司紀凱, 劉世妍, 聶 瑞, 王培欣, 蘇 鵬

(1.鄭州大學 電氣與信息工程學院,河南 鄭州 450001;2.河北工業(yè)大學 電氣工程學院,天津 300130)

智能生產工業(yè)、深海深空探測[1]、醫(yī)療器械、人工智能、國防軍工等領域的運動驅動形式復雜,如工業(yè)3D打印機驅動、機械手臂驅動、衛(wèi)星太陽能板方位驅動、醫(yī)療探測驅動[2]、仿生機器人關節(jié)驅動[3]、火炮升降臺驅動等,這些驅動多涉及2個及以上自由度的運動。

傳統(tǒng)兩自由度運動驅動通過多電機控制技術[4],利用中間傳動機構連接,驅動2個或2個以上的旋轉電機,從而實現(xiàn)多個不同平面的運動。盡管這種驅動方式應用廣泛,但仍存在驅動裝置體積大、成本高、磨損大、效率低等不足。

隨著科技的進步與發(fā)展,無中間傳動機構的新型兩自由度電機(two-degree-of-freedom motor,2-DoFM)被提出和研究。對比圖1(a)、1(b)可知,后者所示2-DoFM驅動對兩自由度運動驅動控制過程進行了簡化。與傳統(tǒng)電機相同,這類電機工作原理仍然基于法拉第電磁感應定律,通過通電線圈(永磁體、鐵心)間的電磁感應實現(xiàn)運動。值得關注的是,這類電機設計了特殊的拓撲結構及繞組(永磁體)排布,只需要1個電機就可以同時實現(xiàn)直線、旋轉及螺旋運動,這決定了其具有驅動裝置體積小、成本低、磨損小及效率高等優(yōu)勢。

圖1 兩自由度運動驅動改進示意圖

復雜自由度運動的需求決定了兩自由度電機豐富各異的拓撲結構,多樣的拓撲結構決定了這類電機驅動控制策略的重要性與復雜性[5-6]。在重要性上,兩自由度電機驅動控制策略是兩自由度電機的一個研究熱點,良好的控制策略不僅可以保障電機運行的魯棒性,還可以提高電機運行的效率,使其進一步向自動化運行靠攏。在復雜性上,多數(shù)兩自由度電機共用一個動子,使得電機的不同運動狀態(tài)間存在耦合現(xiàn)象[7],其對電機的速度、轉矩、磁密及其他特性都存在不同程度的干擾,同時也影響著電機等效模型的構成[8]。設計電機控制策略時,若使用傳統(tǒng)的電機方程,則會存在較大誤差。

因此,在兩自由度電機控制策略研究上,仍存在亟需解決的難題。首先,本文綜合國內外文獻,以兩自由度電機結構為主要分類標準,對兩自由度電機控制策略研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點進行綜述及分析;其次,對兩自由度電機控制的應用情況進行總結分析;最后,對兩自由度電機控制的發(fā)展動態(tài)進行了分析與展望。

1 兩自由度電機控制策略研究現(xiàn)狀

兩自由度電機根據(jù)結構主要分為感應式[9-17]、永磁式[18-28]和開關磁阻式[29-34]3大類,同時也包含音圈電機[35-38]、超聲電機[39]與擺線磁阻電機[40]等其他類型。此類電機可視為直線和旋轉2個電機的組合,其控制策略多為傳統(tǒng)電機控制策略的改進與結合,主要包含比例積分微分(PID)控制、恒壓頻比(V/F)控制、矢量控制(VC)等。

對于不同結構的兩自由度電機,其控制策略存在著一定差異,本文依據(jù)結構分類對兩自由度電機控制策略研究現(xiàn)狀進行綜述。

1.1 兩自由度感應電機的控制策略

文獻[41]提出了一種對四定子單動子(4s1m)兩自由度螺旋感應電機的相位控制方法,其相位控制原理如圖2所示。相位控制是控制通入4個定子線圈中電壓相位角φ的差Δφ,使得電機產生輔助線性力,實現(xiàn)對螺旋運動的控制。文獻[41]對比通入不同相位角差值時輸出磁密、推力等數(shù)值大小,發(fā)現(xiàn)在螺旋運動中,Δφ= 90°時,輔助線性力最大。

