CN107140585A - 基于多直线电机的升降平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多直线直驱电机的协同控制升降平台及其控制方法，该平台可采用任何原理的直驱直线电机，电机个数可按需求布置。本发明中各电机的端部作为升降平面的支点，多支点的结构在提升整个系统搭载能力、平衡性的同时，可根据需要在各支点处安装压力传感器，对升降平面的受力状况进行观测，并对升降平面的平衡进行校正，可以根据需要进行姿态调整。本发明还提供了适用于该升降平台的多电机之间的通讯拓扑结构，可以实现更符合实际运输需求的升降平台的运动控制精度。该升降平台还包含能够在线切换通讯拓扑的邻接矩阵，从而具备切换通讯拓扑的功能。

Description

基于多直线电机的升降平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及升降平台领域，尤其涉及一种基于多直驱直线电机的升降平台及其控制方法。

背景技术

在现代化工业制造、运输环境下，人力搬运已经逐渐被市场所淘汰，取而代之的是节省人力、财力的升降设备。无论在生产物流、建筑施工、土木工程，还是在日常生活的各个领域，升降机械无处不在，有了越来越广泛的应用。

目前，升降机主要包含缆索式升降机与剪叉式液压升降机等。缆索式升降平台的原理是：通过旋转电机拉动钢丝绳以产生直线运动。在实际应用中面临着换向速度慢，能量损耗等问题，同时钢丝绳易断裂，滑轮结构易老化，存在着安全隐患。而液压式升降平台同样面临着运行速度慢，能耗高等问题，同时其噪音较大，许多车载液压升降平台以柴油为动力不利于节能环保。

此外，这两种升降平台的位置控制精度都不高，无法在线对平台的平衡性进行校正，不能满足具有高精度位置要求的升降平台系统。

虽然在精密加工行业，已经引入了直线电机，可以实现较高精度的控制。但是，直线电机的可以输出的推力远小于传统的旋转电机配合旋转-直线转换机构。而如果采用多直线电机的方式，则相互间的协作较为困难，尤其是在对高精度位置要求、所需推力又远高于直线电机可以输出的最大推力的场合，多直线电机之间的协作困难的缺陷就更为明显。

在升降平台领域，各电机之间位置、速度的一致性是升降平台保持稳定性、准确性的基础。而且，升降平台领域，由于上述应用直线电机存在的客观困难的原因，尚未有使用直线电机的先例。

对于集中式控制，为实现协调操作，每个电机(工作单元)可以通过有线或无线的方式连接到主控制器，并将其实时的工作状态传送给其他单元。主控制器负责所有单元的操作、控制与决策，同时接收和调度所有需要的信息。然而，这种集中协调的方式要求主控制器具有快速的计算和数据处理能力，并要求全部信息的收集和交换。如果主控制器失去作用，整个系统将会崩溃。当系统发生故障时，如信号传输失败或者一个或多个单元断开，整个控制系统也势必会导致性能恶化，甚至故障。此外，对于一组具有多个体的运动控制系统，集中控制实现复杂，成本较高，即便可以实现，所得到的系统是不健全的或无效的。

发明内容

本发明实施例提供一种基于多直线直驱电机的协同控制升降平台及其控制方法，以便于解决现有技术中的不足。本发明提供一种基于多直线电机的协同控制升降平台。该升降平台可以实现高精度同步升降、姿态调整等功能，同时又能克服直线电机推力不足的缺陷。

本发明实施例提供了四种跟踪控制系统的通讯拓扑结构，并对每个拓扑结构的控制性能进行了分析。

所述升降平台还包括监控平台，所述决策机构设于所述监控平台，各所述电机的状态信息通过所述通信单元发送到同一所述决策机构，使各所述发电可由同一所述决策机构协调控制。

所述决策机构包括相互独立的多个协调控制器，各所述电机具有一所述协调控制器，各所述电机主体包括协调控制器、驱动器单元、传感器单元等，各所述电机主体的状态信息按照拓扑网络发送给邻居电机。各所述电机为分布式设置，各自决策。各所述电机根据自身的运动信息、邻居电机的运动信息及控制目标，由自身的控制器独立决策。

