【摘要】：三自由度球形電機(jī)因其多自由度運(yùn)動特性,在空間運(yùn)動應(yīng)用場合中有著良好的應(yīng)用前景。其優(yōu)異的空間運(yùn)動性能給三自由度球形電機(jī)的參量變換、檢測方法、控制系統(tǒng)等在單自由度電機(jī)中常用經(jīng)典方法帶來新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)三自由度球形電機(jī)的坐標(biāo)分析中,假設(shè)定子坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系統(tǒng)一并約束為靜止坐標(biāo)系,此種假設(shè)在三自由度球形電機(jī)本體做空間運(yùn)動過程存在一定局限性。本文在坐標(biāo)分析的基礎(chǔ)上消除假設(shè)限制,綜合三自由度球形電機(jī)實(shí)際情形,研究廣義三自由度球形電機(jī)坐標(biāo)變換與位置檢測系統(tǒng)。本文通過對國內(nèi)外各類三自由度球形電機(jī)的檢測結(jié)構(gòu)、方法等進(jìn)行總結(jié)歸納,重新構(gòu)建三自由度球形電機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng),將定子坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系分離,并定義定子(及定子坐標(biāo)系)可以完成空間三自由度運(yùn)動。在新的坐標(biāo)系統(tǒng)定義下,提出了基于四元數(shù)方法的三自由度球形電機(jī)相對坐標(biāo)變換方法,并對三自由度球形電機(jī)的傳統(tǒng)坐標(biāo)變換、相對坐標(biāo)變換的方向余弦陣方法進(jìn)行對比與仿真分析。在定子做空間運(yùn)動時(shí),三自由度球形電機(jī)傳統(tǒng)坐標(biāo)變換方法無效,同時(shí)相對坐標(biāo)變換在假設(shè)定子靜止時(shí)仍然有效。并簡單分析與驗(yàn)證了相對坐標(biāo)變換的基本性質(zhì)。基于相對坐標(biāo)變換的基本思路,設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子檢測傳輸模塊、定子檢測融合模塊分別安置在三自由度球形電機(jī)的轉(zhuǎn)、定子球體上,轉(zhuǎn)子檢測傳輸模塊實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子姿態(tài)檢測,并通過模塊內(nèi)的Zigbee通訊模塊發(fā)送出去;定子檢測融合模塊實(shí)現(xiàn)對定子姿態(tài)檢測,并接受來自轉(zhuǎn)子姿態(tài)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行相對坐標(biāo)變換的計(jì)算,并完成相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)。其中四元數(shù)的相對坐標(biāo)變換算法借助MATLAB語言實(shí)現(xiàn)函數(shù)編寫;借助Labview軟件,實(shí)現(xiàn)下位機(jī)數(shù)據(jù)讀取與預(yù)處理,并通過嵌入MATLAB腳本,實(shí)現(xiàn)相對坐標(biāo)變換并獲得轉(zhuǎn)、定子特定點(diǎn)的位置,完成構(gòu)建三自由度球形電機(jī)相對位置檢測系統(tǒng)。通過傳感器檢測獲得轉(zhuǎn)子姿態(tài)數(shù)據(jù),使用MATLAB軟件對三自由度球形電機(jī)相對坐標(biāo)變換算法進(jìn)行驗(yàn)證與對比,驗(yàn)證了相對坐標(biāo)變換的正確性�；跈z測系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調(diào)試,上位機(jī)界面中直觀的顯示變換后的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了三自由度球形電機(jī)相對坐標(biāo)變換算法包含了傳統(tǒng)坐標(biāo)變換算法,可以有效地應(yīng)用于三自由度球形電機(jī)空間運(yùn)動情景。
【學(xué)位授予單位】：安徽工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM30
【圖文】：

球形電機(jī)的位置姿態(tài)。逡逑（ａ）雙滑軌轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)邐（ｂ）單滑軌轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)逡逑圖１－１滑軌支架檢測系統(tǒng)逡逑美國Ｊｏｈｎｓ邋Ｈｏｐｋｉｎｓ大學(xué)的Ｇｒｅｇｏｒｙ邋Ｓ邋Ｃｈｉｒｉｋｊｉａｎ等學(xué)者在轉(zhuǎn)子球體上安置永逡逑磁體磁極，定子外殼上安置空心線圈，研制了一種可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動的永磁式球逡逑形電機(jī)。文獻(xiàn)［１４］中在定子上設(shè)計(jì)了光電傳感器對球形轉(zhuǎn)子的顏色信號進(jìn)行構(gòu)建逡逑信號向量，實(shí)現(xiàn)球形電機(jī)位置檢測。文獻(xiàn)［１２］［１５］中Ｈａｒｒｙ邋Ｇａｍｅｒ等學(xué)者對轉(zhuǎn)子逡逑球面進(jìn)行網(wǎng)格式劃分，并在不同的網(wǎng)格中以不同顏色進(jìn)行噴涂，如圖１－３所示。逡逑通過視覺傳感器對網(wǎng)格噴涂信息進(jìn)行辨識與特征提取。計(jì)算并確定轉(zhuǎn)子具體位置。逡逑圖１－２光電傳感器與轉(zhuǎn)子球面顏色劃分逡逑２逡逑

逡逑圖１－３轉(zhuǎn)子球面網(wǎng)格劃分逡逑文獻(xiàn)［１６］［１７］中設(shè)計(jì)了雙光學(xué)傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測方法，如圖１－４所示，兩逡逑個(gè)光學(xué)傳感器分別以高刷新頻率對轉(zhuǎn)子球體運(yùn)動過程的變化量進(jìn)行量測。借助傳逡逑感器空間位置信息，最終可以計(jì)算累積得到轉(zhuǎn)子位姿信息與當(dāng)前角速度、角加速逡逑度信息。文獻(xiàn)中分析了轉(zhuǎn)子分辨率影響，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，給出傳感器與轉(zhuǎn)子球逡逑面最佳距離。逡逑－轉(zhuǎn)了．球面逡逑圖１－４雙光學(xué)傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)逡逑１．２．２國內(nèi)球形電機(jī)檢測技術(shù)現(xiàn)狀逡逑國內(nèi)學(xué)者通過對轉(zhuǎn)子球面噴圖編碼對永磁球形電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方法展開逡逑了一系列研宄［１８＿２１］。華中理工學(xué)院、合肥工業(yè)大學(xué)［２（）－２１］、北京航空航天大學(xué)逡逑［２２－２５］、天津大學(xué)［２６＿２８］都對球形電機(jī)做了一系列探索，極大推動了球形電機(jī)的發(fā)展。逡逑（１）轉(zhuǎn)子編碼噴涂檢測方法逡逑文獻(xiàn)以美國Ｇｒｅｇｏｒｙ邋Ｓ．邋Ｃｈｉｒｉｋｊ邋ｉａｎ等人提出的永磁步進(jìn)球形電機(jī)為模型，如逡逑圖１－５所示，對球形轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行隨機(jī)編碼噴圖，在１６個(gè)球形定子線圈上安置９６逡逑個(gè)光電傳感器進(jìn)行位置檢測，９６個(gè)光電傳感器的輸出構(gòu)成了９６維狀態(tài)向量，利用逡逑啟發(fā)式搜索

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本文編號：2725594