新型直接驅(qū)動(dòng)管型直線(xiàn)無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)的 發(fā)展 Won-jong Kim and Bryan C.Murphy 摘要： 這篇文章介紹了一種新型 管型直線(xiàn)無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī) 的設(shè)計(jì) 。 在這個(gè)設(shè)計(jì)中， 磁體 作為 運(yùn)動(dòng) 部件 依照 NS-NS SN-SN的方式導(dǎo)向的，這樣在同名極區(qū)域能夠產(chǎn)生 更高的磁力。 我們發(fā)展了 一種 分析的方法 用來(lái)計(jì)算這種電動(dòng)機(jī)推力和 設(shè)計(jì)傳動(dòng)器的大小 。 直線(xiàn)電動(dòng)機(jī) 與一個(gè)位置檢測(cè)器， 3個(gè)功率放大器和 一個(gè)控制器協(xié)力運(yùn)行，這樣形成了一個(gè)完整的控制 緊密致動(dòng) 的 解決方案 。實(shí)時(shí)數(shù)字控制器提高了 電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能并且增益調(diào)度的使用 減少 了 非線(xiàn)性 死 區(qū) 的影響。在它的初速電流狀態(tài)， 電動(dòng)機(jī)對(duì)一個(gè) 5-mm的階躍命令的響應(yīng)具有 30ms的上升時(shí)間， 60ms的 穩(wěn)定延遲時(shí)間 和 25% 超調(diào)量 。 電動(dòng)機(jī)有 1.5m/s的最大速度和最高 10g的加速度。它有一個(gè) 10 cm的 工作行程 和最大 26n的輸出推力。這種電動(dòng)機(jī)緊湊的尺寸顯示它能夠用在需要中等輸出力和精度的機(jī)械應(yīng)用中，比如說(shuō) 機(jī)器人 gripper定位 或者傳動(dòng) . 值得注目的是電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)部分能夠伸展 超過(guò)它的固定支撐基座 。 這個(gè)延伸的能力 使它在需要一個(gè)小的，直接驅(qū)動(dòng)的 致動(dòng) 器 應(yīng)用中非常有用，因?yàn)檫@種 致動(dòng) 器 工作環(huán)境是 在一個(gè)不舒服，拘束 的空間環(huán)境中。 關(guān)鍵字 : 直接驅(qū)動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)，直線(xiàn) 致動(dòng) 器 ，永磁電動(dòng)機(jī)，實(shí)時(shí)數(shù)字控制，管型電動(dòng)機(jī) 1. 引言 在本文中所記述的工作的目的是發(fā)展一種新型的 具有快速，平滑 ，帶 10-cm工作行程緊密定位的致 動(dòng)器 。 在圖 1中所示的直接驅(qū)動(dòng)的管型直線(xiàn)無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)（ LBPMM） 有一個(gè) 無(wú)槽的定子， 能夠提供沒(méi)有頓振的平滑轉(zhuǎn)換。 這個(gè)設(shè)計(jì)選擇犧牲 更高的輸出推力的能力，來(lái)實(shí)現(xiàn) 平滑致動(dòng)。 這種 致動(dòng) 器 的應(yīng)用包括 緊密定位和機(jī)器人致動(dòng)的需要 。 在 靈巧的手 1和 終端復(fù)合連接的機(jī)器人手臂 中 直線(xiàn) 致動(dòng) 器 用來(lái)作為機(jī)器人的末端受動(dòng)器。 Budig 論述了不同的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)在許多不同的領(lǐng)域中的應(yīng)用 2。 圖 1.裝配好的管裝直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)安裝在精密光學(xué)桌面上，用 銅管和右邊的 LVDT連接。 永磁體放在銅管里面。在電動(dòng)機(jī)后面可以看到放大器 直線(xiàn) 致動(dòng) 器 被用在 水壓的或是 氣壓 泵 中 ，在需要 高輸出力 的無(wú)精確下滑要求的應(yīng)用中 相當(dāng)有效 。 