CN110518837A - 一种离心式电力作动器用相对坐标系时空耦合法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心式电力作动器用相对坐标系时空耦合法，属于多电机协调控制技术领域。对作动器上四台电机的控制方法为相对坐标系时空耦合法，相对坐标系时空耦合法是指坐标系旋转一个角度，每一个分力的大小、方向是不断变化的，在时间和空间上是耦合在一起的，通过旋转坐标并运用矢量合成的方法，四个分力最终可以合成得到确定方向上给定相位和力幅的合成输出力。控制来控制输出力的幅值，这种相对坐标系时空耦合法可以输出360°方向上的力，其力幅最大为2F₁，多用在航空航天、医疗设备和机器人控制等领域。

Description

一种离心式电力作动器用相对坐标系时空耦合法

技术领域

本发明公开了一种离心式电力作动器用相对坐标系时空耦合法，属于多电机协调控制技术领域。

背景技术

近些年来工业发展迅猛，对各种机械性能和产品质量的要求逐渐提高，在某些场合仅对单一电机进行控制已不能满足要求，因此学者们提出多电机协调控制的概念，协调多电机控制的方式一般有两种：一种是机械方式；另外一种是电方式。采用机械协调传动的方式通过机械结构建立多个电机间的联系，传动范围及距离都会受到限制，电方式则主要通过电机驱动器进行控制，其使用范围基本不受限制，同时使用方式十分灵活。本发明例中采用的就是电方式协调控制。

从作动器结构上来看，传统的结构形式是两台伺服电机，每台伺服电机各驱动一对互相啮合的齿轮，带动两个偏心质量块同速反向旋转，这种结构形式控制结构简单，但机械结构相对复杂。最重要的是这种电力作动器只能产生某一固定方向上的力，其大小可变，方向无法改变，因此这种作动器被称为线力作动器。

本发明中作动器上四个偏心质量块由四台伺服电机直接驱动，能输出360°方向上的力，其大小可变，如何协调四台电机在给定方向上输出要求力幅的力是控制上的难点。

发明内容

本发明正是思及于此，提出一种离心式电力作动器用相对坐标系时空耦合法，在相对坐标系下，同时启动四台电机到给定转速，四台电机分别拖动质量块从而各自输出力，通过旋转坐标改变输出力的方向，当四台电机拖动质量块输出合成力相位满足给定，再控制输出合成力的力幅，这种相对坐标系时空耦合法可以输出360°方向上的力，其力幅最大为2F₁。

本发明一具体实施例中，优选的，相对坐标系时空耦合法是指坐标系旋转，每一个分力的大小、方向是不断变化的，在时间和空间上是耦合在一起的，通过旋转坐标并运用矢量合成的方法，四个分力最终可以合成得到确定方向上给定相位和力幅的合成输出力。

本发明一具体实施例中，优选的，相对坐标系时空耦合法，首先需对单侧质量块组的输出力进行控制。对于直驱式作动器而言，其单侧输出力方向可变，此时需要先对单侧输出力方向进行控制，再控制单侧输出力力幅，最后合成得到总的输出力。

本发明一具体实施例中，优选的，相对坐标系时空耦合法，为了使得作动器输出任意方向上的力，通过旋转坐标确定输出力的方向，将输出力的方向定到指定方向后，再按照原来单向输出力作动器的控制方案，分别控制两侧质量块的力幅，相位。控制即控制输出力的幅值，控制即控制输出力的相位。

有益效果，本发明所提出的一种离心式电力作动器用相对坐标系时空耦合法，能控制四电机的负载质量块保持一恒定差值稳定运行，且精度高，动态响应好，产生的力合成得到最终的输出力，从而，这种设备可以解决在特定工况下的工程问题。