圖2 4s1m 電機及相位控制原理示意圖

文獻[42]對Hely單動子雙定子串聯(lián)式兩自由度感應電機(圖3)提出了一種基于恒壓頻比控制策略的控制方法,分別控制直線速度和旋轉速度[9,12]。

圖3 Hely及恒壓頻比控制策略示意圖

該兩自由度感應電機的控制系統(tǒng)主要分為旋轉控制、直線控制及參數(shù)設置這3個模塊。文獻[42]分別模擬螺絲擰緊機、機械手臂及鉆床3種實際情況,給定不同的負載值和時間間隔,對比輸入轉速(直線速度)與仿真輸出轉速(直線速度)的曲線,2個自由度速度在穩(wěn)定時與給定參考速度一致,驗證了控制策略的有效性,但是直線部分速度控制仍然存在著較大的滯后與超調。

文獻[15,43]對提出的對半式兩自由度直驅感應電機(2-DoFDDIM)設計了轉子磁場定向的矢量控制策略,圖4為2-DoFDDIM及其控制策略。

圖4 2-DoFDDIM及矢量控制示意圖

在對2-DoFDDIM進行數(shù)學建模時,采取2個自由度運動分開建模的策略,一方面,考慮到2-DoFDDIM對半式結構的特點,將直線電機的動態(tài)端部效應加入數(shù)學模型[43];另一方面,由于電機進行空載螺旋運動時,2個自由度運動速度均小于單自由度運動時空載轉速。文獻[15]分析了電機等效展開模型的行波磁場與旋轉磁場對電機通電繞組的安培力作用,引入耦合系數(shù)(式(1)、(2)),提高了2-DoFDDIM數(shù)學模型的精確性。

Tcoupling=krn;

(1)

Fcoupling=klv。

(2)

2-DoFDDIM的矢量控制策略參考LIM的矢量控制,建立直線和旋轉2個獨立的控制模型,分別供電控制,這種控制策略是通過直接修正滑差頻率(式(3))導致的解耦錯誤實現(xiàn)的。盡管控制策略在電機穩(wěn)定時速度控制效果良好,但旋轉速度與直線速度在啟動時仍存在超調及滯后的現(xiàn)象,其中直線部分的速度控制滯后較多,電機的電流、電壓與磁密等特性也有待進一步分析。

(3)

對比同樣對半式結構的兩自由度感應電機,不同極槽配合的電機特性及控制特性存在著較大的不同。文獻[43]控制的3對極電機較文獻[15]控制的2對極電機耦合效應有一定的削弱,這在文獻[17]中有較為詳細的理論分析。觀察矢量控制后的電機速度曲線可以發(fā)現(xiàn),3對極電機較2對極電機有更好的跟隨性。

1.2 兩自由度永磁電機的控制策略

文獻[20]對提出的螺旋結構兩自由度永磁電機設計了傳統(tǒng)的三相逆變器PWM直接驅動控制,圖5為該電機內部結構及控制驅動示意圖。

圖5 螺旋永磁電機及PWM直接驅動示意圖

該電機的控制方程依據(jù)該電機的等效磁導模型列寫,其中,轉矩與推力的方程則是結合磁共能與氣隙位移的關系式進行推導。盡管可以獲得接近電機特性的方程,文獻[20]也指出,在實驗過程中發(fā)現(xiàn)電機的等效動子較大、加速性能差等問題。在此基礎上,文獻[44]對改進的該類結構電機提出了集成擾動觀測器的解耦控制,不僅可以直接驅動電機,且獲得了良好的魯棒性。文獻[45]為提高能量利用率,對該類結構電機提出了一種前饋電流積分零功率控制策略,抑制了波動,提高了功率。這2種控制策略的示意圖如圖6所示。

圖6 螺旋永磁電機及改進控制策略示意圖

此類兩自由度電機內部只有完整的一套三相繞組,且受到結構的限制,兩自由度螺旋運動的螺距固定,因此推導出相關的電機數(shù)學模型及運動方程后,其控制策略可以按照傳統(tǒng)的控制策略來設計。

