專利名稱：力控制系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請是序列號為09/513,906的美國專利申請(現(xiàn)為美國專利No.6,225,767)的部分繼續(xù)申請，美國專利申請09/513,906又是序列號為09/088,922的美國專利申請(現(xiàn)為美國專利No.6,091,215)的繼續(xù)申請，所述兩個(gè)美國申請均通過引用而被全部包括在本文中。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及新型的磁通量控制系統(tǒng)，具體地說，涉及用于運(yùn)動控制應(yīng)用的磁通量控制系統(tǒng)。再具體地說，本發(fā)明涉及用于摩擦焊機(jī)的新型運(yùn)動控制系統(tǒng)。
2.相關(guān)技術(shù)的描述在大多數(shù)電磁系統(tǒng)中，能量從系統(tǒng)的一個(gè)組件到另一個(gè)組件的傳遞對于所述系統(tǒng)的正確運(yùn)行是至關(guān)重要的。在許多電磁系統(tǒng)中，能量的這種傳遞是通過適當(dāng)?shù)丶?lì)系統(tǒng)的一個(gè)組件以便建立與所述系統(tǒng)的另一個(gè)組件相互作用的磁通，以便把能量從受激勵(lì)的組件傳遞給另一個(gè)組件。盡管在已知的電磁系統(tǒng)中，能量傳遞是靠所述磁通完成的，但是系統(tǒng)的磁通量并不直接受到控制。而是根據(jù)電流、電壓和磁通量之間假定的關(guān)系控制加到受激組件的電流和/或電壓，假定根據(jù)這個(gè)假定的關(guān)系控制電流和/或電壓即可產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇磐俊Ｒ话愣紝?shí)現(xiàn)這種對電流和/或電壓的控制，因?yàn)橄扔屑夹g(shù)至今尚未提供一種有效的、低成本的和易于實(shí)現(xiàn)的直接控制電磁系統(tǒng)中的磁通量的系統(tǒng)。
電流和/或電壓控制系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，如上所述，電流、電壓和磁通量之間的關(guān)系不易于用數(shù)學(xué)方法表達(dá)，而是隨著各種不同的變量而非線性地變化。例如，系統(tǒng)中每一塊電磁材料的具體特性都會使各個(gè)系統(tǒng)的電壓、電流和磁通量的關(guān)系彼此不同，即使在一個(gè)給定的系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)中的不同的部分也彼此不同。由于這些不同的電流和/或電壓和磁通量之間的關(guān)系，難以精確地和恰當(dāng)?shù)乜刂齐娏骱?或電壓，以便產(chǎn)生所需的磁通量，從而產(chǎn)生所需的能量傳遞。于是，先有技術(shù)提供直接控制磁通量的電磁系統(tǒng)的能力受到限制。
在要求最終控制由系統(tǒng)的一個(gè)組件加到所述系統(tǒng)另一個(gè)組件的力的電磁系統(tǒng)中，先有技術(shù)缺乏適當(dāng)?shù)拇磐靠刂葡到y(tǒng)尤為明顯。在這樣的系統(tǒng)中，由所述系統(tǒng)產(chǎn)生的實(shí)際的力與由所述系統(tǒng)的受激組件所建立的磁通量有關(guān)。但是，如上所述，由于先有技術(shù)不能直接和精細(xì)地控制磁通量，所以它無法精細(xì)地控制由這樣的系統(tǒng)所產(chǎn)生的力。
先有技術(shù)沒有能力精細(xì)地控制一個(gè)電磁系統(tǒng)中建立的力，這在必須精密控制系統(tǒng)中至少一個(gè)組件的運(yùn)動的應(yīng)用中顯得特別突出。這樣的應(yīng)用的一個(gè)示例是摩擦或振動焊機(jī)，它用來驅(qū)動一個(gè)準(zhǔn)備焊接的熱塑零件，相對于另一個(gè)熱塑零件，發(fā)生線性的、軌道的、旋轉(zhuǎn)的或任意的振動運(yùn)動，使這兩個(gè)零件沿著它們待焊接的表面強(qiáng)制接觸，使這些零件彼此相對運(yùn)動，引起摩擦，沿著它們的界面加熱這些零件，并停止運(yùn)動時(shí)，零件被冷卻，彼此焊接在一起。
摩擦焊機(jī)特別適用于借助線性、螺旋或軌道振動力，在零件內(nèi)引起摩擦生熱，焊接熱塑零件。待焊接面的分界面處的摩擦生熱使這些零件在其界面處熔化，并在冷卻時(shí)粘結(jié)在一起。盡管產(chǎn)生摩擦生熱的振動力可以通過機(jī)械嚙合裝置建立，但是一般都采用電磁系統(tǒng)產(chǎn)生所需的受控運(yùn)動。
市場上可以買到若干種用電磁或液壓驅(qū)動的在線性振動模式下工作的摩擦焊機(jī)。但是，這些摩擦焊機(jī)的運(yùn)動不理想。由于焊接部件這些線性的或從一側(cè)到一側(cè)的運(yùn)動，焊接材料界面處的摩擦力是平移的，并且每當(dāng)焊接部件調(diào)轉(zhuǎn)方向時(shí)速度降低到零。當(dāng)部件處于零速度時(shí)，不產(chǎn)生熱，由于摩擦焊接是阻力過程，產(chǎn)生的熱與界面處部件的阻力和相對速度的均方根的乘積成正比。
此外，許多線性運(yùn)動焊接系統(tǒng)采用電磁系統(tǒng)或利用已知的“斯柯特雙極分接”(“Scott Tee”)磁路的驅(qū)動器把三相電功率轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄼C(jī)械運(yùn)動。在這樣的系統(tǒng)中，因?yàn)橄到y(tǒng)驅(qū)動器部件的電磁鏈接性質(zhì)，難以精確地在所有方向上控制可動件的運(yùn)動，并且難以限制可動件零速的時(shí)間間隔。因此，已經(jīng)研制出摩擦焊接的替代運(yùn)動和控制器，它力求減小零速度分量或?qū)⑵錅p到最小，并簡化控制電路。
旋轉(zhuǎn)焊接就是這樣一個(gè)替代方案，其中焊接部件繞軸旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)力、而不是線性運(yùn)動在界面上產(chǎn)生摩擦生熱。但是，旋轉(zhuǎn)力與離開旋轉(zhuǎn)中心的半徑距離成正比，因而不論部件的速度還是所造成的加熱，根本就是不均勻的。此外，旋轉(zhuǎn)焊接一般限于被焊接的部件具有圓形的幾何形狀的應(yīng)用場合。
第二個(gè)替代方案是以電磁方法使焊接部件產(chǎn)生軌道運(yùn)動。在軌道運(yùn)動期間，零件被摩擦?xí)r部件的速度保持恒定，以此產(chǎn)生的摩擦熱量與線性運(yùn)動時(shí)一樣，但是所需的力較小，而且焊接部件相對位移較小。
盡管軌道焊接加熱上有優(yōu)點(diǎn)，但是有些零件不宜軌道運(yùn)動焊接，而宜于線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動焊接。因而，研制出了由電磁驅(qū)動的，既能產(chǎn)生線性運(yùn)動又能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的摩擦焊機(jī)。在Snyder的美國專利No.5,378,951中公開了一種這樣的摩擦焊機(jī)。這些摩擦焊機(jī)的電磁驅(qū)動系統(tǒng)在某種程度上類似于電磁電動機(jī)。
在這樣的系統(tǒng)中，3個(gè)耦合的電磁線圈等距地環(huán)繞焊機(jī)的圓周定位，設(shè)置在與運(yùn)動平面平行的平面上。這些耦合的電磁線圈在電氣上不是進(jìn)行Δ形連接，就是進(jìn)行Y形連接，基本上形成一個(gè)軌道電動機(jī)定子部件。作為單個(gè)的磁性材料體單獨(dú)形成的三角形電樞或轉(zhuǎn)子部件相對于定子部件定位在中心，使得三角形電樞的每個(gè)面都與電磁線圈相鄰。電樞由連接到巨大的靜止框上的柔性彈簧支持系統(tǒng)保持在水平的軌道平面上。電樞的軌道運(yùn)動是由加到耦合的電磁線圈的受控的三相AC電流造成的，后者在電樞上產(chǎn)生與所產(chǎn)生的磁通量成正比的力。這種電樞運(yùn)動可以分解為位移、速度和加速度矢量，在振幅上與兩倍AC電力線頻率的正弦和余弦成正比。電樞的線性運(yùn)動通過加上第二個(gè)軌道運(yùn)動電動機(jī)或通過把單個(gè)軌道電動機(jī)的每一個(gè)耦合的電磁線圈分成兩個(gè)部分并選擇性地向并聯(lián)或串聯(lián)組合的不同部分施加電流來產(chǎn)生。
利用耦合的電磁線圈產(chǎn)生軌道運(yùn)動有幾個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。首先，利用耦合電磁線圈降低了系統(tǒng)的整體性能，因?yàn)樵谝粋€(gè)方向上產(chǎn)生的力總是由于磁路中的磁通量通路的耦合，而在相反方向上產(chǎn)生對抗力分量。其次，所述系統(tǒng)沒有能力產(chǎn)生既非軌道又非線性的運(yùn)動，亦即產(chǎn)生純?nèi)我膺\(yùn)動。當(dāng)系統(tǒng)需要補(bǔ)償不平均的質(zhì)量分布，或要求隨機(jī)軌道時(shí)，需要產(chǎn)生焊接部件的任意運(yùn)動。
最后，使電樞產(chǎn)生軌道或線性運(yùn)動的控制系統(tǒng)變得復(fù)雜。當(dāng)耦合的電磁線圈用在軌道電動機(jī)上時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的磁通量被限制在總和為0。若除此之外AC相電流也被限制在總和為0，則在磁力系統(tǒng)中便沒有足夠的自由度來產(chǎn)生任意的力，以產(chǎn)生任意的運(yùn)動。但若相電流并不被限制在總和為0，則在磁力系統(tǒng)中便有足夠的自由度以產(chǎn)生任意力，但是要求連續(xù)的磁通量操作來產(chǎn)生這些任意力。
這樣的系統(tǒng)中跨越電磁線圈和電樞相鄰面之間的氣隙的磁通量隨所有三個(gè)相電流和非線性磁性元件而變。絕不會有未用的或未激勵(lì)的電磁線圈。這限制了在這樣的系統(tǒng)中使用任意形式的精細(xì)的磁通量控制的能力。
本發(fā)明就是要解決先有技術(shù)的這些問題和其他限制。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于電磁執(zhí)行器的力控制系統(tǒng)。所述執(zhí)行器具有帶磁芯的靜止件，可動件和至少一個(gè)相線圈，所述相線圈設(shè)置成當(dāng)相線圈受激勵(lì)而將力作用在可動件上時(shí)，在所述磁芯上建立磁通。力控制系統(tǒng)包括觀察器，用于輸出代表可動件瞬時(shí)位置和速度的信號；以及位置控制器，用于接收觀察器的輸出和代表所需位置和所需速度的信號。位置控制器把觀測器的輸出與所需位置和速度信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生位置和速度誤差信號。位置控制器還根據(jù)所述位置和速度誤差信號產(chǎn)生以所需速度把可動件定位在所需位置上所需要的力命令信號。磁通量控制器接收力命令信號，并把力命令轉(zhuǎn)變?yōu)榇磐棵钚盘?，而磁通量控制器根?jù)磁通量命令信號產(chǎn)生相位激勵(lì)信號。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，從力命令信號消除位置分量，結(jié)果只控制可動件的速度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，電磁執(zhí)行器的力控制系統(tǒng)包括具有輸入端和輸出端的磁通量觀察器，其輸入端連接到相線圈。磁通量觀察器對施加于相線圈的電壓進(jìn)行低通濾波，以便估計(jì)相線圈的磁通量，并在輸出端提供代表磁通量估計(jì)值的信號。例如，磁通量觀察器可以對Vn-In*Rn進(jìn)行低通濾波，式中Vn是相線圈的電壓，In是相線圈電流，而Rn是相線圈電阻。磁通量控制器接收磁通量命令信號和磁通量觀測器的輸出，并提供相激勵(lì)信號，以便當(dāng)磁通量命令信號比估計(jì)磁通量信號至少大預(yù)定的量時(shí)激勵(lì)相線圈，增大相線圈中的磁通量，并當(dāng)磁通量反饋信號比磁通量命令信號至少大預(yù)定量時(shí)，激勵(lì)相線圈來減少所述相線圈中的磁通量。
更進(jìn)一步，13，公開了一種電磁執(zhí)行器，它包括限定一個(gè)腔并包括磁芯的靜止的外組件。相線圈設(shè)置成當(dāng)相線圈被激勵(lì)時(shí)在磁芯內(nèi)建立磁通量，而可動件設(shè)置在由靜止組件限定的腔內(nèi)、使得在磁芯內(nèi)建立的磁通量把力作用在所述可動件上。磁通量觀察器的輸入端連接到相線圈的輸入端，磁通量觀察器對加到相線圈的電壓進(jìn)行低通濾波，以便估計(jì)相線圈的磁通量，并輸出代表估計(jì)磁通量的信號。磁通量控制器接收磁通量命令信號和磁通量觀察器的輸出。根據(jù)這些信號，磁通量控制器提供相激勵(lì)信號，以便當(dāng)磁通量命令信號比估計(jì)磁通量信號至少大預(yù)定量時(shí)激勵(lì)相線圈、增大所述相線圈中的磁通量，而當(dāng)磁通量反饋信號比磁通量命令信號至少大預(yù)定量時(shí)激勵(lì)相線圈、以便減少相線圈中的磁通量。
在某些示范性實(shí)施例中，靜止的外組件包括多個(gè)基本上相同的磁退耦的E型磁芯，每個(gè)E型磁芯限定一個(gè)中心臂和兩個(gè)輔助臂。每一個(gè)E型磁芯的中心臂繞有相線圈、使得向給定的相線圈施加電能時(shí)將在相應(yīng)的E型磁芯內(nèi)建立磁通量。例如，這樣一個(gè)系統(tǒng)可以包括兩個(gè)或4個(gè)相系統(tǒng)。
附圖的簡要說明參考附圖閱讀以下的詳細(xì)描述時(shí)將明白本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)。附圖中

