两自由度电机控制策略综述及发展动态分析

司纪凯, 刘世妍, 聂 瑞, 王培欣, 苏 鹏

(1.郑州大学 电气与信息工程学院,河南 郑州 450001;2.河北工业大学 电气工程学院,天津 300130)

智能生产工业、深海深空探测[1]、医疗器械、人工智能、国防军工等领域的运动驱动形式复杂,如工业3D打印机驱动、机械手臂驱动、卫星太阳能板方位驱动、医疗探测驱动[2]、仿生机器人关节驱动[3]、火炮升降台驱动等,这些驱动多涉及2个及以上自由度的运动。

传统两自由度运动驱动通过多电机控制技术[4],利用中间传动机构连接,驱动2个或2个以上的旋转电机,从而实现多个不同平面的运动。尽管这种驱动方式应用广泛,但仍存在驱动装置体积大、成本高、磨损大、效率低等不足。

随着科技的进步与发展,无中间传动机构的新型两自由度电机(two-degree-of-freedom motor,2-DoFM)被提出和研究。对比图1(a)、1(b)可知,后者所示2-DoFM驱动对两自由度运动驱动控制过程进行了简化。与传统电机相同,这类电机工作原理仍然基于法拉第电磁感应定律,通过通电线圈(永磁体、铁心)间的电磁感应实现运动。值得关注的是,这类电机设计了特殊的拓扑结构及绕组(永磁体)排布,只需要1个电机就可以同时实现直线、旋转及螺旋运动,这决定了其具有驱动装置体积小、成本低、磨损小及效率高等优势。

图1 两自由度运动驱动改进示意图

复杂自由度运动的需求决定了两自由度电机丰富各异的拓扑结构,多样的拓扑结构决定了这类电机驱动控制策略的重要性与复杂性[5-6]。在重要性上,两自由度电机驱动控制策略是两自由度电机的一个研究热点,良好的控制策略不仅可以保障电机运行的鲁棒性,还可以提高电机运行的效率,使其进一步向自动化运行靠拢。在复杂性上,多数两自由度电机共用一个动子,使得电机的不同运动状态间存在耦合现象[7],其对电机的速度、转矩、磁密及其他特性都存在不同程度的干扰,同时也影响着电机等效模型的构成[8]。设计电机控制策略时,若使用传统的电机方程,则会存在较大误差。

因此,在两自由度电机控制策略研究上,仍存在亟需解决的难题。首先,本文综合国内外文献,以两自由度电机结构为主要分类标准,对两自由度电机控制策略研究现状及优缺点进行综述及分析;其次,对两自由度电机控制的应用情况进行总结分析;最后,对两自由度电机控制的发展动态进行了分析与展望。

1 两自由度电机控制策略研究现状

两自由度电机根据结构主要分为感应式[9-17]、永磁式[18-28]和开关磁阻式[29-34]3大类,同时也包含音圈电机[35-38]、超声电机[39]与摆线磁阻电机[40]等其他类型。此类电机可视为直线和旋转2个电机的组合,其控制策略多为传统电机控制策略的改进与结合,主要包含比例积分微分(PID)控制、恒压频比(V/F)控制、矢量控制(VC)等。

对于不同结构的两自由度电机,其控制策略存在着一定差异,本文依据结构分类对两自由度电机控制策略研究现状进行综述。

1.1 两自由度感应电机的控制策略

文献[41]提出了一种对四定子单动子(4s1m)两自由度螺旋感应电机的相位控制方法,其相位控制原理如图2所示。相位控制是控制通入4个定子线圈中电压相位角φ的差Δφ,使得电机产生辅助线性力,实现对螺旋运动的控制。文献[41]对比通入不同相位角差值时输出磁密、推力等数值大小,发现在螺旋运动中,Δφ= 90°时,辅助线性力最大。

图2 4s1m 电机及相位控制原理示意图

文献[42]对Hely单动子双定子串联式两自由度感应电机(图3)提出了一种基于恒压频比控制策略的控制方法,分别控制直线速度和旋转速度[9,12]。

图3 Hely及恒压频比控制策略示意图

该两自由度感应电机的控制系统主要分为旋转控制、直线控制及参数设置这3个模块。文献[42]分别模拟螺丝拧紧机、机械手臂及钻床3种实际情况,给定不同的负载值和时间间隔,对比输入转速(直线速度)与仿真输出转速(直线速度)的曲线,2个自由度速度在稳定时与给定参考速度一致,验证了控制策略的有效性,但是直线部分速度控制仍然存在着较大的滞后与超调。

