多自由度電機(jī)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述*

李 爭(zhēng), 邢璇璇, 劉力博, 王雪婷

河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 石家莊 050018)

0 引 言

隨著工業(yè)與制造業(yè)的高速發(fā)展，穩(wěn)定性與精度成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。機(jī)器人、汽車(chē)、醫(yī)療器械、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天等領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常需要做復(fù)雜的多維運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是采用多臺(tái)單自由度電機(jī)通過(guò)動(dòng)能傳遞的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多維的驅(qū)動(dòng)控制，一方面系統(tǒng)的體積較大，成本較高，復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，帶來(lái)了額外的機(jī)械摩擦，降低了效率同時(shí)增加了齒輪裝置的損耗;另一方面由于齒輪間隙的存在，使系統(tǒng)傳動(dòng)精度和定位精度的誤差不可避免。多自由度電機(jī)在減小體積、降低成本的同時(shí)滿足各種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)控制，簡(jiǎn)化了機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的精度。

多自由度電機(jī)就是由單個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間的多維運(yùn)動(dòng)，可以避免由多個(gè)單自由度電機(jī)組合采用的復(fù)雜連接裝置[3]，使得電機(jī)在體積和重量上大幅度減小，并在控制精度和效率上均有明顯的提高，使得多自由度電機(jī)越來(lái)越受?chē)?guó)內(nèi)外研究者的熱捧。本文簡(jiǎn)要介紹了多自由度電機(jī)的基本原理及技術(shù)特點(diǎn)，敘述了國(guó)內(nèi)外多自由度電機(jī)的發(fā)展水平，基于多自由度電機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、位置檢測(cè)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制策略進(jìn)行了歸納與總結(jié)，探尋了多自由度電機(jī)的當(dāng)前應(yīng)用及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 多自由度電機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，多自由度電機(jī)的研究熱點(diǎn)是永磁式多自由度電機(jī)、多自由度超聲電機(jī)、感應(yīng)式多自由度電機(jī)以及磁阻型多自由度電機(jī)[4]，在結(jié)構(gòu)上各有特點(diǎn)，適用于不同場(chǎng)合的應(yīng)用。

1.1 永磁多自由度電機(jī)

永磁多自由度電機(jī)的轉(zhuǎn)子上鑲嵌有永磁體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。早在20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)學(xué)者就提出了多自由度永磁電機(jī)，并在球形電機(jī)的電磁數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的理論模型。近年來(lái)，永磁多自由度電機(jī)得到了快速發(fā)展。

2018年，文獻(xiàn)[5]基于永磁三自由度電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了永磁無(wú)槽球面三自由度電機(jī)。該電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由內(nèi)外2個(gè)轉(zhuǎn)子組成，通過(guò)轉(zhuǎn)子輸出軸相連接來(lái)完成共同運(yùn)動(dòng)，不僅可以減少電機(jī)的內(nèi)部損耗，而且有利于提高電機(jī)的精度。為了使電機(jī)進(jìn)行多自由度運(yùn)動(dòng)，電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)球型軸承來(lái)連接。此外，定子繞組的內(nèi)部由2部分組成:(1)集中線圈;(2)傾斜的集中線圈。電機(jī)進(jìn)行多自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子及軸承與電機(jī)一起完成同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 永磁無(wú)槽球面三自由度電機(jī)

同年，日本學(xué)者Hatta等[6]提出了一種基于交叉耦合結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式永磁二自由度電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)二自由度電機(jī)相比，定子由內(nèi)繞組和外繞組2種繞組組成，2種繞組正交排列。該電機(jī)結(jié)構(gòu)不僅提高了推力，還改善了轉(zhuǎn)矩。

圖2 內(nèi)置式永磁二自由度電機(jī)

圖3 分層式永磁球型電機(jī)

2019年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Gan等[7]在內(nèi)部定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步優(yōu)化后提出了分層式永磁球形電機(jī),電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電機(jī)內(nèi)部沿著軸向分布著3個(gè)并聯(lián)定子和一個(gè)球型轉(zhuǎn)子，其中3個(gè)并聯(lián)定子是由一個(gè)設(shè)置在轉(zhuǎn)子赤道位置的旋轉(zhuǎn)定子和分布赤道兩側(cè)的傾斜定子組成，電機(jī)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由轉(zhuǎn)子上交替磁化方向的永磁體與旋轉(zhuǎn)定子之間的電磁力來(lái)完成的。這種新型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)可有效地減小電機(jī)內(nèi)部定轉(zhuǎn)子分布間距，大大提高電機(jī)的氣隙磁密和輸出轉(zhuǎn)矩。

