具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

本发明主要是设计了一种针对多自由度球形电机驱动控制装置。所述装置将主控制器和触摸屏取代现有的PC主控站和控制模块，主控制器采用STM32F407处理器。

请参阅图1，示出本发明的第一方面是提供一种多自由度球形电机驱动控制装置的方案1，主要包括电源、主控制器、驱动模块和触摸屏，其中：

电源，与驱动模块和触摸屏连接，为驱动模块和触摸屏提供直流电压信号；

具有外接蓝牙模块的主控制器，与位置传感器以及触摸屏连接，通过蓝牙模块得到并输出多自由度球形电机输出轴的位置信息，从而输出控制力矩值以及多自由度球形电机所有定子线圈需要的电流值信息；

驱动模块，与主控制器连接，接收并输出所有定子线圈需要的电流值信息，驱动多自由度球形电机运动；

触摸屏，与主控制器连接，接收并显示多自由度球形电机输出轴位置信息、控制力矩信息以及多自由度球形电机所有定子线圈需要的电流值信息。

具体地，所述主控制器与触摸屏通过ModBus通讯协议进行通讯。

具体地，所述主控制器通过蓝牙模块以无线通信的方式获得位置传感器的数据并进行解码得到对应的位置、速度、加速度值。

具体地，所述主控制器，根据位置传感器发送的多自由度球形电机输出轴的位置信息，获得多自由度球形电机控制力矩。

具体地，所述主控制器，根据多自由度球形电机控制力矩特性矩阵，获得多自由度球形电机所有定子线圈需要的电流矩阵。

具体地，将所述电流值信息包装成与驱动模块相同协议的数据包，通过主控制器上的串口1发送给驱动模块，驱动模块输出对应电流值给多自由度球形电机定子线圈。

具体地，所述主控制器，接收并解析位置传感器发送的数据包，获得多自由度球形电机输出轴的位置信息。

具体地，通过所述主控制器上的Key_up按键控制蓝牙模块与位置传感器的连接和断开。

具体地，通过所述主控制器上的Key_0按键控制校准位置传感器的指令的发送；通过所述主控制器上的Key_1按键控制电流信息是否发送给驱动模块。

请参阅图2，示出本发明第二方面提出的一种多自由度球形电机驱动控制装置的方案2，本发明中主控制器通过蓝牙模块得到并输出多自由度球形电机输出轴的位置信息，触摸屏接受并显示所述位置信息。用户在触摸屏界面中输入所有定子线圈需要的电流值信息并输出给主控制器，主控制器再通过串口1将所述电流值信息发送给驱动模块，驱动模块输出对应电流值给多自由度球形电机定子线圈。

续请参阅图2，进一步介绍本发明的第二方面，一种多自由度球形电机驱动控制装置的技术方案主要包括电源、主控制器、驱动模块和触摸屏，其中：

电源，与驱动模块和触摸屏连接，为驱动模块和触摸屏提供直流电压信号；

具有外接蓝牙模块的主控制器，与位置传感器以及触摸屏连接，通过蓝牙模块得到并输出多自由度球形电机输出轴的位置信息，并通过触摸屏得到并输出多自由度球形电机所有定子线圈需要的电流值信息；

驱动模块，与主控制器连接，接收并输出所有定子线圈需要的电流值信息，驱动多自由度球形电机运动；

触摸屏，与主控制器连接，接收并显示多自由度球形电机输出轴位置信息；用户可以通过触摸屏输出所有定子线圈通入电流值信息，所述电流值信息是电流的大小、方向以及通断状态。

具体地，所述主控制器与触摸屏通过ModBus通讯协议进行通讯。

具体地，所述主控制器通过蓝牙模块以无线通信的方式获得位置传感器的数据并进行解码得到对应的位置、速度、加速度值。

具体地，将所述电流值信息包装成与驱动模块相同协议的数据包，通过主控制器上的串口1发送给驱动模块，驱动模块输出对应电流值给多自由度球形电机定子线圈。

具体地，所述主控制器，接收并解析位置传感器发送的数据包，获得多自由度球形电机输出轴的位置信息。

具体地，通过所述主控制器上的Key_up按键控制蓝牙模块与位置传感器的连接和断开。

具体地，通过所述主控制器上的Key_0按键控制校准位置传感器的指令的发送；通过所述主控制器上的Key_1按键控制电流信息是否发送给驱动模块。

续请参阅图1和图2，进一步对本发明做详细说明：所述主控制器上外接蓝牙模块，所述蓝牙模块采用ATK-HC05蓝牙2.0模块，通过无线传输的方式接收位置传感器发送的位置信息，再结合主控制器设定的位置信息，通过主控制器中驱动控制算法，计算得出多自由度球形电机所需控制力矩值，继而通过控制力矩特性矩阵求解出多自由度球形电机所有定子线圈需要的电流值信息，再经过串口1发送给驱动模块，驱动模块接受到电流指令后给多自由度球形电机的定子线圈通电，从而实现多自由度球形电机的运动。主控制器使用串口2与触摸屏进行RS485通讯，触摸屏显示多自由度球形电机输出轴实时的位置信息、控制力矩信息、电流值信息等。所述电源为直流电源，提供直流电压信号。利用主控制器中驱动控制算法计算电流大小。