遵循傳統(tǒng)電機控制策略的單套繞組電機還包括文獻[21]提出的變轉速磁齒集成電機(MITROMAG),該電機也是一種單繞組螺旋永磁電機,其動子表面的永磁體螺旋間隔纏繞,圖7為MITROMAG的示意圖及其速度閉環(huán)控制策略[46]。

圖7 MITROMAG及PID控制示意圖

由于只存在1組三相繞組,該螺旋永磁電機的控制策略采用傳統(tǒng)的開環(huán)控制及PID速度閉環(huán)控制。

在開環(huán)控制時,考慮電機運動中的總質量、摩擦及渦流等因素,推導運動方程(equation of motion);在PID速度閉環(huán)控制中,考慮到電機的動態(tài)響應及非線性,文獻[46]設置控制目標轉矩大于“拉出轉矩”的25%以提高動態(tài)性能;采用遺傳算法(GA),以絕對誤差和時間積分的最小值為優(yōu)化目標,整定PI控制參數(shù)Kp和Ki,PI的傳遞函數(shù)C(s)為

(4)

文獻[46]在實驗中指出,在實際測試中,測量的速度在控制后仍然存在著一定的波動,并歸因于直線電機齒槽力影響。

文獻[47]提出了四相多凸極直線旋轉無刷永磁電機的一種新型PID解耦控制策略,圖8為該電機結構拓撲及改進的PID解耦控制系統(tǒng)。

圖8 四相多凸極LRM及其PID控制

在推導電機數(shù)學模型時,給出了該類電機的廣義表達式,其電機的轉矩與推力方程為

(5)

該兩自由度電機的解耦控制系統(tǒng)主要包括供電控制電路、電機數(shù)學模型塊、電流逆變控制塊、直線位置控制塊、直線速度控制塊、旋轉速度控制塊及傳感器塊等。其中,供電控制電路采用五橋臂分別控制四相電。在控制系統(tǒng)中,直線位置控制部分采用改進的PID控制策略輸出參考位置nxr,直線速度控制采用PI控制輸出電流參考值if,旋轉速度控制經過改進的PI調節(jié)輸出時間t,電流逆變控制塊采用標準的PI控制,直接將四相電壓輸出至電機數(shù)學模型塊,電機數(shù)學模型塊檢測到的各類信號經傳感器再反饋給各控制塊,實現(xiàn)閉環(huán)。從文獻[47]在MATLAB/Simuink中的仿真結果分析可得,這類控制策略穩(wěn)定時可控,在轉矩較低時,存在轉速控制的延遲時間較長的不足,有待進一步改善。

文獻[48-49]提出了一種對雙定子LRPM的最小電阻損耗控制策略,圖9為該電機及這種控制的示意圖。這種控制在電機控制狀態(tài)方程建立時就以最小電阻損耗為目標函數(shù),推導了電磁推力(F)和轉矩(C)的表達式,由于電機容量與電阻損耗PRloss相關,因此,將電阻損耗描述為

圖9 LRPM及最小電阻損耗控制示意圖

(6)

根據(jù)文獻[49]給的仿真結果分析可知,除直線位置控制的超調及滯后現(xiàn)象較明顯及存在明顯的轉矩波動外,控制效果良好。

有關直線旋轉永磁電機(LRPM)不同結構的控制策略還包含:①基于矢量控制,設計了最小銅損控制策略,在控制系統(tǒng)中采用雙DSP控制[50-51];②對所提磁通反向LRPM沿用雙DSP控制,基于矢量控制對其設計了解耦控制系統(tǒng)[52]。③文獻[53]對雙定子LRPM設計了矢量控制策略并基于DSP28355構建了電機驅動控制系統(tǒng),為進一步改進耦合影響提出了可平滑切換運動狀態(tài)的多運動協(xié)調控制策略。文獻[54]對有關雙定子LRPM控制策略及系統(tǒng)設計進行了詳盡的總結分析。

