CN110289748B - 一种基于直线-旋转双自由度振荡电机及控制方法 - Google Patents

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    • H02K41/06—Rolling motors, i.e. motors having the rotor axis parallel to the stator axis and following a circular path as the rotor rolls around the inside or outside of the stator ; Nutating motors, i.e. having the rotor axis parallel to the stator axis inclined with respect to the stator axis and performing a nutational movement as the rotor rolls on the stator

Abstract

本发明公开了一种基于直线‑旋转双自由度振荡电机及控制方法，电机包括原动机和从动机，原动机本体固定在原动机底座上，原动机转子与原动机本体连接，原动机转子永磁体设置于原动机转子外表面上；从动机固定铸体固定在从动机底座上，气缸固定在从动机固定铸体上，并与从动机动子连接，从动机动子永磁铁设置在从动机动子内表面；原动机转子同轴嵌套在从动机动子内部，且原动机转子永磁体与从动机动子永磁铁之间有间隙；原动机通过原动机转子驱动从动机动子，从而使从动机做直线往复运动，并通过气缸压缩空气。本发明解决了传统电机效率低、噪声大、功率小、传动机构易磨损、能量密度低的问题，从而提高了振荡电机系统的效率和稳定性。

Description

一种基于直线-旋转双自由度振荡电机及控制方法
技术领域
本发明涉及空调压缩机设备，特别是一种针对大功率、低功耗、低噪音、高振荡频率的基于直线-旋转双自由度振荡电机及控制方法。
背景技术
很多年以来，工业上虽然对数控机床进行了多次改革，但一直以来，应用最多的还是采用旋转电机带动曲柄连杆的结构。传统的由旋转电机带动曲柄连杆结构的控制方式控制策略简单，但硬件结构复杂。同时，由于其固有的结构特点，振荡过程中噪音大、能量转换效率低、结构易损坏。最近几年，随着科技的不断发展、工艺品质的不断提升，传统低效率的驱动控制策略已经不能满足工业需求。
近几年来，很多学者投入到压缩机的设计和改良当中，提出了直线振荡压缩机，即直线振荡电机。直线振荡电机，它作为直线电机的一种，虽然以其独特的特点，得到了国内外学者的重视，直线压缩机取消了传统压缩机的曲柄连杆机构，通过直线电机，以电磁共振的方式进行驱动，降低了机械摩擦力，提高整机效率。但与此同时，由于减少了机械结构上的连接，压缩机活塞行程和气缸余隙会随着气体负载变化，即存在余隙过大和撞缸等潜在危险。因此，直线振荡电机的控制要求相对于旋转电机的控制要复杂很多。同时，直线振荡电机的位置精度极大地依赖传感器，但直线电极传感器造价高，这给空调用直线振荡电机的发展带来了极大地难度。
发明内容
发明目的：为了解决传统旋转式压缩机效率低、噪声大、功率小、传动机构易磨损的问题和由直线电机驱动的电磁密度低、出力小、易撞击缸体或余隙过大的问题，本发明提供了一种基于直线-旋转双自由度振荡电机及控制方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于直线-旋转双自由度振荡电机，包括原动机和从动机，原动机包括原动机底座、原动机本体、原动机转子和原动机转子永磁体，原动机本体固定在原动机底座上，原动机转子与原动机本体连接，原动机转子永磁体设置于原动机转子外表面上；从动机包括从动机底座、从动机固定铸体、从动机动子、从动机动子永磁铁和气缸，从动机固定铸体固定在从动机底座上，气缸固定在从动机固定铸体上，并与从动机动子连接，从动机动子永磁铁设置在从动机动子内表面；原动机转子同轴嵌套在从动机动子内部，且原动机转子永磁体与从动机动子永磁铁之间有间隙；原动机通过原动机转子驱动从动机动子，从而使从动机做直线往复运动，并通过气缸压缩空气。
可选的，原动机转子和从动机动子均采用合金材料且采用空心杯设计结构。
可选的，原动机转子外表面上设有螺旋形开槽，原动机转子永磁体贴附于槽内。
