李 爭，杜 浦，李 平，馬海心，李博宇

（河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人、機(jī)械手等在空間實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的裝置在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用日趨廣泛。這些裝置大多需要實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的多自由度運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)有的裝置依靠多個(gè)單自由度電機(jī)組合實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，并且級聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差會(huì)影響設(shè)備的精密度［1－2］。因此，可實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的永磁電機(jī)受到廣泛的關(guān)注［3－5］。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電機(jī)得以正常工作的重要環(huán)節(jié)，對多自由度電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)隨著多自由度電機(jī)的發(fā)展而提上日程。本文針對永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)式三自由度電機(jī)設(shè)計(jì)了由控制電路、功率放大電路、位置檢測電路組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)式三自由度電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)式三自由度電機(jī)如圖1所示，轉(zhuǎn)子由永磁材料釹鐵硼制成，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)量為4極。定子線圈為上下雙層結(jié)構(gòu)，磁極數(shù)量為6極。電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。為敘述方便，對定子線圈做了如圖1a）所示的標(biāo)記。電機(jī)的工作原理是以通電線圈產(chǎn)生的磁場與永磁體磁場之間的相互作用為基礎(chǔ)的［6－8］。電機(jī)繞X軸偏轉(zhuǎn)時(shí)，給標(biāo)號為2，5’的線圈加載使其產(chǎn)生N極的電流，給標(biāo)號為2’，5的線圈加載使其產(chǎn)生S極的電流，如圖1a）所示。由于電磁力作用，定子線圈2，2’，5，5’與轉(zhuǎn)子之間電磁力的合力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞X軸偏轉(zhuǎn)。圖1b）所示為轉(zhuǎn)子繞X軸偏轉(zhuǎn)的截面圖。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及其繞X軸偏轉(zhuǎn)示意圖Fig.1 Deflection－type motion around the Xaxis

表1 電機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Parameters of the motor

由圖1可知，給標(biāo)號為3，4，1’，6’的線圈加載使其產(chǎn)生S極的電流，給標(biāo)號為3’，4’，1，6的線圈加載使其產(chǎn)生N極的電流，合力可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞Y軸偏轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 電機(jī)繞Y軸旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 Deflection－type motion around the Yaxis

電機(jī)自轉(zhuǎn)時(shí)，給標(biāo)號為1，1’，4，4’的線圈加載使其產(chǎn)生S極的電流，給標(biāo)號為3，3’，6，6’的線圈加載使其產(chǎn)生N極的電流，線圈產(chǎn)生的N極磁極對轉(zhuǎn)子的N極有切向推力，對轉(zhuǎn)子S極有切向拉力；線圈產(chǎn)生的S極磁極對轉(zhuǎn)子的N極有切向拉力，對轉(zhuǎn)子S極有切向推力，合力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 電機(jī)繞Z軸旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.3 Deflection－type motion around the Zaxis

2 定子線圈通電策略的理論推導(dǎo)

由原理分析可知，電機(jī)自轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)時(shí)對流過定子線圈的電流要求是不同的，所以對應(yīng)的通電策略也是不同的［9－13］。下面對定子線圈的通電策略分自轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)兩部分介紹。

2.1 電機(jī)自轉(zhuǎn)時(shí)的通電策略

電機(jī)自轉(zhuǎn)時(shí)，需要定子線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。假定圖4a）為初始位置。要使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，標(biāo)號為1，4，1’，4’的線圈通電后靠近轉(zhuǎn)子一側(cè)產(chǎn)生的磁極應(yīng)為N極，標(biāo)號為3，6，3’，6’的線圈通電后靠近轉(zhuǎn)子一側(cè)產(chǎn)生的磁極應(yīng)為S極，標(biāo)號為2，5，2’，5’的線圈不通電。按此方式通電后，電機(jī)將轉(zhuǎn)過60°（機(jī)械角度，下同）。旋轉(zhuǎn)后位置如圖4b）所示。轉(zhuǎn)過60°后，需改變通電方式。標(biāo)號為3，6，3’，6’的線圈通電后靠近轉(zhuǎn)子一側(cè)產(chǎn)生的磁極應(yīng)為N極，標(biāo)號為2，5，2’，5’的線圈通電后靠近轉(zhuǎn)子一側(cè)產(chǎn)生的磁極應(yīng)為S極，標(biāo)號為1，4，1’，4’的線圈不通電。按更改后的方式通電，電機(jī)將再轉(zhuǎn)過60°。旋轉(zhuǎn)后位置如圖4c）所示。以此類推可得到使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的通電策略，如表2所示。

