基于三自由度球型电机的相对坐标变换算法及检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及球型电机相对位置检测，尤其涉及的是基于三自由度球型电机的相对 坐标变换算法及检测系统。
【背景技术】
[0002] 常规电机一般只具有一个自由度，使得在空间中做多自由度运动往往需要多个常 规电机进行配合运作。球型电机因其结构特殊性，使其具备多自由度运动的能力。当一个 具备多自由度的球型电机搭载在一个机械关节处，能够有效的简化机械结构。目前，针对多 自由度电机的研究已经在各个领域中展开，提出了具备三自由度的超声波电机，日本产业 技术综合研究所提出了基于多面体划分的永磁直流球型电机，新加坡南洋理工大学提出的 直流永磁球型电机。
[0003] 各类球型电机的控制方法因其结构不同而异，而多自由度球型电机究其结构的多 样性，其转子与定子的形状均脱离不出球型的范畴，因此多自由度球型电机的坐标变换具 有一定的普适意义。坐标变换在捷联惯导系统中已经得到广泛应用。球型电机的坐标变换 大多参照捷联惯导中类似的坐标变换提出的，一般都是转子坐标系相对于固有坐标系，而 多自由度球型电机的一般都是用于各类球型关节，传统的绝对坐标变换难以给球型电机投 入运用带来实质性进展。
[0004] 球型电机因其结构空间延展性，其姿态检测影响电机的控制策略。针对球型电机 目前针对球型电机的检测方法研究在国内外已经得到广泛的开展。如合肥工业大学提出了 将球型电机的转子表面进行喷涂，用视觉传感器对转子进行位置检测，北京航天航空大学 设计了以被动球关节作为检测机构的检测装置，内置了倾角传感器和光电编码器。新加坡 南洋理工大学设计了以万向关节的检测方法。目前，基于球型电机的检测方法均以转子相 对于大地坐标系的绝对位置检测，这种绝对位置检测给球型电机的应用于空间关节处带来 困难。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了基于三自由度球型电机的相对坐 标变换算法及检测系统。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：基于三自由度球型电机的相对相对坐标变 换算法，定子、转子上对应安装姿态检测装置，对定子、转子姿态进行分别检测，包括如下步 骤：
[0007] (1)定子姿态检测传感器检测三自由度球型电机定子坐标系Rs相对于地面坐标系 R。的定子转动欧拉角，获得方向余弦阵4丨；
[0008] (2)转子姿态检测传感器检测三自由度球型电机转子坐标系&相对于地面坐标系 私的转子转动欧拉角，获得方向余弦阵;
[0009] (3)将定子线圈在定子坐标系Rs中的位置转换到转子坐标系L中，在转子坐标系 内定子线圈和转子永磁体之间的位置满足：鳥=4巧，其中，4 =CUT1。
[0010] 作为上述方案的进一步优化，地面坐标系R。绕x轴旋转角度a，绕y轴旋转角度 0，绕z轴旋转y得到定子坐标系Rs，且满足：爲.=，_
[0011 ]其中，4 =怂⑷(r)，
[0012]
[0013] 作为上述方案的进一步优化，地面坐标系R。绕x轴旋转角9，绕y轴旋转角度<i>， 绕z轴旋转it得到定子坐标系艮，且满足：鳥_=4J為
[0016] 作为上述方案的进一步优化，方向余弦阵的矩阵行列式为1，可逆，且
[0019] 作为上述方案的进一步优化，将馬KA：)-1愚代入氧=磚鳥，得： 尺,=(4'(4;)丨)尺。
[0020] 一种球型电机相对位置检测系统，包括上位机、微处理器和定子检测陀螺仪和转 子检测陀螺仪，所述转子陀螺仪固定在球型电机的输出轴顶端，所述定子陀螺仪安装在球 型电机的底座上，所述定子检测陀螺仪和所述转子检测陀螺仪的信号输出端与所述微处理 器的信号输入端连接。
[0021] 作为上述方案的进一步优化，定子检测陀螺仪对空间旋转角度检测，输出经过姿 态解后，输出三个定子欧拉角，三个定子欧拉角旋转顺序遵循x-y-z的旋转顺序，建立定子 旋转方向余弦阵Rs;
[0022] 转子检测陀螺仪对空间旋转角度检测，输出经过姿态解后，输出三个转子欧拉角， 三个转子欧拉角旋转顺序遵循x-y-z的旋转顺序，建立转子旋转方向余弦阵艮；
[0023] DSP28335微处理器芯片读取所述定子检测陀螺仪和所述转子检测陀螺仪数据信 号，并经数据信号进行滤波处理，并将检测陀螺仪和所述转子检测陀螺仪数据信号上传给 上位机；
[0024] 上位机基于相对坐标变换算法，将接受到的转子陀螺仪求得姿态解数据填入矩阵 4，定子陀螺仪求得姿态解数据旋转角度填入矩阵(4疒，由公式式=次弋计算球型电机 的相对位置变换矩阵4=4(4r1，得到转子球体的位置姿态相对于定子位置姿态。