可选的，从动机动子永磁铁为螺旋形，贴附在从动机动子套筒内表面，其螺距和原动机转子外表面上的螺旋形永磁体螺距相同。
可选的，原动机内部装有绝对式位置传感器，用于实时采集从动机动子的运动位置。
本发明还提供了一种基于直线-旋转双自由度振荡电机的控制方法，首先，根据经验选取模糊自适应PID控制器的初始PID参数；其次，根据绝对式位置传感器反馈的信号计算位置误差及误差的变化率；然后，根据计算所得，应用模糊PID控制算法，计算并更新模糊自适应PID控制器的PID参数；最后，将计算所得的PID参数传递给电机控制器，电机控制器运用新的PID参数控制电机的运行，原动机旋转运动，通过原动机转子和从动机动子之间的耦合磁场，对从动机动子产生水平方向的驱动力，从动机动子拉动气缸做往复运动从而压缩空气；并重复上述三个步骤，直到达到控制要求。
进一步的，模糊PID控制算法包括以下步骤：
（1）定义模糊自适应PID控制器的输入和输出语言变量
输入语言变量为：从动机位置偏差量
Figure 389142DEST_PATH_IMAGE001
和偏差变化率
Figure 544180DEST_PATH_IMAGE002
；
输出语言变量为：控制器的比例系数
Figure 485591DEST_PATH_IMAGE003
，积分系数
Figure 333461DEST_PATH_IMAGE004
和微分系数
Figure 993113DEST_PATH_IMAGE005
；
（2）制定模糊逻辑推理规则
用NB、NM、NS、ZE、PS、PM和PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，用来衡量计算误差的隶属范围；E表示行程计算误差，EC表示计算行程误差变化率；则模糊推理规则表如表1所示：
Figure 935530DEST_PATH_IMAGE006
（3）解模糊
采用重心法解模糊：重心法主要是将隶属度函数值与对应坐标轴围成面积的重心，作为模糊推理的输出值，即：
Figure 997027DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 750219DEST_PATH_IMAGE008
为模糊输出值，
Figure 897167DEST_PATH_IMAGE009
为相对应元素的加权值，
Figure 394007DEST_PATH_IMAGE010
为模糊输出集合中的元素；
其中模糊量输出值用来调整PID的取值，取值规则为：
Figure 310010DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 483372DEST_PATH_IMAGE012
为计算所得P参数取值，
Figure 852036DEST_PATH_IMAGE013
为上一时刻P参数值，
Figure 152567DEST_PATH_IMAGE014
为P参数计算修订值；
Figure 923077DEST_PATH_IMAGE015
为计算所得I参数取值，
Figure 283651DEST_PATH_IMAGE016
为上一时刻I参数值，
Figure 139612DEST_PATH_IMAGE017
为I参数计算修订值；
Figure 230452DEST_PATH_IMAGE018
为计算所得D参数取值，
Figure 121048DEST_PATH_IMAGE019
为上一时刻D参数值，
Figure 652523DEST_PATH_IMAGE020
为计算修订值。
有益效果：与现有技术相比，本发明用直线-旋转双自由度振荡电机替代传统的旋转电机和直线电机。去除了由于采用传统旋转式压缩机所带来的复杂机械传动系统，从而提高抽油设备的整体效率，减小了噪声。去除了由直线电机驱动所带来的造价高、易撞击缸体或余隙过大的问题。且所述电机转子和连接杆采用低密度材料，空心杯结构，极大地提高了系统振荡效率，提高了本专利的实用性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中原动机转子和从动机动子连接结构示意图；
图3为原动机结构示意图；
图4为本发明控制方法流程图；
图5为模糊控制系统框图；
图6为模糊控制系统隶属度函数示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