2020年，何競(jìng)雄[8]提出了一種臺(tái)階式磁極永磁球形電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。將轉(zhuǎn)子磁極升級(jí)為臺(tái)階，不僅可以?xún)?yōu)化電機(jī)的電磁特性，還有助于加強(qiáng)對(duì)電機(jī)的控制，提升電機(jī)的性能，使其符合更加高的需求，為電機(jī)永磁體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 臺(tái)階式磁極永磁球形電機(jī)

1.2 多自由度超聲電機(jī)

壓電材料的發(fā)展推動(dòng)了超聲多自由度電機(jī)的快速發(fā)展。國(guó)外學(xué)者對(duì)多自由度超聲電機(jī)的研究較早。文獻(xiàn)[9]提出四定子二自由度超聲電機(jī)，2個(gè)圓形定子的行波用于轉(zhuǎn)子定子軸旋轉(zhuǎn)。1998年Amano等[10]提出柱狀多自由度超聲電機(jī)，該電機(jī)采用單定子驅(qū)動(dòng)，其軸向尺寸較大，降低了電機(jī)工作效率。針對(duì)效率低的問(wèn)題，趙淳生等[11]對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。20世紀(jì)初期，Aoyagi等[12]開(kāi)始對(duì)多自由度超聲電機(jī)進(jìn)行研究，利用薄板的3種彎曲振型的兩兩組合實(shí)現(xiàn)了三自由度驅(qū)動(dòng)。

2015年，Yan等[13]提出了一種對(duì)稱(chēng)式多自由度超聲電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。該電機(jī)由4個(gè)對(duì)稱(chēng)的振動(dòng)器構(gòu)成，其中前蓋和振動(dòng)器之間用柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，該設(shè)計(jì)有利于減小耦合效應(yīng)對(duì)振動(dòng)器的影響。通過(guò)試驗(yàn)得出，在通入400 V電壓時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的最高速度可達(dá)到7.32 r/min。

圖5 對(duì)稱(chēng)式多自由度超聲電機(jī)

2016年，Yang等[14]在夾層式縱彎混合激勵(lì)的基礎(chǔ)上，提出了一種由混合模態(tài)激勵(lì)的夾心式多自由度超聲電機(jī)，電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。該電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于僅使用4塊壓電陶瓷片即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的多自由度運(yùn)動(dòng)，并且在空間上產(chǎn)生第一縱向振動(dòng)模式和2個(gè)正交的第二彎曲振動(dòng)模式。所有壓電元件均被激勵(lì)產(chǎn)生一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)?；旌夏B(tài)激勵(lì)的夾心式多自由度超聲電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且電機(jī)的裝配工作比之前的單振動(dòng)器多自由度電機(jī)要更加方便快捷。

圖6 夾心式多自由度超聲電機(jī)

圖7 球形定子多自由度超聲電機(jī)

2020年，Huang等[15]提出了一種采用面內(nèi)非軸對(duì)稱(chēng)模式的新型球形定子多自由度超聲電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。定子由壓電材料組成，轉(zhuǎn)子由金屬材料構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)有利于減小電機(jī)的體積，且實(shí)現(xiàn)電機(jī)在多方位對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)。電機(jī)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)腳上產(chǎn)生多種橢圓運(yùn)動(dòng)，并且速度快，在小型多自由度的機(jī)器上有極高的應(yīng)用價(jià)值。

2020年，立陶宛考納斯理工大學(xué)Jūrēnas等[16]提出了雙壓電環(huán)三維超聲電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。該設(shè)計(jì)源于磁球式轉(zhuǎn)子和2個(gè)相對(duì)放置的環(huán)形壓電致動(dòng)器結(jié)合形成一個(gè)整合體，不僅增加了沖擊力，而且允許球體以更高的扭矩旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)了電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著壓電材料的發(fā)展，超聲電機(jī)在多自由度電機(jī)的占比越來(lái)越高，成為研究的熱點(diǎn)之一。