文献[15,43]对提出的对半式两自由度直驱感应电机(2-DoFDDIM)设计了转子磁场定向的矢量控制策略,图4为2-DoFDDIM及其控制策略。

图4 2-DoFDDIM及矢量控制示意图

在对2-DoFDDIM进行数学建模时,采取2个自由度运动分开建模的策略,一方面,考虑到2-DoFDDIM对半式结构的特点,将直线电机的动态端部效应加入数学模型[43];另一方面,由于电机进行空载螺旋运动时,2个自由度运动速度均小于单自由度运动时空载转速。文献[15]分析了电机等效展开模型的行波磁场与旋转磁场对电机通电绕组的安培力作用,引入耦合系数(式(1)、(2)),提高了2-DoFDDIM数学模型的精确性。

Tcoupling=krn;

(1)

Fcoupling=klv。

(2)

2-DoFDDIM的矢量控制策略参考LIM的矢量控制,建立直线和旋转2个独立的控制模型,分别供电控制,这种控制策略是通过直接修正滑差频率(式(3))导致的解耦错误实现的。尽管控制策略在电机稳定时速度控制效果良好,但旋转速度与直线速度在启动时仍存在超调及滞后的现象,其中直线部分的速度控制滞后较多,电机的电流、电压与磁密等特性也有待进一步分析。

(3)

对比同样对半式结构的两自由度感应电机,不同极槽配合的电机特性及控制特性存在着较大的不同。文献[43]控制的3对极电机较文献[15]控制的2对极电机耦合效应有一定的削弱,这在文献[17]中有较为详细的理论分析。观察矢量控制后的电机速度曲线可以发现,3对极电机较2对极电机有更好的跟随性。

1.2 两自由度永磁电机的控制策略

文献[20]对提出的螺旋结构两自由度永磁电机设计了传统的三相逆变器PWM直接驱动控制,图5为该电机内部结构及控制驱动示意图。

图5 螺旋永磁电机及PWM直接驱动示意图

该电机的控制方程依据该电机的等效磁导模型列写,其中,转矩与推力的方程则是结合磁共能与气隙位移的关系式进行推导。尽管可以获得接近电机特性的方程,文献[20]也指出,在实验过程中发现电机的等效动子较大、加速性能差等问题。在此基础上,文献[44]对改进的该类结构电机提出了集成扰动观测器的解耦控制,不仅可以直接驱动电机,且获得了良好的鲁棒性。文献[45]为提高能量利用率,对该类结构电机提出了一种前馈电流积分零功率控制策略,抑制了波动,提高了功率。这2种控制策略的示意图如图6所示。

图6 螺旋永磁电机及改进控制策略示意图

此类两自由度电机内部只有完整的一套三相绕组,且受到结构的限制,两自由度螺旋运动的螺距固定,因此推导出相关的电机数学模型及运动方程后,其控制策略可以按照传统的控制策略来设计。

遵循传统电机控制策略的单套绕组电机还包括文献[21]提出的变转速磁齿集成电机(MITROMAG),该电机也是一种单绕组螺旋永磁电机,其动子表面的永磁体螺旋间隔缠绕,图7为MITROMAG的示意图及其速度闭环控制策略[46]。

图7 MITROMAG及PID控制示意图

由于只存在1组三相绕组,该螺旋永磁电机的控制策略采用传统的开环控制及PID速度闭环控制。

在开环控制时,考虑电机运动中的总质量、摩擦及涡流等因素,推导运动方程(equation of motion);在PID速度闭环控制中,考虑到电机的动态响应及非线性,文献[46]设置控制目标转矩大于“拉出转矩”的25%以提高动态性能;采用遗传算法(GA),以绝对误差和时间积分的最小值为优化目标,整定PI控制参数Kp和Ki,PI的传递函数C(s)为

(4)

文献[46]在实验中指出,在实际测试中,测量的速度在控制后仍然存在着一定的波动,并归因于直线电机齿槽力影响。

文献[47]提出了四相多凸极直线旋转无刷永磁电机的一种新型PID解耦控制策略,图8为该电机结构拓扑及改进的PID解耦控制系统。

图8 四相多凸极LRM及其PID控制

在推导电机数学模型时,给出了该类电机的广义表达式,其电机的转矩与推力方程为

(5)