其他 的 致動(dòng)器 使用 無(wú)靜電回轉(zhuǎn)電機(jī)和導(dǎo)螺桿或是其他的旋轉(zhuǎn)到 直線(xiàn)轉(zhuǎn)換裝置相連接，這就 帶來(lái)了根多的復(fù)雜因素 包括增長(zhǎng)的反沖和移動(dòng)部分因?yàn)槁?lián)接或齒輪增加的質(zhì)量。 因此 , 由永磁體和載流線(xiàn)圈組成的 LBPMM,特別適合用來(lái)做精密定位上的應(yīng)用 。 在 LBPMM和 其他直 接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的領(lǐng)域（直接驅(qū)動(dòng)就是指負(fù)載由電動(dòng)機(jī)直接推動(dòng)），以經(jīng)有了很多的貢獻(xiàn)。 LBPMM常被 應(yīng) 用在 單自由度和多自由度的精密定位中。 Lequesne調(diào)查了許多按照 轉(zhuǎn)換率在 5到 20mm內(nèi)而設(shè)計(jì)的 永磁直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo) 。 3Kim和 Trumper et. al 論證了一個(gè) 6自由度的平板 LBPMM能夠被用在納米級(jí)的精密定位中 4,5。 這個(gè)裝置是由包含一個(gè)固定基座的載流線(xiàn)圈組成，固定基座在由永磁體陣列組成的滾筒的下面。當(dāng)給它一定的電壓，線(xiàn)圈輕輕浮在滾筒中，并允許重要的平移和旋轉(zhuǎn)在底盤(pán)平面里。 Berhan, 等人 討論 了Halbach磁體陣列 6在新型無(wú)鐵心管型 LBPMM中的使用 7,8。 Halbach陣列是由軸對(duì)稱(chēng)的八邊形導(dǎo)向矩形永磁體形成的，它可以近似的等效為一個(gè)圓柱型的 Halbach陣列。本文所提出設(shè)計(jì)的的電動(dòng)機(jī)和以上所提到的電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別 它有一個(gè)更簡(jiǎn)單的由圓柱型永磁體組成的 mover，具有更緊湊的尺寸，在建筑里的使用也更加容易。 Ishiyama, 等人 設(shè)計(jì)了一種管型 LBPMM能夠用來(lái)作為驅(qū)動(dòng)圖像閱讀裝置里的托架和其他用途的工具 9。 這個(gè)設(shè)計(jì)遺留下一批空的成放射狀磁化的永磁體，每個(gè)磁極與鄰近的磁極相互吸引 。 這種結(jié)構(gòu)常常被用來(lái)制造相關(guān)的長(zhǎng)型管型磁鐵陣列，作為電動(dòng)機(jī)的固定組成部分。本次的設(shè)計(jì)與其主要不同在于磁體的磁化方向和電機(jī)的構(gòu)造。 被提到的設(shè)計(jì)也包含一個(gè)固定的磁體序列和外部線(xiàn)圈作為運(yùn)動(dòng)機(jī)件。這和本文所討論的的電動(dòng)機(jī)完全不同，因?yàn)?in the latter 被永磁體包圍的管子能夠自由的伸出超過(guò)支撐的底座。 Zhu, 等人 建立了一個(gè)管型 LBPMM并討論了最小限度頓振 10。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，討論了多相電動(dòng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。和 9中相似的放射性磁化磁體和 axially-magnetized磁體在作者的設(shè)計(jì)中都是 作為具體化的選項(xiàng)。 這個(gè)設(shè)計(jì)采用定子 鐵心，由此鼓動(dòng)頓振推力到系統(tǒng)中。 10中討論的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要性能目標(biāo)是最大化 力 /電流比和力 /體積比。 這次設(shè)計(jì)的目的主要是期望獲得極佳的精密定位性能，輸出力只是作為可供參考的指標(biāo)。 Liaw, 等人 開(kāi)發(fā) 了一種魯棒性位置控制 LBPMM11。 Shieh和 Tung一個(gè) LBPMM的控制器用在制造業(yè)的系統(tǒng)中 12。 