三自由度球形電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張西多，吳星明，陳偉海

（北京航空航天大學自動化學院，北京 100191）

0 引 言

多自由度電機的概念最早由Laithwaite提出[1]，它的轉(zhuǎn)子由鐵磁材料組成，在通電定子線圈的作用下可以在一個關(guān)節(jié)內(nèi)實現(xiàn)兩自由度運動，它的出現(xiàn)大大激發(fā)了研究者的興趣。隨后，研究者提出了各種各樣的三自由度的球形電機[2-8]，這些電機有一個共同的特點：都需要同時提供多路電流輸入。由于球形電機的線圈數(shù)目往往多達幾十個甚至上百個，因此如何開發(fā)出實時高效的電流控制器成為困擾球電機發(fā)展的一大問題。本文提出了一種有效的轉(zhuǎn)子位置檢測的方法，并設(shè)計了球形電機的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機和電流控制器組成。上位機主要負責控制算法的運算，并通過串口將相關(guān)控制指令發(fā)送給電流控制器。電流控制器能夠?qū)哂懈行蕴匦缘亩ㄗ泳€圈提供多通道、雙極性、大功率、高精度的同步電流驅(qū)動信號。同時控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測到轉(zhuǎn)子的位置信息，將此信息通過串口發(fā)送至上位機實時顯示。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)上位機控制指令為定子線圈精確提供多通道期望電流，驅(qū)動轉(zhuǎn)子實現(xiàn)三自由度運動，同時還可以實時檢測球電機的姿態(tài)信息，為將來閉環(huán)控制的實現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

1 永磁球形電機設(shè)計

1.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

永磁球形電機的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電機由一個球形轉(zhuǎn)子和一個球形定子殼組成，電機的輸出桿和轉(zhuǎn)子相連。

圖1 球形電機樣機圖

按照一定的通電策略給線圈通電，使得線圈產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，這樣轉(zhuǎn)子上的永磁體在線圈產(chǎn)生的磁場的作用下，使得轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)在工作空間內(nèi)的任意位置的定位。

1.2 位置檢測系統(tǒng)設(shè)計

圖2 三自由度被動球關(guān)節(jié)實物圖

在該永磁球形電機的設(shè)計上，提出了一種被動三自由度球關(guān)節(jié)的設(shè)計思想來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子運動的解耦，通過分別測量各個方向上的運動信息來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測。該檢測系統(tǒng)如圖2所示。當球電機的轉(zhuǎn)子在電磁力的驅(qū)動下產(chǎn)生相應(yīng)的運動，通過此球關(guān)節(jié)的機械解耦，旋轉(zhuǎn)編碼器能實時且獨立地測量出轉(zhuǎn)子自旋的位置γ，而球電機的傾斜運動角度（α，β）則可以由二軸傾角傳感器測出。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

球形電機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該控制系統(tǒng)主要由主控制器CPU、通信接口RS232、RS485、數(shù)模轉(zhuǎn)換 D/A、模數(shù)轉(zhuǎn)換 A/D、電壓電流轉(zhuǎn)換V/I以及電流采樣模塊組成。

2.2 主控模塊設(shè)計

該控制系統(tǒng)的主控模塊主要由微處理器及其外圍輔助電路構(gòu)成。主控模塊的任務(wù)有：（1）根據(jù)接收到上位機發(fā)出的控制指令，控制數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片產(chǎn)生多路控制電壓；（2）對每路線圈電流進行實時采樣，通過電流環(huán)的閉環(huán)控制，使其滿足控制精度的要求；（3）對球電機位置傳感器的采集信息進行處理，實時獲取球電機的轉(zhuǎn)子姿態(tài)信息；（4）與上位機進行通信，接收多路線圈電流的設(shè)定值，并將球電機的位置信息發(fā)送至上位機。

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

由于球電機的運動控制需要實現(xiàn)多路控制電流輸出，多路電流的同步是一個設(shè)計難題。有文獻采用多片數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，并利用CPLD技術(shù)保證多通道電流的同步更新。然而此設(shè)計方案忽略了各片數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片之間的差異性。為了實現(xiàn)多路電流輸出地同步性和一致性，本控制系統(tǒng)采用了AD（Analog Devices）公司最新出品的多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5370作為D/A轉(zhuǎn)換芯片。

2.4 功率驅(qū)動模塊設(shè)計

文獻[9-10]給出了永磁球形電機的輸出力矩與輸入電流之間的關(guān)系，根據(jù)實際控制的要求，估算出控制輸出電流的范圍為±3 A。本系統(tǒng)以BB（Burr-Brown）公司大功率運算放大器OPA549為核心構(gòu)成驅(qū)動模塊。

