一种联合电机与可控离合器的多功能执行器的控制方法与流程

本发明涉及机电控制系统当中的执行器的控制方法，更具体地说是一种结合可控离合器与电机的多功能执行器的控制方法。

背景技术：

执行器是机电控制系统的重要组成部分：执行器受控制器的控制以对机电系统施加作用，其性能深刻地影响机电系统的整体表现。机器人为典型的机电系统。绝大多数传统的工业机器人采用带有减速器的电机作为执行器，并采用位置控制方式，使得机器人的末端执行器严格地沿着规定的轨迹运行，同时，传统工业机器人的各连杆往往具有较大的惯量，故外力难以干预机器人的既定轨迹。因此，传统的工业机器人具有较高的位置精度，适用于各类需要不断重复的涉及定位的任务，如物料转运、流水线装配等。

但是，采用位置控制方式的机器人易对进入其工作空间的人类造成伤害。新一代的机器人被期望具有良好的物理人机交互性能，即人类可安全、和谐地与机器人进行互动，这就要求机器人的末端执行器甚至其各关节与连杆输出的力或力矩具有可控的安全限值，并且处于机器人各关节的执行器能够被人类反向驱动。

另一方面，传统的工业机器人难以胜任各类需要精确的力输出的任务，如期望机器人的末端执行器输出预设的压力，并同时在垂直于该压力的方向上运动；目前，实现这一任务的控制策略均较为复杂；并且，若需保持长时间的压紧，处于某些关节的执行器中的电机便可能发生堵转，从而过热烧毁。因此，机器人各关节处的执行器被期望具有转矩与转速同时可控的能力，以简化控制策略；此外，执行器也应具有可靠的过载保护与随时重启能力。

然而，带有减速器的电机因其技术成熟、结构可靠，仍是在采用位置控制方式的机电系统当中被广泛应用的执行器；但由于其自身的刚性连接、较大的惯量与减速比，带有减速器的电机本身并不具有上述要求的性能；其位置与力的混合控制与反向驱动能力的实现需要设计较为复杂的控制器。

技术实现要素：

本发明为解决上述现有执行器存在的不足之处，提供一种联合电机与可控离合器的多功能执行器的控制方法，以期能有效匹配多功能执行器实现平顺、快速又精准的力/力矩输出，从而避免电机堵转过热，并达到离合器无接合时执行器末端的反向驱动的目的。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种联合电机与可控离合器的多功能执行器的控制方法，所述多功能执行器是以电机(1)作为近端，并通过传动装置与可控离合器相连，以所述离合器作为所述多功能执行器的末端，其特点是，所述控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、设定多功能执行器末端的被控对象的期望夹紧力，并获取被控对象的实际夹紧力；

步骤2、根据所述期望夹紧力和实际夹紧力判定被控对象的工作模式；

若期望夹紧力大于“0”，且实际夹紧力等于“0”，则表示被控对象的工作模式为消除制动间隙模式；

若期望夹紧力大于“0”，且实际夹紧力也大于“0”，则表示被控对象的工作模式为保持夹紧力模式；

若期望夹紧力等于“0”，且实际夹紧力大于“0”，则表示被控对象的工作模式为撤销夹紧力模式；

若期望夹紧力等于“0”，且实际夹紧力也等于“0”，则表示被控对象的工作模式为停止待机模式；

步骤3、根据所述工作模式，分别控制电机(1)与可控离合器；

若为消除制动间隙模式，则控制电机(1)正向转动，控制可控离合器的驱动信号，使得可控离合器趋于刚性传动；

若为保持夹紧力模式，则控制电机(1)正向转动，控制可控离合器的驱动信号，使得可控离合器趋于屈服滑动传动，从而使得可控离合器的转矩传递能力按需变化；

若为撤销夹紧力模式，则控制电机(1)反转，控制可控离合器的驱动信号，使得可控离合器趋于刚体传动；

若为停止待机模式，则控制电机(1)和可控离合器不工作。

本发明所述的多功能执行器的控制方法的特点也在于：所述传动装置为齿轮减速装置的近距离传动装置，或为链传动、皮带传动、绳索传动的远距离传动装置。

对于具有多组所述传动机构与多个所述离合器的执行器，是将各所述传动机构的输出端与各所述离合器布置于机电系统的各关节，并均有同一个电机与传动机构输入端提供纯转速源，从而实现单电机多自由度控制。

