专利名称：开关磁阻式磁悬浮球形主动关节的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种工程中广泛使用的具有支承驱动功能的关 节系统，属于电磁技术领域。
背景技术：
球形关节在机器人及机械手，乃至多坐标机械加工中心、航大飞行器、 电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、医疗器械、摄像操作台、全景 摄影操作台、搅拌机、移动机构的万向轮、球形阀、球形泵等具有多个运 动自由度的设备中具有广泛的应用前景。关节系统包括驱动器、传动器和 控制器，厲干机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环 节，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。关节的驱动方式主要 有1)由液动机、伺服阀、油泵及油箱等组成的液压伺服驱动系统；2) 由气缸、气阀、气罐和空压机组成的气压伺服驱动系统；3)采用伺服电 机、减速传动装置等组成的电气伺服驱动系统。从机器人关节的应用现状 可知，目前机器人关节通常采用电机加减速机构驱动方式。大多数关节为 多自由度关节，而多自由度关节的运动是通过几个关节通过连杆连接利用 甲移和旋转运动协调运动产生的，往往需要采用多套单自由度的驱动机构 以及复杂的机械传动机构来完成。这样将导致结构复杂，体积庞大，关节 摩擦面磨损严重，效率低下，制造安装非常困难，运动空间范围小，响应 迟缓，动态性能较差。而且机械传动系统误差的累计导致整个控制系统的 精度下降，甚至影响系统的稳定性
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有关节存在的上述问题，基于磁悬浮技术 和电机技术，提供一种机械集成度高、结构简单、无摩擦、无磨损，精度 高和动态性能好，具有可以绕过定点空间轴旋转的多自由度的开关磁阻式 磁悬浮球形主动关节。
本实用新型的目的是这样实现的，开关磁阻式磁悬浮球形主动关节， 包括底座、关节本体(磁悬浮球形磁阻式电机)、转动臂、检测控制系统， 其特征是所述的关节本体设有定子及绕组和球形转子，底座与定子固定为 一体，定子内部形状为一开口的球形内表面，球形转子与转动臂固定为一 体，转动臂通过定子开口处伸向外端；定子的球形内表面与转子的球形外 表面之间在二者同心时存在一定的气隙(间隙)，在定子上布置有至少2 个电磁铁夹持机构和若干检测转子位置和运动速度的传感器;所述的检测 控制系统设有DSP数字控制器、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传 感器、信号处理电路。
所述的定子的球形内表面为开有沟槽的球形内包络面，沟槽将整个球 形内表面分为几何形状相同的微小单元面的定子凸极，平行于以球心为坐 标原点的各三维坐标平面的沟槽内，分别设有主绕组和副绕组。
所述的球形转子的球形外表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整 个球形外表面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极。
所述的电磁铁夹持机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁构成。关 节不工作时在弹簧力作用下处于夹持状态，关节工作时在电磁力作用下处 于松开状态。
检测控制系统，由传感器不断地检测转子的位置姿态(径向位移和切 向位移)，经过信号处理电路处理后由DSP数字控制器进行A/D转换和 控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM控制信号控制开关功率放大器和逆变器，使经过稳压整流的电 源提供给定子绕组的电流，随PWM脉冲信号变化而调节支承转子的悬浮 磁力和驱动球形转子转动的电磁转矩，以支承球形转子稳定悬浮并驱动转
子按给定指令转动。DSP数字控制器用来完成对关节转子姿态位置、速
度的釆样及实时计算，对关节转子姿态位置和速度及关节定子绕组电流的
控制，以及产生PWM控制波实现机电能量转换支承关节转子悬浮并旋转。