1.3 兩自由度開關磁阻電機的控制策略

圖10為一種基于螺旋繞組結構的STRM的示意圖。最初這種電機只用來做直線運動,后對其原理進行分析,發(fā)現(xiàn)了其旋轉運動的狀態(tài)。

圖10 STRM的繞組示意圖

文獻[55]推導了該類電機的等效電路模型,依據(jù)渦流分析轉矩輸出給出了該類直線電機進行旋轉運動的原理,而后對電機的2種運動狀態(tài)建立動態(tài)模型,提出了一種PID控制。微控制器系統(tǒng)與PC機串行通信后,饋入信號經過電流控制器和PWM單元形成驅動脈沖,切換單相供電六脈沖逆變器的IGBT,逆變器的輸出連接并控制電機運動。而后,引入倍增的APF因子描述飽和的非線性效應,并給出了該類電機的阻尼函數(shù)對電機運動控制進一步改進。文獻[55]指出在未來控制研究中,有必要在閉環(huán)中控制電機的磁場定向,以達到與純直線運動STRM相當?shù)纳踔粮叩亩ㄎ痪取?/p>

圖11所示的是日本學者Sato[29]提出的直線旋轉開關磁阻電機(LR-SRM)。該電機包含一對同軸串聯(lián)的6/4 SRM定子,兩定子同軸耦合,其轉矩為兩定子轉矩之和,直線推力為兩定子間磁吸力之差。文獻[29]基于旋轉軸位置傳感器和附加線性電位器的反饋信息,采用傳統(tǒng)的定子電流PID控制策略。

圖11 LR-SRM及其PID控制框圖

經過控制性能測試,得出推力和轉矩可以獨立控制。而后,又在轉速一定時測試了直線定位控制,觀察其直線定位階躍響應可以發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定時控制效果良好,但仍然存在一定的過沖,文獻[29]也指出該現(xiàn)象可以通過加強阻尼效應改進。

文獻[32,56]也對該類雙定子SRM電機提出了一種PID控制策略,控制框圖如圖12所示。當輸入給定信號時,將其解耦為直線運動和旋轉運動,分別產生相應的給定信號,進入機械耦合模塊后,生成2個定子的電流激勵信號進入相應的PID電流控制器,進而控制直線旋轉開關磁阻電機。在整個控制中采用電流環(huán)和位置環(huán)的閉環(huán)控制方法,調節(jié)PI參數(shù)后,該電機的電流與速度控制精度得到提升。

圖12 直線旋轉開關磁阻電機控制框圖

文獻[57]對三定子LR-SRM提出了3種運動狀況獨立控制的解耦控制方法,將12個繞組的通電順序列為表格,不同運動情況對應不同通電順序。其控制框圖如圖13所示。

圖13 LR-SRM的解耦控制

通過主機輸出參考轉矩ω*和參考直線速度v*,經過運動控制器和3個電流控制器及整流器后,定子輸出的轉矩和直線速度再反饋給主機,實現(xiàn)閉環(huán)的通電順序解耦控制。該控制策略不僅實現(xiàn)了2個自由度運動的解耦,獲得了響應較好的閉環(huán)控制效果,適用于具有多個定子的控制,兼容性好,但在速度超調及轉矩波動方面有待改進。

1.4 其他兩自由度電機的控制策略

除了傳統(tǒng)的感應式、永磁式及磁阻式的電機結構外,其他兩自由度電機的也有相對應的控制策略的研究,其中兩自由度音圈電機、兩自由度超聲電機、兩自由度步進電機控制策略的研究值得關注。

(1)兩自由度音圈電機(VCM)控制。VCM是一種用于多維精密加工系統(tǒng)的直接驅動電機[35],它同樣具有2個自由度的運動,圖14是該電機及控制方法。文獻[35]在研究其控制方法時,首先,建立了線性旋轉數(shù)學模型,應用雙脈寬調制技術,獨立控制2個自由度,分析了伺服控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)關系;其次,先后建立了控制系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)與位置環(huán);最后,結合模糊控制和前饋控制這類智能控制方法,提出了一種三重閉環(huán)控制系統(tǒng),使得線性位置跟隨誤差與旋轉角度跟隨誤差分別降低到1.4‰和0.9‰,控制效果較好,幾乎觀測不到超調現(xiàn)象,控制精度高。

