三自由度球形电机相对坐标变换与检测关键技术研究

发布时间：2020-06-22 11:07

【摘要】：三自由度球形电机因其多自由度运动特性,在空间运动应用场合中有着良好的应用前景。其优异的空间运动性能给三自由度球形电机的参量变换、检测方法、控制系统等在单自由度电机中常用经典方法带来新的挑战。传统三自由度球形电机的坐标分析中,假设定子坐标系与地面坐标系统一并约束为静止坐标系,此种假设在三自由度球形电机本体做空间运动过程存在一定局限性。本文在坐标分析的基础上消除假设限制,综合三自由度球形电机实际情形,研究广义三自由度球形电机坐标变换与位置检测系统。本文通过对国内外各类三自由度球形电机的检测结构、方法等进行总结归纳,重新构建三自由度球形电机坐标系统,将定子坐标系与地面坐标系分离,并定义定子(及定子坐标系)可以完成空间三自由度运动。在新的坐标系统定义下,提出了基于四元数方法的三自由度球形电机相对坐标变换方法,并对三自由度球形电机的传统坐标变换、相对坐标变换的方向余弦阵方法进行对比与仿真分析。在定子做空间运动时,三自由度球形电机传统坐标变换方法无效,同时相对坐标变换在假设定子静止时仍然有效。并简单分析与验证了相对坐标变换的基本性质。基于相对坐标变换的基本思路,设计了转子检测传输模块、定子检测融合模块分别安置在三自由度球形电机的转、定子球体上,转子检测传输模块实现对转子姿态检测,并通过模块内的Zigbee通讯模块发送出去;定子检测融合模块实现对定子姿态检测,并接受来自转子姿态数据,并将数据发送给上位机进行相对坐标变换的计算,并完成相应的软硬件设计。其中四元数的相对坐标变换算法借助MATLAB语言实现函数编写;借助Labview软件,实现下位机数据读取与预处理,并通过嵌入MATLAB脚本,实现相对坐标变换并获得转、定子特定点的位置,完成构建三自由度球形电机相对位置检测系统。通过传感器检测获得转子姿态数据,使用MATLAB软件对三自由度球形电机相对坐标变换算法进行验证与对比,验证了相对坐标变换的正确性。基于检测系统的软硬件联合调试,上位机界面中直观的显示变换后的结果。实验结果验证了三自由度球形电机相对坐标变换算法包含了传统坐标变换算法,可以有效地应用于三自由度球形电机空间运动情景。
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM30
【图文】：

球形电机的位置姿态。逡逑（ａ）双滑轨转子位置检测系统逦（ｂ）单滑轨转子位置检测系统逡逑图１－１滑轨支架检测系统逡逑美国Ｊｏｈｎｓ邋Ｈｏｐｋｉｎｓ大学的Ｇｒｅｇｏｒｙ邋Ｓ邋Ｃｈｉｒｉｋｊｉａｎ等学者在转子球体上安置永逡逑磁体磁极，定子外壳上安置空心线圈，研制了一种可以实现步进运动的永磁式球逡逑形电机。文献［１４］中在定子上设计了光电传感器对球形转子的颜色信号进行构建逡逑信号向量，实现球形电机位置检测。文献［１２］［１５］中Ｈａｒｒｙ邋Ｇａｍｅｒ等学者对转子逡逑球面进行网格式划分，并在不同的网格中以不同颜色进行喷涂，如图１－３所示。逡逑通过视觉传感器对网格喷涂信息进行辨识与特征提取。计算并确定转子具体位置。逡逑图１－２光电传感器与转子球面颜色划分逡逑２逡逑

逡逑图１－３转子球面网格划分逡逑文献［１６］［１７］中设计了双光学传感器的转子位置检测方法，如图１－４所示，两逡逑个光学传感器分别以高刷新频率对转子球体运动过程的变化量进行量测。借助传逡逑感器空间位置信息，最终可以计算累积得到转子位姿信息与当前角速度、角加速逡逑度信息。文献中分析了转子分辨率影响，最终实验结果中，给出传感器与转子球逡逑面最佳距离。逡逑－转了．球面逡逑图１－４双光学传感器转子位置检测系统逡逑１．２．２国内球形电机检测技术现状逡逑国内学者通过对转子球面喷图编码对永磁球形电机转子位置检测方法展开逡逑了一系列研宄［１８＿２１］。华中理工学院、合肥工业大学［２（）－２１］、北京航空航天大学逡逑［２２－２５］、天津大学［２６＿２８］都对球形电机做了一系列探索，极大推动了球形电机的发展。逡逑（１）转子编码喷涂检测方法逡逑文献以美国Ｇｒｅｇｏｒｙ邋Ｓ．邋Ｃｈｉｒｉｋｊ邋ｉａｎ等人提出的永磁步进球形电机为模型，如逡逑图１－５所示，对球形转子表面进行随机编码喷图，在１６个球形定子线圈上安置９６逡逑个光电传感器进行位置检测，９６个光电传感器的输出构成了９６维状态向量，利用逡逑启发式搜索

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本文编号：2725594