永磁轉子偏轉式三自由度電機驅動系統(tǒng)設計

李 爭，杜 浦，李 平，馬海心，李博宇

（河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018）

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，機器人、機械手等在空間實現(xiàn)復雜運動的裝置在生產生活中的應用日趨廣泛。這些裝置大多需要實現(xiàn)空間內的多自由度運動?，F(xiàn)有的裝置依靠多個單自由度電機組合實現(xiàn)多自由度的運動，系統(tǒng)結構復雜，體積龐大，并且級聯(lián)傳動機構的誤差會影響設備的精密度［1－2］。因此，可實現(xiàn)多自由度運動的永磁電機受到廣泛的關注［3－5］。驅動系統(tǒng)是電機得以正常工作的重要環(huán)節(jié)，對多自由度電機驅動系統(tǒng)的研究和設計隨著多自由度電機的發(fā)展而提上日程。本文針對永磁轉子偏轉式三自由度電機設計了由控制電路、功率放大電路、位置檢測電路組成的驅動系統(tǒng)并進行了分析和實驗驗證。

1 永磁轉子偏轉式三自由度電機的結構與工作原理

永磁轉子偏轉式三自由度電機如圖1所示，轉子由永磁材料釹鐵硼制成，轉子磁極數(shù)量為4極。定子線圈為上下雙層結構，磁極數(shù)量為6極。電機主要參數(shù)如表1所示。為敘述方便，對定子線圈做了如圖1a）所示的標記。電機的工作原理是以通電線圈產生的磁場與永磁體磁場之間的相互作用為基礎的［6－8］。電機繞X軸偏轉時，給標號為2，5’的線圈加載使其產生N極的電流，給標號為2’，5的線圈加載使其產生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’與轉子之間電磁力的合力驅動轉子繞X軸偏轉。圖1b）所示為轉子繞X軸偏轉的截面圖。

圖1 電機結構及其繞X軸偏轉示意圖Fig.1 Deflection－type motion around the Xaxis

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

由圖1可知，給標號為3，4，1’，6’的線圈加載使其產生S極的電流，給標號為3’，4’，1，6的線圈加載使其產生N極的電流，合力可驅動轉子繞Y軸偏轉，如圖2所示。

圖2 電機繞Y軸旋轉示意圖Fig.2 Deflection－type motion around the Yaxis

電機自轉時，給標號為1，1’，4，4’的線圈加載使其產生S極的電流，給標號為3，3’，6，6’的線圈加載使其產生N極的電流，線圈產生的N極磁極對轉子的N極有切向推力，對轉子S極有切向拉力；線圈產生的S極磁極對轉子的N極有切向拉力，對轉子S極有切向推力，合力驅動轉子繞Z軸旋轉，如圖3所示。

圖3 電機繞Z軸旋轉示意圖Fig.3 Deflection－type motion around the Zaxis

2 定子線圈通電策略的理論推導

由原理分析可知，電機自轉和偏轉時對流過定子線圈的電流要求是不同的，所以對應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和偏轉兩部分介紹。

2.1 電機自轉時的通電策略

電機自轉時，需要定子線圈產生旋轉磁場推動轉子旋轉。假定圖4a）為初始位置。要使轉子順時針旋轉，標號為1，4，1’，4’的線圈通電后靠近轉子一側產生的磁極應為N極，標號為3，6，3’，6’的線圈通電后靠近轉子一側產生的磁極應為S極，標號為2，5，2’，5’的線圈不通電。按此方式通電后，電機將轉過60°（機械角度，下同）。旋轉后位置如圖4b）所示。轉過60°后，需改變通電方式。標號為3，6，3’，6’的線圈通電后靠近轉子一側產生的磁極應為N極，標號為2，5，2’，5’的線圈通電后靠近轉子一側產生的磁極應為S極，標號為1，4，1’，4’的線圈不通電。按更改后的方式通電，電機將再轉過60°。旋轉后位置如圖4c）所示。以此類推可得到使轉子旋轉一周的通電策略，如表2所示。

圖4 電機自轉轉子位置俯視圖Fig.4 Top view of rotor position when motor rotates

表2 自轉時定子線圈通電策略Tab.2 Electrifying strategy of stator coils when motor rotates

2.2 電機偏轉時的通電策略

電機偏轉時，需要定子線圈產生偏轉磁場推動轉子偏轉。如圖1所示，電機繞X軸逆時針偏轉時，應給標號為2，5，2’，5’的線圈通電，使得2，5’線圈靠近轉子一端為N極，2’，5線圈靠近轉子一端為S極。電機繞X軸順時針偏轉時，應給標號為2，5，2’，5’的線圈通電，使得2，5’線圈靠近轉子一端為S極，2’，5線圈靠近轉子一端為N極。如圖2所示，電機繞Y軸逆時針偏轉時，應給標號為1，3，4，6，1’，3’，4’，6’的線圈通電，使得1，6，1’，6’線圈靠近轉子一端為N極，3，4，3’，4’線圈靠近轉子一端為S極。電機繞Y軸順時針偏轉時，應給標號為1，3，4，6，1’，3’，4’，6’的線圈通電，使得1，6，1’，6’線圈靠近轉子一端為S極，3，4，3’，4’線圈靠近轉子一端為N極。

