孫 鳳 ,裴文哲 ,金俊杰 ,趙 川 ,徐方超 ,張 明
(沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)
磁懸浮作為機電一體化前沿交叉技術(shù),可實現(xiàn)無機械接觸穩(wěn)定支撐,在國內(nèi)外學(xué)者的深入研究下得到了廣泛應(yīng)用[1-3].將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于潔凈室傳送系統(tǒng),可有效減少粉塵的產(chǎn)生,滿足半導(dǎo)體等行業(yè)嚴苛的生產(chǎn)環(huán)境要求.段吉安等[4]提出了一種磁懸浮直線運動平臺,可實現(xiàn)大行程快速運動.Kim等[5]提出了一種懸掛式磁懸浮傳送系統(tǒng),具有響應(yīng)快速和穩(wěn)定性強等優(yōu)勢.如上傳送系統(tǒng)均采用電磁力實現(xiàn)垂向支撐,為平衡重力在懸浮過程中電磁線圈須保持較大偏置電流,系統(tǒng)功耗高、溫升大,影響精密設(shè)備的運行.
隨著燒結(jié)釹鐵硼技術(shù)的推廣應(yīng)用,永磁體的最大磁能積不斷提高[6].利用永磁體產(chǎn)生磁力實現(xiàn)垂向支撐可有效減小系統(tǒng)發(fā)熱,具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢.Morishita等[7]研制了應(yīng)用于硅晶圓傳送的電磁-永磁混合磁懸浮傳送系統(tǒng),可實現(xiàn)零功率懸浮.Kim等[8]設(shè)計了一種用于LED面板傳送的混合磁懸浮系統(tǒng),并引入雙層彈簧隔振結(jié)構(gòu),減小平臺振動.OKA等[9-10]提出了變氣隙永磁懸浮系統(tǒng),并先后應(yīng)用壓電材料和音圈電機驅(qū)動永磁體運動,實現(xiàn)了懸浮球的多自由度運動控制及零功率懸浮.由于永磁體的磁動勢不可調(diào)節(jié),以上兩類系統(tǒng)在零功率控制下平衡氣隙唯一,負載改變后懸浮氣隙無法恒定.因此,三自由度混合磁懸浮平臺在各磁極載荷不均條件下將出現(xiàn)傾斜.針對該問題,文獻[11-12]提出了一種磁極位置橫向可調(diào)節(jié)的防傾斜結(jié)構(gòu).此外,磁懸浮系統(tǒng)還可通過可變磁路原理改變系統(tǒng)的磁路磁通量,等效調(diào)節(jié)永磁體磁動勢,實現(xiàn)單自由度定氣隙零功率懸浮和多自由度防傾斜零功率懸浮.Ueno等[13]利用壓電材料與磁致伸縮材料設(shè)計了一種可變磁路磁力生成裝置,并應(yīng)用于磁懸浮,在負載改變后,該系統(tǒng)仍可實現(xiàn)定氣隙零功率懸浮.Ishibashi等[14]應(yīng)用多種制動器驅(qū)動鐵磁性調(diào)磁機構(gòu)運動,在PD (proportional differential)控制下實現(xiàn)了懸浮球的多自由度零功率穩(wěn)定懸浮.文獻[15]中提出了旋轉(zhuǎn)兩個條形磁鐵的磁路控制方法,并采用有限元仿真法進行了驗證分析.
如上所述的各類永磁懸浮系統(tǒng)均無法在懸浮物與磁極接觸時大幅減小磁力,易接觸吸附,安全性低.筆者研究團隊提出了一種旋轉(zhuǎn)徑向磁化盤狀永磁體的可變磁路法,磁力可快速減小為0,能有效避免接觸吸附[16-17].應(yīng)用雙閉環(huán)PID-PD (proportional integral differential-PD)控制器,系統(tǒng)實現(xiàn)了高精度的準(zhǔn)零功率穩(wěn)定懸浮[18].基于該可變磁路原理,提出一種擬應(yīng)用于無塵傳送的三自由度永磁懸浮平臺.相比于傳統(tǒng)磁懸浮平臺,該平臺具有準(zhǔn)零功率、防傾斜和抗吸附的優(yōu)勢,但起浮控制難度加大.因此,設(shè)計控制器,并針對起浮控制問題展開研究.首先,分析磁力控制原理與磁力變化規(guī)律,建立系統(tǒng)的動力學(xué)模型.然后,采用分散控制的方法實現(xiàn)懸浮平臺的自動起浮.最后,通過設(shè)計集中控制方法和積分分離算法,實現(xiàn)懸浮平臺懸浮姿態(tài)與位置的精確控制.