圖14 VCM的前饋伺服控制

(2)兩自由度超聲電機控制。圖15是兩自由度超聲波電機(2-DoFUM)控制驅動測試示意圖。文獻[58-59]分析該電機的材料結構特性后,采用近諧振點慣性沖擊的控制方式,設計了主要由DSP、隔離電路ADUM1200、半橋驅動及放大電路組成的驅動電路,該電機控制系統(tǒng)中的控制芯片采用TMS320F2808,通過該芯片輸入PWM控制信號。輸入不同方波的頻率、占空比,可以得到不同速度、不同自由度的運動,以此控制兩自由度運動。

圖15 兩自由度超聲波電機驅動測試系統(tǒng)示意圖

(3)兩自由度步進電機控制。文獻[60-61]對所提出的仿生眼用兩自由度混合步進電機(2-DoFMSM)設計了雙電阻檢測的恒頻脈寬調制細分控制驅動,并設計了基于51單片機的控制系統(tǒng),其電機控制系統(tǒng)如圖16所示。

圖16 2-DoFMSM示意圖

在串口通信時設置2個電機選擇位,根據(jù)信號0/1的切換確定眼球運動方式。文獻[61]實驗測試了該控制策略在單步運行角度40°電流32細分時電機最大定位誤差僅0.04°,達到了良好的控制效果。

表1綜合比較了兩自由度電機不同的控制策略。結合運動方程建立解耦的電機模型和電機的空間狀態(tài)方程,選擇如直接驅動控制、PID控制、矢量控制等傳統(tǒng)的控制策略對電機的特性進行控制。這些方法解決了電機數(shù)學模型誤差大、控制效果差等問題,但在直線電機的控制中仍然存在較明顯的超調與滯后現(xiàn)象。在控制策略中引入前饋控制、模糊控制等智能控制策略可以改進超調與滯后的現(xiàn)象。因此,在對兩自由度電機進行控制時,不僅可以建立解耦數(shù)學模型提升準確性,還可以通過引入智能控制的方法,進一步實現(xiàn)高精度解耦控制。

表1 不同兩自由度電機控制策略比較

2 兩自由度電機控制系統(tǒng)應用分析

傳統(tǒng)的電機驅動器如直流驅動器、伺服驅動器、步進驅動器等,已經可以實現(xiàn)批量自動化制造,適用于較多的應用場景。

兩自由度電機的控制策略多為傳統(tǒng)結構單自由度電機控制策略的改進與延伸,因此,其自動化生產應用具有較強的可行性,也在汽車行業(yè)、機械制造業(yè)、醫(yī)療領域以及機器人驅動方面有一定的應用實踐基礎,同時在新能源發(fā)電、軍工等領域也有良好的應用前景。表2總結了其不同應用場合的需求。

表2 兩自由度電機驅動在不同應用場合的需求

(1)汽車行業(yè)。早期,兩自由度直線旋轉永磁電機在汽車換擋器中就有應用,其驅動采用2個MOSFET-H橋分別控制,驅動器中的PWM波采用PID控制策略由ETAS ES1000高速控制器控制[25]。可見,兩自由度電機的控制系統(tǒng)在汽車領域有良好的實踐基礎,隨著汽車行業(yè)革新,高精尖技術發(fā)展,兩自由度電機驅動將為汽車行業(yè)注入新的血液。

(2)機械制造業(yè)。直線旋轉兩定子串聯(lián)的兩自由度感應電機[49]的控制驅動器設定了3種負載情況,驅動電機樣機在穩(wěn)定狀態(tài)下可以達到較好的控制效果。兩自由度感應電機繼承了傳統(tǒng)感應電機低成本、高耐用性等特點,更適用于高強度的工業(yè)應用。因此其控制驅動器的研究也應結合其應用領域,選用高強度、高耐用性的封裝。

(3)醫(yī)療領域。兩自由度步進電機驅動在用于活體檢測的醫(yī)療器械中已有實際應用[2],文獻[2]也討論了其他兩自由度電機在醫(yī)療中應用的可能性。由于醫(yī)療應用有著高精度、小體積等要求,兩自由度電機驅動的設計應當考慮高精度控制策略,設計集成度高的驅動器。