为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为四电机负载位置协调控制示意图；

图2为相对坐标系时空耦合法控制框图；

图3为四电机输出力示意图；

图4为相对坐标系时空耦合法示意图；

图5为相对坐标系时空耦合法输出力轮廓图；

图中标号说明：分别为四电机拖动质量块的位置，I_dc1、I_dc2、I_dc3、I_dc4分别为各自电机电流环的反馈信号，I^* _dc1、I^* _dc2、I^* _dc3、I^* _dc4分别为各自电机电流环的输入信号，δ^*分别是位置给定和相位给定，F₁为1#和2#质量块产生的合成力，F₁′为旋转坐标系得到的合成力，F₂为3#和4#质量块产生的合成力，F为最后得到总的输出力。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，附上本发明实施例的图如下，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

如图1所示，为四电机负载位置协调控制示意图，供电电源系统为直流供电，直流母线电压经过逆变器逆变成交流电通入电机的三相绕组给电机供电，四台电机分别拖动质量块从而各自输出力，通过旋转坐标改变输出力的方向，当四台电机拖动质量块输出合成力方向满足给定，即认为前侧两台电机和后侧两台电机都已经被控好，建立前侧2#质量块位置和后侧3#质量块位置间的联系，协调控制四台电机，最后控制输出合成力的力幅，得到合成输出力。

如图2所示，分别为四电机拖动质量块的位置，I_dc1、I_dc2、I_dc3、I_dc4分别为各自电机电流环的反馈信号，I^* _dc1、I^* _dc2、I^* _dc3、I^* _dc4分别为各自电机电流环的输入信号，δ^*分别是位置给定和相位给定，对于前侧两台电机，负载位置检测分别检测1#质量块和2#质量块位置，当负载位置变化，取1#质量块位置和2#质量块位置平均值送到位置环做负反馈，差值的一坐送到相角差环做负反馈；与经过比例环节正向作用到1号电机转速环和2号电机转速环；δ^*与经过比例环节正向作用到1号电机转速环，同时负向作用到2号电机转速环；正向作用于1号电机转速环，同时正向作用于2号电机转速环；1号电机和2号电机转速环反馈为1号电机转速误差经过比例积分环节得到I^* _dc1，正向作用于电流环，I_dc1为负反馈到电流环信号，1号电机电流误差经过比例积分环节得到占空比并发出PWM波，再送给逆变器从而达到控制1号电机的目的；2号电机转速误差经过比例积分环节得到I^* _dc2正向作用于电流环，I_dc2为负反馈到电流环信号，2号电机电流误差经过比例积分环节得到占空比并发出PWM波，在送给逆变器从而达到控制2号电机的目的；对于后侧两台电机，负载位置检测分别检测3#质量块和4#质量块位置，当负载位置变化，取3#质量块位置和4#质量块位置平均值送到位置环做负反馈，差值的一半送到相角差环做负反馈；与经过比例环节正向作用到3号电机转速环和4号电机转速环；δ^*与经过比例环节正向作用到3号电机转速环，同时负向作用到4号电机转速环；负向作用于3号电机转速环，同时负向作用于4号电机转速环；3号电机和4号电机转速环反馈为3号电机转速误差经过比例积分环节得到I^* _dc3，正向作用于电流环，I_dc3为负反馈到电流环信号，3号电机电流误差经过比例积分环节得到占空比并发出PWM波，再送给逆变器从而达到控制3号电机的目的；4号电机转速误差经过比例积分环节得到I^* _dc4正向作用于电流环，I_dc4为负反馈到电流环信号，4号电机电流误差经过比例积分环节得到占空比并发出PWM波，在送给逆变器从而达到控制4号电机的目的；协调四电机工作的变量是借助于θ^*建立前侧和后侧四台电机的联系，从而最终输出指定方向上给定力幅的力。

如图3所示，可以更为直观的看到四个电机拖动质量块的物理结构，四台电机各自带动一个质量块负载，借助于相对坐标系时空耦合法，四个质量块分别产生指定方向上的力，控制好输出力到指定方向后，再按照原来单向输出力作动器的控制方案，分别控制前侧质量块和后侧质量块输出力的力幅、相位，得到最后的合成力。