更具体的，本发明实施例提供了一种基于多直线电机的协同控制升降平台，所述升降平台包括基座、多台直线电机、升降平面，各个直线电机的位置控制方式为通讯拓扑结构的协同控制方式，所述升降平台具备通讯拓扑模块，并且包含能够在线切换通讯拓扑结构的邻接矩阵，通过改变所述邻接矩阵的赋值来使得所述升降平台切换通讯拓扑结构。

可选的，各个所述直线电机的端部安装有支点，所述升降平台各电机之间具有能够相互通讯的通讯单元，各个所述支点处安装有压力传感器，所述升降平台具备力反馈模块，可以获取各个压力传感器的受力值，所述支点优选是球形支点。

可选的，所述邻接矩阵为i行j列的矩阵，矩阵元素为a_ij，其中，a_ij的值为1代表第j个电机需接收第i个电机的实际位置作为自身的参考输入，否则a_ij的值赋值为0。

可选的，所述多个直线电机为直驱式直线电机，优选为直线开关磁阻电机或直线永磁同步电机。

可选的，所述支点的材料是金属或碳纤维。

可选的，还包括监控平台，所述监控平台设置有决策机构，各所述电机的状态信息发送到所述决策机构，使各所述电机由所述决策机构协调控制。

可选的，所述决策机构包括相互独立的多个协调控制器，各所述电机具有一所述协调控制器，各所述电机的协调控制器、驱动器单元、传感器单元、计算单元及通信单元连接，各所述电机的状态信息按照拓扑网络发送给相邻电机。

可选的，所述多台直线电机的总数目为三台。

本发明实施例还提供了一种用于控制升降平台的控制方法，其控制程序中包含能够在线切换通讯拓扑的邻接矩阵，以实现在线切换通讯拓扑的功能。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述控制升降平台的控制方法。

本发明的有益效果是：1)设置多个直线电机，实现了协同控制，提高工作效率；2)可以根据需要增加或减少控制系统中的电机数量，方便维护；3)可切换通讯拓扑的邻接矩阵，从而便于根据实际需要选择不同的通讯拓扑结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明升降平台示意图。

图2是本发明位置控制系统示意图；

图3a-3d是本发明通讯拓扑结构示意图。

图4是本发明协同控制升降平台软硬件结构图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本发明设计了协同控制的多直线电机驱动的升降平台系统及其控制方法。通过多直线电机驱动，克服了直线电机的推力不足的缺陷。通过协同控制，克服了多直线电机之间控制实现复杂、成本较高的缺陷。

本发明的电机可以采用任何一种直线电机，可选的，可以选择采用直线开关磁阻电机(LSRM)。该电机的定子基座和动子运动平台通过导磁材料固定于定子槽内。其中，定子基座和动子运动平台可以选择均由硬铝制材料构成，也可以选择由其他材料构成，导磁材料可以选择比如由硅钢片压制成。每一台电机包含多组线圈，比如六组，直线编码器固定于定子基座一侧，以测量定子与动子之间的相对位移并实时反馈给运动控制系统。电机结构可以是本领域常见的电机结构，也可以选择这样的电机结构，比如主要包括定子基座、动子、线圈、磁栅(光栅亦可)、编码器、磁条(光栅条亦可)等。

图1为多直线电机协同控制升降平台100的示例，该协同控制升降平台100主要由基座、升降平面1、多台直线电机2组成。其中，该直线电机可以是任何一种直线电机，也可以是直线开关磁阻电机；该直线电机的数量可以根据实际需要进行选择，优选是三台，优选所使用的各个直线电机机械及电气参数完全一致，也可以有所不同。该基座可以是硬质铝构成的，每台电机的端部优选安装有支点3，优选是球形的，可以选择摇杆球。该支点的材料优选是硬材料，可以是金属也可以是碳纤维等等硬材料。升降平面安放于各支点之上，球形支点可以保证升降平面的角度变化及动态调整的自由性。

