永磁球形步進(jìn)電機(jī)位置檢測在noc中的并行實現(xiàn)
雍愛霞
(合肥電子工程學(xué)院，合肥230037)
摘要：針對永磁球形步進(jìn)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)，首先進(jìn)行位置檢測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模。對于轉(zhuǎn)子球體目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的高密度計算問題，采用多任務(wù)并行混沌搜索的方法，同時采用適合并行計算的片上網(wǎng)絡(luò)(noc)硬件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，討論當(dāng)前任務(wù)下功耗優(yōu)先的iyoc映射問題。仿真結(jié)果表明多任務(wù)并行搜索的效率要比串行搜索效率高得多，基本達(dá)到預(yù)期目的，為今后的fpca設(shè)計和位置檢測的實時性研究提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：球形電機(jī)；noc；映射；并行搜索；效率
中圖分類號：tm383. 6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)06-0043-05
0引 言
國內(nèi)外多自由度電動機(jī)類型有多種，美國hopkins大學(xué)設(shè)計研制了一種永磁步進(jìn)球形電動機(jī)以其體積小、重量輕、力能指標(biāo)高、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)而成為目前****有應(yīng)用前途的一種結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)改進(jìn)與各關(guān)鍵技術(shù)正在不斷的探索中，其中球形電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置檢測是控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是制約球形電機(jī)理論研究和實際開發(fā)的瓶頸，cregory s chirikjian等人在文獻(xiàn)[5]中提出了數(shù)學(xué)近似計算只適用于鄰域的方法，文獻(xiàn)[6]中改進(jìn)的遺傳算法可以跳出局部搜索，但是計算量太大且不易并行實現(xiàn)，尋找一種高效的位置檢測方法和硬件實現(xiàn)是目前迫切需要解決的問題。本文采用適于多任務(wù)并行處理的分區(qū)間混沌搜索方法，同時采用noc網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的井行資源來處理高密度運(yùn)算的問題，大大提高了全局****解的搜索效率。
1位置檢測的系統(tǒng)建模
1.1轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，先要按照隨機(jī)編碼方式，用m個隨機(jī)點(diǎn)在轉(zhuǎn)子表面用黑、白兩種顏色進(jìn)行編碼，定子上固定的96個光電傳感器反饋信號給處理器，忽略傳感器的分辨率，傳感器接收的信號與轉(zhuǎn)子的方位角一一對應(yīng)。
令球心坐標(biāo)為三維坐標(biāo)原點(diǎn)，球半徑為l，電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子位于同一球面。ivlatlab仿真該電機(jī)模型定子線圈與傳感器的位置如圖l所示。
永磁球形步迸電動機(jī)具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，在實坐標(biāo)空間r3中，保持原點(diǎn)不變的所有的轉(zhuǎn)動變換構(gòu)成三維轉(zhuǎn)動群，群元為轉(zhuǎn)動矩陣a，用廣義歐拉角α、β、θ標(biāo)記，分解為各單參數(shù)子群元的乘積，表示坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系：
式中，rx(α)為繞x軸轉(zhuǎn)角，ry(β)為繞新的y軸轉(zhuǎn)盧角β,rz(γ)為繞新的z軸轉(zhuǎn)角γ。
對于不存在求解方法的問題，一般把可能的解表示為狀態(tài)，設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài)為旋轉(zhuǎn)前的傳感器輸出，目標(biāo)狀態(tài)為未知位置的傳感器輸出cn。轉(zhuǎn)子球面與定子之間的氣隙忽略不計，認(rèn)為傳感器坐標(biāo)也在球面上。
給定一個傳感器輸出向量cn，設(shè)置函數(shù)：
式中，n為傳感器的個數(shù)。問題沒有****的解，因為96個傳感器最多有2可能的組合，轉(zhuǎn)子卻有無窮多個旋轉(zhuǎn)方向。問題實際上變?yōu)椋赫业揭粋�旋轉(zhuǎn)角度bo，使其滿足：
誤差esp取決于傳感器的分辨率或系統(tǒng)允許的精度。
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時目標(biāo)函數(shù)以剮與角度的二維關(guān)系如圖2所示，中間區(qū)域近似線性變化，文獻(xiàn)[5]正是對落在這一區(qū)域的解采用了數(shù)學(xué)計算。
1.2改進(jìn)的混沌優(yōu)化算法
混沌優(yōu)化算法利用混沌的遍歷性將混沌狀態(tài)引入到優(yōu)化變量中，這種方法當(dāng)搜索空問大時效率較低。改進(jìn)的混沌優(yōu)化算法采用一種適合于多處理器并行搜索的方法，將優(yōu)化變量的取值范圍細(xì)分為若干個等距區(qū)間，在各個子區(qū)間內(nèi)并行搜索，搜索范圍大大縮小。
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