圖1舉例說明根據(jù)本發(fā)明的某些方面的新型磁通量控制系統(tǒng)；圖2A和2B更詳細(xì)地舉例說明圖1中所示磁通量控制系統(tǒng)的一個(gè)示范性實(shí)施例；圖2C舉例說明歸零誤差控制電路的示范性實(shí)施例；圖3A一般地舉例說明可以用于圖1控制系統(tǒng)的開環(huán)磁通量觀察器的示范性實(shí)施例；圖3B一般地舉例說明利用低通濾波器提供相應(yīng)于電磁系統(tǒng)中磁通量的信號的電路；圖4一般地舉例說明可以與圖1的磁通量控制系統(tǒng)配合使用的電磁執(zhí)行器；圖5一般地舉例說明根據(jù)本發(fā)明所傳授的某些技術(shù)構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)所需的力到磁通量變換的力控制系統(tǒng)的一個(gè)示例；圖6A-6D通過使用偽碼塊一般地舉例說明可以通過利用程序微控制器或微處理器實(shí)現(xiàn)的力到磁通量變換的示范性形式；圖7A一般地舉例說明圖4執(zhí)行器的不同相線圈的表示，所述相線圈應(yīng)當(dāng)被激勵(lì)而產(chǎn)生關(guān)于X和Y的所需力因數(shù)的力；圖7B一般地舉例說明一組功能塊，當(dāng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的磁通量命令，以便實(shí)現(xiàn)圖7A所反映的磁通量到力的變換；圖8A-8C一般地舉例說明用于力到磁通量控制器的功能塊，可用以產(chǎn)生可動件的線性運(yùn)動；圖9提供一種根據(jù)本發(fā)明傳授的某些技術(shù)構(gòu)造的示范性位置控制系統(tǒng)的高層方框圖，它可以用來構(gòu)造振動焊接裝置；圖10A一般地舉例說明可以用來實(shí)現(xiàn)用于圖9的裝置的位置控制器的功能塊；圖10B舉例說明類似于圖10A的功能塊，它經(jīng)過調(diào)整反映在采樣的基礎(chǔ)上運(yùn)行的控制器；圖11A一般地舉例說明可以用來實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明傳授的某些技術(shù)的位置命令產(chǎn)生器的一組示范性功能塊；圖11B舉例說明類似于圖10A的位置命令發(fā)生器，所述位置命令發(fā)生器在采樣的基礎(chǔ)上工作以便響應(yīng)采樣的輸入信號產(chǎn)生位置命令信號；圖12A-12D一般地舉例說明圖9中所示類型的位置控制器在不同操作方式下的操作；圖13一般地舉例說明根據(jù)本發(fā)明傳授的某些技術(shù)構(gòu)造的QD控制系統(tǒng)的一種形式；圖14A-14D一般地舉例說明可以用來實(shí)現(xiàn)圖13的示范性QD控制器的功能塊。
盡管本發(fā)明容許各種修改和替代形式，但是其特定的實(shí)施例已經(jīng)通過附圖中的實(shí)例示出并且在本文中進(jìn)行了詳細(xì)說明。但是，顯然，這里對特定實(shí)施例的說明的目的不在于把本發(fā)明限制在所公開的特定形式，而是相反，旨在覆蓋所有在后述權(quán)利要求書所限定的精神和范圍的變化、等當(dāng)物和替代方案。
本發(fā)明的詳細(xì)描述下面描述本發(fā)明的說明性的實(shí)施例。為清晰起見，在本說明書中并未描述實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征。當(dāng)然下面將指出，在任何一個(gè)這樣的實(shí)施例的研制中，都必須作出若干實(shí)現(xiàn)所特有的決定，以便達(dá)到研制者的特定目的，諸如遵從與系統(tǒng)有關(guān)及與商業(yè)有關(guān)的限制，這依實(shí)現(xiàn)方案的不同而不同。此外，應(yīng)該意識到，這樣的研制的努力會是復(fù)雜的和耗時(shí)的，但這是從本公開得到好處的本專業(yè)的普通技術(shù)人員的例行做法。
現(xiàn)將注意力轉(zhuǎn)向附圖，特別是圖1，其中顯示一種根據(jù)本發(fā)明某個(gè)方面構(gòu)造的新型的磁通量控制系統(tǒng)10。一般說來，新型系統(tǒng)10包括磁通量控制器12，它在輸入端接收磁通量命令13并提供相線圈激勵(lì)信號14作為輸出。通過適當(dāng)?shù)难b置向電磁系統(tǒng)15提供相線圈激勵(lì)信號14。磁通量觀察器16向磁通量控制器12提供與所述電磁系統(tǒng)15的磁通量對應(yīng)的反饋信號。一般說來，磁通量控制器12提供激勵(lì)所述電磁系統(tǒng)15的相線圈激勵(lì)信號14、使得電磁系統(tǒng)15中的磁通量跟隨磁通量命令13。
電磁系統(tǒng)15可以是包括至少一個(gè)相線圈和磁芯的任何電磁系統(tǒng)，其中相線圈可以通過施加電功率(例如，通過施加受控的電壓和/或電流)來激勵(lì)、以便在所述磁芯內(nèi)建立磁通量。例如，電磁系統(tǒng)15可以象帶有繞在鐵芯上的相線圈的鐵芯電感這樣簡單，或具有各自繞在鐵芯上的初級和次級繞組的變壓器。
相信本發(fā)明的所述磁通量控制器10對構(gòu)成電磁執(zhí)行器的電磁系統(tǒng)15具有特殊的用途，其中系統(tǒng)15的激勵(lì)產(chǎn)生可動件的運(yùn)動。例如，相信圖1的磁通量控制系統(tǒng)對包括其上繞有一個(gè)或多個(gè)相線圈的主磁芯(或多個(gè)磁去磁芯)的電磁系統(tǒng)15具有特殊的可用性。在這樣的實(shí)施例中，一般都裝有可動件，當(dāng)磁芯受激使得磁芯的激勵(lì)引起可動件的運(yùn)動時(shí)，可動件與磁芯相互作用。可動件可以是一塊順磁材料，諸如鋼或一疊這樣的材料的疊層，它以類似于磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的相互作用的方式與受激的磁芯相互作用。或者，可動件可以包括一個(gè)或多個(gè)永久磁鐵(或電磁鐵或者甚至感應(yīng)線圈)，它以類似于永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間的相互作用的方式與受激磁芯相互作用。盡管以下的討論是在一個(gè)或多個(gè)特定的電磁系統(tǒng)15的上下文的情況下進(jìn)行的，但是本專業(yè)的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，所描述的磁通量控制系統(tǒng)10可以與若干種電磁系統(tǒng)15一齊使用，而且這里的討論目的在于舉例說明和解釋本發(fā)明，并非要限制本文中提出的權(quán)利要求書的范圍。
圖1中舉例說明電磁系統(tǒng)15，其中只具有單個(gè)相線圈。在電磁系統(tǒng)15包括多個(gè)相線圈的應(yīng)用中，激勵(lì)信號14可以采取激勵(lì)矢量的形式，它包括用于每個(gè)相線圈的單獨(dú)的激勵(lì)信號。在這樣的應(yīng)用中，磁通量命令13可以采取磁通量命令矢量的形式，其中包括用于每個(gè)不同的相線圈的單獨(dú)的磁通量命令。在這樣的應(yīng)用中，與每一個(gè)相線圈有關(guān)的磁通量可以單獨(dú)地控制。為清晰起見，以下討論的焦點(diǎn)首先集中在所述系統(tǒng)具有只包括一個(gè)相線圈的電磁系統(tǒng)15的前題下磁通量控制器12的結(jié)構(gòu)和操作上。本專業(yè)的普通技術(shù)人員都會意識到，多相磁通量控制器12可以通過簡單地復(fù)制這里描述的單相磁通量控制器來構(gòu)造。
圖2A和2B較詳細(xì)地舉例說明磁通量控制系統(tǒng)10的一個(gè)示范性實(shí)施例。圖2B舉例說明用于激勵(lì)電磁系統(tǒng)15的電驅(qū)動電路，而圖2A舉例說明為圖2B的驅(qū)動電路提供控制信號的控制電路。下面將首先討論圖2B的驅(qū)動電路。
在舉例說明的實(shí)施例中，以繞在磁芯上的單個(gè)相線圈的形式說明電磁系統(tǒng)15。所述相線圈有兩個(gè)末端。相線圈的兩個(gè)末端通過包括上開關(guān)器件17、下開關(guān)器件18、下回掃二極管19和上回掃二極管20的開關(guān)電橋連接到高壓DC總線(VHDC)兩端。開關(guān)器件17和18可以是任何適當(dāng)?shù)目煽亻_關(guān)器件，諸如功率MOSFET，雙極結(jié)型晶體管(BJT)，雙極FET(BIFET)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，金屬氧化物半導(dǎo)體控制晶閘管(MCT)，標(biāo)準(zhǔn)FET或可以通過施加控制信號加以控制的其他適當(dāng)?shù)钠骷?。在舉例說明的實(shí)施例中，上開關(guān)器件17受控制信號SU控制，而下開關(guān)器件18受控制信號SL控制?；貟叨O管19和20可以是任何呈現(xiàn)類似二極管(例如，單向)電流特性的器件。
一般說來，可以啟動開關(guān)信號SU和SL，以便產(chǎn)生三種開關(guān)狀態(tài)(i)第一狀態(tài)，其中上、下開關(guān)器件17和18都處于導(dǎo)通狀態(tài)；(ii)第二狀態(tài)，其中只有一個(gè)開關(guān)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)；和(iii)第三狀態(tài)，其中沒有一個(gè)開關(guān)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)信號SU和SL處于第一狀態(tài)時(shí)，使得上、下開關(guān)器件17和18都變成導(dǎo)通狀態(tài)，相線圈18便跨接在VHDC總線兩端，這樣便使電流從VHDC總線的正軌道(positiverail)(+VHDC)通過電磁系統(tǒng)15的相線圈流到VHDC總線的地線。所述電流的流動將引起能量從VHDC總線轉(zhuǎn)移到電磁系統(tǒng)15，從而增大所述系統(tǒng)15的磁通量。
當(dāng)開關(guān)信號SU和SL處于第二狀態(tài)、使得開關(guān)器件17和18中只有一個(gè)變成導(dǎo)通狀態(tài)、而另一個(gè)變成截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，加到所述系統(tǒng)15兩端的電壓大致為0。在這樣的第二開關(guān)狀態(tài)下，相線圈中的任何電流都將通過導(dǎo)通的開關(guān)器件和回掃二極管中的一個(gè)“慣性滑行”。例如，若相線圈15中有電流，而信號SU和SL處于這樣的狀態(tài)，使上開關(guān)器件17導(dǎo)通，而下開關(guān)器件18截止，則相線圈中的電流從VHDC總線的正軌道通過所述相線圈、通過上回掃二極管20“慣性滑行”回到VHDC總線正軌道。在這樣的環(huán)境下，相線圈兩端的電壓就是回掃二極管20的電壓降加上器件17兩端的電壓。當(dāng)下開關(guān)器件18導(dǎo)通，而上開關(guān)器件17截止時(shí)，將獲得類似的基本上為0電壓的狀態(tài)。在這樣的環(huán)境下，電流將通過下開關(guān)器件18和下回掃二極管19“慣性滑行”。當(dāng)相線圈中的電流處于“慣性滑行”時(shí)，由相線圈建立的磁通量基本上保持恒定或略微減少。這樣，電磁裝置中的能量，因而其磁通量將基本上保持恒定或略微減少。
當(dāng)開關(guān)信號SU和SL處于第三狀態(tài)，使上、下兩個(gè)開關(guān)器件17和18都變成開路狀態(tài)時(shí)，這種開關(guān)狀態(tài)開始時(shí)相線圈中的任何電流都將繼續(xù)流動，因?yàn)橄嗑€圈是電感元件，電流不能在瞬時(shí)降低到0。但是，因?yàn)樯虾拖麻_關(guān)器件17和18都處于截止?fàn)顟B(tài)，所以所述電流流動的路徑是從VHDC總線的地線通過下回掃二極管19、通過所述系統(tǒng)15的相線圈、通過上回掃二極管20回到VHDC總線正軌道。于是，在這個(gè)第三狀態(tài)下，所述系統(tǒng)15的相線圈將以負(fù)的方式跨接在VHDC總線兩端、使得VHDC總線的負(fù)電壓加在相繞組兩端。VHDC總線的負(fù)電壓加在相繞組兩端的這種狀態(tài)趨向于迅速驅(qū)動任何磁通量，從而使相線圈中的電流降到0。于是，當(dāng)SU和SL信號處于第三狀態(tài)時(shí)，貯存在電磁系統(tǒng)15的能量便耗散或回到VHDC總線，因而系統(tǒng)中的能量、因此其磁通量將降低。
本專業(yè)的普通技術(shù)人員將會意識到，圖2A和2B中說明的特定開關(guān)電路只是可以用來控制相線圈的激勵(lì)的電路。其他開關(guān)電路，例如，帶有4個(gè)開關(guān)器件利用全H橋的開關(guān)電路也可以采用。一般說來，任何開關(guān)電路都可以用來實(shí)現(xiàn)這里描述的能夠控制相線圈的激勵(lì)、使得所述系統(tǒng)15中的磁通量增大、保持恒定或減少的系統(tǒng)。
在圖2A和2B的實(shí)施例中，開關(guān)信號SU和SL都是由磁通量控制器12提供的。圖2A提供示范性磁通量控制器12的簡圖。
參考圖2A，所圖解說明的磁通量控制器12包括求和節(jié)點(diǎn)25，它在正輸入端接收與所需的通量電平對應(yīng)的磁通量命令信號13，而在負(fù)輸入端從磁通量觀察器16接收與電磁系統(tǒng)15中磁通量對應(yīng)的磁通量反饋信號。求和節(jié)點(diǎn)25把磁通量命令13減去磁通量反饋信號，求出隨著實(shí)際磁通量和所需的通量之間的差值而變化的誤差信號。當(dāng)磁通量誤差信號為正時(shí)，磁通量命令大于磁通量反饋，將需要增大電磁系統(tǒng)15中的磁通量，使所述磁通量等于磁通量命令。當(dāng)磁通量誤差信號為負(fù)時(shí)，磁通量反饋大于磁通量命令，將需要減少電磁系統(tǒng)15中的磁通量，使所述磁通量等于磁通量命令。來自求和節(jié)點(diǎn)25的誤差信號首先用放大器放大，然后提供給激勵(lì)控制電路21。
激勵(lì)控制電路21產(chǎn)生開關(guān)信號SU和SL，以便根據(jù)誤差信號的幅度增大、減少或穩(wěn)定電磁系統(tǒng)15的磁通量。