圖4 電機(jī)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子位置俯視圖Fig.4 Top view of rotor position when motor rotates

表2 自轉(zhuǎn)時(shí)定子線圈通電策略Tab.2 Electrifying strategy of stator coils when motor rotates

2.2 電機(jī)偏轉(zhuǎn)時(shí)的通電策略

電機(jī)偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要定子線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場推動(dòng)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)。如圖1所示，電機(jī)繞X軸逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)給標(biāo)號為2，5，2’，5’的線圈通電，使得2，5’線圈靠近轉(zhuǎn)子一端為N極，2’，5線圈靠近轉(zhuǎn)子一端為S極。電機(jī)繞X軸順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)給標(biāo)號為2，5，2’，5’的線圈通電，使得2，5’線圈靠近轉(zhuǎn)子一端為S極，2’，5線圈靠近轉(zhuǎn)子一端為N極。如圖2所示，電機(jī)繞Y軸逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)給標(biāo)號為1，3，4，6，1’，3’，4’，6’的線圈通電，使得1，6，1’，6’線圈靠近轉(zhuǎn)子一端為N極，3，4，3’，4’線圈靠近轉(zhuǎn)子一端為S極。電機(jī)繞Y軸順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)給標(biāo)號為1，3，4，6，1’，3’，4’，6’的線圈通電，使得1，6，1’，6’線圈靠近轉(zhuǎn)子一端為S極，3，4，3’，4’線圈靠近轉(zhuǎn)子一端為N極。

3 位置檢測模塊

3.1 轉(zhuǎn)子位置檢測的原理

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測，采用由3個(gè)霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁場的方法［4］。所用霍爾傳感器型號為3144。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器檢測到磁場信號，將磁場的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過放大器和滯環(huán)比較器的作用輸出高低電平，從而判斷傳感器所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子的極性，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子所處的位置?；魻杺鞲衅鞯墓ぷ髟砣鐖D5所示。

圖5 霍爾傳感器工作原理Fig.5 Operating principle of Hall sensor

3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器的位置

根據(jù)霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置的原理，并且相鄰極靴之間磁場幾乎為零，設(shè)計(jì)將3個(gè)傳感器分別放在定子線圈對應(yīng)極靴之間的縫隙處，即傳感器1放置在線圈1，6對應(yīng)的極靴縫隙處，傳感器2放置在線圈2，3的極靴縫隙處，傳感器3放置在線圈4，5的極靴縫隙處，如圖6所示。H1，H2，H3為3個(gè)霍爾傳感器，傳感器之間夾角均為120°。霍爾傳感器將檢測到的磁場信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出高低電平。當(dāng)傳感器對應(yīng)轉(zhuǎn)子的N極時(shí)，輸出電壓為高電平；當(dāng)對應(yīng)轉(zhuǎn)子的S極時(shí)，輸出電壓為低電平。傳感器將電壓信號傳送到單片機(jī)，再通過串口模塊傳送到上位機(jī)，并根據(jù)所編寫的程序，對數(shù)字信號進(jìn)行計(jì)算處理。

圖6 霍爾傳感器位置Fig.6 Position of Hall sensor

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 控制電路

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制電路以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片，輔以時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和鍵盤電路，實(shí)現(xiàn)控制功能。

4.2 功率放大電路

控制電路I/O接口輸出功率較小，驅(qū)動(dòng)能力弱，不能達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，所以需要功率放大電路來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的有效驅(qū)動(dòng)。電路采用7塊L298N芯片對控制電路I/O接口輸出的信號進(jìn)行放大，為線圈供電。為保證電路可靠性，在L298N輸出端接續(xù)流二極管和濾波電容。功率放大電路原理圖如圖7所示。

圖7 功率放大電路原理圖Fig.7 Principle of power amplifier circuit

該電路中，L298N起到開關(guān)作用，通過單片機(jī)傳送的信號（IN1，IN2，IN3，IN4）控制芯片輸出端OUT1，OUT2，OUT3，OUT4的電平狀態(tài)，為電機(jī)的不同線圈供電。續(xù)流二極管的作用是為電機(jī)從運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)和從順時(shí)針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時(shí)針狀態(tài)時(shí)形成的反向電流提供泄流通路，防止芯片被反向電壓擊穿。在輸出端加濾波電容C1，C2使輸出電壓更穩(wěn)定。

4.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)自轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)時(shí)的通電策略需要通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)了基于C語言的單片機(jī)程序，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制。