该两自由度电机的解耦控制系统主要包括供电控制电路、电机数学模型块、电流逆变控制块、直线位置控制块、直线速度控制块、旋转速度控制块及传感器块等。其中,供电控制电路采用五桥臂分别控制四相电。在控制系统中,直线位置控制部分采用改进的PID控制策略输出参考位置nxr,直线速度控制采用PI控制输出电流参考值if,旋转速度控制经过改进的PI调节输出时间t,电流逆变控制块采用标准的PI控制,直接将四相电压输出至电机数学模型块,电机数学模型块检测到的各类信号经传感器再反馈给各控制块,实现闭环。从文献[47]在MATLAB/Simuink中的仿真结果分析可得,这类控制策略稳定时可控,在转矩较低时,存在转速控制的延迟时间较长的不足,有待进一步改善。

文献[48-49]提出了一种对双定子LRPM的最小电阻损耗控制策略,图9为该电机及这种控制的示意图。这种控制在电机控制状态方程建立时就以最小电阻损耗为目标函数,推导了电磁推力(F)和转矩(C)的表达式,由于电机容量与电阻损耗PRloss相关,因此,将电阻损耗描述为

图9 LRPM及最小电阻损耗控制示意图

(6)

根据文献[49]给的仿真结果分析可知,除直线位置控制的超调及滞后现象较明显及存在明显的转矩波动外,控制效果良好。

有关直线旋转永磁电机(LRPM)不同结构的控制策略还包含:①基于矢量控制,设计了最小铜损控制策略,在控制系统中采用双DSP控制[50-51];②对所提磁通反向LRPM沿用双DSP控制,基于矢量控制对其设计了解耦控制系统[52]。③文献[53]对双定子LRPM设计了矢量控制策略并基于DSP28355构建了电机驱动控制系统,为进一步改进耦合影响提出了可平滑切换运动状态的多运动协调控制策略。文献[54]对有关双定子LRPM控制策略及系统设计进行了详尽的总结分析。

1.3 两自由度开关磁阻电机的控制策略

图10为一种基于螺旋绕组结构的STRM的示意图。最初这种电机只用来做直线运动,后对其原理进行分析,发现了其旋转运动的状态。

图10 STRM的绕组示意图

文献[55]推导了该类电机的等效电路模型,依据涡流分析转矩输出给出了该类直线电机进行旋转运动的原理,而后对电机的2种运动状态建立动态模型,提出了一种PID控制。微控制器系统与PC机串行通信后,馈入信号经过电流控制器和PWM单元形成驱动脉冲,切换单相供电六脉冲逆变器的IGBT,逆变器的输出连接并控制电机运动。而后,引入倍增的APF因子描述饱和的非线性效应,并给出了该类电机的阻尼函数对电机运动控制进一步改进。文献[55]指出在未来控制研究中,有必要在闭环中控制电机的磁场定向,以达到与纯直线运动STRM相当的甚至更高的定位精度。

图11所示的是日本学者Sato[29]提出的直线旋转开关磁阻电机(LR-SRM)。该电机包含一对同轴串联的6/4 SRM定子,两定子同轴耦合,其转矩为两定子转矩之和,直线推力为两定子间磁吸力之差。文献[29]基于旋转轴位置传感器和附加线性电位器的反馈信息,采用传统的定子电流PID控制策略。

图11 LR-SRM及其PID控制框图

经过控制性能测试,得出推力和转矩可以独立控制。而后,又在转速一定时测试了直线定位控制,观察其直线定位阶跃响应可以发现,稳定时控制效果良好,但仍然存在一定的过冲,文献[29]也指出该现象可以通过加强阻尼效应改进。

文献[32,56]也对该类双定子SRM电机提出了一种PID控制策略,控制框图如图12所示。当输入给定信号时,将其解耦为直线运动和旋转运动,分别产生相应的给定信号,进入机械耦合模块后,生成2个定子的电流激励信号进入相应的PID电流控制器,进而控制直线旋转开关磁阻电机。在整个控制中采用电流环和位置环的闭环控制方法,调节PI参数后,该电机的电流与速度控制精度得到提升。