本文采用了浮動負載形式，其原理如圖4所示。該功率驅(qū)動電路主要由OPA549及其外圍輔助元器件構(gòu)成，線圈與采樣電阻串聯(lián)在輸出回路，該電路屬于典型的電流并聯(lián)負反饋電路。其輸出的電流值為

圖4 功率驅(qū)動模塊原理示意圖

由式（1）可知，輸出的電流值大小僅與輸入的控制電壓 Vad_in和電阻 R5、R6有關(guān)。

2.5 電流環(huán)模塊的設(shè)計

為了增強電流輸出的魯棒性，對輸出電流值進行實時跟蹤，并采用閉環(huán)控制算法使其具有長期的工作穩(wěn)定性。電流采樣電路中，首先借助采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再對功率電路和數(shù)字電路進行隔離，選擇帶短路和過載檢測功能的隔離運放芯片HCPL-788J。電壓采樣采用TI（Texas Instruments）公司出品的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。

電流環(huán)控制模塊根據(jù)電流采樣值與電流預(yù)設(shè)值的偏差，對數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電壓進行修正，使其到達所需的精度要求。電流環(huán)控制模塊采用數(shù)字增量式的PID算法為

式中：KP——比例系數(shù)；

KI——積分系數(shù)；

KD——微分常數(shù)；

e（k）——當前電流偏差值；

e（k-1）——上一次電流偏差值；

e（k-2）——前面第二次電流偏差值；

u（k）——當前計算電流設(shè)定值；

u（k-1）——上一次計算得到的電流預(yù)設(shè)值；

u（k-2）——前面第二次計算得到的電流預(yù)設(shè)值；

q0，q1，q2——可調(diào)參數(shù)，q0=KP+KD+KI，q1=KP-2KD，

q2=KI；

k——采樣時刻。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

ARM軟件設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計思路，按功能劃分軟件模塊。ARM軟件程序的設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、中斷處理程序和電流PID調(diào)節(jié)子程序[11]。軟件的功能框圖如圖5所示。

3.1 中斷服務(wù)程序

圖5 軟件設(shè)計框圖

本設(shè)計主要包括3種中斷子程序：（1）數(shù)模轉(zhuǎn)換中斷子程序；（2）電流采樣子程序；（3）串口通信子程序。根據(jù)實際的實驗效果，將以上3種中斷程序的優(yōu)先級設(shè)置為：（1）＞（2）＞（3）。

3.2 電流調(diào)節(jié)子程序

電流輸出的調(diào)節(jié)子程序由A/D采樣的結(jié)束信號來觸發(fā)。每采樣一次電流值就進行一次電流環(huán)的計算。電流PID調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖6所示。

圖6 電流調(diào)節(jié)子程序流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

球形電機控制系統(tǒng)總體實物圖如圖7所示。該控制系統(tǒng)由上位機（個人計算機）和下位機（電流控制器）組成。

圖7 實驗系統(tǒng)實物圖

為了檢驗電流控制器的性能，分別做了電流跟隨實驗和電流穩(wěn)定性實驗，來驗證電流控制器的精確性和穩(wěn)定性。電流跟隨實驗將對實際的定子線圈供電，在-1500～+1500 mA范圍內(nèi)給定設(shè)定電流值，用電流表測量實際電流的輸出值。其中一路的實驗數(shù)據(jù)如1表所示，其誤差值如圖8所示。

表1 電流跟隨實驗部分數(shù)據(jù)表

圖8 電流跟隨誤差曲線圖

電流穩(wěn)定性實驗將電流值設(shè)定為0.8A，對定子線圈加載電流，通電20 min，每隔1 min測量電流值，測量結(jié)果如圖9所示。

圖9 電流穩(wěn)定性實驗圖

從上面的實驗數(shù)據(jù)可知，此控制器的電流輸出的精確性和穩(wěn)定性均具有良好的效果，從而驗證了此設(shè)計方案的有效性。

5 結(jié)束語

針對三自由度永磁球形電機定子線圈驅(qū)動需要多通道、雙極性、高精度的電流要求，本文提出了一種基于ARM和AD5370的控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。實驗表明，該控制系統(tǒng)具有輸出電流精度高、穩(wěn)定性好等特點，完全能滿足球形電機的控制要求。同時，本文提出了一種有效的轉(zhuǎn)子三維位置檢測的方法，通過該系統(tǒng)能實時得到球形電機的轉(zhuǎn)子姿態(tài)信息，為今后真正實現(xiàn)球形電機的位置閉環(huán)控制打下基礎(chǔ)。

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