优选的，根据实际需要，可以选择在各支点处安装压力传感器(未图示)，以对升降平面的受力状况进行观测，从而可以实现实时或定期的对升降平面的平衡进行校正。

图2为直线开关磁阻电机的位置控制系统框图。位置指令作为参考输入与磁栅编码器采集的实际位置相比较，其差值经过位置控制器得到期望的力输出，与动定子相对位置通过多项励磁共同决定绕组导通顺序及分配的力的大小，力/电流转化关系式可以计算出各项绕组所分配的电流并施加给驱动器，驱动器的电流环将确保电流输出的快速性与稳定性，驱动器输出的电流被供应给电机线圈的每一项，以实现对电机的位置控制。磁栅编码器对各电机运动状态进行采集，并反馈回来与参考输入作比较。

多直线电机协同控制升降平台中，该直线电机可以是任何一种直线电机，比如可以为直线开关磁阻电机。本发明的多直线电机协同控制升降平台中，各个直线电机可以分别被视为一个节点，各节点之间通过位置信息的传递，实现协同控制，而通讯拓扑是影响协同控制精度的关键因素。

本发明采用了通信拓扑的方式来进行同步控制，采用同步控制作为控制律，不同电机位置信息的利用方式，形成了同步控制的不同控制拓扑。基于分布式的动态协同控制理论，为协调跟踪的多电机运动控制提供了理论支持。本发明采用的升降平台控制系统由多台电机作为支撑，每台电机的实际位置与参考输入之间的误差及各电机之间实际位置的误差都将直接影响整个升降平台的控制精度。对于本发明所提出的升降平台而言，若想使升降平台运行平稳，需要实时保证每台电机具有相同的水平高度，否则，升降平台的整个运动将不顺畅，控制精度将会变差。

根据实际需要，可以设置多台电机，每台电机可以被视为一个节点，各几点之间通过位置信息的传递，实现协同控制。该多台电机之间的位置调节采用通讯拓扑结构的控制方法。以采用三台直线电机为例，如图3a-图3d所示，可以设计出四种通讯拓扑结构，分别命名为拓扑a、拓扑b、拓扑c与拓扑d。在所有拓扑中，节点1接收期望的参考信号作为自己的输入而不受其他节点的影响，因此，节点1处的运动状态可以被视为单直线开关磁阻电机运动控制。在拓扑a中，节点1指向节点2与节点3，表明节点2与节点3分别接收来自节点1的信息。即节点2与节点3将节点1的实际位置输出作为自身的参考输入；在拓扑b中，节点2接收来自节点1的位置信息，而将自身的实际位置信息发送给节点3，形成从节点1到节点2再到节点3的单向通讯链路；拓扑c与拓扑b相似，节点2接收来自节点1的位置信息，而不同之处在于节点2与节点3之间是双向通讯的，即节点2与节点3把相互的实际位置信息作为参考输入；拓扑d想较与拓扑c增加了由节点1到节点3的有向边。在每一拓扑中均有三个节点，拓扑a与拓扑b只包含两条有向边，在拓扑c中，其中一条有向边变为双向通讯，而拓扑d中，在拓扑a的基础上增加了一条节点2与节点3之间的双向通信。