可變磁路是一種通過改變裝置磁導(dǎo)率或移動永磁體實現(xiàn)磁路調(diào)整的磁力控制技術(shù).如圖1所示,本系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)徑向磁化的圓柱形永磁體實現(xiàn)磁路調(diào)整.圖中: θ 為永磁體轉(zhuǎn)角;d為懸浮氣隙;F為磁極產(chǎn)生的磁力.當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)角為0時,永磁體的主磁通經(jīng)兩側(cè)鐵芯全部由N極返回S極,鐵芯與懸浮物間無磁通經(jīng)過,不產(chǎn)生磁力;當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)角為 θ 時,部分主磁通將自N極出發(fā),先后經(jīng)過右側(cè)F型鐵芯、懸浮物及左側(cè)F型鐵芯返回S極,并產(chǎn)生一定磁力.
圖1 可變磁路原理Fig.1 Mechanism of variable flux path
可變磁路磁極的磁力測量結(jié)果如圖2所示,磁力F與永磁體轉(zhuǎn)角 θ 呈周期性變化,并隨氣隙d增大而減小.采用等效磁路法求解得出的磁力解析關(guān)系如式(1)所示.此外,永磁體轉(zhuǎn)動過程中受非線性轉(zhuǎn)矩作用,其解析關(guān)系如式(2)所示.
圖2 磁力測量結(jié)果Fig.2 Measurement results of magnetic force
式中: τ 為永磁體所受轉(zhuǎn)矩;km為磁力系數(shù);kτ為轉(zhuǎn)矩系數(shù); ΔdF為磁力漏磁補償系數(shù); Δdτ為轉(zhuǎn)矩漏磁補償系數(shù).
永磁懸浮平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示,平臺上搭載了4個可變磁路磁極.通過主動控制磁極與懸浮導(dǎo)軌間懸浮氣隙,可實現(xiàn)高承載的三自由度穩(wěn)定懸浮.同時,在每個磁極上方布置了電渦流位移傳感器.通過檢測與導(dǎo)軌間距離,間接測量各磁極的懸浮氣隙并解算平臺的垂向位移、側(cè)傾角與俯仰角.
圖3 懸浮平臺基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of levitaion platform
永磁體在旋轉(zhuǎn)過程中受到非線性轉(zhuǎn)矩作用,其轉(zhuǎn)角控制開環(huán)不穩(wěn)定.為實現(xiàn)永磁體轉(zhuǎn)角的閉環(huán)控制,每個可變磁路磁極中永磁體的轉(zhuǎn)動均由直流電機、編碼器與減速器組成的伺服系統(tǒng)執(zhí)行.
如圖4(a)所示,當(dāng)懸浮平臺由實線所示水平位置繞x軸偏轉(zhuǎn)至虛線所示位置,且側(cè)傾角為 α 時,懸浮磁極1的位移量為 Δz1α=-esin α ;同理,如圖4(b)所示,當(dāng)懸浮平臺繞y軸的俯仰角為 β 時,懸浮磁極 1的位移量為 Δz1β=-bsin β ,其中,e、b分別為懸浮平臺的寬、長.此外,若懸浮平臺的垂向位移為z,將引起懸浮磁極1的位移量為 Δz1z=z.因此,可推得各磁極位移量與平臺三自由度(z、α、β)間變換關(guān)系如式(3)所示.線性近似后,可得矩陣形式的坐標(biāo)變換關(guān)系如式(4)所示.求解坐標(biāo)變換矩陣的偽逆矩陣如式(5)所示,可得系統(tǒng)的坐標(biāo)逆變換關(guān)系如式(6)所示.