Brckl討論了直線(xiàn)電機(jī)在超高精度機(jī)床上的應(yīng)用 13,這也是我們這次設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)可能的用途之一。 Basak和 Shirkoohi使用軟件對(duì) NdFeB magnets直流無(wú)刷直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算。 14 Lee論證了使用鋸齒狀部件在圓柱型直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的可行性，使用這種部件的好處在于能夠使裝配容易并且防止電機(jī)運(yùn)行時(shí)熱度過(guò)高 15。Trumper等人 論述了電磁序列能夠在 2維和 3維場(chǎng)方向圖中產(chǎn)生通過(guò)線(xiàn)圈中變化的電流密度16。 Ishiyama介紹了一種用于圓柱形直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)定子的設(shè)計(jì)方法 ，就是使用一個(gè)固定機(jī)械裝置來(lái)結(jié)合由相鄰永磁體的相對(duì)面形成的環(huán) 17。 Akmese等人 記述了電機(jī)參數(shù)的計(jì)算機(jī)分析方法和磁場(chǎng)頓振推力的有限元分析 18。 Eastham, 等人 論述了無(wú)刷管型直流電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)化設(shè)計(jì) 19。 上述所提到的設(shè)計(jì)概念，特別是在 7-10中討論過(guò)的， 在總體性能上 和這次設(shè)計(jì)有相似的地方， 但是這次的設(shè)計(jì)和以往還是有重要的區(qū)別之處。本次設(shè)計(jì)考慮到 緊湊輕薄形圓柱管型 致動(dòng) 器 的要求，使它能自由的伸展超過(guò)支撐底盤(pán)。 這次使用無(wú)鐵心和無(wú)槽設(shè)計(jì)，大大消除了頓振的產(chǎn)生，使電動(dòng)機(jī)能夠平滑運(yùn)動(dòng)。底部采用無(wú)鐵心的設(shè)計(jì)，因此沒(méi)有鐵軛對(duì)磁場(chǎng)的集束效應(yīng)，使得電動(dòng)機(jī)效率受到損失。 電動(dòng)機(jī)的緊密設(shè)計(jì)使其可適用于狹小空間中的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)具有的良好的電壓穩(wěn)定性有助于自 身在精密定位領(lǐng)域中的應(yīng)用。 在下面的章節(jié)中，我們將通過(guò)對(duì)控制穩(wěn)定和電動(dòng)機(jī)規(guī)格兩方面的討論來(lái)介紹電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。然后介紹滿(mǎn)足特殊運(yùn)動(dòng)要求的控制器的設(shè)計(jì)，同樣的也介紹了滿(mǎn)足 2個(gè)特殊的機(jī)器人 致動(dòng) 要求的最優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)步驟 。通過(guò)對(duì)一些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)舉例說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)不同輸入的響應(yīng)特性，有些還包括了外加負(fù)載的影響。當(dāng)輸出最大推力的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)還能夠保持穩(wěn)定，對(duì)這個(gè)工作的討論在 20中有詳細(xì)論述。 2電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 2.1.概 念 設(shè)計(jì) 圖 2顯示了電動(dòng)機(jī)概念 結(jié)構(gòu)，沒(méi)有磁體和線(xiàn)圈的詳細(xì)尺寸。圓柱形永磁體被放置成NS-NS SN-SN的方式并且在 每對(duì) 之間相互間隔。 