论文摘要：三自由度球形电机多路电流控制器设计和开环控制研究

随着机器人、柔性加工、自动化、MEMS等现代工业技术的发展，越来越多的工作场合需要多自由度驱动装置。可以在一个关节实现三个自由度的运动的球形电机引起了国内外广大学者的广泛关注。球形电机可以绕着三个空间轴线作旋转，它具有结构紧凑、体积小、无需齿轮及传动机构、直接驱动等优点，在多自由度机械系统中，可以替代三个单自由度的传统电机，同时还可以节省复杂的传动机构，从而大大简化机械系统的结构，减少系统的重量和体积，提高系统的运动精度和响应速度，改善系统的动静态性能。本文首先对球形电机控制系统的总体框架进行了设计，提出了由上位机、电流控制器和位置检测装置构成球形电机的控制系统，其中针对多通道、双极性、高精度的电流要求，对电流控制器进行了详细分析，从结构和功能上提出了电流控制器的性能指标。其次，结合球形电机控制系统的结构特点和系统性能指标的要求，提出了一种基于ARM和AD5370的电流控制器的硬件设计方案，并详细介绍了各个功能模块电路的设计原理与功能。再次，本文结合硬件和要实现的功能对上位机软件和下位软件进行了设计。其中在下位机驱动软件分析中，详细介绍了各功能模块子程序以及电流环功能模块的具体实现。对球形电机运动的开环控制进行了研究，分别提出了自旋控制器和倾斜控制器的设计。自旋控制器以步进控制的方式实现了球形电机的自旋运动，根据不同的线圈激励脉冲时序，可以控制球形电机以不同的步距角完成自旋。倾斜控制器是基于球形电机的力矩模型，通过电磁-力矩方程，从转子的位姿和输出转矩，解算出各线圈绕组的激励电流，来实现对球形电机转子的倾斜控制。最后，对电流控制器进行性能实验和球电机开环控制实验。实验结果表明，该电流控制系统可以实时同步的高精度输出多路控制电流，能够克服线圈发热、反电动势等对电流精度的影响，具有长期的电流工作稳定性，能够满足球形电机系统的控制要求。

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