三維球形電動機位置檢測的研究與發展

    王群京¹，錢喆¹，郭中醒²

(1合肥工業大學，安徽合肥230009；2中國電子科技集團公司第二十一研究所．上海200233)

    摘要：闡述了目前球形電動機位置檢測系統的研究和發展現狀，探討了這種位置檢測系統的研究方向，并提…采用機器視覺的方法來獲取轉子轉動位置，即可以采用視覺傳感器來獲取轉子位置圖像并通過分析計算而得到轉子位置。

    關鍵詞：球形電動機；位置檢測系統；機器視覺；視覺傳感器

    中圖分類號：TM35  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2009)12—0065—05

    

O引  言

    隨著現代工業與科技的不斷發展進步，機器人、機械于等做空間復雜運動的精密機械裝置得到了廣泛的應用，這類裝置往往要完成空間的多維運動。傳統的多維機構是用多個單自由度驅動單元和復雜的機械傳動機構組成。雖然這些裝置能滿足復雜系統的運動控制的要求，但是系統的復雜程度大大增加，而且控制系統的體積龐大、效率低下、響應遲緩、動態性能較差：機械傳動系統的齒輪間隙積累導致整個控制系統的精度下降，甚至影響整個系統的穩定性。這些問題的出現推動了多維電動機的研究與發展，同時計算機技術、電力電子技術的飛速發展和控制理論、電機理論的研究的不斷深入和各種新材料的出現和制造工藝水平的提高，為多維電動機的發展提供堅實的基礎。在國內外出現的各種多自由度電動機中，球形結構電動機占主導地位。目前，國內外提出了多種球形電動機方案，如：Laithaite等提出感應球形電動機^[1]；Lee等提出變磁阻型球形電動機^[2]；哈爾濱工業大學提出的正交圓柱結構艤氣隙共磁鋼三自由度電動機^[3]；華中科技大學黃聲華等提出的雙饋球形電動機^[4]；美國Johns H叩bns大學Gregow s ch試酥an和DaⅥstein等提出永磁球形電動機^[5]。球形電動機可以大大簡化多維運動機構的復雜度，提高響應和定位精度，應用前景廣闊。

    引人多自由度電動機的目的是要實現多自由度的空間運動，從運動學角度看球形結構最有利于多維運動。然而要實現轉子精確定位，反饋控制環節必不可少。對轉子位置的檢測成為實現反饋控制的關鍵技術之一，成為迫切需要解決的問題。然而球形電動機的結構復雜，不同于一般的單自由度電動機。由于電動機結構的限制，常用于單自由電動機的位置檢測方法不能簡單地應用于多自由度電動機。

    本文針對國內外出現的多維球形電動機位置檢測方法加以概述，對其結構和工作原理加以分析，并對我們以前的工作進行簡單介紹。

1多維球形電動機位置檢測研究與發展現狀  

    從目前研究的多維球形電動機來看，各有特點， 結構方面有相類似之處。對三維球形電動機轉子的位置檢測裝置主要有以下四種：    

    (1)滑軌支架測量系統，支架上的三個光電編碼器輸出位置信號；   

    (2)球形轉子表面用黑白兩種顏色編碼，并用展多個光電傳感器接收信號^[6]；    

     (3)通過視覺傳感器獲取轉子圖像,通過分析圖象得到轉子位置^[7];

    (4)雙光學傳感器檢測球形轉子運動的增量通過計算得到轉子的位置^[8-9]。

    其中(1)為接觸式，(2)、(3)、(4)為非接觸式。接觸式測量系統由于轉子與導軌相連接，增加了摩擦阻力，影響轉子的動態響應和定位精度。非接觸式可以避免與轉子相連接，但是測量系統相對較復雜。非接觸式位置測量系統是發展趨勢。

    1991年K0k—Meng Lee等人在以前研究球形電動機的基礎上，進一步發展丫步進型球形電動機的設計思想。在他們所提出的原型中，轉子位置測量裝置采用一套滑軌支架測量系統：該系統包括兩個圓形滑軌支架、一個滑塊和三個旋轉編碼器，如圖1所示。測量系統用三個獨立的增量式光學旋轉編碼器來獲得轉子的位置信息。此裝置為接觸式測量系統，三個獨立的旋轉編碼器安裝在與轉子相連的軌支架上。他們對這種帶有滑軌支架測量系統的電動機進行了運動學分析，并給出了正和逆向運動學求解方法。旋轉編碼器為增量式，電動機轉子位置為編碼器讀數加上一步的轉子位置，所以重新起動時，要存儲起動前