以下所述，仅为本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说，基于本发明同样的发明创造原理，还可以做出若干变型和改进，以及本技术方案在其他相似领域的应用，但这些均落入本发明的保护范围。
参见附图1至3，图1所示的为本发明的整体结构，图中标号列示如下：1-直线-旋转双自由度振荡电机从动机气缸、2-直线-旋转双自由度振荡电机从动机部分气缸的进/出气孔、3-直线-旋转双自由度振荡电机从动机的从动机固定铸体、4-直线-旋转双自由度振荡电机从动机动子、5-直线-旋转双自由度振荡电机原动机转子、6-直线-旋转双自由度振荡电机从动机动子永磁体、7-直线-旋转双自由度振荡电机原动机转子永磁体、8-直线-旋转双自由度振荡电机从动机底座、9-直线-旋转双自由度振荡电机原动机底座、10-直线-旋转双自由度振荡电机原动机部分。
原动机10为旋转电机，固定在原动机底座9上，其原动机转子5转轴与地面平行，从动机动子永磁体6同原动机转子同轴固定并留有1mm距离，当原动机转子5做旋转运动，根据原动机转子5与从动机动子4的电磁关系，从动机动子4做直线运动，原动机内部装有绝对式编码器，可实时采集从动机动子4的运动位置，从而计算和判断从动机动子4的位置，由此可计算出从动机动子4的运动行程。原动机转子5做往复旋转运动，由此从动机动子4做直线往复运动，由此产生往复运动，从动机动子4的运动可带动气缸1的运动，气缸通过进出气口2可吸入和排出空气，从而达到压缩空气的作用。
本发明直线-旋转双自由度电机的工作原理如下所示：
原动机内部装有绝对式位置传感器，工程师可通过编程使用传统旋转电机控制器控制直线-旋转双自由度电机中的原动机10做旋转往复运动，原动机的旋转运动驱动原动机转子5做同步旋转运动。由于原动机转子5上有螺旋形开槽，槽内贴有螺旋形永磁体7，因此当原动机转子5旋转时，其槽内的永磁体便会产生螺旋运动的磁场。如图2所示为动、转子的详细结构，从动机动子4为套筒型，其内壁上贴有螺旋形永磁体6，其螺距与原动机转子槽螺距相同，从动机动子永磁体的磁场与原动机转子永磁体的磁场耦合。当原动机转子5旋转时，便会通过该耦合磁场产生水平方向的作用力。
因此，原动机10旋转运动，通过原动机转子5和从动机动子4之间的耦合磁场，对从动机动子4产生水平方向的驱动力，从动机动子4拉动气缸1做往复运动从而达到压缩空气的目的。工程师可以根据实际条件，通过控制控制器对原动机的旋转速度、旋转电机往复运动频率进行控制。从而间接控制对压缩机的出力，气体压缩量等多个方面指标进行控制，以达到要求指标。
如图4所示，一种基于直线-旋转双自由度振荡电机的控制方法，首先，工程师根据经验选取控制器的初始PID参数；其次，根据传感器反馈的信号计算位置误差及误差的变化率；然后，根据计算所得，应用模糊PID控制算法，计算并更新控制器的PID参数，具体方法如下：
原动机的控制策略采用模糊自适应PID算法进行位置环控制。从而满足系统对精确度，启动时间，容错性的要求。其主要有以下三个步骤，输入量的模糊化，输出量的模糊化、模糊逻辑的推理原则及解模糊函数。
典型的PID控制器有三个环节：比例环节（P环节），积分环节（I环节）和微分环节（D环节）。典型的PID控制算法为：
Figure 730201DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 372535DEST_PATH_IMAGE022
为控制器的输出，在该电机种输出为控制器电压
Figure 117637DEST_PATH_IMAGE023
为控制器的输入信号（即误差信号）在该电机中为检测位置信号和给定位置信号差值，
Figure 69281DEST_PATH_IMAGE024
分别为控制器的比例系数，积分系数，微分系数；
经典PID算法由于
Figure 899834DEST_PATH_IMAGE025
的确定性，即使调整到最优化的参数，也很难达到直线振荡电机的最优化控制效果。同时，双自由度旋转-直线振荡电机系统具有很强的非线性，强耦合性。通常，利用传统PID控制算法抵制外来干扰的能力不足，如负载扰动，振荡频率改变。因此，需要改进传统PID算法，来进行高精度和强鲁棒性控制。
模糊控制是控制领域的一个重要分支，对于直线振荡电机这类非线性强耦合系统采用传统的PID控制器往往不能达到最优化控制效果，对于负载扰动，频率突变等扰动跟踪性能不理想。因此本文提出了传统PID和模糊控制相结合的模糊自适应控制算法，系统根据输入输出情况实时整定