激勵(lì)控制電路21可以采取任何形式。例如，所述控制器可以利用傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制或脈沖頻率調(diào)制的形式，以便控制相線圈的激勵(lì)?；蛘?，激勵(lì)控制電路21可以采取這樣的控制器形式、使得在誤差信號為正時(shí)接通開關(guān)器件17和18；而在誤差信號為負(fù)時(shí)使兩個(gè)開關(guān)器件都斷開；當(dāng)誤差信號為0時(shí)，一個(gè)開關(guān)器件接通，而另一個(gè)斷開。按照相控制器21的一個(gè)實(shí)施例，這樣控制開關(guān)信號、使得誤差信號被驅(qū)動為0并允許“慣性滑行”直至誤差信號落在受控的磁滯帶(band)之外。這樣的時(shí)間滯后控制器在這里稱作“誤差歸零”或RZE控制。所描述的RZE控制器的優(yōu)點(diǎn)在于，對于所需通量命令不能迅速改變并且可用功率大到足以迫使相對較快地跟蹤的應(yīng)用，它提供對磁通量命令信號的快速跟蹤，使得磁通量基準(zhǔn)跟蹤中的“延遲”小于控制系統(tǒng)的一個(gè)采樣周期。
正如這里描述的，圖2C中示出舉例說明RZE控制電路的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)電路。一般說來，圖2C的RZE控制器21包括上比較器22A和下比較器22B，它們一齊建立兩個(gè)相鄰的不對稱的中心約在零誤差的磁滯帶。每一個(gè)比較器只處理一種極性的誤差。所述兩個(gè)比較器的輸出提供給反相器23a和23b，而所述兩個(gè)反相器的輸出對應(yīng)于SU和SL信號。
一般說來，當(dāng)來自放大器26的誤差信號大而且為正(指示有必要增大電磁系統(tǒng)的磁通量)時(shí)，兩個(gè)比較器22a和22b的輸出均為低。假定上、下開關(guān)器件17和18都屬于在正電壓加到這些器件的控制柵極上時(shí)導(dǎo)通的類型，則比較器22a和22b的低輸出經(jīng)反相器23a和23b反相、以產(chǎn)生高電平SU和SL信號，于是把開關(guān)器件置于第一開關(guān)狀態(tài)、使得電磁系統(tǒng)15中的磁通量趨向于增大。
當(dāng)來自放大器26的誤差信號的幅度大而且為負(fù)時(shí)，兩個(gè)比較器22a和22b的輸出均為高。這些為高的信號將被反相器23a和23b反相，結(jié)果產(chǎn)生低電壓SU和SL信號，使上、下開關(guān)器件17和18都截止，于是驅(qū)動電磁系統(tǒng)的電流(因而其磁通量)下降。
當(dāng)來自放大器26的誤差信號處于大的正值和大的負(fù)值之間時(shí)，開關(guān)信號SU和SL信號的狀態(tài)取決于與磁滯電壓+VH和-VH相比的所述誤差信號的幅度。在舉例說明的實(shí)施例中，磁滯電壓+VH和-VH的施加受觸發(fā)器信號T控制，使得當(dāng)T(24a)是邏輯高時(shí)，給上比較器22a的正輸入端施加磁滯電壓+VH，而且不給下比較器22b施加磁滯電壓，而當(dāng)T(24b)是邏輯低時(shí)，給下比較器22b施加磁滯電壓-VH，而且不給上比較器22a施加磁滯電壓。正如下面將要解釋的，觸發(fā)器信號T改變狀態(tài)，以便控制磁滯電壓+VH/-VH向比較器22a和22b的施加。
假定存在這樣的初始狀態(tài)，即觸發(fā)器信號為邏輯高，而且電磁系統(tǒng)15中的磁通量低于命令磁通量，使得來自放大器26的誤差信號為大的正值，而且比較器22a和22b的輸出均為低(結(jié)果是邏輯高的SU和SL)。在這樣的狀態(tài)下，所述系統(tǒng)15中的磁通量開始增大，于是，來自放大器26的誤差信號開始縮小。在某一時(shí)刻，誤差信號的幅度開始從大的正值向0縮小。在誤差信號達(dá)到并通過0的時(shí)刻，下比較器22b(其中沒有磁滯反饋)的輸出將改變狀態(tài)，于是造成信號SL從高向低轉(zhuǎn)變。這使開關(guān)電路進(jìn)入第二開關(guān)狀態(tài)，使得電磁系統(tǒng)15中的電流慣性滑行，結(jié)果使磁通量保持恒定或略微減小。信號SU和SL狀態(tài)的這種變化還使觸發(fā)器信號T的狀態(tài)發(fā)生變化，使得反饋電壓-VH加到下比較器。若磁通量減小到來自放大器26的誤差信號降至磁滯值以下的點(diǎn)，則下比較器22b的輸出將再次改變狀態(tài)，結(jié)果信號SL從低變?yōu)楦?，于是再次把功率加到電磁系統(tǒng)15上，引起所述系統(tǒng)15中的磁通量增大，在誤差信號處于-VH和0之間時(shí)將出現(xiàn)斬波現(xiàn)象。
假定存在第二組初始狀態(tài)，其中觸發(fā)信號為邏輯低，而且電磁系統(tǒng)15中的磁通量大于命令磁通量，使得來自放大器26的誤差信號為大的負(fù)值，而且比較器22a和22b的輸出均為高(結(jié)果信號SU和SL為邏輯低)。在這樣的狀態(tài)下，系統(tǒng)15中的磁通量將開始縮小，于是來自放大器26的誤差信號的量值將開始增大。在某個(gè)時(shí)刻，來自放大器26的誤差信號量值將從大的負(fù)值增大至0。在誤差信號達(dá)到并通過0的時(shí)刻，上和下比較器22a和22b兩者的輸出都具有改變后的狀態(tài)，于是造成信號SU和SL從邏輯低到邏輯高的轉(zhuǎn)變。這將使所述開關(guān)電路處于第一開關(guān)狀態(tài)，使得電磁系統(tǒng)15中的電流增大，使磁通量增大。信號SU和SL狀態(tài)的這種改變也會使觸發(fā)信號T發(fā)生狀態(tài)變化，于是導(dǎo)致把反饋電壓+VH加到上比較器22b上。若磁通量增大到使來自放大器26的誤差信號超過磁滯值的點(diǎn)，則上比較器22b的輸出再次改變狀態(tài)，導(dǎo)致信號SU從邏輯高改變?yōu)檫壿嫷?。信號SL保持邏輯高，于是開關(guān)電路被置于慣性滑行的狀態(tài)，使系統(tǒng)15中的磁通量保持恒定或略微下降，誤差信號在0和+VH之間時(shí)出現(xiàn)斬波現(xiàn)象。
于是，如上所述，圖2C的磁滯控制器可以控制電機(jī)系統(tǒng)15中的磁通量，使得磁通量(i)當(dāng)磁通量比所需電平低一個(gè)負(fù)的磁滯量時(shí)，增大；(ii)當(dāng)磁通量比所需電平高一個(gè)正的磁滯量時(shí)，減??；而(iii)當(dāng)磁通量處于正的和負(fù)的磁滯量之間時(shí)，基本上保持恒定，或略微縮小。關(guān)于聯(lián)系圖2C描述的類型的磁滯控制器的結(jié)構(gòu)和操作的其他細(xì)節(jié)，可以在1996年6月25日授予Michael J.Turner的題為“感性負(fù)載的控制”美國專利No.5,530,333中找到。其全文附此作參考。
從本公開受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員將會意識到，圖2C所示的磁通量控制器21只是若干種可用以實(shí)現(xiàn)圖1磁通量控制系統(tǒng)的磁通量控制器中的一種。
再參考圖1，可以發(fā)現(xiàn)，在圖解說明的磁通量控制系統(tǒng)10中，來自磁通量觀察器16的反饋信號提供所述電磁系統(tǒng)15中磁通量電平的指示。磁通量觀察器16可以采取以下形式磁通量傳感器(例如，高斯計(jì))；諸如霍爾效應(yīng)薄膜器件等霍爾效應(yīng)探測器；SQUID(例如，超導(dǎo)量子干涉器件)；或利用例如給定線圈的磁通量曲線隙測量的磁通量計(jì)算器。
對于這樣的系統(tǒng)，其中電磁系統(tǒng)10的相線圈受激、使得存在一些固定的周期、在這些周期期間每個(gè)相線圈都經(jīng)歷一次0磁通量狀態(tài)(亦即，每個(gè)線圈都有一段非0的時(shí)間間隔其中磁通量為0)，與每個(gè)線圈相關(guān)的磁通量可以用開環(huán)磁通量觀察器估計(jì)，所述觀察器在所述相線圈的已知的0磁通量時(shí)間間隔期間復(fù)位為0。這樣的開環(huán)觀察器可以通過應(yīng)用與線圈相關(guān)的磁通量和所施加的電壓和線圈中的電流的已知關(guān)系提供磁通量的指示。已知關(guān)系反映在以下的公式1中公式1磁通量＝[V_phase_n(t)-i_phase_n(t)*R]/Nt的積分式中V_phase_n(t)是對應(yīng)于相線圈電壓作為時(shí)間的函數(shù)的信號；i_phase_n(t)是對應(yīng)于相線圈電流作為時(shí)間的函數(shù)的信號；R是與相線圈電阻對應(yīng)的值；而Nt是相線圈的圈數(shù)。
傳統(tǒng)的開環(huán)積分器可以用來確定每個(gè)相線圈的近似磁通量。為了避免漂移問題，開環(huán)磁通量積分器可以在已知的0磁通量狀態(tài)期間復(fù)位為0，以便把積分器隨時(shí)間積累的不確定性減到最小。積分器的復(fù)位可以或者按時(shí)基(在已知的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)0磁通量狀態(tài)的地方)發(fā)生，或者積分器可以是簡單的箝位積分器。當(dāng)電磁系統(tǒng)15受激，使得在系統(tǒng)中只建立單極性磁通時(shí)，可以采用箝位于0的箝位積分器。
圖3A一般地圖解說明開環(huán)磁通量觀察器30的一個(gè)示范性實(shí)施例，它可以用于圖1圖解說明的控制系統(tǒng)10。參考圖3A，示范性開環(huán)磁通量觀察器包括箝位積分器電路31，它接收等于4個(gè)輸入電壓信號之和的信號作為其輸入。確定積分器電路31的輸入的這4個(gè)電壓輸入信號，在圖3中從頂?shù)降追謩e為(i)+V INTCP電壓，對應(yīng)于與功率開關(guān)器件17和18操作有關(guān)的恒定電壓降；(ii)電壓信號，對應(yīng)于相電流I的量值；(iii)+VDC信號，該信號以可用開關(guān)控制的方式連接到反相器31的輸入端；和(iv)-VDC信號，該信號以可用開關(guān)控制的方式連接到反相器31的輸入端。+VDC和-VDC信號對應(yīng)于以已知的方式對應(yīng)于與加到系統(tǒng)15的相線圈的高電壓VHDC相關(guān)的正和負(fù)電平的DC電壓電平。一般地說，+VDC和-VDC信號按比例小于與高壓DC總線相關(guān)的+VHDC和-VHDC。
在圖3A的實(shí)施例中，+VDC信號通過當(dāng)SU和SL信號為邏輯低(亦即，當(dāng)連接到相線圈的開關(guān)電路動作，使+VHDC總線加到相線圈時(shí))時(shí)導(dǎo)通的受控開關(guān)32a，連接到積分器31的輸入端。類似地，-VDC信號通過當(dāng)SU和SL信號為邏輯高(亦即，當(dāng)連接到相線圈的開關(guān)電路動作，使-VHDC總線加到相線圈時(shí))時(shí)導(dǎo)通的受控開關(guān)32b，連接到積分器31的輸入端。圖31的箝位積分器的輸出是-1*磁通量(信號被反相)?？梢栽隗槲环e分器的輸出端用增益＝1的放大器來看磁通量估計(jì)值。在磁通量控制器誤差放大器，利用磁通量估計(jì)值的反相。誤差放大器是求和放大器，以磁通量基準(zhǔn)和磁通量估計(jì)值作為其輸入，在其輸出端得到K增益(磁通量基準(zhǔn)-磁通量估計(jì)值)。
由于+VDC和-VDC與VHDC總線信號之間已知的關(guān)系，出現(xiàn)在積分器31輸入端的是直接對應(yīng)于加到相線圈的電壓。這樣，加到積分器上的輸入電壓的積分便能產(chǎn)生直接對應(yīng)于電磁系統(tǒng)15的磁通量的信號。所示電路具有箝位大于0的磁通量估計(jì)值輸出。
采用開關(guān)器件32a和32b以及+VDC和-VDC信號提供代表加到相線圈的實(shí)際電壓的信號，相信是有利的，因?yàn)閷?shí)際DC總線值的量值一般相當(dāng)高(幾百伏或更高的數(shù)量級)。因此，這要求采用大型和昂貴的組件來直接對加到相線圈的相當(dāng)高的電壓進(jìn)行積分。通過利用圖3A的方法，可以利用成本較低、電壓較低的器件來提供系統(tǒng)15中磁通量的準(zhǔn)確示值。從本公開中得益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員將會意識到，加到相線圈上的實(shí)際電壓可以用來產(chǎn)生積分器31的輸入電壓?；蛘?，可以使用利用相電壓的一部分的搜索線圈并且直接從該線圈積分。
在圖3A的示范性電路中，相電流加到電阻33上，以便提供用來校正積分器31的關(guān)于線圈電阻的輸入信號的電壓。用于上述校正操作的電阻33的值可以用若干種方法選擇。對于相對簡單的校正系數(shù)，電阻33的值可以選為代表在相關(guān)電磁系統(tǒng)15的預(yù)期的操作條件下相線圈電阻的估計(jì)值的不變的值。因?yàn)镽會隨著溫度和其他操作因素而變化，所以選出的R值將是每一個(gè)相繞組的實(shí)際R值的近似的估計(jì)值。若R值是通過利用熱模型和電氣測量或當(dāng)前用來估計(jì)實(shí)際電阻的技術(shù)、諸如DC電壓注入法實(shí)測/估計(jì)/計(jì)算的，則電流補(bǔ)償可以得到改善。
再參考圖3A，下面將指出，信號SU和SL用來甚至通過所述驅(qū)動開關(guān)產(chǎn)生與實(shí)際上加到相線圈上的高壓信號對應(yīng)的低壓信號，用來推導(dǎo)電流校正因數(shù)的電流是實(shí)際的相電流i，而非開關(guān)電流。應(yīng)該用實(shí)際相電流來提供比較準(zhǔn)確的電流校正因數(shù)，因?yàn)殚_關(guān)電流未必與相電流對應(yīng)。在加到相線圈上的實(shí)際電壓的估計(jì)值的實(shí)施例中，盡管使用驅(qū)動開關(guān)信號和低壓總線，但是電流校正因數(shù)將在從與加到相線圈上的電壓對應(yīng)的電壓減去電流校正因數(shù)之前仍須進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放。
正如聯(lián)系圖3A所描述的，盡管可以采用真積分器來獲得系統(tǒng)15中磁通量的估計(jì)值，但在許多應(yīng)用中，可以采用比較簡單的方法。具體地說，當(dāng)系統(tǒng)15中的磁通量是雙極性零平均(間斷或連續(xù))時(shí)，系統(tǒng)的磁通量可以通過簡單地對加到相線圈上的電壓(V_iR)進(jìn)行低通濾波(或?qū)︻愃朴诩拥綀D3A的積分器31上的對應(yīng)于相線圈電壓的電壓進(jìn)行低通濾波)進(jìn)行近似的估計(jì)。利用低通濾波器獲得的系統(tǒng)15的磁通量的這樣的估計(jì)值在某些應(yīng)用中是有利的，因?yàn)樗哑坪团c某些積分器相關(guān)的隨機(jī)游動問題減到最小。圖3B一般地舉例說明這樣的方法，其中與相線圈電壓相關(guān)的信號(它可以對線圈電阻進(jìn)行校正)加到低通濾波器34上，以便提供一個(gè)與相線圈相關(guān)的磁通量的信號。所提供的信號還反映總是與驅(qū)動電壓相反的在涉及雙極性激勵(lì)電流的應(yīng)用中會改變符號的器件的電壓降。