磁體的 剖面 必須和線(xiàn)圈的 剖面 相匹配， 并且成對(duì)的磁體陣列剖面也要和線(xiàn)圈的剖面一致。 磁體被固定在一個(gè)可以自由滑動(dòng)的銅管里組成 電動(dòng)機(jī)的 mover。三相電磁線(xiàn)圈標(biāo)注為 A， B， C。每個(gè)線(xiàn)圈 最外面的和最里面的繞組都由引出導(dǎo)線(xiàn)，線(xiàn)圈按照一定的順序排列，使得每個(gè)線(xiàn)圈有三分之一位于同一相。 線(xiàn)圈構(gòu)成定子，mover被放置在定子里。當(dāng)線(xiàn)圈裝有動(dòng)力的時(shí)候，就會(huì)依照洛倫茲力方程對(duì)永磁體施加力，從而促使了 mover的平移。 圖 2 磁體的長(zhǎng)度（沿 Z軸方向）設(shè)定為和線(xiàn)圈一樣。因此 需要 設(shè) 計(jì) 的參數(shù)為磁體的長(zhǎng)度，磁體的外半徑和線(xiàn)圈的內(nèi)半徑（取決與在兩者之間的氣隙），線(xiàn)圈的外半徑。磁體序列固定在銅管里，之間留出空間給磁體和線(xiàn)圈氣隙。 2 2電動(dòng)機(jī)推力計(jì)算和 sizing 為了 確定詳細(xì)的設(shè)計(jì)參量，必須制定出量化的期望的性能標(biāo)準(zhǔn)。在這里，概念上的設(shè)計(jì)保證了平滑移動(dòng)的要求，因?yàn)闆](méi)有能產(chǎn)生頓振的鐵槽。 剩下的感興趣的性能參數(shù)是 最大輸出力。洛倫茲力方程 f = (J B) dV支配了電流線(xiàn)圈和永磁體的互感。 輸出力 是線(xiàn)圈電流密度 向量 和永磁體產(chǎn)生的通過(guò)整個(gè)線(xiàn)圈的磁通密度向量 乘積的體積分。 單個(gè)磁體和單個(gè)線(xiàn)圈的互感是對(duì)輸出力的主要影響。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展和簡(jiǎn)化，洛倫茲力方程變?yōu)椋?1）。一些幾何的參數(shù)在圖 3中給出。詳細(xì)的推導(dǎo)過(guò)程在 20中給出， 21,22中的材料對(duì)此非常有幫助。 每個(gè)線(xiàn)圈的自感系數(shù)和阻抗分別為 0.500 mH和 0.552 。通過(guò)每個(gè)線(xiàn)圈的最大限度為 3A。 經(jīng)過(guò)評(píng)估我們選擇圓柱的 NdFeB永磁體。它最大的能量積為 0.4MJ/m3 (50 MGOe).選擇磁體直徑為 10.0-mm (0.395”)，長(zhǎng)度為 9.53-mm (0.375”)，最小剩磁為 1.20 T。 留下 合適的空間 給 外直徑為 11.1-mm (7/16”)的銅管 來(lái)放置 磁體 ，使其 并 能夠 不接觸線(xiàn)圈自由滑動(dòng)，線(xiàn)圈的內(nèi)直徑 12.2 mm，外直徑為 33.2 mm.。 沿 Z軸的長(zhǎng)度選擇為 9.53相對(duì)于磁體的長(zhǎng)度。使用 AWG #21 線(xiàn)圈， 179繞數(shù)在設(shè)計(jì)封裝里。 圖 3 基于以上的規(guī)格尺寸，單個(gè)磁體和單個(gè)線(xiàn)圈之間的力 /電流和對(duì)應(yīng)的位移（ Z）的函數(shù)關(guān)系可以用（ 1） 來(lái)決定。數(shù)學(xué) CAD用來(lái)求解不同位移下的力 /電流。這些結(jié)果在圖 4中給出。這些圖中的點(diǎn)是通過(guò)在數(shù)學(xué) CAD中反復(fù)求解得出的。把這些點(diǎn) 經(jīng)過(guò)線(xiàn)性插補(bǔ) 連成一條連 續(xù)直線(xiàn)的線(xiàn)。 圖 4 2 3 機(jī)械 設(shè)計(jì) 定子由 9個(gè)線(xiàn)圈（每相 3個(gè)）組成， 在每對(duì)磁鐵之間采用鋁 使得能和磁體 粘合在一塊。 磁體和鋁的粘合是涂環(huán)氧的 PC-7在外表面。磁體的由 4個(gè)磁體和兩個(gè)組成，共 63.3mm。一個(gè)銅管被用來(lái)裝磁體和。管子的外直徑為 11.1-mm (7/16”)，管壁厚 0.356 mm (0.014”)，長(zhǎng) 305 mm (12.0”)。