Figure 345859DEST_PATH_IMAGE025
参数，其控制框图如图5所示。
图5中，Pref表示参考位置信号，即给定行程。P表示传感器测得实际行程。d/dt表示误差变化率。Kp、Ki、Kd表示计算所得PID参数。其具体过程为，系统给定行程Pref传递给控制器，控制器运用初始化PID参数控制电机运行，传感器检测电机位置信号并返回Pref并传递给控制器，控制器计算相应的位置误差及误差变化率信号并根据计算所得应用模糊PID算法重新整定PID参数，控制器运用新的PID参数控制电机并重复以上步骤，直到达到控制要求。
在双自由度旋转-直线振荡电机控制系统中，选取位置偏差量
Figure 679888DEST_PATH_IMAGE026
和偏差变化率
Figure 553166DEST_PATH_IMAGE027
作为输入语言变量，
Figure 871015DEST_PATH_IMAGE025
为输出语言变量。系统根据输入偏差量
Figure 120731DEST_PATH_IMAGE026
和偏差变化率
Figure 558534DEST_PATH_IMAGE027
进行模糊推理，制定出的
Figure 602714DEST_PATH_IMAGE025
参数变化如下：当
Figure 407859DEST_PATH_IMAGE026
较大时，为使系统尽快跟踪输入，应取较大的
Figure 195686DEST_PATH_IMAGE028
与较小的
Figure 504308DEST_PATH_IMAGE029
，同时为了减小系统超调，应严格控制
Figure 719388DEST_PATH_IMAGE030
。当
Figure 261097DEST_PATH_IMAGE026
处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，
Figure 587036DEST_PATH_IMAGE028
应取得小些。当
Figure 15743DEST_PATH_IMAGE027
较小时，为使系统具有较好的稳定性能，
Figure 401725DEST_PATH_IMAGE028
与
Figure 915883DEST_PATH_IMAGE030
均应取得大些。根据PID各个参数的特点和输入量的变化情况，制定如图6所示的模糊推理规则。
图6中，横坐标为误差的隶属范围，实际情况中可修改伸缩因子进行调整；纵坐标为计算所得的隶属度。其中NB、NM、NS、ZE、PS、PM和PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。用来衡量计算误差的隶属范围。
模糊控制器的设计主要包括输入量的模糊化，输出量的模糊化和模糊逻辑的推理原则，模糊规则控制表如表1所示。其中NB、NM、NS、ZE、PS、PM和PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，用来衡量计算误差的隶属范围。E表示行程计算误差，EC表示计算行程误差变化率。
Figure 45513DEST_PATH_IMAGE031
采用重心法解模糊：
重心法主要是将隶属度函数值与对应坐标轴围成面积的重心，作为模糊推理的输出值，即：
Figure 594306DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 155386DEST_PATH_IMAGE033
为模糊输出值，
Figure 156840DEST_PATH_IMAGE034
为相对应元素的加权值，
Figure 90161DEST_PATH_IMAGE035
为模糊输出集合中的元素。其中模糊量输出值用来调整PID的取值，取值规则为：
Figure 493460DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 955666DEST_PATH_IMAGE037
为计算所得P参数取值，
Figure 444416DEST_PATH_IMAGE038
为上一时刻P参数值，
Figure 165116DEST_PATH_IMAGE039
为P参数计算修订值；
Figure 422922DEST_PATH_IMAGE040
为计算所得I参数取值，