3 位置檢測模塊

3.1 轉子位置檢測的原理

為了實現(xiàn)轉子位置的檢測，采用由3個霍爾傳感器檢測轉子磁場的方法［4］。所用霍爾傳感器型號為3144。當轉子轉動時，傳感器檢測到磁場信號，將磁場的變化轉化為電壓信號，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的轉子的極性，進而得到轉子所處的位置?；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 轉子位置檢測傳感器的位置

根據(jù)霍爾傳感器檢測轉子位置的原理，并且相鄰極靴之間磁場幾乎為零，設計將3個傳感器分別放在定子線圈對應極靴之間的縫隙處，即傳感器1放置在線圈1，6對應的極靴縫隙處，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換成電壓信號，輸出高低電平。當傳感器對應轉子的N極時，輸出電壓為高電平；當對應轉子的S極時，輸出電壓為低電平。傳感器將電壓信號傳送到單片機，再通過串口模塊傳送到上位機，并根據(jù)所編寫的程序，對數(shù)字信號進行計算處理。

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

4 驅動系統(tǒng)的設計

4.1 控制電路

驅動系統(tǒng)的控制電路以STC12C5A60S2單片機為主控芯片，輔以時鐘電路，復位電路和鍵盤電路，實現(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，驅動能力弱，不能達到驅動電機的要求，所以需要功率放大電路來實現(xiàn)對電機的有效驅動。電路采用7塊L298N芯片對控制電路I/O接口輸出的信號進行放大，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起到開關作用，通過單片機傳送的信號（IN1，IN2，IN3，IN4）控制芯片輸出端OUT1，OUT2，OUT3，OUT4的電平狀態(tài)，為電機的不同線圈供電。續(xù)流二極管的作用是為電機從運行狀態(tài)突然轉換到停止狀態(tài)和從順時針狀態(tài)突然轉換到逆時針狀態(tài)時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 驅動系統(tǒng)的軟件設計

電機自轉和偏轉時的通電策略需要通過軟件設計來實現(xiàn)，本文設計了基于C語言的單片機程序，以實現(xiàn)對電機運動的控制。

5 驅動系統(tǒng)的仿真

為了驗證所設計驅動電路的合理性，基于MATLAB軟件對電路進行了仿真，在SIMULINK環(huán)境下搭建驅動電路模型，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，構成驅動電路。驅動器仿真電路如圖8所示。

仿真電路中，電源電壓為12V，脈沖發(fā)生器產生的脈沖幅值為＋5V，產生的脈沖作為MOS管的門極信號，控制MOS管的通斷（MOS管壓降設置為0V）。將6個脈沖發(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 驅動器仿真電路Fig.8 Simulation of driver circuit

根據(jù)驅動器的設計要求，驅動電路的輸出應與輸入信號呈線性關系。設電源電壓為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的幅值應為12V，相位與脈沖信號相同。經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，符合預期結果。因此，所設計的驅動系統(tǒng)原理正確，結構合理。

圖10 輸出信號波形Fig.10 Output signal wave

6 驅動系統(tǒng)的實驗與優(yōu)化

對所設計的驅動系統(tǒng)進行了實驗驗證。首先使電機實現(xiàn)單步自轉運行，將電機轉子轉到圖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，電機轉過60°，按順序通電6次后，電機轉過360°，回到初始位置。驗證了通電策略的可行性。隨后驅動電機實現(xiàn)連續(xù)自轉，同樣按照表2策略通電，電機轉過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現(xiàn)電機的全周期驅動運行。據(jù)此可在表2所示的每60°范圍內，前30°內除表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60°內所加電壓相同。改變后的通電策略見表3。改進后的通電策略顯著改善電機運行性能。自轉過程中，電機一組線圈兩端的電壓實測波形如圖11所示。

圖11 自轉時相鄰線圈波形ig.11 Voltage waves of adjacent coils when motor rotates

波形中同一時刻線圈分別為一高一低時代表線圈得電，同為低電平時，該組線圈不工作。按照表3中通電策略，電機的一組線圈在一個周期內應有5/6的時間通電，1/6的時間不通電。所得波形中一個周期內有1/6時間同為低電平，其余時間均為一高一低，與通電策略相符。由于電機旋轉時存在反電動勢，所以得到的電壓波形不平整。

表3 修改后自轉時定子線圈通電策略Tab.3 Modified electrifying strategy of stator coils when motor rotates