磁體和 spacer在管子中按照 NSNS SN-SN的方向排列。在銅管里的磁體能夠通過(guò) 9線(xiàn)圈集來(lái)轉(zhuǎn)換，如圖 2所示。支撐銅管的尼龍軸承用 Delrin固定在定子的兩端來(lái)保持住。 當(dāng)把線(xiàn)圈面對(duì)面的粘合起來(lái)的時(shí)候， 0.787- mm厚 的多層 pr用來(lái)留下一個(gè)間隙在 在 spacer的內(nèi)直徑到外直徑處開(kāi)槽留下空間給引出的金屬導(dǎo)線(xiàn)。 Spacer是縱傾的因此它的內(nèi)直徑就會(huì)比線(xiàn)圈的大，外直徑會(huì)比線(xiàn)圈的小。這樣就能使銅管在線(xiàn)圈中自由滑動(dòng)并留下空間給引出的空間導(dǎo)線(xiàn)使其能在周?chē)m當(dāng)?shù)牡胤奖话b。被添加的有效厚度為 1.03mm。 因此定子由 6個(gè)線(xiàn)圈和6個(gè) spacer組成共 63.3mm，和磁體一樣。 2.4. 整流 為了提供平穩(wěn)的三相電流給電動(dòng)機(jī)， 一個(gè)整流等式關(guān)于基于位置的力和電流 是需要的。為了方便，坐標(biāo)約定和圖 2的一樣，相關(guān)的定義在 8中，這樣變化方程就能夠使用而無(wú)需作重大修改。上文提到的交換等式在（ 2）中給出。這里用 C替換了部分幾何參量。 變量 1， 2， 3相對(duì)于線(xiàn)圈的三相電流。 4. 方程 2提供了包含一個(gè)未知量 C的 3個(gè)等式，當(dāng)知道了電流，就可以確定位移和力的值。 為了找到一個(gè)合適的 C的值，要完成分析和實(shí)驗(yàn)手續(xù)。在每種情況里，平衡的三相電流和位移是固定的。 在統(tǒng)計(jì)調(diào)查了 C的數(shù)據(jù)，選擇中間值。當(dāng) c確定下后，控制器的輸出就能變換出 3個(gè)期望的跟隨輸出電流。控制 器的輸出量是力 .線(xiàn)圈電流的最大擺動(dòng)幅度是 3A，和控制器板的輸出電壓成正比。因此，跨導(dǎo)放大器增益為 0.333A/v。 為了分析確定電動(dòng)機(jī)的力的性能，必須總計(jì)每個(gè)磁體 -線(xiàn)圈互感的單獨(dú)貢獻(xiàn)。線(xiàn)圈的pitch和磁體的相適應(yīng)，因此每相的單個(gè)線(xiàn)圈的力的貢獻(xiàn)是一樣的。每相力 /電流的值要 *3。因?yàn)槊肯嘤?3個(gè)線(xiàn)圈。從圖 4，可以清楚的看到當(dāng)磁體超過(guò) 30mm，力的貢獻(xiàn)可以忽略，因此 只有每個(gè)線(xiàn)圈中最靠近的 6個(gè)磁體能夠貢獻(xiàn)。 表 1列舉了在最靠近的 6個(gè)磁體間的和在每相單個(gè)線(xiàn)圈的力貢獻(xiàn)。磁體的相應(yīng)編號(hào)被標(biāo)注在圖 2中。通過(guò)增加每相的輸出力 建立合力。表 1顯示了最大輸出力時(shí)的位置和電流條件 ，緩和了平衡 3相條件。輸出力的最大限度確定為 29.6N，當(dāng)考慮到平衡的 3相條件，最大的輸出力為 19.4N。 2.5.實(shí)驗(yàn)步驟和使用儀器 實(shí)驗(yàn)步驟顯示在圖 5中。線(xiàn)性可變微分變壓器（ LVDT）通過(guò)導(dǎo)螺桿和電動(dòng)機(jī)的 mover相連。LVDT輸出模擬位置信號(hào)給實(shí)驗(yàn)電路，經(jīng)過(guò) conditioning circuit的整流濾波，再送到 DS1104控制器板的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換信道?？刂瓢逄幚磉@個(gè)位置信號(hào)，然后輸出合適的控制信號(hào)給 PWM放大器。然后放大器產(chǎn)生正比與電壓的電流 給線(xiàn)圈，用來(lái)對(duì)固定在 mover中的永磁體施加力的作用，產(chǎn)生平移。下面詳細(xì)介紹了步驟所要用到測(cè)量?jī)x器。 3.控制器的設(shè)計(jì)和執(zhí)行 在這一節(jié)中，說(shuō)明了系統(tǒng)建模和控制器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。