三自由度球型電機檢測系統研究

方愿捷

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

三自由度球型電機檢測系統研究

方愿捷

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

三自由度球型電機的檢測技術是三自由度電機控制的重要技術，文章針對三自由度球型電機的檢測技術，分析了三自由度電機的姿態檢測、轉速檢測和轉矩檢測的方法。利用MEMS六軸傳感器MPU6050的加速度、角速度和角度測量，完成對電機的檢測系統研究，并設計了基于Labview的三自由度電機檢測系統平臺實物，通過MATLAB對傳感器測量數據計算，驗證了間接檢測的有效性。

三自由度球型電機；MEMS六軸傳感器；檢測系統；間接測量

1 引言

球型電機作為一個多自由度執行機構，能實現在空間中實現多于一個自由度的運動。可以極大地簡化各類機械結構。針對不同結構類型其相應不同的結構對應不同控制策略也應運而生[1-4]，然而，球型電機因其結構空間延展性，其控制策略必須基于姿態檢測。目前針對球型電機的檢測方法研究得到廣泛的發展。如合肥工業大學提出了將球型電機的轉子表面進行噴涂，用視覺傳感器對轉子進行位置檢測[5]，北京航天航空大學設計了以被動球關節作為檢測機構的檢測裝置，內置了傾角傳感器和光電編碼器[6-7]。新加坡南洋理工大學設計了以萬向關節的檢測方法。

三自由度球型電機的控制策略實際應以轉子姿態為基礎條件。為了實現精準的控制，轉速閉環和轉矩閉環可能被應用于控制系統中，這對電機的檢測提出新的要求，結合捷聯慣導技術和多傳感器融合技術，對球型三自由度電機的檢測方法的研究迫在眉睫。

2 三自由度球型電機檢測原理

三由度球型電機的運行與常規電機不同，通常意義上，三自由度球型電機在空間具備三個自由度，如圖1所示轉子與定子之間一般均為球型，并且定子不限制轉子的空間轉動，即轉子繞著某一指定軸做空間運動。三自由度球型電機不同控制策略對應的軌跡，其轉動慣量也相同，本文研究的檢測原理是基于過球心大圓軌跡下的運動[8-9]。

2.1 三自由度球型電機姿態檢測

圖1 三自由度球型電機示意圖

方向余弦陣在捷聯慣導中廣泛被作為姿態矩陣使用[10]。三自由度球型電機的俯仰角、滾轉角和偏航角與捷聯慣導系統中的俯仰角、滾轉角和偏航角一致，因此需要對電機的姿態進行檢測。球型電機假設繞x軸α角度，繞y軸β角度，繞z軸γ角度。方向余弦陣可以記為，表達式為A0r：

在獲得該轉子的姿態陣后，轉子相對定子的姿態將被計算出，定子坐標系中的數據可以被折算到轉子中，轉子中一些參量如某些點的位置與空間矢量間的相對位置可以獲得，使得三自由度電機的姿態控制得以成為可能。

2.2 三自由度球型電機轉速測算

三自由度球型電機的檢測除去姿態檢測外，在對電機的轉速做閉環控制時，位置姿態檢測無法進行轉速檢測，三自由度球型電機的空間運行不確定性，傳統轉速檢測方法失效。三自由度球型電機的運動可以分解為三個正交方向的轉速，可以通過對三個正交方向x軸、y軸、z軸上轉速的合成來完成合成的轉速測速。

三個正交轉速應為三個正交姿態角的微分，

合成角速度為

則三自由度球型電機轉子轉速應為

2.3 三自由度球型電機轉矩測算

在三自由度球型電機運動過程中，三自由度電機的轉矩可以通過檢測加速度信號來間接獲得轉矩值，由于電機運動軌跡是過球心的大圓軌跡，其旋轉軸也將過轉子球心。

1）對轉子球體作如下假設：

2）假設轉子球體均勻；

3）忽略輸出軸的質量；

假設負載轉矩在轉動過程中不發生變化，且負載轉矩已知；

在球體坐標系中（x，y，z）處，取一微元，dV=dxdydx，球體的轉動慣量J[11]