圖4 坐標(biāo)變換關(guān)系原理Fig.4 Principle of coordinate transformation
式中:z1、z2、z3、z4分別為4個懸浮磁極的位移量;E3×3為單位矩陣;N1和N2分別為坐標(biāo)變換矩陣和坐標(biāo)逆變換矩陣,
忽略磁懸浮系統(tǒng)的制造誤差與彈性變形,假設(shè)各磁極的磁力特性一致.分析平臺的三自由度運動,如圖5所示,并建立動力學(xué)模型,如式(7)所示.
圖5 懸浮平臺的力與位移Fig.5 Force and displacement on levitation platform
式中:F1、F2、F3、F4分別為各懸浮磁極的磁力;m為懸浮平臺總質(zhì)量;Jα、Jβ分別為懸浮平臺繞x軸和繞y軸的轉(zhuǎn)動慣量;c1、c2、c3分別為懸浮平臺在三自由度方向上運動的阻尼系數(shù).
當(dāng)平臺水平時,四磁極的懸浮氣隙均為d0,永磁體轉(zhuǎn)角均為 θ0.以此為工作點,應(yīng)用泰勒級數(shù)將動力學(xué)模型線性化,與式(1)、(4)及式(6)聯(lián)立,可得線性微分方程組,如式(8)與式(9)所示.
式中:M= dig(m,Jα,Jβ)為慣量矩陣;C= dig(c1,c2,c)為阻尼矩陣;N=N1T為系統(tǒng)矩陣;θ1、θ2、θ3、θ43分別為各懸浮磁極的永磁體轉(zhuǎn)角; θz、θα、θβ分別為各自由度的當(dāng)量永磁體轉(zhuǎn)角;kdm與kθm分別為氣隙剛度系數(shù)與轉(zhuǎn)角剛度系數(shù),
受永磁體、減速器和電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量影響,永磁體轉(zhuǎn)角控制動態(tài)響應(yīng)能力低,軌跡跟蹤誤差不可忽略.為便于分析,單獨建立永磁體轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如式(10)所示,線性化后可得線性微分方程如式(11)所示.
式中:J為伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量;ki為電機電流轉(zhuǎn)矩系數(shù);i、Δi分別為控制電流與控制電流增量;c′為阻尼系數(shù); Δ θ 為永磁體轉(zhuǎn)角增量;kdτ、kθτ分別為氣隙扭矩系數(shù)與轉(zhuǎn)角扭矩系數(shù),
對于如上描述的永磁懸浮平臺,采用分散控制是自動起浮的最直接實現(xiàn)方式,其參數(shù)整定簡單直觀.設(shè)計雙閉環(huán)分散控制器如圖6所示,其輸入輸出關(guān)系分別如式(12)、(13)所示.內(nèi)環(huán)為角度環(huán),采用4個PD控制器分別對永磁體轉(zhuǎn)角進行反饋控制.內(nèi)環(huán)輸入為外環(huán)補償后的偏置角度,輸出為伺服電機的控制電流.
圖6 分散控制策略Fig.6 Decentralized control strategy
式中:j= 1,2,3,4;edj(t)、eθj(t) 分別為磁極j外環(huán)的氣隙誤差和內(nèi)環(huán)的永磁體轉(zhuǎn)角誤差;zj_ref與 θj_ref分別為磁極j外環(huán)和內(nèi)環(huán)的參考輸入;zj(t) 和 θj(t) 分別為磁極j的位移量及永磁體轉(zhuǎn)角; θj′(t) 為磁極j永磁體參考轉(zhuǎn)角的動態(tài)補償值;ij(t) 為磁極j伺服電機的控制電流;kPj_w與kDj_w分別為外環(huán)PD控制器的比例增益和微分增益;kPj_n與kDj_n分別為內(nèi)環(huán)PD控制器的比例增益和微分增益.