當(dāng)用低通濾波器代替積分器來估計(jì)給定相線圈的磁通量時(shí)，濾波器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該高于與線圈磁通量激勵(lì)的基頻相關(guān)的周期。例如，若相線圈在100Hz基頻(10ms周期)下激勵(lì)，則對于所述相線圈，低通濾波器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該大致為50ms或更長。給定大約5∶1(或更大)的濾波器時(shí)間常數(shù)對電壓基頻的比率和每一個(gè)線圈電壓的零平均電壓，低通濾波器近似地積分線圈電壓，提供線圈磁通量的有用的估計(jì)值。
上面聯(lián)系圖1-3B描述的新型磁通量控制系統(tǒng)10及其各組件可以有利地用于各種不同的用途。例如，磁通量控制系統(tǒng)10可以用來控制諸如傳統(tǒng)的感應(yīng)電動機(jī)、通用電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)或永磁電動機(jī)或混合型電動機(jī)(例如，PM或SM)等旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁通量。這里描述的新型磁通量控制系統(tǒng)還可以用于其中必須把通過磁芯的磁通量控制在一個(gè)預(yù)定的所需電平上的各種不同的標(biāo)定儀器。這里描述的磁通量控制系統(tǒng)還可以用來控制電磁執(zhí)行裝置，其中可動件的運(yùn)動通過控制穿過一個(gè)或多個(gè)順磁磁芯的磁通量來控制。
圖4一般地舉例說明可以與上面描述的新型磁通量控制系統(tǒng)10一齊使用的電磁執(zhí)行器40。一般說來，電磁執(zhí)行器40包括靜止的外組件41和定位在靜止組件41所限定的孔內(nèi)的可動件。在舉例說明的實(shí)施例中，靜止的外組件41包括3個(gè)基本上相同的磁去耦的磁通量發(fā)生器，包括E型磁芯43A，43B和43C。每個(gè)E型磁芯包括一疊基本上相同的順磁材料(例如，鋼)的薄片，所述疊片結(jié)構(gòu)形成具有中心臂和兩個(gè)輔助臂的E型磁芯，其中輔助臂定位在中心臂的兩側(cè)。磁軛部分把中心臂與輔助臂連接在一齊。在舉例說明的實(shí)施例中，對于每個(gè)E型磁芯，中心臂的寬度大于輔助臂的寬度。在一個(gè)實(shí)施例中，對于每個(gè)E型磁芯，兩個(gè)輔助臂的寬度基本上相同，并大致等于中心臂的寬度的一半或略微小于一半。一般說來，用來構(gòu)造開關(guān)磁阻電動機(jī)的定子磁芯所用的相同的構(gòu)造技術(shù)可以用來構(gòu)造E型磁芯43A，43B和43C。
環(huán)繞每個(gè)E型磁芯43A，43B和43C的中心臂定位的是相線圈。在所舉例說明的實(shí)施例中，每個(gè)相線圈A，B和C具有相同的圈數(shù)，并以相同的方式形成，使得3個(gè)相線圈A，B和C“對稱”。
每個(gè)相線圈是圍繞它各自的E型磁芯的中心臂定位的，使得當(dāng)電能加到相線圈上時(shí)，將在相線圈中建立電流，這將建立通過所述E型磁芯的磁通。E型磁芯43A，43B和43C的相線圈A，B和C(受激)時(shí)建立的近似磁通路徑如圖4的曲線所示。正如該圖所反映的，3個(gè)E型磁芯的磁通路徑基本上相同，每個(gè)E型磁芯的磁通路徑限定了通過中心臂的中心磁通路徑和通過兩個(gè)輔助臂的兩個(gè)輔助磁通路徑。
再參考圖4，可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)E型磁芯43A，43B和43C的布置是這樣的、使得這些E型磁芯圍出一個(gè)通常呈三角形的孔。定位在這個(gè)孔內(nèi)的是基本上呈三角形的可動件42。在舉例說明的實(shí)施例中，可動件42包括一疊基本上相同的順磁材料(例如，鋼)薄片，盡管可以預(yù)見替代的實(shí)施例，其中可動件包括永久磁鐵(感應(yīng)線圈)或電磁鐵。
正如從本公開受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員將會意識到的，在圖4的電磁執(zhí)行器40中，這些E型磁芯中的一個(gè)的相線圈之一的激勵(lì)將會在可動件上產(chǎn)生力，使可動件朝受激的E型磁芯運(yùn)動。這是因?yàn)闊o論何時(shí)，只要相線圈受激，可動件趨向于向把受激的相線圈的磁阻減小到最小的位置運(yùn)動。于是，若與E型磁芯43A相關(guān)的相A線圈受激，則可動件42趨向于向下朝E型磁芯運(yùn)動，以便把受激A線圈的磁阻減到最小。
在圖4舉例說明的實(shí)施例中，這樣設(shè)置3個(gè)E型磁芯43A，43B和43C、使得可動件的運(yùn)動可以沿著兩個(gè)自由度受到控制。例如，利用圖4的X、Y參考系指示器，可以控制可動件使其在正和負(fù)兩個(gè)X方向(第一自由度)、和在正和負(fù)兩個(gè)Y方向上運(yùn)動(第二自由度)上、以及沿著由X和Y點(diǎn)限定的任何路徑運(yùn)動。因此，使用3個(gè)E型磁芯為沿著兩個(gè)自由度控制所述可動件作好準(zhǔn)備。
盡管圖4的特定執(zhí)行器允許可動件沿著兩個(gè)自由度控制，本專業(yè)的普通技術(shù)人員將會意識到，E型磁芯的不同數(shù)目和安排可以用來控制沿著較多或較少的自由度的運(yùn)動。例如，若要求執(zhí)行器能夠只沿著一個(gè)自由度(例如，只沿著正的和負(fù)的X方向)運(yùn)動，則基本上呈矩形的可動件可以只與兩個(gè)E型磁芯一齊使用。一般說來，當(dāng)可動件的的運(yùn)動由可動件向受激線圈的磁阻減到最小的位置的趨向引起時(shí)，為了控制N個(gè)自由度，則要求有N+1個(gè)相線圈。
在一個(gè)替代實(shí)施例中，永久磁鐵或電磁鐵設(shè)置在可動件上(因此，利用或者正的或者負(fù)的電流對一個(gè)線圈的激勵(lì)可以沿著一個(gè)自由度、既能產(chǎn)生正的力又產(chǎn)生負(fù)的力)，要控制N個(gè)自由度只需要N個(gè)線圈。
再參考圖4的執(zhí)行器40，可以發(fā)現(xiàn)，與3個(gè)E型磁芯43A，43B和43C相關(guān)的磁通路徑是彼此獨(dú)立的。換句話說，3個(gè)舉例說明的E型磁芯是“磁去耦”的。這個(gè)特性的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)E型磁芯中的磁通量可以與其他E型磁芯中的磁通量無關(guān)地控制。另外，在圖4的實(shí)施例中，與3個(gè)磁芯相關(guān)的相線圈A，B和C可以單獨(dú)激勵(lì)。換句話說，各相線圈是電氣去耦的。于是，可以與其他相線圈電流無關(guān)地控制每個(gè)相線圈中的相電流。正如下面將要更詳細(xì)解釋的，這樣與其他E型磁芯中的磁通量和電流無關(guān)地控制每個(gè)E型磁芯中的磁通量和電流的能力在許多方面是有利的。
再參考圖4，可以看出，對于每個(gè)E型磁芯，作用在可動件上使可動件朝受激的E型磁芯運(yùn)動的力，與通過所述E型磁芯中心臂的磁通量的平方成正比，而且一般對應(yīng)于以下公式2
12*μ0*S(flux2)]]>式中μ0是對應(yīng)于空氣的導(dǎo)磁率的常數(shù)，S是對應(yīng)于與可動件42表面平行的E型磁芯中心臂截面積的值。flux是與感興趣的E型磁芯中的磁通量對應(yīng)的信號。磁通量的值可以由以上聯(lián)系磁通量觀察器16的描述的類型的磁通量觀察器提供。
利用矩陣表達(dá)式，3個(gè)E型磁芯43A，43B和43C中的磁通量和作用在可動件上趨向于使可動件朝E型磁芯43A，43B和43C的運(yùn)動的力之間的關(guān)系可以用矩陣公式1表達(dá)FA100 flux_A^2FB＝(1/[2*μ0*S]) * 010 * flux_B^2FC001 flux_C^2式中FA，F(xiàn)B和FC代表趨向于使可動件42分別朝E型磁芯43A，43B和43C中心臂運(yùn)動的力，而flux A，flux B和flux C代表相應(yīng)的E型磁芯中實(shí)際的或估計(jì)的磁通量。
通過簡單的幾何計(jì)算，作用在可動件上的力可以利用矩陣公式2從FA，F(xiàn)B和FC坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為X和Y坐標(biāo)中的力FX＝0 Sqrt(3)/2-Sqrt(3)/2*FA；FA，F(xiàn)B，F(xiàn)C≥0FY -1 1/2 1/2FBFC從矩陣公式No.1和2可以意識到，對于在相應(yīng)參考系(例如，F(xiàn)X和FY)的項(xiàng)中的給定的任意所需的力，能夠產(chǎn)生所需的力的flux_A，flux_B和flux_C的解，數(shù)目相當(dāng)大，實(shí)際上潛在的數(shù)目無限。另外，因?yàn)閳D4的E磁芯和執(zhí)行器40的相線圈的去耦性質(zhì)，所以不存在使這些潛在的無限的解中的任何一個(gè)變成非法的限制。這樣，因?yàn)閳D解說明的執(zhí)行器的性質(zhì)，可以選擇flux_A，flux_B和flux_C的最優(yōu)解。一旦選擇所需的通量解，即可利用上面聯(lián)系圖1-3A描述的類型的磁通量控制系統(tǒng)10加以實(shí)現(xiàn)。一般說來，將要求單獨(dú)的磁通量控制系統(tǒng)10，來控制3個(gè)E型磁芯43A，43B和43C中每一個(gè)中的磁通量。
一般說來，用于把所需的任意X、Y力轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生所述力所需的磁通量flux_A，flux_B和flux_C值的一種“力到磁通量”的最優(yōu)解或轉(zhuǎn)換，將是這樣的解，它把凈系統(tǒng)磁通量減到最小，從而使建立所述磁通量所需要的能量減到最小。這樣的解一般提供一種用于建立所需的力的能量效率高的途徑。另外，對于許多電磁執(zhí)行器而言，將存在適當(dāng)?shù)牧Φ酱磐康霓D(zhuǎn)換，它要求執(zhí)行器這樣操作、使得在執(zhí)行器的一個(gè)或多個(gè)磁芯中建立間斷的單極性的磁通量。這樣的間斷的磁通量操作允許用上述有利的開環(huán)磁通量觀察器。圖4舉例說明的新型電磁執(zhí)行器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是最優(yōu)的力到磁通量轉(zhuǎn)換要求這樣操作執(zhí)行器、使得在執(zhí)行器操作過程中在3個(gè)E型磁芯43A，43B和43C中建立這樣的間斷的單極性磁通。
給定系統(tǒng)的最優(yōu)的力到磁通量轉(zhuǎn)換可以由以下推導(dǎo)出來(i)在與不同執(zhí)行器元件(例如，E型磁芯)相關(guān)的力和與這些執(zhí)行器元件相關(guān)的磁通量之間建立關(guān)系(例如，決定由矩陣公式1反映的關(guān)系)；(ii)在給定的參考系中(例如，X、Y)所需的力和與不同的執(zhí)行器元件相關(guān)的力之間建立關(guān)系(例如，確定由矩陣公式2反映的關(guān)系)；和(iii)根據(jù)在給定的參考系內(nèi)所需的力解執(zhí)行器元件的磁通量，并選擇作為最小標(biāo)準(zhǔn)解的解。盡管任何時(shí)候最小標(biāo)準(zhǔn)解均可采用，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)選擇最小Euclidean標(biāo)準(zhǔn)解作為所述力到磁通量的解或轉(zhuǎn)換是有利的。最小Euclidean標(biāo)準(zhǔn)解的概念對于本專業(yè)的普通技術(shù)人員是理解的，并且William L.Brogen在其所著“Modern ControlTheory(現(xiàn)代控制理論)”第166頁作了一般的討論。
一旦為給定系統(tǒng)建立所需的力到磁通量轉(zhuǎn)換，即可在實(shí)踐中通過力控制系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)。力控制系統(tǒng)的這樣一個(gè)示范性實(shí)施例舉例示于圖5。
參考圖5，圖解說明力控制系統(tǒng)50，它包括圖4中圖解說明的類型的執(zhí)行器40，由磁通量控制器12’激勵(lì)，并作為輸入接收所需通量命令，flux_A_cmd，flux_B_cmd和flux_C_cmd以及反饋信號flux_A_est，flux_B_est和flux_C_est。所述磁通量估計(jì)命令由磁通量估計(jì)器16’提供，它可以逐個(gè)相線圈地采取上面聯(lián)系圖1磁通量觀察器16描述的任何形式的磁通量觀察器。磁通量控制器12’在比較器19’處逐相地比較磁通量命令和磁通量估計(jì)，在放大器26’處放大誤差信號，并通過激勵(lì)控制電路21’產(chǎn)生適當(dāng)?shù)南嗑€圈激勵(lì)信號。控制器12’的構(gòu)造可以逐相地遵循上面聯(lián)系圖1磁通量控制器12提供的描述。圖5中未示出激勵(lì)相線圈A，B和C所需的驅(qū)動線路，不過對從本公開中受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員這是顯而易見的。
連接到磁通量控制器12’的是力到磁通量控制器51，它接收給定的參考系(圖5中的X、Y參考系)內(nèi)的所需力命令作為其輸入，并在其輸出端提供以flux_A_cmd，flux_B_cmd和flux_C_cmd表示的適當(dāng)?shù)拇磐棵?。磁通量控制?2’以類似于前面聯(lián)系圖1的磁通量控制器12描述的方式接收磁通量命令并按照所述磁通量命令行動。