续请参阅图1、图2、图3以及图4，以下详述本发明的一种多自由度球形电机驱动控制装置在整个系统中工作原理：

如图3，本发明主控制器使用功能原理简图示出：串口1、串口2、串口3、供电口、LCD屏、RS485接口、Key_up按键、Key_0按键、Key_1按键，LED、程序下载、ATK-HC05。所述蓝牙模块采用型号为ATK-HC05蓝牙模块，所述程序下载是使用ST-LINKV2仿真器下载。所述供电口是采用电源适配器进行供电，输出直流电压。

如图4，本发明一种多自由度球形电机驱动控制装置工作原理图，其中包括：用户、位置传感器、主控制器、触摸屏、驱动模块、多自由度球形电机，下面描述多自由度球形电机驱动控制装置工作原理：用户去操作触摸屏与主控制器，开发板上外接有蓝牙模块。用户通过主控制器上的Key_up按键可以控制蓝牙模块与位置传感器的连接或断开、Key_0按键发送校准位置传感器位置的指令以及Key_1按键控制通过串口1将电流信息发送给驱动模块，主控制器上的LCD屏会显示指令是否发送成功。首先通过直流源给驱动模块和触摸屏供电。触摸屏供电开机显示控制界面，主控制器通过供电口供电后程序运行，先通过蓝牙模块与位置传感器连接起来，然后通过主控制器上的串口3接收位置传感器发送的数据包，然后对数据包进行解析，获得多自由度球形电机输出轴的位置信息；然后通过主控制器内控制算法得出控制力矩，最后求解出所有定子线圈所需的电流矩阵。再将得出的电流矩阵包装成与驱动模块相同协议的数据包，通过主控制器上的串口1发送给驱动模块。驱动模块输出对应电流值给多自由度球形电机定子线圈。主控制器使用串口2通过ModBus协议与触摸屏进行RS485通讯，使触摸屏上显示位置信息、控制力矩信息以及控制电流信息等。所述Key_up按键控制蓝牙模块与位置传感器的连接。蓝牙模块上的指示灯隔2s快闪两次即为连接成功，主控制器中驱动控制算法运行即为主动连接模式，按下Key_up按键会断开连接，再按一次即可再次连接。所述Key_0按键控制位置传感器校准指令的发送；所述Key_1按键控制电流数据的发送；所述LED0灯亮表示主控制器与驱动模块通讯正常，电流数据正常发送。LED1灯亮表示主控制器与触摸屏通讯正常。

本发明中用于多自由度球形电机驱动控制的触摸屏控制界面，包括：开机界面、位置和转矩信息显示界面、电流显示界面以及线圈通电界面共四个界面。在开机界面里选择不同的按键按下，可以跳转到相应的显示界面。位置和转矩显示界面可以实时显示三个自由度上的旋转角以及三个自由度上对应的转矩值。电流显示界面可以实时显示24个定子线圈的电流值大小。线圈通电界面可以输入24个定子线圈中任意线圈电流值大小。

请参阅图5a-图5d，示出现有技术PI控制算法、增量PID控制算法、积分分离PID控制算法以及本发明改进型PID控制算法得到多自由度球形电机单个定子线圈两端电压变化的四条曲线图，下面针对驱动模块动态响应速度慢，介绍本发明提出改进算法带来的有益技术效果的对比描述：如图5a-图5d示出所述曲线中左侧低的直线代表着多自由度球形电机单个定子线圈两端电压的初始值，右侧高的直线代表所述单个定子线圈两端电压的设定值。给定相同的初始值和设定值，横坐标表示时间，纵坐标表示电压值，两个虚线段之间表示所述定子线圈两端电压的变化时间。使所述定子线圈两端电压到达相同的设定值。

在上述四种算法中，图5a的PI控制算法、图5b的增量PID控制算法以及图5c积分分离PID控制算法，所述各算法分别得到各自的所述定子线圈两端电压变化曲线图，各曲线图示出给算法的所述定子线圈两端电压上升所用时间基本一致，而图5d示出了本发明使用了改进型PID控制算法得到所述定子线圈两端电压变化曲线图，图5d的曲线示出本发明所述定子线圈两端电压变化所用时间少于现有技术的PI控制算法、增量PID控制算法以及积分分离PID控制算法得到的所述定子线圈两端电压变化所用时间。请参阅图5a中两段虚线之间曲线呈阶梯状逐渐增加，图5b和图5c两段虚线之间曲线虽然没有明显的阶梯状，但是曲线上升过于平缓，而图5d两端虚线之间的曲线，在很短的时间内，曲线就上升到一个很高的值。综上所述，体现改进型PID控制算法的优越性。

在典型PID控制中，积分环节的引入即I的引入主要是为了消除静态误差，提高控制精度。但在系统的启动、结束或大幅度改变设定值时，短时间内系统输出会有很大的偏差，会造成积分积累，引起系统较大的误差。对于多自由度球形电机的控制来说，当输出轴从一个位置运动到另一个位置时，往往需要给多个定子线圈短时间内通不同大小的电流。较大的误差以及较长的调节时间都会影响其时间控制效果。本发明改进型PID控制算法能避免控制量长时间停留在饱和区，在系统大幅度改变设定值时能有一个更好的控制效果。

由上述算法及对比图可知，本发明使用改进型PID控制算法后，定子线圈电流响应速度大大提高，有利于多自由度球形电机的运动控制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。