目前，针对多自由度电机的结构已进行了广泛的研究，三自由度电机作为一种多自由度执行元件，其输出轴的末端能够在工作空间内实现多自由度运动。球形电机作为三自由度电机的一种，其控制却很难实现真正的三自由度。

    为了实现球形电机的三自由度控制，利用基于洛伦兹力球形电机矢量控制方法，在Matlab平台上实现了该算法，并利用Matlab设计了该算法的上位机程序。同时完成了球形电机电流控制器设计。
    本文提出的球形电机控制算法，通过计算机的帮助，完成了电机控制器的设计。
1 基于洛伦兹力矢量控制方法
    南洋理工大学提出的电机模型[1-2],其电机的控制采用洛伦兹力方法，结构如图1所示。该电机的转子有4个钕铁硼永磁体,放置在球体转子赤道上，定子由摆放在赤道南北两侧±11°的两层线圈组成，每层为间隔均匀的8个线圈。
    一个给定的载流导体在磁场内受到的洛伦兹力为：
 

    首先获得输出轴初始坐标R1和输出轴期望到达的坐标R2，对应永磁体初始坐标P1,和永磁体四周四个线圈坐标，并输入期望电流的权值。获得上述初始化数据后，设置“Caculate”按钮，输入完毕后，点击按钮执行回调函数，函数检测永磁体坐标是否越过4个线圈所围成的边界，否则发出报警，在准确无误后依次计算上述各变量，利用Matlab中很多库函数计算获得旋转轴n、球面洛伦兹力切矢量f、旋转角度?兹，和永磁体最终旋转到坐标的P2位置。系统流程图如图3所示。

    下位机要通过D/A芯片产生电压控制输出电流，因此在上位机内直接将所需电流计算成D/A芯片的控制字写入下位机。在获得线圈电流后，电枢线圈的电流值作为全局变量传递给后一个函数“Operate”,该回调函数执行将上述电流转换为各个电流的控制字，利用Matlab中串口通信函数serial传递给下位机[5]。下位机DSP通过RS232接口电路获得上位机按顺序来发送过来的控制字完成控制。　
3 球形电机控制器硬件设计
    球形电机控制器的作用是使各个电流矢量产生的洛伦兹力在空间上形成的合力方向是球面的切矢量，转子上永磁体运动将沿着切矢量的轨迹进行旋转。切矢量的计算由上述上位机程序获得,因此球形电机控制器的硬件设计即是双极性电流源的设计。
    DAC7714是一款四通道双极性12位高精度D/A转换器，通过DAC输出电压。利用其4通道特性可以独立输出4路不同的电压，由典型接法可得其输出电压范围为-5~5 V。DSP通过MAX232接收上位机发送的DAC7714的控制字，当上位机发送控制字时，DSP进入中断,接收控制字并组合。通过SPI接口发送到DAC7714中，DAC7714产生4个独立的电压，并通过V-I转换电路，变换成对应的电流，从而达到控制一个永磁体四周的4个电枢线圈产生的洛伦兹力，DAC7714的控制电路和V-I转换电路如图4、图5所示[6]。

    通过提出的基于洛伦兹力的球形电机矢量控制原理，利用Matlab强大的浮点计算功能，完成了空间洛伦兹力矢量计算。通过RS232通信方式，完成了球形电机控制器的上位机和下位机通信。下位机的硬件设计很好地完成了需求的双极性电流控制，线性度良好。结合上位机的空间洛伦兹力计算，使球形电机的控制得到很大发展。
参考文献
[1] LIM C K， Yan Liang，CHEN I  M. Mechanical design & numerical electromagnetic analysis  of a DC sperical actuator[C].  Conference on Robotics,Singapore  Automation and Mechatronics, 2004.
[2] LIM C K, CHEN I M.Electromechanical of a modeling permanent magnet spherical actuator based on magneticdipole-moment principle[J].IEEE Transaction On Idustrial Elecronic,2009,5(56):1640-1648.
[3] 雍爱霞，王群京，倪有源.基于四元数组的球形永磁步进电机控制研究[J].微电机，2006, 39(9):33-37.
[4] 刘俊峰.三维转动的四元数表述[J].大学物理，2004，23(4):40-43.
[5] 韩志平.陈钟荣.Matlab 环境下电机检测数据的串行通信与处理[J]. 计算机工程,2007,15(33)243-245.
[6] 寇金桥.陈伟海.于守谦.球形电机电流控制器设计[J].计算机测量与控制，2005，13(8):790-792.