基於多直線電機的升降平臺及其控制方法與流程

2023-04-26 09:57:31

本發明涉及升降平臺領域，尤其涉及一種基於多直驅直線電機的升降平臺及其控制方法。

背景技術：

在現代化工業製造、運輸環境下，人力搬運已經逐漸被市場所淘汰，取而代之的是節省人力、財力的升降設備。無論在生產物流、建築施工、土木工程，還是在日常生活的各個領域，升降機械無處不在，有了越來越廣泛的應用。

目前，升降機主要包含纜索式升降機與剪叉式液壓升降機等。纜索式升降平臺的原理是：通過旋轉電機拉動鋼絲繩以產生直線運動。在實際應用中面臨著換向速度慢，能量損耗等問題，同時鋼絲繩易斷裂，滑輪結構易老化，存在著安全隱患。而液壓式升降平臺同樣面臨著運行速度慢，能耗高等問題，同時其噪音較大，許多車載液壓升降平臺以柴油為動力不利於節能環保。

此外，這兩種升降平臺的位置控制精度都不高，無法在線對平臺的平衡性進行校正，不能滿足具有高精度位置要求的升降平臺系統。

雖然在精密加工行業，已經引入了直線電機，可以實現較高精度的控制。但是，直線電機的可以輸出的推力遠小於傳統的旋轉電機配合旋轉-直線轉換機構。而如果採用多直線電機的方式，則相互間的協作較為困難，尤其是在對高精度位置要求、所需推力又遠高於直線電機可以輸出的最大推力的場合，多直線電機之間的協作困難的缺陷就更為明顯。

在升降平臺領域，各電機之間位置、速度的一致性是升降平臺保持穩定性、準確性的基礎。而且，升降平臺領域，由於上述應用直線電機存在的客觀困難的原因，尚未有使用直線電機的先例。

對於集中式控制，為實現協調操作，每個電機(工作單元)可以通過有線或無線的方式連接到主控制器，並將其實時的工作狀態傳送給其他單元。主控制器負責所有單元的操作、控制與決策，同時接收和調度所有需要的信息。然而，這種集中協調的方式要求主控制器具有快速的計算和數據處理能力，並要求全部信息的收集和交換。如果主控制器失去作用，整個系統將會崩潰。當系統發生故障時，如信號傳輸失敗或者一個或多個單元斷開，整個控制系統也勢必會導致性能惡化，甚至故障。此外，對於一組具有多個體的運動控制系統，集中控制實現複雜，成本較高，即便可以實現，所得到的系統是不健全的或無效的。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種基於多直線直驅電機的協同控制升降平臺及其控制方法，以便於解決現有技術中的不足。本發明提供一種基於多直線電機的協同控制升降平臺。該升降平臺可以實現高精度同步升降、姿態調整等功能，同時又能克服直線電機推力不足的缺陷。

本發明實施例提供了四種跟蹤控制系統的通訊拓撲結構，並對每個拓撲結構的控制性能進行了分析。

所述升降平臺還包括監控平臺，所述決策機構設於所述監控平臺，各所述電機的狀態信息通過所述通信單元發送到同一所述決策機構，使各所述發電可由同一所述決策機構協調控制。

所述決策機構包括相互獨立的多個協調控制器，各所述電機具有一所述協調控制器，各所述電機主體包括協調控制器、驅動器單元、傳感器單元等，各所述電機主體的狀態信息按照拓撲網絡發送給鄰居電機。各所述電機為分布式設置，各自決策。各所述電機根據自身的運動信息、鄰居電機的運動信息及控制目標，由自身的控制器獨立決策。

更具體的，本發明實施例提供了一種基於多直線電機的協同控制升降平臺，所述升降平臺包括基座、多臺直線電機、升降平面，各個直線電機的位置控制方式為通訊拓撲結構的協同控制方式，所述升降平臺具備通訊拓撲模塊，並且包含能夠在線切換通訊拓撲結構的鄰接矩陣，通過改變所述鄰接矩陣的賦值來使得所述升降平臺切換通訊拓撲結構。

可選的，各個所述直線電機的端部安裝有支點，所述升降平臺各電機之間具有能夠相互通訊的通訊單元，各個所述支點處安裝有壓力傳感器，所述升降平臺具備力反饋模塊，可以獲取各個壓力傳感器的受力值，所述支點優選是球形支點。