以上的通讯拓扑的设计是由于以下原因：当出现工作临时中断、修复之后要重新启动电机工作，或者其他任何一种需要启动电机工作的时候，由于每台电机的实际位置不一定都是理想的。具体到本发明应用的领域即控制升降平台的领域，上次中断的时候的电机停止位置相互间未必是一致的高度或者是符合需求的相互的高度差，这个技术问题是之前的传统做法中未能出现的，因为，在传统的做法中，为了电机的推力能够符合推力的要求，直线电机往往只能使用在对推力要求不大的领域，一旦对推力的要求大过直线电机的推力范围，就只能采用精度低的传统的旋转电机。但有些时候，传统的旋转电机的精度并不太符合实际需求，而且，对推力的要求实际也只是一台直线电机的最大推力的若干倍而已。因此，本发明设计使用多台直线电机来解决上述技术问题。但使用多台直线电机就会带来比如临时中断的时候各电机的停止位置不符合实际需求的情况，这时候，若采用将所有电机的位置复位，然后按照程序一直运行到前次操作中断的位置再行工作的做法，虽然也可以达到目的，但是，这样的做法是费时耗电的，而且，有些场合并不适合将电机复位再重新运行。因此，本发明提出协同控制的办法，并引入了邻接矩阵的做法。

本发明的协同控制升降平台的控制方法涉及图论基础及矩阵论基础。图论是描述多自主体系统内通信与感知信息拓扑最直接的数学工具。以G＝(V,E)来表示一个图，V＝{v₁,…,v_n}代表非空节点的集合，节点v_n代表第n台直线开关磁阻电机控制单元。按照矩阵论的定义，邻接矩阵Q表示某幅图中各节点的邻接关系，行与列分别对应该幅图中n个节点的序列。矩阵中元素q_hw的值若为1则表示节点h与节点w邻接，若为0则表示不邻接。

具体的，邻接矩阵用来决定各台电机以哪一台或哪几台的实际位置作为参考输入。邻接矩阵为i行j列的矩阵，矩阵元素为a_ij。其中，a_ij的值若为1，代表第j个电机需接收第i个电机的实际位置作为自身的参考输入，以此来相对于第i个电机调整自身的位置，以达到工作的目的，即达到协同控制升降平台的目的。否则，a_ij的值赋值为0。因此，在控制界面中，通过改变邻接矩阵中的元素值，就可以改变各个电机间的通讯拓扑结构。

以三台电机为例，邻接矩阵为：

比如图3a代表的通讯拓扑结构，表示第二台电机和第三台电机接收来自第一台电机的实际位置作为自身的参考输入，此时对应的邻接矩阵的赋值为：

矩阵中第二列第一行数值为1，代表第二台接收第一台的实际位置，第三列第一行为1代表第三台接收第一台的实际位置。

而如果是图3b代表的通讯拓扑结构，表示第2台电机需接收第1台电机的实际位置作为自身的参考输入，并且，第3台电机需接收第2台电机的实际位置作为自身的参考输入。此时对应的邻接矩阵的赋值为：

通过改变邻接矩阵的赋值，以及根据实际需要设置电机的台数，本发明可以容易的实现改变各个电机之间的通讯拓扑的结构的目的，从而很方便的实现协同控制升降平台的目的，而且，还可以很方便的在线切换各个电机的通讯拓扑结构。

本发明的协同控制升降平台软硬件结构如图4所示。各电机控制子系统将各项线圈所需的电流值所对应的电压值施加给驱动器，驱动器将输出的电流传送给电机线圈。各子系统通过编码器采集接口将采集到的位置信息反馈回来进行计算及实时观测。各直线电机控制系统均作为一个子系统，各子系统包含各电机的位置控制器、励磁函数模块、力/电流转化模块、参考输入模块、选择开个模块、幅值增益模块、力分配模块等。软件显示界面由控制台子系统编译后生成，通过下位机的信息反馈，可以获取各个子系统的运动状态并进行观测。通过观测电机的运动状态对系统各参数进行实时在线调节。系统控制拓扑结构决定了各电机之间的通讯链路，在控制程序中，包含可以在线切换通讯拓扑的邻接矩阵，可以根据需求进行拓扑更改。各电机的速度、位移等运动状态被反馈至协同控制算法模块中，当开启协同控制算法模块的开关，该算法的控制律作为各电机的一个输入增量对各电机的参考输入一致性以及各电机之间实际位移的一致性进行优化。