图12 直线旋转开关磁阻电机控制框图

文献[57]对三定子LR-SRM提出了3种运动状况独立控制的解耦控制方法,将12个绕组的通电顺序列为表格,不同运动情况对应不同通电顺序。其控制框图如图13所示。

图13 LR-SRM的解耦控制

通过主机输出参考转矩ω*和参考直线速度v*,经过运动控制器和3个电流控制器及整流器后,定子输出的转矩和直线速度再反馈给主机,实现闭环的通电顺序解耦控制。该控制策略不仅实现了2个自由度运动的解耦,获得了响应较好的闭环控制效果,适用于具有多个定子的控制,兼容性好,但在速度超调及转矩波动方面有待改进。

1.4 其他两自由度电机的控制策略

除了传统的感应式、永磁式及磁阻式的电机结构外,其他两自由度电机的也有相对应的控制策略的研究,其中两自由度音圈电机、两自由度超声电机、两自由度步进电机控制策略的研究值得关注。

(1)两自由度音圈电机(VCM)控制。VCM是一种用于多维精密加工系统的直接驱动电机[35],它同样具有2个自由度的运动,图14是该电机及控制方法。文献[35]在研究其控制方法时,首先,建立了线性旋转数学模型,应用双脉宽调制技术,独立控制2个自由度,分析了伺服控制系统的传递函数关系;其次,先后建立了控制系统的电流环、速度环与位置环;最后,结合模糊控制和前馈控制这类智能控制方法,提出了一种三重闭环控制系统,使得线性位置跟随误差与旋转角度跟随误差分别降低到1.4‰和0.9‰,控制效果较好,几乎观测不到超调现象,控制精度高。

图14 VCM的前馈伺服控制

(2)两自由度超声电机控制。图15是两自由度超声波电机(2-DoFUM)控制驱动测试示意图。文献[58-59]分析该电机的材料结构特性后,采用近谐振点惯性冲击的控制方式,设计了主要由DSP、隔离电路ADUM1200、半桥驱动及放大电路组成的驱动电路,该电机控制系统中的控制芯片采用TMS320F2808,通过该芯片输入PWM控制信号。输入不同方波的频率、占空比,可以得到不同速度、不同自由度的运动,以此控制两自由度运动。

图15 两自由度超声波电机驱动测试系统示意图

(3)两自由度步进电机控制。文献[60-61]对所提出的仿生眼用两自由度混合步进电机(2-DoFMSM)设计了双电阻检测的恒频脉宽调制细分控制驱动,并设计了基于51单片机的控制系统,其电机控制系统如图16所示。

图16 2-DoFMSM示意图

在串口通信时设置2个电机选择位,根据信号0/1的切换确定眼球运动方式。文献[61]实验测试了该控制策略在单步运行角度40°电流32细分时电机最大定位误差仅0.04°,达到了良好的控制效果。

表1综合比较了两自由度电机不同的控制策略。结合运动方程建立解耦的电机模型和电机的空间状态方程,选择如直接驱动控制、PID控制、矢量控制等传统的控制策略对电机的特性进行控制。这些方法解决了电机数学模型误差大、控制效果差等问题,但在直线电机的控制中仍然存在较明显的超调与滞后现象。在控制策略中引入前馈控制、模糊控制等智能控制策略可以改进超调与滞后的现象。因此,在对两自由度电机进行控制时,不仅可以建立解耦数学模型提升准确性,还可以通过引入智能控制的方法,进一步实现高精度解耦控制。

表1 不同两自由度电机控制策略比较

2 两自由度电机控制系统应用分析

传统的电机驱动器如直流驱动器、伺服驱动器、步进驱动器等,已经可以实现批量自动化制造,适用于较多的应用场景。

两自由度电机的控制策略多为传统结构单自由度电机控制策略的改进与延伸,因此,其自动化生产应用具有较强的可行性,也在汽车行业、机械制造业、医疗领域以及机器人驱动方面有一定的应用实践基础,同时在新能源发电、军工等领域也有良好的应用前景。表2总结了其不同应用场合的需求。

表2 两自由度电机驱动在不同应用场合的需求

(1)汽车行业。早期,两自由度直线旋转永磁电机在汽车换挡器中就有应用,其驱动采用2个MOSFET-H桥分别控制,驱动器中的PWM波采用PID控制策略由ETAS ES1000高速控制器控制[25]。可见,两自由度电机的控制系统在汽车领域有良好的实践基础,随着汽车行业革新,高精尖技术发展,两自由度电机驱动将为汽车行业注入新的血液。