(4)機器人驅動。兩自由度電機的控制在機器人中有諸多應用場合,如仿生眼球驅動[61]、關節(jié)驅動[62]等,其驅動器一般選用集成驅動芯片作為驅動核心,選取合適型號的單片機作為主控制器,封裝成控制驅動器。兩自由度電機驅動在機器人中的應用應當重點關注高集成度及其驅動的兼容性。

(5)清潔能源發(fā)電。兩自由度電機包含兩自由度電動機與兩自由度發(fā)電機。兩自由度電機中的兩自由度永磁電機不僅可以通電成為驅動的電動機,也可結合海上風浪場景實現(xiàn)清潔能源發(fā)電[63]。合適的兩自由度發(fā)電控制,可以將不穩(wěn)定的風浪能量控制為穩(wěn)定性較高的可并網電能,這對其兼容性、對環(huán)境的適應性與耐用性都有著較高的要求。

(6)軍工應用。軍工器械如坦克車炮火升降臺、投擲器、跟蹤導彈等需要高精度多維的運動控制。兩自由度電機控制驅動在軍事應用的研究不僅需要實現(xiàn)多維運動控制,更需要極高的控制精度,是未來兩自由度電機控制的一個重要應用領域。

3 兩自由度電機控制發(fā)展動態(tài)分析

兩自由度電機具有多方面的優(yōu)勢,其研究迅速發(fā)展,但其控制策略的設計仍存在問題。兩自由度電機的控制策略發(fā)展處于起步階段,存在著與電機結構綁定性太強、與傳統(tǒng)電機驅動器兼容性差等局限性。未來兩自由度電機控制可以從以下幾個方面進行研究。

(1)解耦控制。分析本文各類結構的兩自由度電機的控制方法可以發(fā)現(xiàn),電機2個自由度運動中存在不同程度的耦合。在推導電機等效模型時,解耦電機的兩自由度運動,實現(xiàn)解耦控制。解耦控制可以減小電機模型誤差,提高控制性能。

(2)系統(tǒng)化控制。在未來研究中,可以將耦合效應作為兩自由度電機分析的一項指標。綜合各類電機的耦合分析方法,將解耦控制設計系統(tǒng)化,結合“專家系統(tǒng)”,將各類解耦控制策略列入“專家?guī)臁?使兩自由度電機解耦控制策略設計科學化、標準化,提高效率。

(3)智能化控制。早期,少數(shù)兩自由度電機在控制中結合遺傳算法(GA)確定PI參數(shù)值[46],節(jié)省了手工計算的時間。近年來,隨著人工智能及深度學習的發(fā)展,結合神經網絡的電機控制方法也不斷更新。在兩自由度電機的控制中,應用人工智能的方法可以節(jié)省控制策略設計時間,利用計算機進行深度學習可以降低人工成本。

(4)低速高精度控制。多數(shù)兩自由度電機在樣機生產時都會設計匹配電機的基礎驅動器,控制效果在額定條件時可以滿足要求。然而,當電機低速運行時,控制效果降低甚至失效。因此,未來兩自由度電機控制設計時不僅需要關注電機低速時的控制效果,而且需要提高電機在運行時的控制精度,應使用如模型預測控制策略[64]等高精度控制策略。

4 結語

本文綜述了國內外包括兩自由度感應電機、兩自由度永磁電機、兩自由度開關磁阻電機、兩自由度超聲電機、音圈電機及步進電機等在內的不同結構的兩自由度電機控制策略,其控制策略以傳統(tǒng)控制策略為主,如PID控制、V/F控制、矢量控制等,也不斷引入新型的控制策略,如GA、前饋控制、模糊控制、最小損耗控制等。在此基礎上,本文對兩自由度電機控制系統(tǒng)在汽車、機械制造、醫(yī)療、清潔能源發(fā)電、軍工等領域的應用情況進行了分析與展望。最后,探討了兩自由度的電機控制在解耦控制、系統(tǒng)化控制、智能化控制及低速高精度控制的發(fā)展動態(tài)。在科技不斷革新的信息化時代,未來兩自由度電機控制的發(fā)展必將為電機領域帶來突破與革新。