盡管在圖5舉例說明的實(shí)施例中力到磁通量控制器51可以只由模擬電路構(gòu)造，但是力到磁通量控制器51包括數(shù)字電路，諸如微處理器或微控制器，后者適當(dāng)編程以便實(shí)現(xiàn)所需的力到磁通量的轉(zhuǎn)換。用數(shù)字電路構(gòu)造力到磁通量控制器可能是有利的，其中力到磁通量轉(zhuǎn)換可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系輕易地實(shí)現(xiàn)，它容易用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，而且其中利用數(shù)字電路可以容易地改變力到磁通量轉(zhuǎn)換。此外，當(dāng)利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)力到磁通量控制器51時(shí)，輸入的力命令可以是數(shù)字的或模擬的。若為模擬的，則將要求某種形式的模數(shù)轉(zhuǎn)換，把力命令轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)臄?shù)字值。類似地，采用數(shù)字力到磁通量控制器51時(shí)，所需的磁通量命令若為數(shù)字信號，則若采用模擬磁通量控制器51，則可能需要轉(zhuǎn)換為模擬信號。數(shù)字的力到磁通量控制器51的構(gòu)造和編程將在從本公開中受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。
通過采用偽代碼塊，圖6A-6D圖解說明力到磁通量控制器51的一種示范性形式，它可以利用編程的微控制器或微處理器實(shí)現(xiàn)。圖6A-6D圖解說明的控制器實(shí)現(xiàn)的力到磁通量轉(zhuǎn)換相當(dāng)于圖4的執(zhí)行器40的最小Euclidean標(biāo)準(zhǔn)解。受益于本公開的本專業(yè)的普通技術(shù)人員會意識到，盡管控制器51是用離散的偽代碼功能塊描述的，但是所述控制器可以通過一種或多種編程的處理器、模擬電路或兩者的組合實(shí)現(xiàn)。
參考圖6A，力到磁通量控制器51的一般操作分成3個(gè)高層功能塊60，61和62。功能塊60總體標(biāo)記為FXY_to_FABC，接收以給定的參考系(這里是XY參考系)表示的所需力命令，并把力命令轉(zhuǎn)換為與執(zhí)行器40的物理配置(這里是E型磁芯43A，43B和43C的配置)相適應(yīng)的力命令。功能塊61接收以執(zhí)行器40的配置表示的力命令，并將這些力命令轉(zhuǎn)換成與執(zhí)行器40的相線圈對應(yīng)的磁通量命令。功能塊62是任選功能塊，并非對控制器51的所有實(shí)現(xiàn)都是必要的，它從功能塊61接收磁通量命令，改變這些命令，以保證在有限的時(shí)間間隔內(nèi)使每一個(gè)磁通量命令均為0。“磁通量調(diào)零”塊62的使用保證了執(zhí)行器40內(nèi)的磁通量是間斷的，因而允許使用上面聯(lián)系磁通量觀察器16所描述的磁通量觀察器的某些有利形式。每一個(gè)功能塊都將在下面詳細(xì)討論。
圖6B1-6B4舉例說明功能塊60的結(jié)構(gòu)和操作，它把以FX和FY形式表示的輸入力命令轉(zhuǎn)換為以可直接由執(zhí)行器40產(chǎn)生的FA，F(xiàn)B和FC力形式表示的力命令。在舉例說明的實(shí)施例中，功能塊60首先用FX和FY命令在功能塊63A，63B和63C處推算6個(gè)中間控制信號F_a1，F(xiàn)_a2，F(xiàn)_b1，F(xiàn)_b2，F(xiàn)_c1和F_c2。功能塊63A，63B和63C每一個(gè)都基本上把FX和FY命令乘以2X2狀態(tài)矩陣，后者逐個(gè)相線圈地實(shí)現(xiàn)矩陣公式2每一個(gè)可能的分塊的正或負(fù)的逆陣。然后從可能的解中選擇適當(dāng)?shù)慕狻Ｔ趫D6B2，6B3和6B4中分別圖解說明由功能塊63a-63c使用的2X2狀態(tài)矩陣。每個(gè)功能塊63a，63b和63c提供兩個(gè)輸出力值，因?yàn)榫仃嚬?的逆矩陣的實(shí)現(xiàn)將為每個(gè)FA，F(xiàn)B和FC產(chǎn)生兩個(gè)解。用功能塊64a，64b和64c選擇用于所述系統(tǒng)的適當(dāng)解。
再參考圖6B1，每個(gè)功能塊64a，64b和64c都接收兩個(gè)來自與其相關(guān)的功能塊63a，63b和63c的力解答作為其輸入，所述力解答中至少一個(gè)是正的。功能塊64a，64b和64c首先通過把相應(yīng)的中間力命令調(diào)整到0來消除所有負(fù)的力解答，然后從兩個(gè)調(diào)整后的力命令選擇較大者。在圖6B1的特定實(shí)施例中，功能塊65把從功能塊64a，64b和64c選出的力命令限于峰值，以便產(chǎn)生每個(gè)相線圈的限幅的力命令FA，F(xiàn)B和FC。設(shè)想了幾種實(shí)施例，其中由功能塊65實(shí)現(xiàn)的限幅函數(shù)被取消了或者作為某些其他系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
再參考圖6A，一旦由功能塊60產(chǎn)生Fa，F(xiàn)b和Fc命令，這些命令便由功能塊61處理，以便產(chǎn)生磁通量命令flux_A_volts，flux_B_volts和flux_C_volts。在圖6C中較詳細(xì)地圖解說明功能塊61。功能塊61的操作代表每一個(gè)相線圈的矩陣公式1的有界(＞0)逆矩陣的直接實(shí)現(xiàn)。具體地說，把任何負(fù)的Fa，F(xiàn)b和Fc命令調(diào)整到0，因?yàn)閳?zhí)行器40無法產(chǎn)生負(fù)力。通過把給定相的調(diào)整后的力命令的平方根乘以對應(yīng)于下式的恒定值，從調(diào)整后的力命令Fa，F(xiàn)b和Fc確定每個(gè)相線圈的所需的通量2μoS]]>見上面的公式2。功能塊61的輸出是磁通量命令信號flux_A_volts，flux_B_volts和flux_C_volts。
在圖6A特定的實(shí)施例中，來自功能塊61的磁通量命令加到磁通量調(diào)零功能塊62作為輸入，所述磁通量調(diào)零功能塊62保證磁通量命令在有限的時(shí)間間隔內(nèi)為0。對大多數(shù)應(yīng)用而言，這種磁通量調(diào)零功能塊的使用是不必要的，而只對線性X運(yùn)動才是重要的。功能塊62的精確形式將隨著數(shù)字力到磁通量控制器51是在采樣的基礎(chǔ)上還是在連續(xù)的基礎(chǔ)上工作而略有改變。圖6D1舉例說明用于數(shù)字控制器的功能塊62的示范性結(jié)構(gòu)，它定期地對不同的控制參數(shù)進(jìn)行采樣。圖6D2舉例說明用于連續(xù)操作的控制器51的類似功能塊62’。
同時(shí)參考圖6D1和6D2，功能塊62和62’接收磁通量命令flux_A_volts，flux_B_volts和flux_C_volts，然后在圖6D1的功能塊66a，66b和66c中和在圖6D2的功能塊66a’，66b’和66c’中，產(chǎn)生相當(dāng)于在給定時(shí)間間隔內(nèi)磁通量命令信號的移動(running)平均的平均磁通量命令信號。確定這些平均磁通量命令值的不同方法構(gòu)成圖6D1所反映的采樣控制器和圖6D2所反映的連續(xù)控制器之間最重大的差異。具有適當(dāng)lime常數(shù)的數(shù)字的或模擬的平均濾波器的任何形式均可采用。
實(shí)際的磁通量命令和平均磁通量命令都提供給功能塊67。功能塊67把實(shí)際的磁通量命令和平均磁通量命令的一部分加以比較，若給定相的實(shí)際磁通量命令小于平均磁通量命令的一部分，則調(diào)整所述磁通量命令，使其為最小磁通量值。若給定相的實(shí)際磁通量命令大于平均磁通量命令的一部分，則不調(diào)整所述磁通量命令。于是，功能塊67的輸出構(gòu)成來自力到磁通量控制器51的磁通量命令輸出flux_A_volts，flux_B_volts和flux_C_volts。參考圖5，然后由磁通量控制器12’處理這些輸出，控制執(zhí)行器40的磁通量。
從本公開中受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員會意識到，反映在圖6A-6D的特定的力到磁通量轉(zhuǎn)換只不過是可以用按照本公開傳授的某些技術(shù)構(gòu)造的力到磁通量控制器實(shí)現(xiàn)的力到磁通量轉(zhuǎn)換的示例而已。例如，一種替代的力到磁通量轉(zhuǎn)換可以基于用FX和FY力命令描述的角度和包括執(zhí)行器40的E型磁芯的物理配置。
如上所述，所述系統(tǒng)中磁通量的估計(jì)可以用低通濾波進(jìn)行估計(jì)，這比采用真積分器簡單。再參考圖5，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，由力到磁通量控制器51輸出的每一個(gè)磁通量命令都是AC零平均的。換句話說，每隔一個(gè)的磁通量命令“脈沖”就被反相。然后在這樣的系統(tǒng)中，利用線圈電壓減去線圈電流乘以線圈電阻(Vn-In*Rn)的低通濾波作為估計(jì)的相磁通匝連數(shù)。
圖7A一般地舉例說明，為了產(chǎn)生所需力矢量的關(guān)于X和Y的力，執(zhí)行器40的哪些相線圈應(yīng)被激勵(lì)?；旧希瑘D7A“以窗口表示”哪些線圈將隨著以包括FX和FY分量的矢量表示的所需力的方向改變而接通。在如前所述的這樣的力到磁通量轉(zhuǎn)換中，任何時(shí)候都只有兩個(gè)相線圈受激勵(lì)。參考圖7A，可以發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)于30度和150度之間角度的任何一個(gè)命令力都可以令FA力為0而通過FB和FC力的組合產(chǎn)生。類似地，其方向在150度和-90度之間的任何一個(gè)所需的力都可以不用FB力而由FA和FC力產(chǎn)生，而矢量方向介乎-90度和30度之間的任何一個(gè)所需力都可以不用力FC，而由FA和FB力產(chǎn)生。
圖7B一般地舉例說明用于產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇磐棵?、以便?shí)現(xiàn)由圖7A反映的力到磁通量轉(zhuǎn)換的功能塊。首先，圖解說明的功能塊計(jì)算作為FX和FY命令的函數(shù)的適當(dāng)?shù)牧Φ慕嵌取Ｈ缓罄盟鼋嵌?，所述功能塊確定所述角度屬于圖7A中的哪一類，并根據(jù)計(jì)算確定對所述類而言應(yīng)該受激勵(lì)的兩個(gè)相線圈的適當(dāng)?shù)拇磐棵?。然后把這些產(chǎn)生的磁通量命令加到所述磁通量控制器12’上，并如前所述地使系統(tǒng)運(yùn)行。
可以再設(shè)想一種替代的力到磁通量轉(zhuǎn)換。例如，上面描述的特定力到磁通量轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在具有用來沿著兩個(gè)自由度控制可動件運(yùn)動的3個(gè)去耦的E型磁芯的執(zhí)行器40的情況下。一種替代的實(shí)施例是是可能的，其中執(zhí)行器只包括兩個(gè)為可動件的線性運(yùn)動安排的E型磁芯。在這樣的應(yīng)用中，唯一的輸入力命令是FX(或FY命令)。還可以采用4個(gè)E型磁芯，并提供FX和FY命令。圖8A-8C一般地舉例說明用于力到磁通量控制器80的功能塊，所述控制器可以用于2個(gè)E型磁芯的線性系統(tǒng)或者具有4個(gè)線圈，兩個(gè)線圈為一組控制一個(gè)軸(自由度)。
參考圖8A，所圖解說明的控制器80接收力命令FX，并產(chǎn)生兩個(gè)(標(biāo)識為A和B的)用于相線圈的磁通量命令作為輸出。一般說來，功能塊81首先把命令FX轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于線性執(zhí)行器的FA和FB力命令，然后功能塊82把這些力命令轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)拇磐棵頵lux_A_volts和flux_B_volts。
在圖8B中提供功能塊81的細(xì)節(jié)。一般說來，功能塊81接收FX命令，若FX命令為負(fù)，則賦予FA0值并賦予FB等于FX的值。反之，若FX為正，則功能塊賦予FB0值并將FX的絕對值賦予FA。然后將FA和FB限制于峰值。功能塊81把限幅后的FA和FB命令提供給功能塊82，后者確定適當(dāng)?shù)拇磐棵頵lux_A_volts和flux_B_volts。
圖8C中更詳細(xì)地示出功能塊82。參考圖8C，若力命令等于或小于0，則功能塊82基本上設(shè)置對應(yīng)的磁通量命令，或利用公式1的逆變換計(jì)算適當(dāng)?shù)拇磐棵?。然后把磁通量命令flux_A_volts和flux_B_volts加到適當(dāng)?shù)拇磐靠刂破?，以便激?lì)所述系統(tǒng)。
上面結(jié)合圖5-8C描述的力控制系統(tǒng)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用于控制電磁執(zhí)行器產(chǎn)生所需的力的已知系統(tǒng)一般無法獲得的。例如，在已知控制系統(tǒng)中，用以獲得所需的力的控制變量或者是加到相線圈上的電壓或者是電流。這些系統(tǒng)固有地有局限性，因?yàn)槿舨捎秒妷嚎刂疲瑒t所產(chǎn)生的力是受控電壓的非線性函數(shù)。這樣的非線性函數(shù)，在實(shí)踐上，難以實(shí)現(xiàn)或者代價(jià)高，而且不允許適應(yīng)變化了的運(yùn)行條件和/或制造允差。若采用電流控制，則系統(tǒng)是開環(huán)不穩(wěn)定的，并且對于合理的可接受的性能，必須面對執(zhí)行器磁芯的非線性特性的問題。其結(jié)果是，與電壓控制系統(tǒng)一樣碰到相同的非線性困難。
采用這里描述的磁通量控制器顯著地減少或消除與電壓或電流控制系統(tǒng)相關(guān)的許多困難。這是因?yàn)楫?dāng)采用磁通量控制時(shí)，在每一個(gè)執(zhí)行器元件每一個(gè)氣隙兩端產(chǎn)生的力與氣隙中磁通量的平方成正比。于是，為了產(chǎn)生可以接受的控制，不必考慮磁性材料的非線性和電氣動態(tài)中的非線性。這樣，這里描述的力和磁通量控制系統(tǒng)可以用來實(shí)現(xiàn)比較簡單和更加有效的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)起來都比較容易而且成本較低。此外，當(dāng)如上所述地與簡單的開環(huán)磁通量觀察器結(jié)合時(shí)，磁通量控制可以導(dǎo)致極其有效和精細(xì)的系統(tǒng)。
