三维球形电动机位置检测的研究与发展

    王群京¹，钱喆¹，郭中醒²

(1合肥工业大学，安徽合肥230009；2中国电子科技集团公司第二十一研究所．上海200233)

    摘要：阐述了目前球形电动机位置检测系统的研究和发展现状，探讨了这种位置检测系统的研究方向，并提…采用机器视觉的方法来获取转子转动位置，即可以采用视觉传感器来获取转子位置图像并通过分析计算而得到转子位置。

    关键词：球形电动机；位置检测系统；机器视觉；视觉传感器

    中图分类号：TM35  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2009)12—0065—05

    

O引  言

    随着现代工业与科技的不断发展进步，机器人、机械于等做空间复杂运动的精密机械装置得到了广泛的应用，这类装置往往要完成空间的多维运动。传统的多维机构是用多个单自由度驱动单元和复杂的机械传动机构组成。虽然这些装置能满足复杂系统的运动控制的要求，但是系统的复杂程度大大增加，而且控制系统的体积庞大、效率低下、响应迟缓、动态性能较差：机械传动系统的齿轮间隙积累导致整个控制系统的精度下降，甚至影响整个系统的稳定性。这些问题的出现推动了多维电动机的研究与发展，同时计算机技术、电力电子技术的飞速发展和控制理论、电机理论的研究的不断深入和各种新材料的出现和制造工艺水平的提高，为多维电动机的发展提供坚实的基础。在国内外出现的各种多自由度电动机中，球形结构电动机占主导地位。目前，国内外提出了多种球形电动机方案，如：Laithaite等提出感应球形电动机^[1]；Lee等提出变磁阻型球形电动机^[2]；哈尔滨工业大学提出的正交圆柱结构舣气隙共磁钢三自由度电动机^[3]；华中科技大学黄声华等提出的双馈球形电动机^[4]；美国Johns H叩bns大学Gregow s ch试酥an和DaⅥstein等提出永磁球形电动机^[5]。球形电动机可以大大简化多维运动机构的复杂度，提高响应和定位精度，应用前景广阔。

    引人多自由度电动机的目的是要实现多自由度的空间运动，从运动学角度看球形结构最有利于多维运动。然而要实现转子精确定位，反馈控制环节必不可少。对转子位置的检测成为实现反馈控制的关键技术之一，成为迫切需要解决的问题。然而球形电动机的结构复杂，不同于一般的单自由度电动机。由于电动机结构的限制，常用于单自由电动机的位置检测方法不能简单地应用于多自由度电动机。

    本文针对国内外出现的多维球形电动机位置检测方法加以概述，对其结构和工作原理加以分析，并对我们以前的工作进行简单介绍。

1多维球形电动机位置检测研究与发展现状  

    从目前研究的多维球形电动机来看，各有特点， 结构方面有相类似之处。对三维球形电动机转子的位置检测装置主要有以下四种：    

    (1)滑轨支架测量系统，支架上的三个光电编码器输出位置信号；   

    (2)球形转子表面用黑白两种颜色编码，并用展多个光电传感器接收信号^[6]；    

     (3)通过视觉传感器获取转子图像,通过分析图象得到转子位置^[7];

    (4)双光学传感器检测球形转子运动的增量通过计算得到转子的位置^[8-9]。

    其中(1)为接触式，(2)、(3)、(4)为非接触式。接触式测量系统由于转子与导轨相连接，增加了摩擦阻力，影响转子的动态响应和定位精度。非接触式可以避免与转子相连接，但是测量系统相对较复杂。非接触式位置测量系统是发展趋势。

    1991年K0k—Meng Lee等人在以前研究球形电动机的基础上，进一步发展丫步进型球形电动机的设计思想。在他们所提出的原型中，转子位置测量装置采用一套滑轨支架测量系统：该系统包括两个圆形滑轨支架、一个滑块和三个旋转编码器，如图1所示。测量系统用三个独立的增量式光学旋转编码器来获得转子的位置信息。此装置为接触式测量系统，三个独立的旋转编码器安装在与转子相连的轨支架上。他们对这种带有滑轨支架测量系统的电动机进行了运动学分析，并给出了正和逆向运动学求解方法。旋转编码器为增量式，电动机转子位置为编码器读数加上一步的转子位置，所以重新起动时，要存储起动前