圖8 雙壓電環(huán)三維超聲電機(jī)

1.3 感應(yīng)多自由度電機(jī)

感應(yīng)多自由度電機(jī)，是通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)推動(dòng)電機(jī)進(jìn)行多自由度運(yùn)動(dòng)。Williams等[17]首次提出了變速球形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的概念，在進(jìn)行了一些試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種二自由度球形感應(yīng)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示[18]。

圖9 二自由度球形感應(yīng)電機(jī)

20世紀(jì)初，比利時(shí)魯汶大學(xué)學(xué)者Dehez等[19]對(duì)多自由度電機(jī)進(jìn)行研究，提出了兩自由度球形感應(yīng)電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子分為2層，內(nèi)層與外層之間用導(dǎo)磁材料連接，以提高氣隙的磁密度。波蘭西萊西亞科技大學(xué)的Wu等[20]設(shè)計(jì)了一種具有各向異性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的球形感應(yīng)電機(jī)，其主要設(shè)計(jì)基于磁各向異性原理，對(duì)磁場(chǎng)和磁力進(jìn)行了分析。

2016年，文獻(xiàn)[21-22]提出一種殼狀球形感應(yīng)多自由度電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示[23]。采用多目標(biāo)/多約束進(jìn)化算法對(duì)殼狀球形電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，建立并驗(yàn)證了殼狀球形感應(yīng)電機(jī)的電磁和熱分析模型。

圖10 殼狀多自由度感應(yīng)電機(jī)

2018年，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所Zhang等[24]提出一種磁懸浮球形感應(yīng)電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖11所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是多層金屬空心球，定子是繞轉(zhuǎn)子形成3個(gè)圈的圓形繞組。當(dāng)加載交流電時(shí)，每個(gè)圓可產(chǎn)生一個(gè)軸轉(zhuǎn)矩。磁懸浮不僅可以消除定子與轉(zhuǎn)子間的機(jī)械摩擦而且使轉(zhuǎn)子動(dòng)量球更加穩(wěn)定可靠。

圖11 磁懸浮球型感應(yīng)電機(jī)

2019年，重慶交通大學(xué)鄧濤等[25]提出一種多自由度感應(yīng)電機(jī)。該電機(jī)的工作原理是通過(guò)弧面定子來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)多自由度運(yùn)動(dòng)的目的。同年，浙江大學(xué)Zhou等[26]提出了一種新型無(wú)輸出軸多自由度球形感應(yīng)電機(jī)。該球形感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由最外層的轉(zhuǎn)子球殼、4個(gè)彎曲的直線感應(yīng)電機(jī)定子、鋁合金制成的金屬支架、一些靶心輪軸承以及為電源和控制模塊等其他模塊預(yù)留的內(nèi)部空間組成，結(jié)構(gòu)如圖12所示。電機(jī)可以直接在外表面產(chǎn)生任意方向的輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的多自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提升了電機(jī)的靈活性。

圖12 新型無(wú)輸出軸多自由度球形感應(yīng)電機(jī)

2020年，文獻(xiàn)[27]提出了一種二自由度直接驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖13所示，該電機(jī)通過(guò)2個(gè)獨(dú)立動(dòng)力源進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)直線、旋轉(zhuǎn)及螺旋運(yùn)動(dòng)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了螺旋運(yùn)動(dòng)中耦合效應(yīng)的存在，運(yùn)用斜槽法來(lái)削弱電機(jī)在螺旋運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，且輸出扭矩和輸出力上均有所提高。

圖13 二自由度直接驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)

1.4 磁阻型多自由度電機(jī)

磁阻型多自由度電機(jī)基于磁阻最小原則來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為多自由度電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供了方向。國(guó)內(nèi)在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)方面起步較晚，但國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了深入研究。

2018年，安徽大學(xué)Tao等[28]設(shè)計(jì)了磁阻型多自由度電機(jī)，電機(jī)模型如圖14所示。其工作原理與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理基本一致。該球型磁阻電機(jī)基于最小磁阻原理設(shè)計(jì)，并且電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都采用凸極疊層結(jié)構(gòu)，有效地提高了電機(jī)效率[28-29]，且該磁阻球型電機(jī)具有制造簡(jiǎn)單、易于定位和控制、成本低等優(yōu)勢(shì)，在發(fā)展成熟后適合大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。