Figure 587187DEST_PATH_IMAGE041
为上一时刻I参数值，
Figure 297654DEST_PATH_IMAGE042
为I参数计算修订值；
Figure 307199DEST_PATH_IMAGE043
为计算所得D参数取值，
Figure 685090DEST_PATH_IMAGE044
为上一时刻D参数值，
Figure 738366DEST_PATH_IMAGE045
为计算修订值。
最后，将计算所得的PID参数传递给控制器，控制器运用新的PID参数控制电机的运行，并重复上述三个步骤，直到达到控制要求。

Claims (6)

1.一种基于直线-旋转双自由度振荡电机的控制方法，其特征在于，所述基于直线-旋转双自由度振荡电机包括原动机和从动机，控制方法包括以下步骤：
(1)选取模糊自适应PID控制器的初始PID参数；
(2)根据绝对式位置传感器反馈的信号计算位置误差及误差的变化率；
(3)根据计算所得，应用模糊PID控制算法，计算并更新模糊自适应PID控制器的PID参数；
模糊PID控制算法包括以下步骤：
(31)定义模糊自适应PID控制器的输入和输出语言变量
输入语言变量为：从动机位置偏差量e和偏差变化率ec；
输出语言变量为：控制器的比例系数Kp，积分系数Ki和微分系数Kd；
(32)制定模糊逻辑推理规则
用NB、NM、NS、ZE、PS、PM和PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，用来衡量计算误差的隶属范围；E表示行程计算误差，EC表示计算行程误差变化率；则模糊推理规则为：
表1 LOA模糊推理规则
Figure FDA0002654502730000011
(33)解模糊
采用重心法解模糊：重心法主要是将隶属度函数值与对应坐标轴围成面积的重心，作为模糊推理的输出值，即：
Figure FDA0002654502730000012
其中，v0为模糊输出值，vk为相对应元素的加权值，uv为模糊输出集合中的元素；
其中模糊量输出值用来调整PID的取值，取值规则为：
Kp＝Kp0+vp；
Ki＝Ki0+vi；
Kd＝Kd0+vd；
其中，Kp为计算所得P参数取值，Kp0为上一时刻P参数值，vp为P参数计算修订值；Ki为计算所得I参数取值，Ki0为上一时刻I参数值，vi为I参数计算修订值；Kd为计算所得D参数取值，Kd0为上一时刻D参数值，vd为计算修订值；
(4)将计算所得的PID参数传递给电机控制器，电机控制器运用步骤(3)计算得到的PID参数控制电机的运行，原动机旋转运动，通过原动机转子和从动机动子之间的耦合磁场，对从动机动子产生水平方向的驱动力，从动机动子拉动气缸做往复运动从而压缩空气；并重复步骤(1)至步骤(3)，直到达到控制要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于直线-旋转双自由度振荡电机的控制方法，其特征在于，原动机包括原动机底座、原动机本体、原动机转子和原动机转子永磁体，原动机本体固定在原动机底座上，原动机转子与原动机本体连接，原动机转子永磁体设置于原动机转子外表面上；从动机包括从动机底座、从动机固定铸体、从动机动子、从动机动子永磁铁和气缸，从动机固定铸体固定在从动机底座上，气缸固定在从动机固定铸体上，并与从动机动子连接，从动机动子永磁铁设置在从动机动子内表面；原动机转子同轴嵌套在从动机动子内部，且原动机转子永磁体与从动机动子永磁铁之间有间隙；原动机通过原动机转子驱动从动机动子，从而使从动机做直线往复运动，并通过气缸压缩空气。
3.根据权利要求2所述的一种基于直线-旋转双自由度振荡电机的控制方法，其特征在于，原动机转子和从动机动子均采用合金材料且采用空心杯设计结构。
4.根据权利要求2所述的一种基于直线-旋转双自由度振荡电机的控制方法，其特征在于，原动机转子外表面上设有螺旋形开槽，原动机转子永磁体贴附于槽内。
5.根据权利要求2所述的一种基于直线-旋转双自由度振荡电机的控制方法，其特征在于，从动机动子永磁铁为螺旋形，贴附在从动机动子套筒内表面，其螺距和原动机转子外表面上的螺旋形永磁体螺距相同。
6.根据权利要求2所述的一种基于直线-旋转双自由度振荡电机的控制方法，其特征在于，原动机内部装有绝对式位置传感器，用于实时采集从动机动子的运动位置。
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