可選的，所述鄰接矩陣為i行j列的矩陣，矩陣元素為aij，其中，aij的值為1代表第j個電機需接收第i個電機的實際位置作為自身的參考輸入，否則aij的值賦值為0。

可選的，所述多個直線電機為直驅式直線電機，優選為直線開關磁阻電機或直線永磁同步電機。

可選的，所述支點的材料是金屬或碳纖維。

可選的，還包括監控平臺，所述監控平臺設置有決策機構，各所述電機的狀態信息發送到所述決策機構，使各所述電機由所述決策機構協調控制。

可選的，所述決策機構包括相互獨立的多個協調控制器，各所述電機具有一所述協調控制器，各所述電機的協調控制器、驅動器單元、傳感器單元、計算單元及通信單元連接，各所述電機的狀態信息按照拓撲網絡發送給相鄰電機。

可選的，所述多臺直線電機的總數目為三臺。

本發明實施例還提供了一種用於控制升降平臺的控制方法，其控制程序中包含能夠在線切換通訊拓撲的鄰接矩陣，以實現在線切換通訊拓撲的功能。

本發明實施例還提供了一種計算機可讀存儲介質，其特徵在於，包括指令，當其在計算機上運行時，使得計算機執行上述控制升降平臺的控制方法。

本發明的有益效果是：1)設置多個直線電機，實現了協同控制，提高工作效率；2)可以根據需要增加或減少控制系統中的電機數量，方便維護；3)可切換通訊拓撲的鄰接矩陣，從而便於根據實際需要選擇不同的通訊拓撲結構。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明升降平臺示意圖。

圖2是本發明位置控制系統示意圖；

圖3a-3d是本發明通訊拓撲結構示意圖。

圖4是本發明協同控制升降平臺軟硬體結構圖

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

需要說明的是，在本發明實施例中使用的術語是僅僅出於描述特定實施例的目的，而非旨在限制本發明。在本發明實施例和所附權利要求書中所使用的單數形式的「一種」、「所述」和「該」也旨在包括多數形式，除非上下文清楚地表示其他含義。還應當理解，本文中使用的術語「和/或」是指並包含一個或多個相關聯的列出項目的任何或所有可能組合。

本發明設計了協同控制的多直線電機驅動的升降平臺系統及其控制方法。通過多直線電機驅動，克服了直線電機的推力不足的缺陷。通過協同控制，克服了多直線電機之間控制實現複雜、成本較高的缺陷。

本發明的電機可以採用任何一種直線電機，可選的，可以選擇採用直線開關磁阻電機(lsrm)。該電機的定子基座和動子運動平臺通過導磁材料固定於定子槽內。其中，定子基座和動子運動平臺可以選擇均由硬鋁製材料構成，也可以選擇由其他材料構成，導磁材料可以選擇比如由矽鋼片壓製成。每一臺電機包含多組線圈，比如六組，直線編碼器固定於定子基座一側，以測量定子與動子之間的相對位移並實時反饋給運動控制系統。電機結構可以是本領域常見的電機結構，也可以選擇這樣的電機結構，比如主要包括定子基座、動子、線圈、磁柵(光柵亦可)、編碼器、磁條(光柵條亦可)等。

圖1為多直線電機協同控制升降平臺100的示例，該協同控制升降平臺100主要由基座、升降平面1、多臺直線電機2組成。其中，該直線電機可以是任何一種直線電機，也可以是直線開關磁阻電機；該直線電機的數量可以根據實際需要進行選擇，優選是三臺，優選所使用的各個直線電機機械及電氣參數完全一致，也可以有所不同。該基座可以是硬質鋁構成的，每臺電機的端部優選安裝有支點3，優選是球形的，可以選擇搖杆球。該支點的材料優選是硬材料，可以是金屬也可以是碳纖維等等硬材料。升降平面安放於各支點之上，球形支點可以保證升降平面的角度變化及動態調整的自由性。

優選的，根據實際需要，可以選擇在各支點處安裝壓力傳感器(未圖示)，以對升降平面的受力狀況進行觀測，從而可以實現實時或定期的對升降平面的平衡進行校正。

圖2為直線開關磁阻電機的位置控制系統框圖。位置指令作為參考輸入與磁柵編碼器採集的實際位置相比較，其差值經過位置控制器得到期望的力輸出，與動定子相對位置通過多項勵磁共同決定繞組導通順序及分配的力的大小，力/電流轉化關係式可以計算出各項繞組所分配的電流並施加給驅動器，驅動器的電流環將確保電流輸出的快速性與穩定性，驅動器輸出的電流被供應給電機線圈的每一項，以實現對電機的位置控制。磁柵編碼器對各電機運動狀態進行採集，並反饋回來與參考輸入作比較。