如图4所示，该控制方法在旋转坐标系下实现对输出力的定向。1号电机、2号电机、3号电机、4号电机同时启动，当四台电机都达到给定转速后，先通过旋转坐标确定输出力的方向。假设前一时刻单侧两个质量块输出力的相位分别是由于两个质量块是相同速度反向旋转，在水平方向上，也就是x轴方向上两个质量块的合力为0，而在y轴负方向上合力为F₁，此时需产生F₁′方向上的作用力，该作用力相较于F₁顺时针旋转δ角度。认为xy坐标系为静止坐标系，将原有xy坐标系同时顺时针旋转δ角度，得到x′y′坐标系，此时x′y′坐标系中的F₁′就可等效为xy坐标系中的F₁，就可等效为xy坐标系中的就可等效为xy坐标系中的现定义1#质量块顺时针旋转为正方向，2#质量块逆时针旋转为正方向，可得：

因此要使单侧合力F₁′的方向符合要求，需要满足以下条件：

另外一侧3#，4#两个质量块受力方向应与1#，2#一致，才能控制总输出力的大小，设为x′y′坐标系中3#，4#两个质量块的相位，也应满足：

这样通过坐标变换的方式可将作动器输出力的方向调整到任意方向上，然后再控制输出力的频率，幅值和相位。已知在任一方向上振动产生的交变力为：

在该方向上两对偏心轮的输出力分别为：

作动器输出力为：

其中θ代表两对质量块输出力的相位差，其表达式为：

要使作动器实际输出力等于所需交变力，需要满足以下条件：

Φ＝φ

因此，要产生一定频率和幅值的交变力，即需控制原动机BLDC的转速ω，两对质量块的位置角

如图5所示，由于该控制方法是通过旋转坐标的方式对力进行定向，F₁和f₂分别是前侧和后侧电机的输出力，其大小和方向都是可变的，假设两力的方向都是在y轴方向上，大小设为最大力幅即F₁＝F₂，我们通过将静止坐标系xy旋转δ角度得到相对坐标系x′y′，即x轴旋转得到x′轴，y轴旋转得到y′轴，从而分力变为y′轴负方向上分力F₁′和F₂′，δ为任意角度，也就是说，输出力的方向可以在360°内进行变化，因此该控制方法产生合力的轮廓是一个圆形的平面，如阴影部分所示，且圆的半径为2F₁，也就是输出力的最大幅值。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (3)

1.一种离心式电力作动器用相对坐标系时空耦合法，在相对坐标系下，同时启动四台电机到给定转速，四台电机分别拖动质量块产生输出力，两侧电机的输出力被控制在给定方向上，四个分力合成得到最后输出合力，这种相对坐标系时空耦合法可以输出360°方向上的力，其力幅最大为2F₁。

2.如权利要求书1所述的一种离心式电力作动器用相对坐标系时空耦合法，相对坐标系时空耦合法是指在原有的xy坐标系下可以得到和F₁和F₂分别是前侧和后侧电机的输出力，可以看出F₁和F₂在时间上、空间上都是耦合的关系，其大小和方向都是可变的，假设两力的方向都是在y轴负方向上，为了得到给定方向上的输出力，我们通过将静止坐标系xy旋转δ角度得到相对坐标系x′y′，即x轴旋转得到x′轴，y轴旋转得到y′轴，从而分力变为y′轴负方向上分力F₁′和F₂′，得到给定方向上的合成力，合成力形式如下，

3.如权利要求书2所述，为了使得作动器输出任意方向上的力，首先需对单侧质量块组的输出力进行控制，通过旋转坐标确定输出力的方向，将输出力的方向控制到给定方向后，再依次控制输出力的相位、力幅。当前侧两台电机在给定方向的力已经被控好后，认为前侧两台电机转速相同，当后侧两台电机在给定方向的力已经被控好后，认为后侧两台电机转速相同，取前侧2#质量块和3#质量块位置，协调四电机工作的变量是借助于θ^*建立前侧和后侧四台电机的联系，从而最终输出指定方向上给定力幅的力。