張西多，吳星明，陳偉海

（北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

多自由度電機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動(dòng)，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(jī)[2-8]，這些電機(jī)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：都需要同時(shí)提供多路電流輸入。由于球形電機(jī)的線圈數(shù)目往往多達(dá)幾十個(gè)甚至上百個(gè)，因此如何開發(fā)出實(shí)時(shí)高效的電流控制器成為困擾球電機(jī)發(fā)展的一大問(wèn)題。本文提出了一種有效的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法，并設(shè)計(jì)了球形電機(jī)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機(jī)和電流控制器組成。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)控制算法的運(yùn)算，并通過(guò)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(dòng)信號(hào)。同時(shí)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置信息，將此信息通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)上位機(jī)控制指令為定子線圈精確提供多通道期望電流，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)球電機(jī)的姿態(tài)信息，為將來(lái)閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

1 永磁球形電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖1 球形電機(jī)樣機(jī)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(chǎng)，這樣轉(zhuǎn)子上的永磁體在線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 三自由度被動(dòng)球關(guān)節(jié)實(shí)物圖

在該永磁球形電機(jī)的設(shè)計(jì)上，提出了一種被動(dòng)三自由度球關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的解耦，通過(guò)分別測(cè)量各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。該檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。當(dāng)球電機(jī)的轉(zhuǎn)子在電磁力的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)此球關(guān)節(jié)的機(jī)械解耦，旋轉(zhuǎn)編碼器能實(shí)時(shí)且獨(dú)立地測(cè)量出轉(zhuǎn)子自旋的位置γ，而球電機(jī)的傾斜運(yùn)動(dòng)角度（α，β）則可以由二軸傾角傳感器測(cè)出。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

球形電機(jī)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(jì)

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(jī)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(duì)每路線圈電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，通過(guò)電流環(huán)的閉環(huán)控制，使其滿足控制精度的要求；（3）對(duì)球電機(jī)位置傳感器的采集信息進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)獲取球電機(jī)的轉(zhuǎn)子姿態(tài)信息；（4）與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收多路線圈電流的設(shè)定值，并將球電機(jī)的位置信息發(fā)送至上位機(jī)。

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

由于球電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制需要實(shí)現(xiàn)多路控制電流輸出，多路電流的同步是一個(gè)設(shè)計(jì)難題。有文獻(xiàn)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(jì)方案忽略了各片數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片之間的差異性。為了實(shí)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(dòng)模塊設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[9-10]給出了永磁球形電機(jī)的輸出力矩與輸入電流之間的關(guān)系，根據(jù)實(shí)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(yùn)算放大器OPA549為核心構(gòu)成驅(qū)動(dòng)模塊。

本文采用了浮動(dòng)負(fù)載形式，其原理如圖4所示。該功率驅(qū)動(dòng)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(fù)反饋電路。其輸出的電流值為

圖4 功率驅(qū)動(dòng)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(jì)

為了增強(qiáng)電流輸出的魯棒性，對(duì)輸出電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并采用閉環(huán)控制算法使其具有長(zhǎng)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再對(duì)功率電路和數(shù)字電路進(jìn)行隔離，選擇帶短路和過(guò)載檢測(cè)功能的隔離運(yùn)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(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電壓進(jìn)行修正，使其到達(dá)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(dāng)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(dāng)前計(jì)算電流設(shè)定值；

u（k-1）——上一次計(jì)算得到的電流預(yù)設(shè)值；

u（k-2）——前面第二次計(jì)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(shí)刻。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ARM軟件設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，按功能劃分軟件模塊。ARM軟件程序的設(shè)計(jì)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(jì)框圖

本設(shè)計(jì)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)效果，將以上3種中斷程序的優(yōu)先級(jí)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(hào)來(lái)觸發(fā)。每采樣一次電流值就進(jìn)行一次電流環(huán)的計(jì)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(shí)現(xiàn)

球形電機(jī)控制系統(tǒng)總體實(shí)物圖如圖7所示。該控制系統(tǒng)由上位機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)）和下位機(jī)（電流控制器）組成。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

為了檢驗(yàn)電流控制器的性能，分別做了電流跟隨實(shí)驗(yàn)和電流穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證電流控制器的精確性和穩(wěn)定性。電流跟隨實(shí)驗(yàn)將對(duì)實(shí)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(cè)量實(shí)際電流的輸出值。其中一路的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)表

圖8 電流跟隨誤差曲線圖

電流穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)將電流值設(shè)定為0.8A，對(duì)定子線圈加載電流，通電20 min，每隔1 min測(cè)量電流值，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 電流穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)圖

從上面的實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)三自由度永磁球形電機(jī)定子線圈驅(qū)動(dòng)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(jì)方案。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，完全能滿足球形電機(jī)的控制要求。同時(shí)，本文提出了一種有效的轉(zhuǎn)子三維位置檢測(cè)的方法，通過(guò)該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)得到球形電機(jī)的轉(zhuǎn)子姿態(tài)信息，為今后真正實(shí)現(xiàn)球形電機(jī)的位置閉環(huán)控制打下基礎(chǔ)。

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