多直線電機協同控制升降平臺中，該直線電機可以是任何一種直線電機，比如可以為直線開關磁阻電機。本發明的多直線電機協同控制升降平臺中，各個直線電機可以分別被視為一個節點，各節點之間通過位置信息的傳遞，實現協同控制，而通訊拓撲是影響協同控制精度的關鍵因素。

本發明採用了通信拓撲的方式來進行同步控制，採用同步控制作為控制律，不同電機位置信息的利用方式，形成了同步控制的不同控制拓撲。基於分布式的動態協同控制理論，為協調跟蹤的多電機運動控制提供了理論支持。本發明採用的升降平臺控制系統由多臺電機作為支撐，每臺電機的實際位置與參考輸入之間的誤差及各電機之間實際位置的誤差都將直接影響整個升降平臺的控制精度。對於本發明所提出的升降平臺而言，若想使升降平臺運行平穩，需要實時保證每臺電機具有相同的水平高度，否則，升降平臺的整個運動將不順暢，控制精度將會變差。

根據實際需要，可以設置多臺電機，每臺電機可以被視為一個節點，各幾點之間通過位置信息的傳遞，實現協同控制。該多臺電機之間的位置調節採用通訊拓撲結構的控制方法。以採用三臺直線電機為例，如圖3a-圖3d所示，可以設計出四種通訊拓撲結構，分別命名為拓撲a、拓撲b、拓撲c與拓撲d。在所有拓撲中，節點1接收期望的參考信號作為自己的輸入而不受其他節點的影響，因此，節點1處的運動狀態可以被視為單直線開關磁阻電機運動控制。在拓撲a中，節點1指向節點2與節點3，表明節點2與節點3分別接收來自節點1的信息。即節點2與節點3將節點1的實際位置輸出作為自身的參考輸入；在拓撲b中，節點2接收來自節點1的位置信息，而將自身的實際位置信息發送給節點3，形成從節點1到節點2再到節點3的單向通訊鏈路；拓撲c與拓撲b相似，節點2接收來自節點1的位置信息，而不同之處在於節點2與節點3之間是雙向通訊的，即節點2與節點3把相互的實際位置信息作為參考輸入；拓撲d想較與拓撲c增加了由節點1到節點3的有向邊。在每一拓撲中均有三個節點，拓撲a與拓撲b只包含兩條有向邊，在拓撲c中，其中一條有向邊變為雙向通訊，而拓撲d中，在拓撲a的基礎上增加了一條節點2與節點3之間的雙向通信。

以上的通訊拓撲的設計是由於以下原因：當出現工作臨時中斷、修復之後要重新啟動電機工作，或者其他任何一種需要啟動電機工作的時候，由於每臺電機的實際位置不一定都是理想的。具體到本發明應用的領域即控制升降平臺的領域，上次中斷的時候的電機停止位置相互間未必是一致的高度或者是符合需求的相互的高度差，這個技術問題是之前的傳統做法中未能出現的，因為，在傳統的做法中，為了電機的推力能夠符合推力的要求，直線電機往往只能使用在對推力要求不大的領域，一旦對推力的要求大過直線電機的推力範圍，就只能採用精度低的傳統的旋轉電機。但有些時候，傳統的旋轉電機的精度並不太符合實際需求，而且，對推力的要求實際也只是一臺直線電機的最大推力的若干倍而已。因此，本發明設計使用多臺直線電機來解決上述技術問題。但使用多臺直線電機就會帶來比如臨時中斷的時候各電機的停止位置不符合實際需求的情況，這時候，若採用將所有電機的位置復位，然後按照程序一直運行到前次操作中斷的位置再行工作的做法，雖然也可以達到目的，但是，這樣的做法是費時耗電的，而且，有些場合併不適合將電機復位再重新運行。因此，本發明提出協同控制的辦法，並引入了鄰接矩陣的做法。

本發明的協同控制升降平臺的控制方法涉及圖論基礎及矩陣論基礎。圖論是描述多自主體系統內通信與感知信息拓撲最直接的數學工具。以g＝(v,e)來表示一個圖，v＝{v1,…,vn}代表非空節點的集合，節點vn代表第n臺直線開關磁阻電機控制單元。按照矩陣論的定義，鄰接矩陣q表示某幅圖中各節點的鄰接關係，行與列分別對應該幅圖中n個節點的序列。矩陣中元素qhw的值若為1則表示節點h與節點w鄰接，若為0則表示不鄰接。