盡管圖5的力控制系統(tǒng)允許有效地控制作用在執(zhí)行器40可動件上的力，但是在許多應(yīng)用中，要想控制的是可動件的運(yùn)動(例如，可動件的位置/速度或軌道)，而不是作用于其上的力。對于這樣的應(yīng)用，圖5的系統(tǒng)可以通過添加位置/速度控制回路來加強(qiáng)，所述控制回路以這樣的方式產(chǎn)生力命令FX和FY、以便按所需的方式控制可動件的運(yùn)動。上述類型的位置/速度控制系統(tǒng)用途很多。例如，這樣的位置/速度控制系統(tǒng)可以用來構(gòu)造電磁軸承以及搖動或移動裝置。這樣的位置/速度控制系統(tǒng)的一個(gè)特定的用途是在軌道焊機(jī)領(lǐng)域。這樣的焊機(jī)一般通過驅(qū)動第一被焊接零件(例如，熱塑零件)，使之相對于第二被焊接零件作軌道運(yùn)動，使得第一和第二零件的相對運(yùn)動引起摩擦，沿著它們的界面加熱零件，使之在相對運(yùn)動停止時(shí)零件冷卻而彼此焊接在一齊。
在這樣的焊機(jī)中，第一零件一般設(shè)置在支架上。第二零件類似地設(shè)置在支架上。固定這些零件，使之彼此沿著零件之間的界面強(qiáng)制嚙合，并提供驅(qū)動，驅(qū)使第二零件沿著預(yù)定的重復(fù)的路徑相對于第一零件運(yùn)動，使這些零件沿著界面被摩擦加熱，重復(fù)運(yùn)動停止時(shí)零件便被焊接在一起。
傳統(tǒng)的軌道焊機(jī)能夠這樣驅(qū)動待焊接的第一零件運(yùn)動、使得零件之間的相對運(yùn)動被限制為或者線性運(yùn)動或者軌道運(yùn)動。在許多應(yīng)用中，要求被焊接的零件作不同的和任意的相對運(yùn)動，使被焊接的零件的相對運(yùn)動能夠與零件的形狀密切匹配，而對焊機(jī)運(yùn)動的這些限制使其在這些應(yīng)用上受到限制。這樣的“形狀匹配”可以顯著地增強(qiáng)所得焊口的強(qiáng)度。通過采用這里描述的位置/速度控制系統(tǒng)，可以構(gòu)造一種能夠在被焊接的零件之間建立任意的相對運(yùn)動，包括被焊接零件的線性運(yùn)動、軌道運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或任何任意的運(yùn)動的焊接裝置。本專業(yè)的普通技術(shù)人員會意識到，這里描述的位置/速度控制系統(tǒng)只是按照這里傳授的技術(shù)可以構(gòu)造的控制系統(tǒng)，而且可以控制其他特性或特性組合(例如，加速度、速度、位置或它們的任何組合)的一個(gè)示例而已。
圖9提供如上所述可以用來構(gòu)造焊接裝置的位置/速度控制系統(tǒng)一個(gè)示例的高層方框圖。盡管以下討論是針對焊接裝置進(jìn)行的，但是從本公開中受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員會意識到，所公開的位置控制系統(tǒng)可以用來控制其他應(yīng)用中可動件的位置/速度。
參考圖9，位置/速度控制系統(tǒng)90在許多方面與圖5的力控制系統(tǒng)相同。具體地說，在虛線方框50內(nèi)，位置/速度控制系統(tǒng)90包括圖5力控制系統(tǒng)50的所有部件，而且它們?nèi)枷舐?lián)系圖5所描述的那樣操作。因?yàn)樗鱿到y(tǒng)的執(zhí)行器40是大型振動焊機(jī)的一部分，所以執(zhí)行器的可動件可以與適當(dāng)?shù)暮附咏切尾考?welding horn)或適當(dāng)?shù)暮附庸ぞ?未圖解說明)結(jié)合。
除包括力控制系統(tǒng)50的部件以外，位置/速度控制系統(tǒng)還包括兩個(gè)附加的主要部件。首先，在圖9的實(shí)施例中，由位置/速度控制器91產(chǎn)生力命令信號FX和FY。位置/速度控制系器91接收下列信號作為其輸入(i)位置命令信號92，它代表執(zhí)行器40可動件所需位置/速度(或軌道)；和(ii)來自位置/速度觀察器93的反饋信號，它代表與執(zhí)行器40可動件相關(guān)的當(dāng)前的位置/速度或軌道信息。一般說來，位置/速度控制器91把位置/速度命令與位置/速度反饋信息比較，以便產(chǎn)生位置/速度誤差信號，并用這些位置/速度誤差信號產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧γ?，所述力命令趨向于把可動件帶回位?速度命令92指示的位置/速度、或者當(dāng)提供軌道命令時(shí)、使其沿著軌道命令92限定的軌道運(yùn)動。
位置/速度控制器91可以根據(jù)可動件所需位置/速度和/或軌道的定義方式采取任何形式。在一個(gè)實(shí)施例中，可以把位置/速度控制器91構(gòu)造成根據(jù)X、Y參考系中可動件的位置和以X、Y表示的可動件的速度，控制執(zhí)行器40的可動件的位置和速度。在這樣的系統(tǒng)中，向位置/速度控制器91提供的兩個(gè)輸入位置命令將用X_cmd，X_dot_cmd(X速度)，Y_cmd和Y_dot_cmd(Y速度)表示，而來自位置/速度觀察器93(下面要更詳細(xì)描述)的兩個(gè)反饋命令用可動件的實(shí)際或估計(jì)的X和Y位置和速度(例如，X_act，X_dot_act，Y_act和Y_dot_act)表示。
類似于上述力到磁通量控制器51，位置/速度控制器91可以通過利用編程的數(shù)字處理器，諸如微處理器或微控制器實(shí)現(xiàn)。在某些應(yīng)用中，位置/速度控制器91可以利用實(shí)現(xiàn)力到磁通量控制器的同一個(gè)編程處理器實(shí)現(xiàn)。還可以設(shè)想模擬實(shí)現(xiàn)。
在操作中，位置/速度控制器91從位置/速度命令發(fā)生器接收X，X_dot，Y和Y-dot命令信號，并把命令信號與代表可動件實(shí)際或估計(jì)的位置和速度(X_act，X_dot_act，Y_act，Y_dot_act)比較。瞬時(shí)位置和速度命令與反饋信號的這個(gè)比較結(jié)果是產(chǎn)生4個(gè)誤差信號(eX，eY，eX_dot和eY_dot)，對應(yīng)于命令信號和反饋信號之間的差值。然后可以把4個(gè)誤差信號乘以可以針對每一種應(yīng)用優(yōu)化的適當(dāng)?shù)目刂圃鲆妗Ｈ缓蟀裍誤差信號(eX，eX_dot)加在一起，并把Y誤差信號(eY，eY_dot)加在一起，產(chǎn)生以所需的速度把可動件定位在所需位置上所需的FX和FY命令信號?？梢栽谔峁┙o力控制系統(tǒng)50之前，對FX和FY力命令進(jìn)行帶通濾波，以便減少偏置和噪音含量。然后把濾波后的力命令信號FX和FY提供給力控制系統(tǒng)50的力到磁通量控制器51。根據(jù)系統(tǒng)的寄生模式和其他因素，濾波器和濾波操作可能是不必要的。
在位置/速度控制器91的一個(gè)實(shí)施例中，代表執(zhí)行器40可動件的X、Y位置和速度的反饋信號是利用位置/速度觀察器93產(chǎn)生的，它包括與執(zhí)行器40相對定位的傳統(tǒng)的加速度計(jì)，使之可以向控制器91提供X、Y加速度信息。在所述實(shí)施例中，位置/速度控制器91利用低通濾波器推算出關(guān)于X和Y的位置和速度，針對所有實(shí)踐目的，所述濾波器是頻率高于170Hz的積分器。利用低通濾波器，而不是純積分器可以消除開環(huán)積分器的漂移和方差累積問題。圖10A提供了用于實(shí)現(xiàn)這樣一種位置控制器的示范性功能塊。
參考圖10A，來自位置/速度觀察器93的X(d_2_x_dt_2)和Y(d_2_y_dt_2)加速度計(jì)的加速度信號加到標(biāo)識為100X和100Y的功能塊上作為輸入。采用數(shù)字控制器91時(shí)，任何模擬加速度信號均須轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，而所述數(shù)字值應(yīng)加到控制器91作為輸入。
功能塊100X和100Y分別包括傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，把加速度信號轉(zhuǎn)換為關(guān)于X和Y的可動件速度估計(jì)值(例如，X_dot_est和Y_dot_est)。然后把X和Y速度估計(jì)值分別加到功能塊101X和101Y上，它們把速度估計(jì)值轉(zhuǎn)換為位置/速度估計(jì)值。轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)性質(zhì)舉例示于圖10A。X和Y速度和位置估計(jì)值分別加到調(diào)整估計(jì)值信號的增益塊102X和102Y和比率塊103X和103Y上作為輸入。然后在功能塊104X和104Y處從X和Y位置和速度命令信號減去估計(jì)的位置和速度信號，產(chǎn)生X和Y的位置和速度誤差信號。功能塊105X和105Y將X和Y誤差信號組合在一起以便產(chǎn)生FX和FY信號，低通濾波器和增益乘法器組合106X和106Y對所述FX和FY信號進(jìn)行修改以便產(chǎn)生FX和FY命令，用來控制上述系統(tǒng)。
在替代實(shí)施例中，可能希望只控制速度，而不是控制位置和速度。參考圖10A和10B，在這樣的速度控制系統(tǒng)中，在功能塊105X和105Y中把加到位置誤差信號eX和eY的增益項(xiàng)Ksfbk_x和Ksfbk_y設(shè)置為零，從而從FX和FY命令中去除位置控制分量。
圖10A的示范性位置/速度控制器可以用在這樣的系統(tǒng)中，其中對來自加速度觀察器93的加速度信息連續(xù)采樣，并連續(xù)產(chǎn)生FX和FY命令?？紤]一種替代實(shí)施例，其中控制器91的操作不是不變的，而是按采樣信息運(yùn)行。這樣的采樣控制器91的功能塊示于圖10B。一般說來，圖10B的控制器91類似于圖10A的，只是濾波器和轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)性質(zhì)已經(jīng)作了調(diào)整，以便反映所述控制器的采樣性質(zhì)。
在圖10A和10B的示例中，位置/速度觀察器93包括X和Y加速度計(jì)，而執(zhí)行器40可動件的位置與速度估計(jì)由加速度計(jì)的輸出推算。設(shè)想了一種替代實(shí)施例，其中采用傳統(tǒng)的位置傳感器(例如，接近傳感器)來檢測X和Y的位置方向。在這樣的實(shí)施例中，可以利用諸如標(biāo)準(zhǔn)確定性觀察器、積分誤差觀察器或卡爾曼濾波器觀察器等降階觀察器來獲得速度信息。一般說來，可以采用能提供關(guān)于執(zhí)行器40可動件的位置和速度信息的任何形式的全階(full-order)或降階位置/速度觀察器93來構(gòu)造位置/速度觀察器93。在替代的實(shí)施例中，可以把拾取線圈與位置觀察器配合使用。拾取線圈測量速度。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以取消位置/速度觀察器93，而能從執(zhí)行器40本身的電氣特性獲得有關(guān)執(zhí)行器40可動件的位置和速度信息。在實(shí)施例中，這樣激勵(lì)執(zhí)行器40的相線圈、使得在任何時(shí)間或在給定時(shí)間至少有一個(gè)相線圈不受激勵(lì)，不受激勵(lì)的線圈可以用作接近傳感器。在這樣的實(shí)施例中，可以用高頻磁通脈沖激勵(lì)所述不受激勵(lì)的相線圈，并檢測所得電流。所述電流的振幅與所述磁通量的氣隙振幅具有直接的代數(shù)關(guān)系。檢測氣隙的振幅時(shí)，X或Y的位置即可完全確定。
不幸的是，當(dāng)要求相線圈來提供具有+30度和+120度(見圖7)之間方向的力矢量時(shí)，只有X位置可以由不受激勵(lì)的線圈確定。在這樣的情況下，X位置可以由估計(jì)的或?qū)嶋H的磁通量和電流信息確定。估計(jì)磁通量和電流之間的關(guān)系再次是直接的和代數(shù)的關(guān)系。在具有4個(gè)相線圈的系統(tǒng)中，可動件的位置完全可以通過對不受激勵(lì)的線圈的電氣特性的分析來確定。
因?yàn)橛糜趫D9位置/速度控制系統(tǒng)中的力到磁通量轉(zhuǎn)換消除了力產(chǎn)生機(jī)制中的非線性，故位置/速度控制器91所產(chǎn)生和所用的誤差信號具有線性動態(tài)而所述控制系統(tǒng)的其余參數(shù)可以利用線性方法設(shè)計(jì)。任何傳統(tǒng)的多輸入多輸出線性控制設(shè)計(jì)方法均可用來調(diào)整本系統(tǒng)，因此，設(shè)置所述系統(tǒng)的響應(yīng)，諸如極點(diǎn)配置、LQG、魯棒性等。對可動件位置和速度進(jìn)行瞬時(shí)控制的能力在振動焊接的應(yīng)用中是極其有利的。
在一個(gè)實(shí)施例中，極點(diǎn)布局用來調(diào)整所述控制系統(tǒng)，在所述系統(tǒng)中，通過產(chǎn)生比例控制系統(tǒng)的4個(gè)控制增益來配置所述系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)。盡管當(dāng)采用這種形式的極點(diǎn)布局時(shí)，X和Y命令之間將存在有限穩(wěn)態(tài)誤差和相位誤差，但是可動件軌道的形狀將不受影響。
傳統(tǒng)的振動焊接系統(tǒng)利用基于平均值的控制系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的可動件受控制或者作圓形運(yùn)動或者作橢圓形運(yùn)動，并控制圓或橢圓的平均半徑。當(dāng)使用不對稱焊接工具或可動件遇到干擾時(shí)，這樣的平均控制系統(tǒng)便無法足夠迅速地進(jìn)行補(bǔ)償，以穩(wěn)定系統(tǒng)。反之，這里公開的新型控制系統(tǒng)瞬時(shí)地控制可動件的X位置、Y位置、X速度和Y速度。另外，可以利用瞬時(shí)控制來抑制由工具的不對稱和負(fù)載干擾造成的X和Y運(yùn)動的耦合。