优选的，可以选择在各支点处安装压力传感器，并将各支点处的压力传感器测的的数值作为协同控制升降平台的输入参数，以对升降平面的受力状况进行观测，从而在调整电机位置的同时/或位置调整之前或之后进行电机纵向位置的调节，从而对升降平面的平衡进行校正。

本发明的协同控制的多直线电机驱动的升降平台系统及其控制方法，其跟现有技术相比，具有如下优点：

(1)直线电机具有简单且坚固的结构，极大降低了运动过程中的能量损耗。

(2)直线电机运行可靠性高，使用清洁能源，具有广泛的应用前景。

(3)基于多直线电机的协同控制的升降平台相比于其他原理的升降平台(如液压、气动等)具有更高的稳定性，更快的响应速度以及更强的抗负载扰动能力，同时也可以通过各支点的力反馈，对平台的平衡性进行校正，可以实现快速、高精度的升降运动。

(4)不同于集中式控制，分布式或分散操作不需要任何中央处理单元，任何单元可以被视为一种自治，各单元系统有其自己的控制器、传感器等，分别符合典型的闭环线性运动控制系统。最终的全局控制目标，只由本地控制器与本地控制器的独立单元闭环系统之间的本地通信来实现，而不需要全局监督或决策。

(5)矩阵论的引入，尤其是其中邻接矩阵的引入，使得系统在线切换通讯拓扑成为可能。这点在复杂加工领域尤其具备应用前景，用户可以根据实际所处的加工过程，比如在某一加工步骤中断后重启时，根据实际加工需求来选择适合的通讯拓扑结构。

以上对本发明实施例公开的进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于多直线电机的协同控制升降平台，其特征在于，所述升降平台包括基座、多台直线电机、升降平面，各个直线电机的位置控制方式为通讯拓扑结构的协同控制方式，所述升降平台具备通讯拓扑模块，并且包含能够在线切换通讯拓扑结构的邻接矩阵，通过改变所述邻接矩阵的赋值来使得所述升降平台切换通讯拓扑结构。

2.如权利要求1所述的升降平台，其特征在于，各个所述直线电机的端部安装有支点，所述升降平台各电机之间具有能够相互通讯的通讯单元，各个所述支点处安装有压力传感器，所述升降平台具备力反馈模块，可以获取各个压力传感器的受力值，所述支点优选是球形支点。

3.如权利要求1所述的升降平台，其特征在于，所述邻接矩阵为i行j列的矩阵，所述矩阵的元素为a_ij，其中，a_ij的值为1代表第j个电机需接收第i个电机的实际位置作为自身的参考输入，否则a_ij的值赋值为0。

4.如权利要求1所述的升降平台，其特征在于，所述多个直线电机为直驱式直线电机，优选为直线开关磁阻电机或直线永磁同步电机。

5.如权利要求2所述的升降平台，其特征在于，所述支点的材料是金属或碳纤维。

6.如权利要求1-5任一项所述的升降平台，其特征在于，还包括监控平台，所述监控平台设置有决策机构，各所述电机的状态信息发送到所述决策机构，使各所述电机由所述决策机构协调控制。

7.如权利要求6所述的升降平台，其特征在于，所述决策机构包括相互独立的多个协调控制器，各所述电机具有一所述协调控制器，各所述电机的协调控制器、驱动器单元、传感器单元、计算单元及通信单元连接，各所述电机的状态信息按照拓扑网络发送给相邻电机。

8.如权利要求1-7任一项所述的升降平台，其特征在于，所述多台直线电机的总数目为三台。

9.一种用于控制如权利要求1-8任一项所述的升降平台的控制方法，其特征在于，其控制程序中包含能够在线切换通讯拓扑的邻接矩阵，以实现在线切换通讯拓扑的功能。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求9所述的方法。