文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)03-0144-03
目前,,針對多自由度電機的結構已進行了廣泛的研究,三自由度電機作為一種多自由度執(zhí)行元件,,其輸出軸的末端能夠在工作空間內實現(xiàn)多自由度運動,。球形電機作為三自由度電機的一種,其控制卻很難實現(xiàn)真正的三自由度,。
為了實現(xiàn)球形電機的三自由度控制,,利用基于洛倫茲力球形電機矢量控制方法,在Matlab平臺上實現(xiàn)了該算法,,并利用Matlab設計了該算法的上位機程序,。同時完成了球形電機電流控制器設計。
本文提出的球形電機控制算法,,通過計算機的幫助,,完成了電機控制器的設計,。
1 基于洛倫茲力矢量控制方法
南洋理工大學提出的電機模型[1-2],其電機的控制采用洛倫茲力方法,結構如圖1所示,。該電機的轉子有4個釹鐵硼永磁體,放置在球體轉子赤道上,,定子由擺放在赤道南北兩側±11°的兩層線圈組成,每層為間隔均勻的8個線圈,。
一個給定的載流導體在磁場內受到的洛倫茲力為:
首先獲得輸出軸初始坐標R1和輸出軸期望到達的坐標R2,,對應永磁體初始坐標P1,和永磁體四周四個線圈坐標,并輸入期望電流的權值,。獲得上述初始化數(shù)據(jù)后,,設置“Caculate”按鈕,輸入完畢后,,點擊按鈕執(zhí)行回調函數(shù),,函數(shù)檢測永磁體坐標是否越過4個線圈所圍成的邊界,否則發(fā)出報警,,在準確無誤后依次計算上述各變量,,利用Matlab中很多庫函數(shù)計算獲得旋轉軸n、球面洛倫茲力切矢量f,、旋轉角度?茲,,和永磁體最終旋轉到坐標的P2位置。系統(tǒng)流程圖如圖3所示,。
下位機要通過D/A芯片產(chǎn)生電壓控制輸出電流,,因此在上位機內直接將所需電流計算成D/A芯片的控制字寫入下位機。在獲得線圈電流后,,電樞線圈的電流值作為全局變量傳遞給后一個函數(shù)“Operate”,該回調函數(shù)執(zhí)行將上述電流轉換為各個電流的控制字,,利用Matlab中串口通信函數(shù)serial傳遞給下位機[5]。下位機DSP通過RS232接口電路獲得上位機按順序來發(fā)送過來的控制字完成控制,?!?br/>3 球形電機控制器硬件設計
球形電機控制器的作用是使各個電流矢量產(chǎn)生的洛倫茲力在空間上形成的合力方向是球面的切矢量,轉子上永磁體運動將沿著切矢量的軌跡進行旋轉,。切矢量的計算由上述上位機程序獲得,因此球形電機控制器的硬件設計即是雙極性電流源的設計,。
DAC7714是一款四通道雙極性12位高精度D/A轉換器,通過DAC輸出電壓,。利用其4通道特性可以獨立輸出4路不同的電壓,,由典型接法可得其輸出電壓范圍為-5~5 V。DSP通過MAX232接收上位機發(fā)送的DAC7714的控制字,,當上位機發(fā)送控制字時,,DSP進入中斷,接收控制字并組合。通過SPI接口發(fā)送到DAC7714中,,DAC7714產(chǎn)生4個獨立的電壓,,并通過V-I轉換電路,,變換成對應的電流,,從而達到控制一個永磁體四周的4個電樞線圈產(chǎn)生的洛倫茲力,,DAC7714的控制電路和V-I轉換電路如圖4、圖5所示[6],。
通過提出的基于洛倫茲力的球形電機矢量控制原理,,利用Matlab強大的浮點計算功能,完成了空間洛倫茲力矢量計算,。通過RS232通信方式,,完成了球形電機控制器的上位機和下位機通信。下位機的硬件設計很好地完成了需求的雙極性電流控制,,線性度良好,。結合上位機的空間洛倫茲力計算,使球形電機的控制得到很大發(fā)展,。
參考文獻
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