當(dāng)在靜止參考系(例如，X、Y)內(nèi)提供位置/速度命令時(shí)，可以把較緩慢的平均半徑控制回路設(shè)置在瞬時(shí)控制回路周圍，以保證零穩(wěn)態(tài)誤差。這樣的外控制回路對保證甚至在過載狀態(tài)下可動件跟隨所需的軌道運(yùn)動是特別有利的。一般說來，平均半徑控制回路產(chǎn)生平均半徑誤差，這作為π(PI)控制律控制器的輸入提供。然后PI控制律消除任何穩(wěn)態(tài)誤差，盡管可能X和Y之間的相位誤差仍舊存在。因?yàn)槠骄霃绞侵绷髯兞?，所以PI控制律控制器將會抑制恒定的負(fù)載干擾。PI控制律控制器的輸出加到命令半徑信號上，以便把總的半徑命令信號加大到比例瞬時(shí)命令信號。
在圖9圖解說明的特定實(shí)施例中，輸入的位置/速度命令以表達(dá)為X和Y位置和速度的執(zhí)行器40可動件所需位置和速度的形式提供。在許多振動焊接應(yīng)用中，可動件所需的運(yùn)動無法對應(yīng)于任意的X和Y命令，但是反而對應(yīng)于趨向于使執(zhí)行器40的可動件產(chǎn)生橢圓運(yùn)動的X和Y命令。對于這樣的應(yīng)用，可以由新型位置/速度命令發(fā)生器產(chǎn)生X和Y位置/速度命令，所述發(fā)生器產(chǎn)生所需的橢圓軌道所需的X和Y位置/速度命令。這樣的位置/速度命令發(fā)生器的輸出端連接到位置/速度控制器91的輸入端。
圖11A一般地圖解說明可以用來實(shí)現(xiàn)示范性位置/速度命令發(fā)生器110的一組示范性功能塊。參考該圖，位置/速度命令發(fā)生器110接收定義執(zhí)行器40可動件所需橢圓軌道的命令信號作為其輸入。具體地說，位置/速度命令發(fā)生器110所接收的命令信號是(i)長軸命令(r_command)，對應(yīng)于沿著X軸的所需橢圓軌道的長軸；(ii)長軸對短軸比例命令或偏心命令(ecc_command)，定義沿著X軸的長軸與沿著Y軸的短軸的比率；(iii)角度命令(angle_command)，定義要求軌道的長軸偏離X軸的角位移角；和(iv)工作頻率命令(fc)，定義可動件沿所需的橢圓路徑來回移動的頻率。
參考圖11A，所描述的各種輸入命令利用示于該圖的適當(dāng)濾波器111，112，113和114濾波。若如上所述地使用外半徑控制回路，則濾波后的半徑命令(r_filtered)可以在求和節(jié)點(diǎn)115上利用半徑誤差校正值修改。然后在限幅塊116上對修改后的半徑命令(r_error_total)進(jìn)行限幅，使之落入某個(gè)范圍，限幅后的r命令加到橢圓轉(zhuǎn)換塊上。然后通過功能塊118，119a和119b把輸入工作頻率命令轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳛檩斎爰拥綑E圓轉(zhuǎn)換塊117的時(shí)間改變角度值。把其他濾波后的輸入信號(ecc_filtered，angle_filtered)直接加到橢圓轉(zhuǎn)換塊117上。
橢圓轉(zhuǎn)換塊117接收以上注明的信號，并利用圖11A提出的數(shù)學(xué)關(guān)系產(chǎn)生X和Y位置和速度命令(X_cmd，X_dot_cmd，Y_cmd和Y_dot_cmd)。
圖11A舉例說明可以用來實(shí)現(xiàn)位置/速度命令發(fā)生器110的功能塊，它響應(yīng)連續(xù)的輸入信號而連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)。圖11B舉例說明可以用來實(shí)現(xiàn)位置/速度命令發(fā)生器110’的類似的功能塊，它響應(yīng)采樣輸入信號以采樣方式工作以便產(chǎn)生位置/速度命令。正如從本公開中受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員會意識到的，位置/速度命令發(fā)生器110與位置/速度命令發(fā)生器110’基本上相同，只是濾波器111’，112’，113’和114’不同于濾波器111，112，113和114。
從本公開中受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員會意識到，不同于上述的位置/速度命令可以加到圖9的位置/速度控制系統(tǒng)。一般說來，任何適當(dāng)?shù)奈恢?速度命令信號都可以展開為富里葉級數(shù)，以描述任何周期性波形，在其極限情況下，可以描述為方波。例如，輸入X和Y位置和速度命令可以作為按照以下關(guān)系產(chǎn)生的時(shí)間函數(shù)X_cmd(t)＝r*cos(ω*t)；X_dot_cmd(t)＝-r*ω*sin(ω*t)；Y_cmd(t)＝r*ecc*sin(ω*t)；和Y_dot_cmd(t)＝r*ecc*ω*sin(ω*t)；式中r是長軸，ecc是所需的偏心率，ω對應(yīng)于所需的工作頻率，而t是時(shí)間。
另外，可以使上述所需橢圓軌道與用((X/A)^n+(Y/B)^n＝r限定的“超橢圓”匹配，式中n為＞＝2的整數(shù)?？梢砸悦罨鶞?zhǔn)信號的富里葉級的角速度ω沿這樣的超橢圓軌道來回移動。然后位置/速度控制系統(tǒng)試圖跟蹤位置/速度波形直至驅(qū)動能力的極限和帶寬。
圖12A-12D舉例說明上面聯(lián)系圖9描述的類型的位置/速度控制器的操作。每一個(gè)圖舉例說明沿著X軸在無負(fù)載的情況下作線性運(yùn)動的執(zhí)行器40可動件的X和Y運(yùn)動、FX和FY命令、磁通量命令和磁通量值，而圖12B舉例說明在滿負(fù)載的情況下同一運(yùn)動類型的系統(tǒng)的操作。類似地，圖12C和12D分別舉例說明無負(fù)載和滿負(fù)載情況下作圓形運(yùn)動的系統(tǒng)的操作。
正如圖12A-12D清楚表明的，不論在無負(fù)載還是在滿負(fù)載情況下，由正如這里描述而構(gòu)造的磁通量控制器在執(zhí)行器40中建立的磁通量都是間斷的，并將緊密地跟蹤磁通量命令。
上述位置/速度控制系統(tǒng)全都基于靜止的參考系(例如，X和Y)。設(shè)想一個(gè)替代實(shí)施例，其中用于控制目的的參考系基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。這樣的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的采用，對于給定性能目標(biāo)，可以減少所需采樣速率，提供改善的相位和振幅跟蹤。此外，這樣的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的采用可以通過PI控制律控制器的使用把穩(wěn)態(tài)誤差減到最小和/或保證零穩(wěn)態(tài)誤差，因?yàn)閷τ谶@樣的參考系，這樣的“旋轉(zhuǎn)”控制系統(tǒng)所使用的控制變量是DC量。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，旋轉(zhuǎn)位置/速度控制器可以基于QD旋轉(zhuǎn)參考系構(gòu)造，其中定義可動件的運(yùn)動，不是用X和Y位置和速度，而是用旋轉(zhuǎn)矢量Q和D，所述旋轉(zhuǎn)矢量Q和D各自具有相應(yīng)的矢量，所述矢量的元素在穩(wěn)態(tài)下是PC量。這樣的QD位置/速度控制系統(tǒng)起的作用類似于上面聯(lián)系XY控制系統(tǒng)描述的，一般說來，例外只是下述幾點(diǎn)。
采用旋轉(zhuǎn)位置/速度控制器時(shí)，可以根據(jù)QD基準(zhǔn)向位置/速度控制器既提供位置/速度命令，又提供來自位置/速度觀察器93的反饋信號，反映執(zhí)行器可動件位置/速度?；蛘?，可以根據(jù)XY位置和速度提供位置/速度命令和反饋信號，在這種情況下，位置/速度命令和信號必須從XY參考系轉(zhuǎn)換為QD參考系。這種轉(zhuǎn)換可以利用適當(dāng)編程的數(shù)字處理器完成。
圖13一般地舉例說明根據(jù)本發(fā)明某些方面構(gòu)造的一種形式的QD控制系統(tǒng)130。一般說來，QD控制系統(tǒng)包括QD控制器132，它在其輸入端接收位置命令信號，它在預(yù)先限定的QD參考系內(nèi)定義執(zhí)行器40可動件的所需運(yùn)動。具體地說，在所舉例說明的實(shí)施例中，輸入QD位置命令是(i)q_cmd，它定義Q矢量所需的瞬時(shí)幅度和符號；(ii)d_cmd，它定義D矢量所需的瞬時(shí)幅度和符號；(iii)q_dot_cmd，它定義Q矢量的幅度所需的改變速率；(iv)d_dot_ref，它定義D矢量的幅度所需的改變速率；和(v)fc，它定義系統(tǒng)所需的工作頻率。一般說來，Q和D是準(zhǔn)靜態(tài)變量，其值可以＞0或＜0。
圖13的示范性控制器130適用于軌道焊接裝置，并且本身特別適合于控制執(zhí)行器40可動件的橢圓運(yùn)動。因此，在旋轉(zhuǎn)橢圓QD參考系中進(jìn)行所述QD控制操作。為了定義適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)橢圓QD參考系，QD控制器130需要兩個(gè)附加變量。
類似于上面討論的ecc_command，第一變量(ecc_command)定義沿著X軸的橢圓長軸與沿著Y軸的短軸的比率。第二變量(delta)定義旋轉(zhuǎn)橢圓參考系的長軸偏離靜止的X軸的角度范圍。
QD控制器132的其他輸入包括提供有關(guān)執(zhí)行器40可動件位置/速度的信息的反饋信號。一般說來，這些信號是由位置/速度觀測器93提供的，類似于上面討論的位置/速度觀測器93，包括X和Y加速度計(jì)。來自位置/速度觀測器93的X和Y位置/速度信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)橢圓QD參考系中可動件的QD參數(shù)的q，d，q_dot信號。這種轉(zhuǎn)換是由XY到QD轉(zhuǎn)換操作完成的。來自功能塊131的QD位置/速度信息作為另一組輸入提供給QD控制器132。然后QD控制器把有關(guān)可動件的QD信息與命令QD信息比較，以產(chǎn)生用以產(chǎn)生所需Q和D力命令FQ和FD的QD誤差信號。然后把這些力命令通過由功能塊133反映的QD到XY轉(zhuǎn)換操作轉(zhuǎn)換為FX和FY力命令參考系中的力命令。接著把FX和FY信號加到力控制系統(tǒng)50，后者以前面聯(lián)系圖5力控制系統(tǒng)時(shí)描述的方式控制加到執(zhí)行器40的力。
圖13的QD控制器以及功能塊131和133可以利用編程數(shù)字處理器加以實(shí)現(xiàn)。圖14A-14D一般地舉例說明可以用來實(shí)現(xiàn)示范性QD控制器132以及功能塊131和133的功能塊。圖解說明的控制器連續(xù)工作，盡管從本公開受益的本專業(yè)的普通技術(shù)人員會意識到，采樣QD控制器也可以由這里傳授的技術(shù)構(gòu)造。
參考圖14A，其中提供QD控制器132以及功能塊131和133的概貌。在舉例說明的實(shí)施例中，圖解說明的QD控制器從包括加速度計(jì)的位置/速度觀測器93接收X和Y加速度信息。由功能塊100X和100Y，101X和101Y處理X和Y加速度信息，以前面聯(lián)系圖10A描述的方式產(chǎn)生X_est，X_dot_est，Y_est和Y_dot_est信號。然后把XY估計(jì)位置和速度信息提供給轉(zhuǎn)換功能塊140作為輸入，后者把來自功能塊101X和101Y的XY信息轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)橢圓QD參考系。圖14C對功能塊140的操作提供更詳細(xì)的說明。
提供一個(gè)替代實(shí)施例，其中，直接測量X，X_dot，Y和Y_dot，采用上述方法估計(jì)X，X_dot，Y和Y_dot，即，或者從X、Y或者從X_dot和Y_dot估計(jì)X，X_dot，Y和Y_dot。再進(jìn)一步，可以直接把a(bǔ)X，aY轉(zhuǎn)換為aQ，aD，而用于Q，D_dot，D，D_dot的觀測器可以用于所述旋轉(zhuǎn)參考系。
參考圖14C，功能塊140包括子功能塊141，142和143。這些功能塊把來自位置/速度觀測器93的XY信息轉(zhuǎn)換為所需的旋轉(zhuǎn)橢圓參考系中的QD信息。起始時(shí)，把X_est，X_dot_est，Y_est和Y_dot_est提供給功能塊141，后者把XY信號轉(zhuǎn)換為XY參考系，所述參考系是由標(biāo)準(zhǔn)的固定參考系旋轉(zhuǎn)一個(gè)對應(yīng)于上述delta變量的值而獲得的。因此，功能塊141的輸入構(gòu)成XY參考系中的XY位置和速度數(shù)據(jù)，所述XY參考系從標(biāo)準(zhǔn)XY參考系偏移一個(gè)由輸入變量delta限定的角度量。
來自功能塊141的經(jīng)過delta調(diào)整后的XY信息加到功能塊142上作為輸入，后者接收delat調(diào)整后的XY信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)過調(diào)整以適應(yīng)所需的橢圓參考系的偏心率的XY參考系中的XY信號。一般說來，功能塊142針對所述橢圓長軸X和短軸Y之間的差值調(diào)整進(jìn)行了delta調(diào)整的XY信號。正如圖14C所反映的，功能塊142的一個(gè)輸入信號是ecc_command。
來自功能塊142的經(jīng)過delta和ecc調(diào)整的XY信號(X_c，X_dot_c，Y_c和Y_dot_c)作為輸入加到功能塊143上。一般說來，功能塊143將其輸入信號(用標(biāo)準(zhǔn)XY參考系表示)轉(zhuǎn)換為用旋轉(zhuǎn)圓形參考系表示的QD信號。因?yàn)閄Y-圓QD功能塊143的輸入信號是經(jīng)過delta和ecc調(diào)整的XY信號，所以，無論如何來自功能塊143的q_est，d_est，q_dot_est和d_dot_est信號將等效于旋轉(zhuǎn)橢圓QD參考系中的信號。正如圖143C所反映的，fc信號用在功能塊143中作為“theta”變量。所述theta變量定義為2*pi*fc*t，其中t為時(shí)間。