定子绕组的主绕组用于产生旋转转矩，副绕组形成的磁场与主绕组形 成的磁场相互叠加产生作用于球形转子上的径向力，使得转子实现悬浮， 以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动。
本实用新型综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现球形关节的悬浮支 承并驱动关节转动。关节工作过程中，由传感器不断地检测转子的位置姿 态(径向位移和切向位移)，并对所检测信号进行调制、放大、解调、滤
波等信号处理，将处理的转子位置姿态信号由DSP数字控制器进行A/D 转换并与指令信号比较，以及做控制算法的运算，转换为控制悬浮和控制 旋转的两组PWM脉冲控制信号，去控制各自的逆变器，使经过稳压整流 的电源电流随PWM脉冲信号变化，分别调节关节电机定子的主绕组产生 的电磁转矩以及副绕组产生的电磁径向悬浮磁力，以控制关节转子稳定悬 浮并按照所给定的角位移或角速度指令旋转。
本实用新型结构简单、紧凑，关节的球形转子与定子之间实现无摩擦、 无磨损，动态性能好，响应速度快。
图1是本实用新型的结构示意图2是本实用新型的外形结构示意图；图3是本实用新型的定子和转子部位的截面示意图； 图4是本实用新型的定子和转子工作原理示意图中l螺栓，2转动臂，3球形转子，4气隙，5定子，6传感器，7
传感器支架，8电磁铁夹持机构，9底座，IO固定套，ll沟槽，12传感 器，13螺钉，14转子沟槽，15球形转子托架，16传感器，17连接螺钉， 18定子凸极，19副绕组，20主绕组，21转子凸极，22a方向左气隙，23
方向右气隙，24主绕组磁通，25副绕组磁通。
具体实施方式
如图1、图2、图3、所示，开关磁阻式磁悬浮球形主动关节，由底 座9、关节本休(或称磁悬浮球形磁阻式电机)、转动臂2和检测控制系 统等构成，关节本体有定f 5及绕组和球形转子3，底座9与定子5固定 为一体，定子5内部形状为一开口的球形内表面，球形内表面为开有沟槽 的球形内包络面，沟槽将整个球形内表面分为几何形状相同的微小单元面 构成定子凸极18，平行于以球心为坐标原点的各三维坐标平面的沟槽11 内，分别设有主绕组20和副绕组19。球形转子3的球形外表面开有相互 垂直且连续的沟槽，沟槽将整个球形外表面分为几何形状相同的微小单元 面构成转子凸极21。球形转子3与转动臂2固定为一体，转动臂2通过 定子开口处伸向外端。定子5的球形内表面与转子的球形外表面之间在二 者同心时存在一定的气隙(间隙)，在定子上布置至少2个电磁铁夹持机 构8和检测转子位置和运动速度的传感器6、 12、 16。检测控制系统设置 有DSP数字控制器、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器6、 12、 16，信号处理电路。电磁铁夹持机构8由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔 铁组成。关节不工作时在弹簧力作用下处于夹持状态，关节工作时在电磁 力作用下处于松开状态。如图3、图4所示，定子采用集中绕组，每个定子凸极18上均有主
绕组20和副绕组19，主绕组20随周向按定子凸极顺序循环布置A、 B、 C三相绕组，并将同相绕组串联在一起，各相绕组中的电流分别为/,、 /fi、 /(.，对某相绕组通电将产生该相的主绕组磁通24。图中以A相为例，四 个正对凸极上的主绕组20串联形成A相主绕组(左右相邻的四个正对凸 极上的主绕组串联形成C相和B相主绕组)，对各主绕组各相按某种通断 电状态方式控制，根据磁阻电机工作原理，球形转子将在该坐标平面内转 动；副绕组19叠加在主绕组20上，分为"绕组和p绕组，通常"与/ 相 互垂直，a绕组是由"方向上两个正对定子凸极上的副绕组串联而成，" 绕组是由/ 方向两个正对定子凸极上的副绕组串联而成，并随定子凸极位 置变化而旋转。在A相主绕组上叠加的"绕组和"绕组上的电流分别为 和/m，在B相主绕组上叠加的"绕组和^绕组上的电流分别为^和^， 在C相主绕组L:叠加的《绕组和-绕组上的电流分别为/f.a和"，副绕组 通电将产生副绕组磁通。当主绕组通入电流"时，如果转子朝以定子为中 心的《轴的负方向移动，则气隙的磁通分布会变得不均匀，左边气隙22 长度减小而磁拉力增大，右边气隙23长度增加而磁拉力减小，这时将产 生沿"轴负方向的径向力，为了平衡这个力，给"方向的副绕组19通入 正向电流Z,。，此时右边气隙23的磁通密度会加强，这是因为在气隙23 处《轴方向—匕的副绕组磁通12和主绕组磁通24的方向是一致的。与此相 反，左边气隙22磁通密度减小，因为此时气隙22处"轴方向上的副绕组 磁通12和主绕组磁通24的方向是相反的，这样迭加磁场就会在"轴方向 上产生一个作用于转子的径向力F。另一方面，只要在"方向的副绕组中 通入负的电流^，就会在"轴的方向上产生一个反方向的径向力。此外， 在方向的副绕组中通入电流,m就可以在"方向上产生 一 个径向力。因此，只需调节"和f方向L的电流大小与方向，就可以产生任何方向的径 向力，并且可以任意调节其大小。B相和C相绕组及其副绕组产生电磁 转矩与径向悬浮力的原理与A相相同。