所述可控离合器为磁粉离合器或磁流变离合器。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1.本发明采用分层控制的方法，根据所述期望夹紧力和实际夹紧力判定被控对象的工作模式，改变控制信号直接控制电机和可控离合器转速和转矩传递能力以简化复杂的力控制策略，从而实现了平顺、快速又精准的力/力矩输出。采用所述的执行器及其控制策略可消除传统机电系统中电机可能产生的转矩超调。

2.本发明在工作模式为保持夹紧力时，离合器的输出端在此阶段无法继续转动，为防止电机长时间堵转过热而失效，应使得离合器的输入端及与其刚性相连的电机的输出轴保持旋转，通过控制信号的改变给可控离合器通以相应的驱动信号，实现离合器的屈服滑动动力传动，此工作模式下执行器的输出端可充当纯转矩源，在长时间堵转的情况下维持转矩。

3.本发明所述执行器输出目标转矩的同时，控制执行器的纯转速源部分使其末端输出目标转速，从而实现了转矩与转速的同时控制。

附图说明

图1为本发明执行器的最基本的结构示意图；

图2为本发明执行器控制转矩输出的开环方式示意图；

图3为本发明执行器控制转矩输出的闭环方式示意图；

图4为本发明执行器的一种应用方式示意图；

图5为本发明执行器的另一种应用方式示意图；

图6为本发明执行器的控制方法流程图。

图中标号：1电机，2齿轮减速装置，3可控离合器输入端，4可控离合器前端盖，5导磁外壳，6励磁线圈，7绝缘隔层，8可控离合器后端盖，9可控离合器输出端，10密封圈，11可控液，12丝杆，13螺母，14固定的障碍物，15输入带轮a，16传动皮带a，17输出带轮a，18输入带轮b，19传动皮带b，20输出带轮b。

具体实施方式

本实施例中，一种联合电机与可控离合器的多功能执行器的控制方法中的多功能执行器最基本的结构如图1所示，由电机1、齿轮减速装置2与可控离合器组成；方案中可控离合器选为磁流变离合器，磁流变离合器由输入端3、可控离合器前端盖4、导磁外壳5、励磁线圈6、绝缘隔层7、可控离合器后端盖8、可控离合器输出端9、密封圈10、可控液11等组成。电机1通过齿轮减速装置2使得磁流变离合器输入端3在离合器的充满可控液的腔室中旋转；当励磁线圈6中通有电流，磁力线便沿由导磁材料制成的离合器前端盖4、后端盖8与外壳5形成封闭回路；且磁力线能垂直穿过离合器输入端3与输出端9之间的轴向间隙，使得该间隙当中的可控液沿着磁力线方向聚集成柱状结构，其能抵抗两圆盘之间的剪切作用，从而将动力从输入端3传递至输出端9。在本发明的执行器中，最终向外输出力或力矩的是离合器的输出端9，且该输出取决于所施加的磁场强度；而电机1仅是通过齿轮减速装置2为可控液提供剪切速率作为转矩来源，但并不参与可控的转矩输出。因此，对执行器输出转矩的控制即是对可控离合器的控制。