(2)机械制造业。直线旋转两定子串联的两自由度感应电机[49]的控制驱动器设定了3种负载情况,驱动电机样机在稳定状态下可以达到较好的控制效果。两自由度感应电机继承了传统感应电机低成本、高耐用性等特点,更适用于高强度的工业应用。因此其控制驱动器的研究也应结合其应用领域,选用高强度、高耐用性的封装。

(3)医疗领域。两自由度步进电机驱动在用于活体检测的医疗器械中已有实际应用[2],文献[2]也讨论了其他两自由度电机在医疗中应用的可能性。由于医疗应用有着高精度、小体积等要求,两自由度电机驱动的设计应当考虑高精度控制策略,设计集成度高的驱动器。

(4)机器人驱动。两自由度电机的控制在机器人中有诸多应用场合,如仿生眼球驱动[61]、关节驱动[62]等,其驱动器一般选用集成驱动芯片作为驱动核心,选取合适型号的单片机作为主控制器,封装成控制驱动器。两自由度电机驱动在机器人中的应用应当重点关注高集成度及其驱动的兼容性。

(5)清洁能源发电。两自由度电机包含两自由度电动机与两自由度发电机。两自由度电机中的两自由度永磁电机不仅可以通电成为驱动的电动机,也可结合海上风浪场景实现清洁能源发电[63]。合适的两自由度发电控制,可以将不稳定的风浪能量控制为稳定性较高的可并网电能,这对其兼容性、对环境的适应性与耐用性都有着较高的要求。

(6)军工应用。军工器械如坦克车炮火升降台、投掷器、跟踪导弹等需要高精度多维的运动控制。两自由度电机控制驱动在军事应用的研究不仅需要实现多维运动控制,更需要极高的控制精度,是未来两自由度电机控制的一个重要应用领域。

3 两自由度电机控制发展动态分析

两自由度电机具有多方面的优势,其研究迅速发展,但其控制策略的设计仍存在问题。两自由度电机的控制策略发展处于起步阶段,存在着与电机结构绑定性太强、与传统电机驱动器兼容性差等局限性。未来两自由度电机控制可以从以下几个方面进行研究。

(1)解耦控制。分析本文各类结构的两自由度电机的控制方法可以发现,电机2个自由度运动中存在不同程度的耦合。在推导电机等效模型时,解耦电机的两自由度运动,实现解耦控制。解耦控制可以减小电机模型误差,提高控制性能。

(2)系统化控制。在未来研究中,可以将耦合效应作为两自由度电机分析的一项指标。综合各类电机的耦合分析方法,将解耦控制设计系统化,结合“专家系统”,将各类解耦控制策略列入“专家库”,使两自由度电机解耦控制策略设计科学化、标准化,提高效率。

(3)智能化控制。早期,少数两自由度电机在控制中结合遗传算法(GA)确定PI参数值[46],节省了手工计算的时间。近年来,随着人工智能及深度学习的发展,结合神经网络的电机控制方法也不断更新。在两自由度电机的控制中,应用人工智能的方法可以节省控制策略设计时间,利用计算机进行深度学习可以降低人工成本。

(4)低速高精度控制。多数两自由度电机在样机生产时都会设计匹配电机的基础驱动器,控制效果在额定条件时可以满足要求。然而,当电机低速运行时,控制效果降低甚至失效。因此,未来两自由度电机控制设计时不仅需要关注电机低速时的控制效果,而且需要提高电机在运行时的控制精度,应使用如模型预测控制策略[64]等高精度控制策略。

4 结语

本文综述了国内外包括两自由度感应电机、两自由度永磁电机、两自由度开关磁阻电机、两自由度超声电机、音圈电机及步进电机等在内的不同结构的两自由度电机控制策略,其控制策略以传统控制策略为主,如PID控制、V/F控制、矢量控制等,也不断引入新型的控制策略,如GA、前馈控制、模糊控制、最小损耗控制等。在此基础上,本文对两自由度电机控制系统在汽车、机械制造、医疗、清洁能源发电、军工等领域的应用情况进行了分析与展望。最后,探讨了两自由度的电机控制在解耦控制、系统化控制、智能化控制及低速高精度控制的发展动态。在科技不断革新的信息化时代,未来两自由度电机控制的发展必将为电机领域带来突破与革新。