題建立了球電機的三維磁場和力矩的解析模型，從而對球電機的機械結構進行了最佳化設計。為了提高球電機精度，課題提出一種兩級機械結構標定算法，有效補償球電機的加工及裝配誤差。課題還針對球電機系統存在的強耦合、非線性且在建模過程中存在的模型估計的不確定性以及負載、摩擦等外界干擾影響的特點，設計了魯棒自適應疊代學習控制算法、基於混合H2/H∞的魯棒控制、基於反推算法的自適應滑模控制、基於分散控制的模糊滑模自適應控制算法以及聯合動力學與逆力矩學算法套用於球形電機的控制中。在以上研究的基礎上，設計並研製了一套具有姿態檢測功能的三自由度球電機樣機，開發了球電機多軸運動控制器、電流控制器等。並成功實現了球電機的高精度位置控制，項目將為我國在多自由度驅動設計和開法方面提供理論支撐和技術支持，為球電機在機器人、雷達驅動、航空航天等領域的套用打下良好的基礎。目前共發表SCI源的國際期刊論文7篇，EI論文9篇，申請發明專利3項，其中2項已經授權。通過該項目，共培養博士生4名，碩士生7名，其中一位博士的學位論文獲得校級優秀博士學位論文獎勵，發表在TIE期刊的論文獲得該期刊2016年度唯一最佳論文獎。