人們?cè)O(shè)計(jì)了各種各樣的控制器來(lái)更好的達(dá)到期望的性能特征在機(jī)器人技術(shù)中的應(yīng)用。在每種方案中 ，核心都是一個(gè)典型的控制器。增益的時(shí)序安排被用來(lái)實(shí)現(xiàn)減少響應(yīng) 死 區(qū)域的影響。有兩個(gè)主要的性能指標(biāo)要考慮。第一個(gè) 性能指標(biāo) 是 在最小位置噪音下的快速上升時(shí)間，這也是許多緊密定位應(yīng)用的要求。第二個(gè)性能指標(biāo)是小的或沒(méi)有 超調(diào)量 ，在一些 超調(diào)量 可能 意味著不受歡迎的碰撞的 機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用中會(huì)有要求。 3 1培養(yǎng)模型 LVDT允許自身的鐵心無(wú)接觸的滑動(dòng)，因此使得系統(tǒng)中沒(méi)有摩擦力的產(chǎn)生。尼龍軸承定位于直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的兩端使得幾乎沒(méi)有摩擦給系統(tǒng)，所有摩擦力在最初的系統(tǒng)建模中可以忽略。因此。系統(tǒng)可以建模作為純質(zhì)量系統(tǒng)。 動(dòng)子 的質(zhì)量在精密天平上測(cè)量為 175g。相應(yīng)的 平臺(tái) 傳遞函數(shù)為 （ 3） 3 2 控制器設(shè)計(jì) 系統(tǒng)被建模為純質(zhì)量的，所有模型在邊上穩(wěn)定的。為了減少上升時(shí)間和增加的衰減，加上了一個(gè)引導(dǎo)補(bǔ)償器。為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，包括了一個(gè) lag補(bǔ)償器。在可以接受的衰減條件下，系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè) 超過(guò) 60度的 相位裕度 。為了零穩(wěn)態(tài)誤差，一 個(gè) 極 點(diǎn) 被放在 s-平面的原點(diǎn)。 要求的最小上升時(shí)間限定在較低的系統(tǒng)增益的限度內(nèi)，然而實(shí)際上，實(shí)際增益比這個(gè)限度要高很多。因此剩下的極點(diǎn)和零點(diǎn)通過(guò)許多次反復(fù)的誤差實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。 Matlab函數(shù) rlool用來(lái)最終確定控制器的參數(shù)，以達(dá)到合適的動(dòng)態(tài)性能。方程（ 4） 給出了在 5-kHz取樣頻率下的控制器的離散時(shí)間域下的變換。 （ 4） 這個(gè)控制器在轉(zhuǎn)線(xiàn)路頻率為 49hz下產(chǎn)生 73。 6度的相位差，可適用于在一個(gè)要求快速階躍響應(yīng)同時(shí)可以接受 20 30的 超調(diào)量 的應(yīng)用中。 許多其他的控制器也 被發(fā)展并且它們的性能要檢驗(yàn)以確定它們適用于具體的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用中。比如在無(wú) 超調(diào)量 和高數(shù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位的應(yīng)用。 3 3 增益調(diào)度 將在第四節(jié)討論的 ，在 實(shí)驗(yàn)的階躍響應(yīng)中， 有兩個(gè)最總要的問(wèn)題，高振幅噪音和重大的 dead band區(qū)域 prsent。 重新設(shè)計(jì)了構(gòu)成后，噪音能夠通過(guò)軟件過(guò)濾器顯著的減小。系統(tǒng)響應(yīng)中 的 t是由在系統(tǒng)中的非線(xiàn)性摩擦引起的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)到期望點(diǎn)的附近時(shí)。 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在最終位置的附近，誤差是小的，然而，控制器需要時(shí)間積累足夠大的命令電流來(lái)讓電動(dòng)機(jī)克服摩擦力。