磁悬浮球形主动关节的工作过程:如图2所示，关节处于停机状态时，
由电磁铁夹持机构8中在弹簧力的作用下，将关节球形转子3的姿态锁定
于平衡位置。关节处于无转悬浮时，向磁悬浮主动关节系统给定各方向的 转子在平衡位置时的径向悬浮指令信号和角位移指令信号，同时电磁铁夹
持机构8衔铁在电磁力的作用下，松开球形转子3。指令信号与传感器6、 12、 16检测的转子姿态位置信号由DSP数字控制器进行比较和控制算法 的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM 悬浮控制信号控制逆变器使经过稳压整流的电源提供给定子副绕组11的 电流，随PWM脉冲信号变化而调节支承转子3的悬浮磁力，PWM旋转 控制信号控制逆变器使经过稳压整流的电源提供给定子主绕组11的电流 随，PWM脉冲信号变化而调节转子的磁力矩以平衡抵抗外界干扰力矩， 在悬浮磁力和磁力矩综合作用下将球形转子3控制在夹持状态时的姿态， 以达到球形转子不旋转的稳定悬浮；关节悬浮转动时，关节在不旋转的稳 定悬浮基础上，输入沿某个转动自由度方向的角位移和转速指令信号，经 数字控制器进行信号调节后输出PWM旋转控制信号，去调节控制逆变器 的各功率晶体管，使经过稳压整流电路整流的直流电源由逆变器按照 PWM脉冲控制信号规律向关节主绕组供电，以产生电磁转矩驱动转子按 所给指令要求旋转。
8
权利要求1、一种开关磁阻式磁悬浮球形主动关节，包括底座、关节本体、转动臂、检测控制系统，其特征是所述的关节本体设有定子及绕组和球形转子，底座与定子固定为一体，定子内部形状为一开口的球形内表面，球形转子与转动臂固定为一体，转动臂通过定子开口处伸向外端，定子的球形内表面与转子的球形外表面之间在二者同心时存在一定的气隙，在定子上布置有至少2个电磁铁夹持机构和若干检测转子位置和运动速度的传感器；所述的检测控制系统设有DSP数字控制器、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路。
2、 根据权利要求1所述的开关磁阻式磁悬浮球形主动关节，其特征 是所述的定子的球形内表面为开有沟槽的球形内包络面，沟槽将整个球 形内表面分为几何形状相同的微小单元面的定子凸极，平行于以球心为 坐标原点的各三维坐标平面的沟槽内，分别设有主绕组和副绕组。
3、 根据权利要求1所述的开关磁阻式磁悬浮球形主动关节，其特征 是所述的球形转子的球形外表面开有相互垂直且连续的沟槽，沟槽将整 个球形外表面分为几何形状相同的微小单元面的转子凸极。
4、 根据权利要求1所述的开关磁阻式磁悬浮球形主动关节，其特征 是所述的电磁铁夹持机构由电磁铁铁芯、线圈绕组、夹持衔铁构成。
专利摘要开关磁阻式磁悬浮球形主动关节，属于机电一体化技术领域。包括底座、关节本体、转动臂、检测控制系统，关节本体设有定子及绕组和球形转子，底座与定子固定为一体，定子内部形状为一开口的球形内表面，球形转子与转动臂固定为一体，转动臂通过定子开口处伸向外端。定子的球形内表面与转子的球形外表面之间在二者同心时存在一定的气隙，在定子上布置有至少2个电磁铁夹持机构和若干检测转子位置和运动速度的传感器；所述的检测控制系统设有DSP数字控制器、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器、信号处理电路。本实用新型结构简单、紧凑，关节的球形转子与定子之间实现无摩擦、无磨损，动态性能好，响应速度快。
文档编号H02N15/00GK201383777SQ20092004044
公开日2010年1月13日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者丹 张, 励 曾, 王张合 申请人:扬州大学