式中M為球體質量，R為球體半徑，ρ為球體密度。

根據運動平衡方程式：

三自由度球型電機轉子的轉動慣量由公式（4）計算出，通過測量球體轉動時的角加速度和負載轉矩，由公式（6）即可獲得電機轉矩。

3 MEMS六軸傳感器姿態檢測

捷聯慣導系統的姿態矩陣求解一般采用MEMS的六軸傳感器來檢測，通過確定載體坐標系和導航坐標系之間的空間轉動。捷聯慣導系統原理圖如圖2所示[10][12]。

圖2 捷聯慣導工作原理圖

MEMS六軸傳感器通常包括，加速度計與陀螺儀傳感器輸出的數據經過姿態矩陣求解獲得空間姿態的解，姿態解結果通常用俯仰角、橫滾角、偏航角表示。 MEMS六軸傳感器獲得數據包含加速度、角速度、姿態解輸出的角度數據以及溫度補償數據。解得空間轉動的數據傳遞到上位機中在MATLAB中的數據顯示如圖3所示。

圖3 MEMS六軸傳感器數據檢測曲線

由上節系統分析，MEMS六軸傳感器能夠測量加速度、角速度、以及通過姿態解輸出姿態角，在檢測系統中，姿態角用于三自由度球型電機的姿態檢測，角速度用于三自由度球型電機轉速檢測，加速度用于三自由度球型電機轉矩檢測。檢測系統如圖4所示，對轉子球體底端（球體南極）或在轉子輸出端的（球體北極）安裝MEMS六軸傳感器。MEMS六軸傳感器將檢測到的轉子角加速度、角速度和姿態角通過串行異步通訊的方式，發送出去，通過USB轉TTL電路將數據送到上位機的COM口中，由上位機將獲得數據進行處理。

圖4 檢測系統硬件框圖

4 上位機軟件設計

在三自由度電機檢測系統中，上位機使用Labview軟件進行檢測，上位機通過COM口的訪問MEMS六軸傳感器，上位機軟件通過訪問MEMS六軸傳感器數據將數據獲取至計算機中。

三自由度電機檢測系統中，軟件應包括姿態檢測，轉速檢測和轉矩檢測，檢測過程應符合三自由度電機檢測原理。上位機軟件流程圖如圖5所示。在初始化串口后，上位機按順序接收MEMS六軸傳感器的角加速度、角速度和姿態角的位置信號，分別算出姿態陣、電機轉速以及電機轉矩。上位機界面如圖6所示。

圖5 上位機軟件流程圖

圖6 上位機界面

5 實驗結果測試

三自由度電機檢測系統如圖7所示，球型轉子的南極安置上了MEMS六軸傳感器MPU6050，為了避免轉子運動過程中接線纏繞，在轉子接線處安置了導電環。

對MPU6050測得信號進行數據處理。對應輸出曲線如圖8所示。由角速度獲得的轉速曲線以及由角加速度獲得轉矩曲線，在轉矩計算中，TL取15N·m，轉動慣量J取5。檢測系統的姿態角可以直接由MPU6050的姿態解直接取得。

圖7 檢測平臺實物圖

圖8 傳感器采集數據處理

6 結論

本文通過Labview訪問MEMS六軸傳感器MPU605的輸出角度、角速度和角加速度信號來分別實現三自由度電機轉速、轉矩和姿態檢測。檢測模型固定，必須使得轉子的運動必須經過大圓軌跡。檢測數據將應用于三自由度電機的閉環控制方法。采用單個傳感器實現多個檢測量的輸出，實現了系統的簡化。

此類檢測系統僅限于定子靜止狀態的控制，如若定子也做空間運動，姿態角檢測以及轉速檢測等方法均會失效。

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A RESEARCH ON 3-DOF SPHERICAL ACTUATOR DETECTION SYSTEM

FANG Yuan-jie
（Chaohu College,Chaohu Anhui 238000）

The detection technology of the 3-DOF spherical actuator is the key technology of the 3-DOF control system.This paper analyzes the attitude detection,speed detection and torque detection methods of 3-DOF actuator for the detection technology of the 3-DOF spherical actuator.By using the acceleration,angular velocity and the angel measurement of MEMS sixaxis sensor MPU6050,a study is done on 3-DOF actuator detection system.And a real platform for the 3-DOF spherical actuator detection system is designed based on Labview.The calculation of the sensor data based on the MATLAB verifies the effectiveness of indirect detection.

3-DOF spherical actuator；MEMS six-axis senor；Detection system；Indirect measurement

TP23

A

1672－2868（2016）06－0060－07

責任編輯：楊松水 校對：袁宗文

2016－10－15

安徽省省級高校自然科學研究重點項目（項目編號：KJ2014A173）；安徽工程大學安徽省電氣傳動與控制重點實驗室開放研究基金

方愿捷（1988-），男，安徽蕪湖人。巢湖學院機械與電子工程學院，助教。研究方向：控制理論與控制工程。