《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Matlab平臺的球形電機控制器設(shè)計
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第3期
方愿捷, 孫書誠， 凌有鑄, 強 勇
安徽工程大學(xué) 電氣傳動與控制重點實驗室，安徽 蕪湖241000
摘要： 針對直流永磁球形電機的控制原理，提出了基于洛倫茲力的直流永磁球形電機的矢量控制方法。在Matlab平臺上實現(xiàn)該球形電機控制算法，同時驗證了該算法。利用Matlab設(shè)計了球形電機控制器的上位機程序，并以DSP2407為控制器制作了球形電機控制器的硬件部分。實驗結(jié)果展現(xiàn)了球形電機控制器的性能, 實現(xiàn)了球形電機洛倫茲力矢量控制。
中圖分類號： TM351
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)03-0144-03
Design of spherical motor controller based on Matlab platform
Fang Yuanjie, Sun Shucheng, Ling Youzhu, Qiang Yong
Key Laboratory of Electric Drive and Control, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China
Abstract： For the control method of DC permanent magnet spherical motor，the vector control method of DC permanent magnet spherical motor based on the Lorentz Force is proposed. Spherical motor algorithms.is realized on the platform of Matlab，and this algorithm has been verified. The design of the spherical motor controller host computer program is depended on Matlab and hardware part of the controller is designed based on the DSP2407 controller. The experimental results shows the performance of the spherical motor controlle.It makes the Lorentz Force vector control method come true.
Key words : spherical motor; Matlab; vector control; controller

    目前，針對多自由度電機的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shè)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(shè)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(shè)計。
1 基于洛倫茲力矢量控制方法
    南洋理工大學(xué)提出的電機模型[1-2],其電機的控制采用洛倫茲力方法，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電機的轉(zhuǎn)子有4個釹鐵硼永磁體,放置在球體轉(zhuǎn)子赤道上，定子由擺放在赤道南北兩側(cè)±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(dǎo)體在磁場內(nèi)受到的洛倫茲力為：
 

    首先獲得輸出軸初始坐標(biāo)R1和輸出軸期望到達的坐標(biāo)R2，對應(yīng)永磁體初始坐標(biāo)P1,和永磁體四周四個線圈坐標(biāo)，并輸入期望電流的權(quán)值。獲得上述初始化數(shù)據(jù)后，設(shè)置“Caculate”按鈕，輸入完畢后，點擊按鈕執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，函數(shù)檢測永磁體坐標(biāo)是否越過4個線圈所圍成的邊界，否則發(fā)出報警，在準(zhǔn)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(zhuǎn)軸n、球面洛倫茲力切矢量f、旋轉(zhuǎn)角度?茲，和永磁體最終旋轉(zhuǎn)到坐標(biāo)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(nèi)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(diào)函數(shù)執(zhí)行將上述電流轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)子上永磁體運動將沿著切矢量的軌跡進行旋轉(zhuǎn)。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(shè)計即是雙極性電流源的設(shè)計。
    DAC7714是一款四通道雙極性12位高精度D/A轉(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)換電路，變換成對應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)計很好地完成了需求的雙極性電流控制，線性度良好。結(jié)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
[1] LIM C K， Yan Liang，CHEN I  M. Mechanical design & numerical electromagnetic analysis  of a DC sperical actuator[C].  Conference on Robotics,Singapore  Automation and Mechatronics, 2004.
[2] LIM C K, CHEN I M.Electromechanical of a modeling permanent magnet spherical actuator based on magneticdipole-moment principle[J].IEEE Transaction On Idustrial Elecronic,2009,5(56):1640-1648.
[3] 雍愛霞，王群京，倪有源.基于四元數(shù)組的球形永磁步進電機控制研究[J].微電機，2006, 39(9):33-37.
[4] 劉俊峰.三維轉(zhuǎn)動的四元數(shù)表述[J].大學(xué)物理，2004，23(4):40-43.
[5] 韓志平.陳鐘榮.Matlab 環(huán)境下電機檢測數(shù)據(jù)的串行通信與處理[J]. 計算機工程,2007,15(33)243-245.
[6] 寇金橋.陳偉海.于守謙.球形電機電流控制器設(shè)計[J].計算機測量與控制，2005，13(8):790-792.

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