[0025] 作为上述方案的进一步优化，所述定子检测陀螺仪和所述转子检测陀螺仪均为三 轴陀螺仪MPU6050,所述微处理器包括DSP28335微处理器芯片及其外围电路，DSP28335微 处理器芯片通过串口SCIA、串口SCIB对应与定子检测陀螺仪、转子检测陀螺仪电性连接。
[0026]与已有技术相比，本发明的基于三自由度球型电机的相对坐标变换算法的有益效 果体现在：
[0027] 1、本发明的基于三自由度球型电机的相对坐标变换算法在球型电机领域内，在使 用洛伦兹力控制球型电机时候，必须获得电机的定子上线圈和转子永磁体的位置，通过检 测定子坐标系Rs相对于地面坐标系Rc的定子转动欧拉角，获得方向余弦阵式。以及转子坐 标系&相对于地面坐标系Rc的转子转动欧拉角，获得方向余弦阵4，将定子线圈在定子坐 标系Rs中的位置转换到转子坐标系L中。在转子坐标系内计算定子线圈和转子永磁体之 间的位置。
[0028] 2、相对于绝对位置检测系统，三自由度球型电机的应用被固定在水平位置上，采 用相对位置检测系统，三自由度球型电机广泛的应用于空间中的任意位置例如空间运作的 机械臂中替代机械关节。
[0029] 3、当三自由度球型电机被安置在空间任一位置时，在直流永磁球型电机的矢量控 制中，电机的洛伦兹力矢量必须计算出转子永磁体和定子线圈之间的距离，当在空间任一 位置时，传统只针对球型电机转子位置进行检测的方式时，只能知道球型电机转子的永磁 体的位置，无法明确获得电机定子上线圈的空间位置。无法获得转子永磁体与定子线圈之 间的距离。传统的检测方式无法正常操作球型电机工作。采用相对位置检测系统能够通过 定子、转子姿态检测传感器获得，定子、转子，在空间中旋转的欧拉角，解算出转子坐标系相 对于定子坐标系的相对表换矩阵。通过已知转子上固着的永磁体位置和定子上固着的线 圈，能解得转子永磁体和定子线圈之间距离关系，给矢量控制在空间中带来应用。
【附图说明】
[0030] 图1是三自由度球型电机内坐标系的示意图。
[0031] 图2是实施例一的单坐标系变换示意图。
[0032] 图3是实施例二的相对坐标系变换示意图。
[0033] 图4是实施例二的相对坐标系变换不意图。
[0034] 图5是本发明的基于三自由度球型电机的相对位置检测系统的检测装置的安装 结构示意图。
[0035]图6是本发明的基于三自由度球型电机的相对位置检测系统的结构结构框图。
【具体实施方式】
[0036] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0037] 三自由度球型电机与常规电机一样由定子与转子组成，常规电机的转子只能绕着 其固定的输出轴旋转向外输出电机转矩，而球型电机并无固定的旋转轴。其旋转轴通常都 是虚构的，而非实际存在的。其输出轴给外部机构输出转矩。结构如图1所示，当球型电机 转子绕某一指定轴旋转时，转子相对与定子的位置会发生改变，该变化量将影响到三自由 度球型电机的控制策略。由三自由度球型电机结构可知，三自由度球型电机的转定子相对 坐标变换时，通常需要建立三个坐标系，分别为定子坐标系、转子坐标系和地面坐标系三个 基本坐标系。参见图1，图1是三自由度球型电机内坐标系的示意图。
[0038] 地面坐标系为笛卡尔坐标系，为固有坐标系。符合右手螺旋规则，由三个正交的轴 X，y, z轴组成，记为坐标系R。，该坐标系为地面为基准的坐标系，是参考坐标系，所有的坐标 系能够直接测量获得的方向余弦阵都相对于该坐标系。
[0039] 定子坐标系固着于球型电机定子上，以定子球心为原点，三个正交轴xs，ys，zs轴组 成，zs由定子球心指向定子球体北极。定子是相对于转子不动的，定子坐标系随着定子运动 而运动，因此定子坐标系并非一个固定坐标系。定子坐标系记为Rs。
[0040] 转子坐标系固着于球型电机转子上，以转子球型为原点，三个正交轴I，％轴组 成，％由转子球心指向转子输出轴。球型电机输出力矩、洛伦兹力、空间电压都应该折算到 该坐标系中，转子坐标系随着电机运动而运动，因此转子坐标系为一动坐标系。转子坐标系 记为艮。
[0041 ] 基于三自由度球型电机的相对坐标变换算法，包括如下步骤：
[0042] (1)通过定子姿态检测传感器检测获得定子相对于地面坐标系的转动欧拉角，定 子坐标系Rs相对于地面坐标系Rc的定子转动欧拉角，获得方向余弦阵名：
[0043] 地面坐标系R。绕x轴旋转角度a，绕y轴旋转角度0，绕z轴旋转y得到定子 坐标系Rs，且满足：^, = 4;凡，<