將位置檢測功能加上后，重新進行實驗，通電策略改為表2中通電順序，電機實現(xiàn)自轉。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比較，電機運行更平穩(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中電機偏轉時的通電策略，給2，5’線圈通電使得靠近轉子的一端為N極，2’，5線圈通電使得靠近轉子的一端為S極，電機沿X軸逆時針偏轉（所加電壓為窄脈沖形式，改變脈沖寬度可控制電機偏轉角度）。給1，6，1’，6’線圈通電使得靠近轉子的一端為N極，3，4，3’，4’線圈通電使得靠近轉子的一端為S極，電機沿Y軸順時針偏轉。

7 結 語

本文以一種新型永磁轉子偏轉式三自由度電機為基礎，設計了適合多自由度運動的驅動系統(tǒng)，通過驅動實驗，電機具備實現(xiàn)三自由度運動的功能，從而驗證了所設計驅動系統(tǒng)的科學性和可行性，同時也證明了電機結構設計的合理性，為進一步的設計優(yōu)化提供了借鑒和參考。

［1］ 李爭，王群京.永磁多維球形電動機的研究與發(fā)展現(xiàn)狀［J］.微特電機，2006，33（10）:7－11.

LI Zheng，WANG Qunjing.The present research and development situation of permanent magnet spherical motor of multidimensions［J］.Small and Special Electrical Machines，2006，33（10）:7－11.

［2］ 吳立建.稀土永磁球形電動機的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2004.

WU Lijian.Study of Permanent Magnetic Spherical Motor［D］.Hefei:Hefei University of Technology，2004.

［3］ LEE K M，SON Hungson.Distributed multipole models for design and control of PM actuators and sensors［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2008，13（2）:228－238.

［4］ DAVID S，EDWARD R S，GREGORY S C.Mathematical models of binary spherical－motion encoders［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2003，8（2）:234－244.

［5］ DEHEZ B，GALARY G，GRENIER D，et al.Development of a spherical induction motor with two degrees of freedom［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2006，42（8）:2077－2089.

［6］ 李爭，張玥，王群京，等.永磁轉子偏轉式三自由度電機磁場磁場解析建模與分析［J］.中國電機工程學報，2013，33（sup1）:219－225.

LI Zheng，ZHANG Yue，WANG Qunjing，et al.Analytical modeling and analysis of magnetic field for a novel 3－DOF deflection type PM motor［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33（sup1）:219－225.

［7］ 李爭，郭智虎，張玥.新型永磁轉子偏轉式三自由度電機磁場特性分析［J］.河北科技大學學報，2012，33（5）:423－428.

LI Zheng，GUO Zhihu，ZHANG Yue.Magnetic field analysis of a 3－DOF deflection type PM motor［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2012，33（5）:423－428.

［8］ 李爭，邢殿輝，乜瑋，等.永磁轉子偏轉式三自由度電機熱特性分析［J］.河北科技大學學報，2015，33（6）:278－285.

LI Zheng，XING Dianhui，MIE Wei，et al.Thermal characteristics analysis of a novel 3－DOF deflection type PM motor［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，33（6）:278－285.

［9］ 郭智虎.永磁轉子偏轉式三自由度電機的基礎研究［D］.石家莊:河北科技大學，2013.

GUO Zhihu.Basic Research of a Novel 3－DOF Deflection Type PM Motor［D］.Shijiazhuang:Hebei University of Science and Technology，2013.

［10］王詠濤.一種新型永磁球形多自由度電機的研究［D］.石家莊:河北科技大學，2011.

WANG Yongtao.Research of a New Type of PM Spherical M－DOP Motor［D］.Shijiazhuang:Hebei University of Science and Technology，2011.

［11］夏鯤.新型仿人機器人關節(jié)用永磁球形步進電機控制算法及驅動研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2007.

XIA Kun.Research on Control Algorithm and Driver of a Novel Permanent Magnet Spherical Stepper Motor for Humanoid Robot Joint Applications［D］.Hefei:Hefei University of Technolog，2004

［12］LI Zheng.Robust control of PM spherical stepper motor based on neural networks［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（8）:2945－2954.

［13］XIA Changliang，GUO Chen，SHI Tingna.A neural network identifier and fuzzy controller based algorithm for dynamic decoupling control of permanenmagnet spherical motor［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（8）:2868－2878.

［14］秦偉，范瑜，李碩，等.電磁電動式磁懸浮裝置的磁場分析和力特性研究［J］.電機與控制學報，2012，16（1）:67－71.

QIN Wei，F(xiàn)AN Yu，LI Shuo，et al.Characteristic and magnetic field analysis of electro－magnetic eletro－dynamic levitation device［J］.Electric Machine and Control，2012，16（1）:67－71.

［15］劉承軍，張輝，鄒繼斌.永磁同步電機齒槽定位力矩補償［J］.電工技術學報，2007，22（7）:131－135.

LIU Chengjun，ZHANG Hui，ZHOU Jibin.Compensation for the cogging torque of permanent magnet synchronous motors［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22（7）:131－135.