5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的合理性，基于MATLAB軟件對電路進(jìn)行了仿真，在SIMULINK環(huán)境下搭建驅(qū)動(dòng)電路模型，并利用脈沖發(fā)生器給電路提供輸入信號，將輸出結(jié)果用示波器顯示。根據(jù)芯片的原理，采用MOS管搭建了L298N芯片的模型，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)器仿真電路如圖8所示。

仿真電路中，電源電壓為12V，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖幅值為＋5V，產(chǎn)生的脈沖作為MOS管的門極信號，控制MOS管的通斷（MOS管壓降設(shè)置為0V）。將6個(gè)脈沖發(fā)生器的信號連到示波器1（圖中Scope1），輸出電壓接到示波器（圖中Scope），用以顯示脈沖信號和輸出電壓的波形。波形如圖9、圖10所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)器仿真電路Fig.8 Simulation of driver circuit

根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)電路的輸出應(yīng)與輸入信號呈線性關(guān)系。設(shè)電源電壓為Vss，管壓降為Uon，輸出為Uo，則:

圖9 脈沖信號波形Fig.9 Pulse signal wave

脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號幅值為5V的寬脈沖，如圖9所示，根據(jù)式（1）可知，輸出端電壓Uo的幅值應(yīng)為12V，相位與脈沖信號相同。經(jīng)仿真得到的輸出波形如圖10所示，輸出波形的相位與脈沖信號相同，幅值為12V，符合預(yù)期結(jié)果。因此，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理正確，結(jié)構(gòu)合理。

圖10 輸出信號波形Fig.10 Output signal wave

6 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化

對所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先使電機(jī)實(shí)現(xiàn)單步自轉(zhuǎn)運(yùn)行，將電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖4a）所示初始位置，按照表2所示通電策略，為定子線圈通電。根據(jù)表中順序，每通電一次，電機(jī)轉(zhuǎn)過60°，按順序通電6次后，電機(jī)轉(zhuǎn)過360°，回到初始位置。驗(yàn)證了通電策略的可行性。隨后驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)自轉(zhuǎn)，同樣按照表2策略通電，電機(jī)轉(zhuǎn)過30°后受永磁體充磁方式影響，存在部分定位力［14－15］，電磁力克服定位力后實(shí)現(xiàn)電機(jī)的全周期驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。據(jù)此可在表2所示的每60°范圍內(nèi)，前30°內(nèi)除表2中通電方式外，給原本不通電的一組線圈通電，極性與該線圈在前一個(gè)60°內(nèi)所加電壓相同。改變后的通電策略見表3。改進(jìn)后的通電策略顯著改善電機(jī)運(yùn)行性能。自轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)一組線圈兩端的電壓實(shí)測波形如圖11所示。

圖11 自轉(zhuǎn)時(shí)相鄰線圈波形ig.11 Voltage waves of adjacent coils when motor rotates

波形中同一時(shí)刻線圈分別為一高一低時(shí)代表線圈得電，同為低電平時(shí)，該組線圈不工作。按照表3中通電策略，電機(jī)的一組線圈在一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)有5/6的時(shí)間通電，1/6的時(shí)間不通電。所得波形中一個(gè)周期內(nèi)有1/6時(shí)間同為低電平，其余時(shí)間均為一高一低，與通電策略相符。由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)存在反電動(dòng)勢，所以得到的電壓波形不平整。

表3 修改后自轉(zhuǎn)時(shí)定子線圈通電策略Tab.3 Modified electrifying strategy of stator coils when motor rotates

將位置檢測功能加上后，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通電策略改為表2中通電順序，電機(jī)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)。位置檢測系統(tǒng)傳感器輸出信號波形如圖12所示，與未加位置檢測模塊時(shí)比較，電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)流暢，電壓波形更平整。

圖12 位置檢測系統(tǒng)輸出電壓波形Fig.12 Output voltage wave of position detecting system

根據(jù)2.2中電機(jī)偏轉(zhuǎn)時(shí)的通電策略，給2，5’線圈通電使得靠近轉(zhuǎn)子的一端為N極，2’，5線圈通電使得靠近轉(zhuǎn)子的一端為S極，電機(jī)沿X軸逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（所加電壓為窄脈沖形式，改變脈沖寬度可控制電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度）。給1，6，1’，6’線圈通電使得靠近轉(zhuǎn)子的一端為N極，3，4，3’，4’線圈通電使得靠近轉(zhuǎn)子的一端為S極，電機(jī)沿Y軸順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

7 結(jié) 語

本文以一種新型永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)式三自由度電機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了適合多自由度運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，電機(jī)具備實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)的功能，從而驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的科學(xué)性和可行性，同時(shí)也證明了電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了借鑒和參考。

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