相信在圖14C中完成轉(zhuǎn)換的特定順序是圖解說明的控制器的某些實(shí)現(xiàn)中是特別重要的，因?yàn)樗ＷC進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便準(zhǔn)確地把輸入的XY命令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)橢圓參考系的命令。
參考圖14A，來自功能塊143的q_est，d_est，q_dot_est和d_dot_est信號加到總稱為144的一組功能塊上。功能塊144把反映執(zhí)行器40可動件位置/速度的估計(jì)的QD信號與命令QD信號比較，產(chǎn)生QD誤差信號。功能塊144還可以實(shí)現(xiàn)任何適當(dāng)?shù)目刂坡?，諸如多輸入/多輸出PI控制律。來自功能塊144的所述QD誤差信號借助于矩陣求和功能塊145適當(dāng)求和，產(chǎn)生力命令信號FQ和FD。圖14B提供求和矩陣145的示范性變量。
在圖14A的實(shí)施例中，力命令信號FQ和FD通過低通濾波器146a和146b進(jìn)行低通濾波。然后通過功能塊147把濾波后的FQ和FD信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的FX和FY命令。圖14D提供可以用來實(shí)現(xiàn)功能塊147的子功能塊的一般說明。
參考圖14D，濾波后的FQ和FD信號首先轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的XY力命令信號FX_circ和FY_circ。在舉例說明的實(shí)施例中，由功能塊148完成的轉(zhuǎn)換是簡單的圓QD-XY轉(zhuǎn)換，它并不考慮所述控制器所用的QD參考系的橢圓性質(zhì)或所述參考系對標(biāo)準(zhǔn)XY參考系的delta偏移。
然后把來自功能塊148的FX_circ和FY_circ命令作為輸入加到功能塊149。功能塊149還接收ecc命令作為輸入。一般說來，功能塊149把FX_circ和FY_circ命令轉(zhuǎn)換為經(jīng)過調(diào)整以便考慮所圖解說明的QD控制器所用的旋轉(zhuǎn)橢圓參考系的橢圓性質(zhì)的FX和FY命令(FX_elip，F(xiàn)Y_elip)。但是，來自功能塊149的FX和FY命令并未進(jìn)行調(diào)整來反映QD控制器所用的旋轉(zhuǎn)橢圓參考系對于標(biāo)準(zhǔn)XY參考系的delta偏移。這種調(diào)整由功能塊150完成，后者接收來自功能塊149的信號和對應(yīng)于delta變量的信號，并響應(yīng)這些輸入產(chǎn)生FX和FY命令信號。就像圖14C中所反映的轉(zhuǎn)換一樣，圖14D的轉(zhuǎn)換應(yīng)該按上述特定的順序完成，以保證對所述信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。
參考圖14A，來自功能塊150的這些FX和FY信號由增益放大器放大，并加到力控制器上，以控制加到上述執(zhí)行器40可動件上的力。
雖然為了以下目的的上述各種轉(zhuǎn)換操作看來復(fù)雜(i)把XY反饋信號轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)橢圓QD參考系；(ii)在旋轉(zhuǎn)橢圓QD參考系中實(shí)現(xiàn)控制律以產(chǎn)生QD力命令；和(iii)把旋轉(zhuǎn)橢圓QD參考系中的力命令向XY力命令的轉(zhuǎn)換，但是，它們提供幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。具體地說，由于上述轉(zhuǎn)換，在功能塊144中實(shí)際用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制律的控制變量是DC量。這樣，可以采用多輸入，多輸出PI或其他零穩(wěn)態(tài)誤差控制律。采用這樣的控制律可以得出比傳統(tǒng)控制方法可以得到的性能更好的系統(tǒng)性能。在上述轉(zhuǎn)換的應(yīng)用是新的軌道焊接應(yīng)用中尤為如此。具體地說，采用上述轉(zhuǎn)換和控制律不需要外徑控制回路，因?yàn)橛蛇@樣的回路完成的控制功能是由功能塊144，145和146實(shí)現(xiàn)的控制律處理的。
盡管已經(jīng)聯(lián)系上述舉例說明的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本專業(yè)的技術(shù)人員會意識到，在不脫離本發(fā)明的情況下可以作出許多不同的變化。例如，新型執(zhí)行器40在這里首先是在利用磁通控制系統(tǒng)描述的?？梢钥闯?，執(zhí)行器40可以由包括，例如會在執(zhí)行器40的E型磁芯中產(chǎn)生正弦磁通量的傳統(tǒng)的逆變器等的任何不同的裝置激勵(lì)。盡管新型執(zhí)行器40的這樣的用途潛在地不像所述執(zhí)行器由這里描述的新型磁通量控制器激勵(lì)的應(yīng)用那樣精致或具有同樣性能，但是它仍舊提供許多優(yōu)點(diǎn)，諸如造成E型磁芯和與這些磁芯相關(guān)的相線圈的去耦合。鑒于上述類型的改變，顯然，上述描述只是舉例，而非旨在限制。因此，這里尋求以下權(quán)利要求書的保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種用于電磁執(zhí)行器的力控制系統(tǒng)，所述執(zhí)行器具有帶磁芯的靜止件、可動件和至少一個(gè)相線圈，所述至少一個(gè)相線圈設(shè)置成當(dāng)所述相線圈受激勵(lì)時(shí)，在所述磁芯上建立磁通、以便把力作用在所述可動件上，所述力控制系統(tǒng)包括觀察器，它輸出代表所述可動件瞬時(shí)位置和速度的信號；位置控制器，它接收所述觀察器的所述輸出信號和代表所需位置和所需速度的信號；所述位置控制器將所述觀測器的所述輸出信號與所述所需位置和速度信號進(jìn)行比較、以便產(chǎn)生位置和速度誤差信號；所述位置控制器根據(jù)所述位置和速度誤差信號，產(chǎn)生以所述所需速度把所述可動件定位在所述所需位置上所需要的力命令信號；磁通量控制器，它接收所述力命令信號并把所述力命令轉(zhuǎn)變?yōu)榇磐棵钚盘?；以及所述磁通量控制器根?jù)所述磁通量命令信號產(chǎn)生相激勵(lì)信號。
2.如權(quán)利要求1所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于在X、Y參考系中控制所述可動件的位置。
3.如權(quán)利要求1所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于按照X和Y來控制所述可動件的速度。
4.如權(quán)利要求1所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于所述觀測器包括加速度計(jì)。
5.如權(quán)利要求4所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于所述觀測器包括第一和第二加速度計(jì)，所述第一和第二加速度計(jì)具有連接到所述位置控制器的輸出端，所述位置控制器把從所述加速度計(jì)接收的信號轉(zhuǎn)換為所述可動件的所述位置和速度的估計(jì)值。
6.如權(quán)利要求5所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置控制器還把位置和速度增益項(xiàng)加到所述位置和速度誤差信號上，以便產(chǎn)生力命令信號。
7.如權(quán)利要求6所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置增益項(xiàng)設(shè)置為0、以便僅僅控制所述可動件的速度。
8.如權(quán)利要求1所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置控制器連續(xù)地接收所述觀測器的輸出信號。
9.如權(quán)利要求1所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于所述位置控制器周期地對所述觀測器的輸出信號進(jìn)行采樣。
10.一種用于電磁執(zhí)行器的力控制系統(tǒng)，所述執(zhí)行器包括具有磁芯的靜止件、可動件和相線圈，所述相線圈設(shè)置成當(dāng)所述相線圈受激勵(lì)時(shí)在所述磁芯上建立磁通、以便把力作用在所述可動件上，其中，作用在所述可動件上的力與所述磁通的量值成正比，所述力控制系統(tǒng)包括磁通量觀察器，它具有輸入端和輸出端，所述輸入端連接到所述相線圈，所述磁通量觀測器對加到所述相線圈上的電壓進(jìn)行低通濾波、估計(jì)所述相線圈中的磁通量并在輸出端提供代表估計(jì)的磁通量的信號；以及磁通量控制器，它接收力命令信號和所述磁通量觀測器的輸出信號，當(dāng)所述磁通量命令信號比估計(jì)的磁通量信號至少大一個(gè)預(yù)定量時(shí)所述磁通量控制器提供相激勵(lì)信號以便激勵(lì)所述相線圈、增大所述相線圈中的磁通量，而當(dāng)磁通量反饋信號比所述磁通量命令信號至少大一個(gè)預(yù)定量時(shí)、激勵(lì)所述相線圈以便減小所述相線圈中的磁通量，
11.如權(quán)利要求10所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于還包括力到磁通量控制器，其輸出端連接到所述磁通量控制器，所述力到磁通量控制器接收在給定的參考系中的所需力命令作為輸入信號并在所述輸出端提供所述磁通量命令信號；其中，所述力到磁通量控制器根據(jù)與所述可動件相關(guān)的力和所述磁芯中的磁通量之間的關(guān)系把所述所需的力命令轉(zhuǎn)換為所述磁通量命令信號。
12.如權(quán)利要求10所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于所述磁通量觀測器對Vn-In*Rn進(jìn)行低通濾波，式中，Vn是所述相線圈的電壓，In是所述相線圈電流，而Rn是所述相線圈電阻。
13.一種電磁執(zhí)行器，它包括靜止的外組件，它定義一個(gè)腔，所述靜止件包括磁芯；相線圈，它設(shè)置成當(dāng)所述相線圈被激勵(lì)時(shí)在所述磁芯內(nèi)建立磁通量；可動件，它設(shè)置在由所述靜止組件限定的所述腔內(nèi)、使得在所述磁芯內(nèi)建立的所述磁通量把力作用在該可動件上；磁通量觀察器，它具有輸入端和輸出端，所述輸入端連接到所述相線圈，所述磁通量觀察器對加到所述相線圈上的電壓進(jìn)行低通濾波、以便估計(jì)所述相線圈的磁通量、并在所述輸出端提供代表所述估計(jì)的磁通量的信號；以及磁通量控制器，它接收磁通量命令信號和所述磁通量觀察器的所述輸出信號，所述磁通量控制器提供相激勵(lì)信號、以便當(dāng)所述磁通量命令信號比所述估計(jì)的磁通量信號至少大一個(gè)預(yù)定量時(shí)激勵(lì)所述相線圈、以增大所述相線圈中的磁通量、而當(dāng)磁通量反饋信號比所述磁通量命令信號至少大一個(gè)預(yù)定量時(shí)激勵(lì)所述相線圈、以減少所述相線圈中的磁通量。
14.如權(quán)利要求13所述的電磁執(zhí)行器，其特征在于所述靜止的外組件包括多個(gè)基本上相同的磁去耦的E型磁芯，每個(gè)E型磁芯形成一個(gè)中心臂和兩個(gè)輔助臂。
15.如權(quán)利要求14所述的電磁執(zhí)行器，其特征在于所述相線圈包括多個(gè)相線圈，以及每一個(gè)相線圈環(huán)繞E型磁芯的所述中心臂、使得當(dāng)電能加到給定的相線圈時(shí)在所述相應(yīng)的E型磁芯中產(chǎn)生磁通量。
16.如權(quán)利要求15所述的電磁執(zhí)行器，其特征在于所述多個(gè)相線圈包括兩個(gè)相線圈。
17.如權(quán)利要求15所述的電磁執(zhí)行器，其特征在于所述多個(gè)相線圈包括4個(gè)相線圈。
18.如權(quán)利要求13所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于還包括力到磁通量控制器，其輸出端連接到所述磁通量控制器，所述力到磁通量控制器在給定參考系中接收所需的力命令作為輸入信號并在所述輸出端提供磁通量命令信號；其中，所述力到磁通量控制器根據(jù)與所述可動件相關(guān)的力和所述磁芯中的所述磁通量的關(guān)系把所述所需的力命令轉(zhuǎn)換為磁通量命令信號。
19.如權(quán)利要求13所述的力控制系統(tǒng)，其特征在于所述磁通量觀測器對Vn-In*Rn進(jìn)行低通濾波，式中Vn是所述相線圈的電壓，In是所述相線圈的電流，而Rn是所述相線圈的電阻。
20.如權(quán)利要求15所述的執(zhí)行器，其特征在于所述相線圈是電氣去耦的、使得流過任何給定相線圈的電流不受流過任何其他相線圈的電流的限制。
全文摘要
一種用于電磁執(zhí)行器的力控制系統(tǒng)包括觀察器，它輸出代表可動件瞬時(shí)位置和速度的信號；以及位置控制器，它接收觀察器的輸出和代表所需位置和所需速度的信號。位置控制器比較觀測器的輸出和所需位置和速度信號，產(chǎn)生位置和速度誤差信號。位置控制器還根據(jù)該位置和速度的誤差信號，產(chǎn)生以所需速度把可動件定位在所需位置上所需要的力命令信號?？梢詮牧γ钚盘栂恢梅至浚Y(jié)果只控制可動件的速度。根據(jù)本發(fā)明的其他方面，用于電磁執(zhí)行器的力控制系統(tǒng)包括磁通量觀測器，它對加到相線圈上的電壓進(jìn)行低通濾波，估計(jì)相線圈中的磁通量，并在其輸出端提供代表估計(jì)的磁通量的信號。
文檔編號H02P25/06GK1505864SQ02809070
公開日2004年6月16日 申請日期2002年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月30日
發(fā)明者J·G·馬辛基維滋, D·C·洛維特, J G 馬辛基維滋, 洛維特 申請人:美國艾默生電氣公司