結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)重大的時(shí)間延遲。 為了消除這 個(gè) 死區(qū) ,要就要執(zhí)行增益的時(shí)序安排。 一個(gè) 50um以?xún)?nèi)的死區(qū)要保留來(lái)防止干擾的劇增當(dāng)接近期望的最終評(píng)估。圖 6給了系統(tǒng)響應(yīng)一個(gè) 20 mm的輸入命令，帶有或沒(méi)有增益時(shí)序安排執(zhí)行。這里使用的控制器被明確設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)到達(dá)指定位置而無(wú) 超調(diào)量 的目標(biāo)。然而這導(dǎo)致了它比較慢，特別是在大的階躍時(shí)。通過(guò)增益時(shí)序安排的方法 的影響顯著的減小了。同時(shí)上升時(shí)間從超過(guò) 7s降低到少于 0.8s。 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了測(cè)定電動(dòng)機(jī)適用的范圍有多廣，我們進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試電動(dòng)機(jī)的性能。 同時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)不同的應(yīng)用修改了一些控制的設(shè)置，以便在每 個(gè)應(yīng)用中能達(dá)到最優(yōu)化控制。這些修改包括濾波，增益調(diào)度以及路徑規(guī)劃。應(yīng)該注意到所有讀取的有關(guān)位置的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)LVDT過(guò)濾的信號(hào)。 4.1.電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 為了 測(cè)定出電動(dòng)機(jī)的最大拉 力輸出 ，實(shí)驗(yàn)中將保持三相線(xiàn)圈中電流恒定，同時(shí)通過(guò)滑輪和懸掛在上面的負(fù)載給電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)外力，如圖 7所示。 圖 7 通過(guò)給懸掛的負(fù)荷 加上一些小的砝碼，使負(fù)荷重量增加直到達(dá)到電動(dòng)機(jī)的輸出拉力，這時(shí)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始釋放負(fù)載，使其落下。 移去剛加上去的質(zhì)量，通過(guò)天平測(cè)出剩下的質(zhì)量。將這個(gè)質(zhì)量乘以引力常數(shù)就可以確定輸出拉力。 當(dāng)通過(guò)線(xiàn)圈每 相的最大電流是 3A時(shí)，輸出拉力 26.3N。 通過(guò)式（ 1）計(jì)算出來(lái)的相關(guān)力的理論值是 29.6N。 4.2.階躍響應(yīng) 階躍響應(yīng) 是測(cè)量直線(xiàn)傳動(dòng)器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可操作性的有用工具。許多應(yīng)用要求傳動(dòng)器能夠盡可能快的從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。其他重要的特性是超調(diào)量百分比， 穩(wěn)定延遲時(shí)間 和穩(wěn)態(tài)誤差。 圖 8中的第一個(gè)繪制的是系統(tǒng)對(duì) 40-um階躍命令的響應(yīng)。響應(yīng)上升時(shí)間少于 0.3s， 穩(wěn)定延遲時(shí)間 大約是 0.4s。 這些瞬態(tài)響應(yīng)相對(duì)于 40赫茲的系統(tǒng)交叉頻率來(lái)說(shuō)是很慢的。相信是尼龍軸承的摩擦和死區(qū)的降低了這個(gè)微小運(yùn)動(dòng)。在圖 8中的第二條線(xiàn) 顯示了 5-mm的階躍響應(yīng)。在沒(méi)有嚴(yán)重的非線(xiàn)性影響的條件下，上升時(shí)間和 穩(wěn)定延