该控制方法流程图如图2所示，是按如下步骤进行：

步骤1、设定多功能执行器末端的被控对象的期望夹紧力，并获取被控对象的实际夹紧力；

步骤2、根据期望夹紧力和实际夹紧力判定被控对象的工作模式；

若期望夹紧力大于“0”，且实际夹紧力等于“0”，则表示被控对象的工作模式为消除制动间隙模式；

若期望夹紧力大于“0”，且实际夹紧力也大于“0”，则表示被控对象的工作模式为保持夹紧力模式；

若期望夹紧力等于“0”，且实际夹紧力大于“0”，则表示被控对象的工作模式为撤销夹紧力模式；

若期望夹紧力等于“0”，且实际夹紧力也等于“0”，则表示被控对象的工作模式为停止待机模式；

步骤3、根据工作模式，分别控制电机1与可控离合器；

若为消除制动间隙模式，则控制电机1正向转动，控制可控离合器的励磁电流大小，使得可控离合器内的磁性物质趋于刚体；

若为保持夹紧力模式，则控制电机1正向转动，控制可控离合器的励磁电流大小，使得可控离合器内的磁流物质趋于屈服，从而使得可控离合器的转矩传递能力按需变化；

若为撤销夹紧力模式，则控制电机1反转，控制可控离合器的励磁电流大小，使得可控离合器内的磁流物质趋于刚体；

若为停止待机模式，则控制电机1和可控离合器不工作。

具体实施中，传动装置为齿轮减速装置的近距离传动装置如图1所示，或为链传动、皮带传动、绳索传动的远距离传动装置如图4所示。

具体实施中，对于具有多组传动机构与多个离合器的执行器，可将各传动机构的输出端与各离合器布置于机电系统的各关节，并均有同一个电机与传动机构输入端提供纯转速源；从而实现单电机多自由度控制。如图4所示，该结构有望应用于机器人等多自由度的机电系统当中。电机1通过齿轮减速装置2、a组带传动装置15、16、17与b组带传动装置18、19、20同时带动两个可控离合器的输入端旋转。根据上层控制指令，可在两个可控离合器中通入不同大小的励磁电流以在两个输出端产生不同的输出转矩。

具体实施中，如图3所示该结构及控制策略有望应用在电动汽车的线控制动系统中。执行器的输出端9与丝杆12相连。丝杆12的转动将引起螺母13的直线运动。当螺母13与固定的障碍物14接触并压紧后者时，螺母13无法前进，丝杆12与执行器输出端9亦无法继续转动。若欲维持螺母13对固定障碍物14的压紧，传统的执行器往往使电机在堵转的状态下维持转矩输出，但这容易使得电机过热烧毁；本发明的执行器及控制策略利用可控液在发生屈服的情况下仍能传递动力的性能，使执行器输出端9与丝杆12在停转的状态下仍有转矩输出，故螺母13能持续压紧固定的障碍物14，同时，离合器的输入端3及与之相连的电机1、齿轮减速装置2仍需继续旋转以提供剪切速率作为转矩来源；并且，螺母13施加在固定障碍物14上的力可通过改变离合器的励磁电流实时调节。

具体实施中，对可控离合器的控制有开环与闭环两种方式。开环控制方式需要预先精确地标定可控离合器输出转矩与输入励磁电流之间的关系，并且要求此关系受温度等外界因素的影响较小，但标定完成后，控制策略简单、系统响应快速。图5展示了开环方式的控制策略：机电系统上层控制器提供目标转矩，执行器控制器查表得到与目标转矩对应的励磁电流指令，通过可控电流源在离合器中激发磁场，从而使得执行器输出转矩。

具体实施中，闭环控制方式如图6所示，此方式不需预先标定，而需较为复杂的控制器设计，可能涉及自适应控制、模糊控制、滑模控制等非线性控制。闭环控制方式对各种干扰的抗性较强，但可能导致更长的系统响应时间。给予离合器某一励磁电流后，离合器便具有相应的转矩传递能力。

若离合器的励磁线圈6中未通有电流，则离合器输出端9便能在离合器的腔内自由转动，而不受另一端的电机1与齿轮减速装置2的制约，从而实现了执行器的反向驱动能力。

由于可控离合器在工作时，输出端的转速总是低于输入端的转速，且离合器内的可控液不发生屈服时，两端的转速差较小，故若期望可控离合器同时传递受控的运动和动力，可在实现上述转矩控制的基础上，在离合器的输出端9安置编码器，并在控制器中设计与转矩控制并行的转速控制。转速控制策略即为简单的反馈控制：控制器根据目标转速与编码器所测量转速的差值不断调节与电机刚性相连的离合器输入端的转速。

具体实施中，可控离合器为磁粉离合器或磁流变离合器。

本发明的一种联合电机与可控离合器的多功能执行器及其控制方法有望应用于各类机电系统，如上述的电动汽车线控制动系统安全性的提高，以及数控机床切削进给系统的平稳输出、多自由度机器人的设计与控制等。