具體的，鄰接矩陣用來決定各臺電機以哪一臺或哪幾臺的實際位置作為參考輸入。鄰接矩陣為i行j列的矩陣，矩陣元素為aij。其中，aij的值若為1，代表第j個電機需接收第i個電機的實際位置作為自身的參考輸入，以此來相對於第i個電機調整自身的位置，以達到工作的目的，即達到協同控制升降平臺的目的。否則，aij的值賦值為0。因此，在控制界面中，通過改變鄰接矩陣中的元素值，就可以改變各個電機間的通訊拓撲結構。

以三臺電機為例，鄰接矩陣為：

比如圖3a代表的通訊拓撲結構，表示第二臺電機和第三臺電機接收來自第一臺電機的實際位置作為自身的參考輸入，此時對應的鄰接矩陣的賦值為：

矩陣中第二列第一行數值為1，代表第二臺接收第一臺的實際位置，第三列第一行為1代表第三臺接收第一臺的實際位置。

而如果是圖3b代表的通訊拓撲結構，表示第2臺電機需接收第1臺電機的實際位置作為自身的參考輸入，並且，第3臺電機需接收第2臺電機的實際位置作為自身的參考輸入。此時對應的鄰接矩陣的賦值為：

通過改變鄰接矩陣的賦值，以及根據實際需要設置電機的臺數，本發明可以容易的實現改變各個電機之間的通訊拓撲的結構的目的，從而很方便的實現協同控制升降平臺的目的，而且，還可以很方便的在線切換各個電機的通訊拓撲結構。

本發明的協同控制升降平臺軟硬體結構如圖4所示。各電機控制子系統將各項線圈所需的電流值所對應的電壓值施加給驅動器，驅動器將輸出的電流傳送給電機線圈。各子系統通過編碼器採集接口將採集到的位置信息反饋回來進行計算及實時觀測。各直線電機控制系統均作為一個子系統，各子系統包含各電機的位置控制器、勵磁函數模塊、力/電流轉化模塊、參考輸入模塊、選擇開個模塊、幅值增益模塊、力分配模塊等。軟體顯示界面由控制臺子系統編譯後生成，通過下位機的信息反饋，可以獲取各個子系統的運動狀態並進行觀測。通過觀測電機的運動狀態對系統各參數進行實時在線調節。系統控制拓撲結構決定了各電機之間的通訊鏈路，在控制程序中，包含可以在線切換通訊拓撲的鄰接矩陣，可以根據需求進行拓撲更改。各電機的速度、位移等運動狀態被反饋至協同控制算法模塊中，當開啟協同控制算法模塊的開關，該算法的控制律作為各電機的一個輸入增量對各電機的參考輸入一致性以及各電機之間實際位移的一致性進行優化。

優選的，可以選擇在各支點處安裝壓力傳感器，並將各支點處的壓力傳感器測的的數值作為協同控制升降平臺的輸入參數，以對升降平面的受力狀況進行觀測，從而在調整電機位置的同時/或位置調整之前或之後進行電機縱向位置的調節，從而對升降平面的平衡進行校正。

本發明的協同控制的多直線電機驅動的升降平臺系統及其控制方法，其跟現有技術相比，具有如下優點：

(1)直線電機具有簡單且堅固的結構，極大降低了運動過程中的能量損耗。

(2)直線電機運行可靠性高，使用清潔能源，具有廣泛的應用前景。

(3)基於多直線電機的協同控制的升降平臺相比於其他原理的升降平臺(如液壓、氣動等)具有更高的穩定性，更快的響應速度以及更強的抗負載擾動能力，同時也可以通過各支點的力反饋，對平臺的平衡性進行校正，可以實現快速、高精度的升降運動。

(4)不同於集中式控制，分布式或分散操作不需要任何中央處理單元，任何單元可以被視為一種自治，各單元系統有其自己的控制器、傳感器等，分別符合典型的閉環線性運動控制系統。最終的全局控制目標，只由本地控制器與本地控制器的獨立單元閉環系統之間的本地通信來實現，而不需要全局監督或決策。

(5)矩陣論的引入，尤其是其中鄰接矩陣的引入，使得系統在線切換通訊拓撲成為可能。這點在複雜加工領域尤其具備應用前景，用戶可以根據實際所處的加工過程，比如在某一加工步驟中斷後重啟時，根據實際加工需求來選擇適合的通訊拓撲結構。

以上對本發明實施例公開的進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。