如式(11)所示,該懸浮平臺的角度環(huán)為二階系統(tǒng).相比于電磁懸浮系統(tǒng)中一階的電流環(huán),其控制難度加大.此外,伺服電機的機械響應(yīng)時間和減速器的反向間隙等因素也將引起系統(tǒng)滯后,進一步降低系統(tǒng)的相位裕度.實驗研究中,系統(tǒng)外環(huán)采用PID控制時,由于系統(tǒng)耦合和積分環(huán)節(jié)引起的相位滯后影響,系統(tǒng)無法實現(xiàn)自動起浮和長時間穩(wěn)定懸浮.因此,氣隙環(huán)作為外環(huán)仍需采用PD控制器進行反饋控制,其輸入為參考氣隙,輸出為永磁體角度的動態(tài)補償值.
搭建可變磁路式永磁懸浮平臺的原理樣機如圖7所示.其中,徑向磁化的盤狀永磁體(釹鐵硼N50)直徑30 mm,厚度為20 mm.為減小磁滯的影響,F(xiàn)型鐵芯與固定導(dǎo)軌均由軟磁材料坡莫合金(1J85)制造,并進行退火處理.為減輕懸浮平臺自重(7 kg),平臺基板由蜂窩鋁板切割制成.
圖7 永磁懸浮平臺的原理樣機Fig.7 Prototype of permanent magnetic levitation platform
此外,實驗采用的電控系統(tǒng)如圖8所示.其中,dSPACE快速原型系統(tǒng)作為主控制器,可通過與MATLAB的無縫銜接,實現(xiàn)信號實時處理與控制器參數(shù)在線整定.位移傳感器為Keyence EX-422V高精度電渦流傳感器,其具有10 mm量程,2 μm分辨率及40 000次/s的采樣能力.配備30速比的行星齒輪減速器,直流無刷伺服電機(maxon EC-max30)可實現(xiàn)295 r/min的額定轉(zhuǎn)速與1.82 N·m的額定轉(zhuǎn)矩.另外,采用光電編碼器HEDL-5540實時測量伺服電機轉(zhuǎn)角,并采用四象限PWM驅(qū)動器ESCON 70/10實現(xiàn)伺服電機的驅(qū)動控制.
圖8 原理樣機的電氣控制系統(tǒng)Fig.8 Electrical system in prototype
采用分散控制器進行懸浮平臺的自動起浮實驗,其中,外環(huán)的4個PD控制器的比例增益和微分增益均分別為18、0.2,內(nèi)環(huán)增益均分別為90、0.5.控制器采樣頻率為1 kHz,并采用數(shù)字低通濾波器處理傳感器信號.各磁極的初始起浮氣隙均為5.0 mm,參考平衡氣隙均為4.1 mm,參考永磁體轉(zhuǎn)角均為51°.
如圖9所示,在起浮控制器使能后,伺服電機控制電流迅速增大,并保持峰值8 A約0.1 s.在電流激勵下,電機帶動永磁體快速旋轉(zhuǎn)至參考角度附近.起浮過程中,各磁極的懸浮氣隙隨永磁體轉(zhuǎn)角增大而減小,穩(wěn)定時間約為0.2 s.受制造裝配誤差及永磁體剩磁差異的影響,各懸浮磁極的磁力系數(shù)與漏磁情況存在差別,表現(xiàn)出的磁力特性各不相同.因此,平臺起浮后,4個懸浮磁極的平衡氣隙與永磁體轉(zhuǎn)角各不相同.其中,磁極2和磁極3的懸浮氣隙較小,磁極1和磁極4懸浮氣隙較大.
圖9 分散控制起浮實驗結(jié)果Fig.9 Results of floating experiments with decentralized control
為了研究4個磁極懸浮氣隙差異對懸浮平臺姿態(tài)的影響,采用式(4)所示的坐標(biāo)變換關(guān)系解算懸浮平臺的垂向位移及傾角,結(jié)果如圖10所示.穩(wěn)定狀態(tài),平臺存在約0.05° 的側(cè)傾角和0.20°的俯仰角.此外,由于PD控制器不存在積分環(huán)節(jié),懸浮平臺的垂向位移存在0.60 mm的穩(wěn)態(tài)誤差.
