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行元件，其輸出軸的末端能夠在工作空間內實現多自由度運動。球形電機作為三自由度電機的一種，其控制卻很難實現真正的三自由度。

    為了實現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。獲得上述初始化數據后，設置“Caculate”按鈕，輸入完畢后，點擊按鈕執行回調函數，函數檢測永磁體坐標是否越過4個線圈所圍成的邊界，否則發出報警，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。系統流程圖如圖3所示。

    下位機要通過D/A芯片產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“Operate”,該回調函數執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送過來的控制字完成控制。　
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接收上位機發送的DAC7714的控制字，當上位機發送控制字時，DSP進入中斷,接收控制字并組合。通過SPI接口發送到DAC7714中，DAC7714產生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展。
參考文獻
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