目前，針對(duì)多自由度電機(jī)的結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了廣泛的研究，三自由度電機(jī)作為一種多自由度執(zhí)行元件，其輸出軸的末端能夠在工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)。球形電機(jī)作為三自由度電機(jī)的一種，其控制卻很難實(shí)現(xiàn)真正的三自由度。

    為了實(shí)現(xiàn)球形電機(jī)的三自由度控制，利用基于洛倫茲力球形電機(jī)矢量控制方法，在Matlab平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了該算法，并利用Matlab設(shè)計(jì)了該算法的上位機(jī)程序。同時(shí)完成了球形電機(jī)電流控制器設(shè)計(jì)。
    本文提出的球形電機(jī)控制算法，通過(guò)計(jì)算機(jī)的幫助，完成了電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。
1 基于洛倫茲力矢量控制方法
    南洋理工大學(xué)提出的電機(jī)模型[1-2],其電機(jī)的控制采用洛倫茲力方法，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子有4個(gè)釹鐵硼永磁體,放置在球體轉(zhuǎn)子赤道上，定子由擺放在赤道南北兩側(cè)±11°的兩層線圈組成，每層為間隔均勻的8個(gè)線圈。
    一個(gè)給定的載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)受到的洛倫茲力為：
 

    首先獲得輸出軸初始坐標(biāo)R1和輸出軸期望到達(dá)的坐標(biāo)R2，對(duì)應(yīng)永磁體初始坐標(biāo)P1,和永磁體四周四個(gè)線圈坐標(biāo)，并輸入期望電流的權(quán)值。獲得上述初始化數(shù)據(jù)后，設(shè)置“Caculate”按鈕，輸入完畢后，點(diǎn)擊按鈕執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，函數(shù)檢測(cè)永磁體坐標(biāo)是否越過(guò)4個(gè)線圈所圍成的邊界，否則發(fā)出報(bào)警，在準(zhǔn)確無(wú)誤后依次計(jì)算上述各變量，利用Matlab中很多庫(kù)函數(shù)計(jì)算獲得旋轉(zhuǎn)軸n、球面洛倫茲力切矢量f、旋轉(zhuǎn)角度?茲，和永磁體最終旋轉(zhuǎn)到坐標(biāo)的P2位置。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

    下位機(jī)要通過(guò)D/A芯片產(chǎn)生電壓控制輸出電流，因此在上位機(jī)內(nèi)直接將所需電流計(jì)算成D/A芯片的控制字寫入下位機(jī)。在獲得線圈電流后，電樞線圈的電流值作為全局變量傳遞給后一個(gè)函數(shù)“Operate”,該回調(diào)函數(shù)執(zhí)行將上述電流轉(zhuǎn)換為各個(gè)電流的控制字，利用Matlab中串口通信函數(shù)serial傳遞給下位機(jī)[5]。下位機(jī)DSP通過(guò)RS232接口電路獲得上位機(jī)按順序來(lái)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制字完成控制?！?br/>3 球形電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)
    球形電機(jī)控制器的作用是使各個(gè)電流矢量產(chǎn)生的洛倫茲力在空間上形成的合力方向是球面的切矢量，轉(zhuǎn)子上永磁體運(yùn)動(dòng)將沿著切矢量的軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。切矢量的計(jì)算由上述上位機(jī)程序獲得,因此球形電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)即是雙極性電流源的設(shè)計(jì)。
    DAC7714是一款四通道雙極性12位高精度D/A轉(zhuǎn)換器，通過(guò)DAC輸出電壓。利用其4通道特性可以獨(dú)立輸出4路不同的電壓，由典型接法可得其輸出電壓范圍為-5~5 V。DSP通過(guò)MAX232接收上位機(jī)發(fā)送的DAC7714的控制字，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送控制字時(shí)，DSP進(jìn)入中斷,接收控制字并組合。通過(guò)SPI接口發(fā)送到DAC7714中，DAC7714產(chǎn)生4個(gè)獨(dú)立的電壓，并通過(guò)V-I轉(zhuǎn)換電路，變換成對(duì)應(yīng)的電流，從而達(dá)到控制一個(gè)永磁體四周的4個(gè)電樞線圈產(chǎn)生的洛倫茲力，DAC7714的控制電路和V-I轉(zhuǎn)換電路如圖4、圖5所示[6]。

    通過(guò)提出的基于洛倫茲力的球形電機(jī)矢量控制原理，利用Matlab強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算功能，完成了空間洛倫茲力矢量計(jì)算。通過(guò)RS232通信方式，完成了球形電機(jī)控制器的上位機(jī)和下位機(jī)通信。下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)很好地完成了需求的雙極性電流控制，線性度良好。結(jié)合上位機(jī)的空間洛倫茲力計(jì)算，使球形電機(jī)的控制得到很大發(fā)展。
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