圖10 分散控制起浮的平臺姿態(tài)Fig.10 Floating platform attitude by decentralized control
為解決分散控制下各磁極磁力特性差異引起的平臺傾斜問題,設(shè)計三自由度集中控制策略實現(xiàn)平臺姿態(tài)的直接控制.由于系統(tǒng)的輸入輸出間存在耦合,可先后通過式(6)與式(9)所示坐標(biāo)變換與坐標(biāo)逆變換關(guān)系將系統(tǒng)解耦為3個單輸入單輸出系統(tǒng).內(nèi)環(huán)仍采用PD控制器,實現(xiàn)永磁體角度控制.外環(huán)的側(cè)傾(α)與俯仰(β)方向采用PID控制器,積分環(huán)節(jié)可實時修正各磁極內(nèi)環(huán)的偏置角度,補償磁力特性差異的影響,糾正平臺的傾斜.此外,為防止大氣隙起浮時積分環(huán)節(jié)引起系統(tǒng)發(fā)散,集中控制器中平臺的垂向(z)仍采用PD控制.其控制器結(jié)構(gòu)如圖11所示,解析表達式如式(14)與式(15)所示.
圖11 集中控制策略Fig.11 Centralized control strategy
式中:s(t) 、s_ref和eds(t) 分別為外環(huán)中懸浮平臺在自由度s的位移或角位移、參考輸入和誤差; θs(t) 為自由度s的動態(tài)當(dāng)量永磁體轉(zhuǎn)角,經(jīng)坐標(biāo)逆變換可得磁極j永磁體轉(zhuǎn)角的動態(tài)補償值 θ′j(t) ; θj(t) 、 θj_ref和eθj(t) 分別為內(nèi)環(huán)中磁極j的永磁體轉(zhuǎn)角、參考輸入和誤差;ij(t) 為磁極j伺服電機的控制電流;kPs_w 、kIs_w與kDs_w分別為外環(huán)自由度s的PID控制器比例增益、積分增益和微分增益,其中kIz_w=0 ;kPj_n與kDj_n分別為內(nèi)環(huán)磁極j的PD控制器比例增益和微分增益.
采用三自由度集中控制器進行起浮實驗,其中內(nèi)環(huán)的PD控制器的比例增益和微分增益分別為90、0.5,與分散控制一致.外環(huán)z自由度PD控制器的比例增益和微分增益分別為20和0.2, α 、β 兩自由度的PID控制器的比例增益、積分增益和微分增益分別為 18、12、0.2 和 16、15、0.2.參考平衡氣隙為4.1 mm,參考永磁體角度為51°,初始起浮氣隙為5 mm.控制器采樣頻率為1 kHz,并采用數(shù)字低通濾波器前置濾波.
實驗結(jié)果如圖12所示,起浮控制器使能后,平臺四磁極的懸浮氣隙的初始響應(yīng)與分散控制結(jié)果相似.控制電流迅速增大至飽和并保持約0.1 s,同時永磁體全速旋轉(zhuǎn)至平衡角度附近.約0.2 s后各磁極實現(xiàn)完全懸浮,氣隙不相等.在積分器的補償下,懸浮氣隙曲線在0.5 s時重合.
圖12 集中控制起浮實驗結(jié)果Fig.12 Results of floating experimentsl by centralized control
集中控制策略下,懸浮平臺的三自由度姿態(tài)解算結(jié)果如圖13所示,其穩(wěn)定時間約為0.5 s.在 α、β兩自由度的積分器作用下,其側(cè)傾角與俯仰角均可減小為0,懸浮平臺水平.由于z自由度采用PD控制,平臺的垂向位移存在0.23 mm的穩(wěn)態(tài)誤差.與分散控制比較,集中控制可實現(xiàn)平臺傾斜角的自糾偏,提高懸浮的安全性.同時,調(diào)節(jié)時間延長,控制器參數(shù)整定難度加大.
圖13 集中控制起浮的平臺姿態(tài)Fig.13 Floating platform attitude of centralized control
上述兩組實驗采用的PD與PID是兩種常用的線性控制器.其中比例環(huán)節(jié)與微分環(huán)節(jié)可實現(xiàn)系統(tǒng)零極點配置,改善系統(tǒng)動態(tài)特性.積分環(huán)節(jié)可減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,但其產(chǎn)生的相角滯后,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定.起浮控制與單位階躍響應(yīng)相似,實驗研究中,引入積分環(huán)節(jié)后,系統(tǒng)超調(diào)加大,難以實現(xiàn)大行程起浮及自發(fā)穩(wěn)定,系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能產(chǎn)生了明顯的矛盾.
為實現(xiàn)快速起浮后平臺垂向的精確定位,設(shè)計積分分離控制算法如式(16)所示.該算法可實現(xiàn)不同誤差帶的分段控制,當(dāng)誤差較大時,采用PD控制保證系統(tǒng)穩(wěn)定性.當(dāng)誤差減小至ε以內(nèi)時,引入積分環(huán)節(jié),消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差.由于該方法的積分增益為變化量,為防止輸出控制信號的突變,將積分增益直接置于積分器的內(nèi)部.理論上,該算法可防止起浮過程中過大超調(diào)和振蕩發(fā)散.此外,積分器在調(diào)節(jié)過程中將產(chǎn)生偏置常量,受外擾超出誤差閾值時,平臺可快速返回原平衡位置.
式中:ε為積分使能閾值;為分段積分增益.
將z自由度原有PD控制器替代為式(16)所示積分分離算法,其余實驗條件控制器參數(shù)均與三自由度集中控制相同.積分分離的ε應(yīng)大于PD控制下的穩(wěn)態(tài)誤差(0.23 mm),實驗中選取ε為0.25 mm.比例增益與微分增益仍分別為20與0.2,= 10.
實驗結(jié)果如圖14與圖15所示,初始起浮階段,垂向(z)自由度實際為PD控制,四磁極的氣隙與永磁體角度響應(yīng)與原集中控制一致.垂向位移約0.5 s后到達閾值誤差帶,積分器使能,約2.5 s后各自由度的穩(wěn)態(tài)誤差被消除.積分分離法實現(xiàn)了懸浮平臺的穩(wěn)定起浮和精確姿態(tài)控制.
圖14 積分分離控制起浮實驗結(jié)果Fig.14 Results of floating experiments with integral separation method
圖15 積分分離起浮的平臺姿態(tài)Fig.15 Floating platform attitude of integral separation method
對比3種起浮控制方法,分散控制、集中控制與積分分離法的控制器算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和實現(xiàn)難度依次增大,調(diào)節(jié)時間依次延長,姿態(tài)控制精度依次提高.此外,為分析系統(tǒng)的功耗表現(xiàn),采用控制電流積分法計算穩(wěn)定懸浮狀態(tài)的電機銅損.伺服電機相間電阻為1.27 Ω,分散控制下峰值功率為16.770 W,平均功率為4.230 W.集中控制下峰值功率為6.840 W,平均功率1.567 W.積分分離法的峰值功率為11.438 W,平均功率為2.020 W.以上3種控制方法均可實現(xiàn)平臺的準(zhǔn)零功率懸浮,集中控制策略具有最優(yōu)功耗表現(xiàn).
1) 針對懸浮平臺起浮過程易振蕩發(fā)散的問題設(shè)計了分散控制、集中控制和積分分離3種自動起浮控制方法,均可實現(xiàn)平臺的快速穩(wěn)定起浮和準(zhǔn)零功率懸浮.
2) 由于各磁極磁力特性存在差異,應(yīng)用分散控制起浮后各懸浮點氣隙不同.平臺姿態(tài)不可控,穩(wěn)定狀態(tài)存在較大俯仰角和側(cè)傾角.
3) 應(yīng)用三自由度集中控制策略時,俯仰與側(cè)傾方向上的積分器可通過補償磁體角度,消除磁力特性差異的影響,實現(xiàn)平臺的快速精確水平懸浮.
4) 積分分離算法可有效解決大氣隙起浮時積分環(huán)節(jié)引起系統(tǒng)振蕩發(fā)散的問題.應(yīng)用該分段控制策略可實現(xiàn)無垂向定位誤差的防傾斜穩(wěn)定起浮.