圖14 磁阻型多自由度電機(jī)

2020年，王群京等[30]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種凸極式磁阻型球形電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖15所示。該電機(jī)的工作原理是根據(jù)不同的通電策略，使電機(jī)完成多自由度旋轉(zhuǎn)。凸極式磁阻多自由度電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于減少了漏磁，增加了輸出轉(zhuǎn)矩，在縮小電機(jī)體積的同時(shí)提升了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。

圖15 凸極式磁阻型多自由度電機(jī)

2 多自由度電機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

多自由度電機(jī)的快速發(fā)展，離不開(kāi)技術(shù)上的支持，其技術(shù)上主要包含電機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新[31-32]、位置檢測(cè)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制策略[33-36]等。隨著科研人員的深入研究和科研條件的大力支持，技術(shù)上的難題逐漸有了新的突破。

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

2.1.1 新型支撐結(jié)構(gòu)

多自由度電機(jī)內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)作為電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行多自由度運(yùn)動(dòng)的重要組成部分，之前一直由滾珠軸承等構(gòu)成，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生摩擦，影響電機(jī)的精度，限制了多自由度電機(jī)的發(fā)展，阻礙了其技術(shù)上的創(chuàng)新與進(jìn)步。為此，文獻(xiàn)[37]提出了一種液質(zhì)懸浮多自由度電機(jī)，該多自由度電機(jī)采用液壓軸承結(jié)構(gòu)，其定子和轉(zhuǎn)子之間可以添加具有潤(rùn)滑作用的流體，潤(rùn)滑流體可以完成對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐。為了滿足多自由度電機(jī)應(yīng)用的不同需求，需要在不同條件下選擇更加合適的流體。液壓軸承不僅具有良好的潤(rùn)滑作用，并且減少了電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子轉(zhuǎn)子發(fā)生共振的可能性。文獻(xiàn)[38]提出一種氣浮多自由度電機(jī)，將高精度機(jī)床所采用的氣體潤(rùn)滑軸承應(yīng)用于永磁多自由度電機(jī)上[39]，該電機(jī)轉(zhuǎn)子可以實(shí)現(xiàn)空間范圍內(nèi)的多自由度運(yùn)動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)在于定子與轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有相應(yīng)機(jī)械接觸，可以基本上達(dá)到?jīng)]有內(nèi)部摩擦，將精度提升了一個(gè)級(jí)別。文獻(xiàn)[40]提出一種應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)的磁懸浮軸承，該軸承完成了定子與轉(zhuǎn)子之間的無(wú)接觸運(yùn)動(dòng)，減小了摩擦損耗和噪聲等對(duì)多自由度電機(jī)性能的影響。

2.1.2 復(fù)合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

電磁驅(qū)動(dòng)的多自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，磁場(chǎng)不易控制。提高電機(jī)的精度存在困難，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩輸出損耗大且輸出困難，電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，存在輸出功率越高尺寸越大、慣性和電感增加、響應(yīng)延遲的問(wèn)題。壓電驅(qū)動(dòng)的多自由度電機(jī)摩擦損耗大，效率低，輸出功率小，壽命短，穩(wěn)定性較差，適合間斷性的工作條件。電磁驅(qū)動(dòng)與壓電驅(qū)動(dòng)的多自由度電機(jī)由于本身的缺陷導(dǎo)致無(wú)法滿足多種場(chǎng)合的需要。2020年，河北科技大學(xué)Li等[41]基于該問(wèn)題首次提出了電磁壓電混合驅(qū)動(dòng)的多自由度電機(jī),其結(jié)構(gòu)如圖16所示。將電磁驅(qū)動(dòng)與壓電驅(qū)動(dòng)方式結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了混合驅(qū)動(dòng)，不僅增大了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出范圍和響應(yīng)速度，在多自由度電機(jī)體積較大以及響應(yīng)延遲的問(wèn)題上也有改善。該技術(shù)在未來(lái)發(fā)展中應(yīng)用前景廣闊。

圖16 電磁壓電混合驅(qū)動(dòng)多自由度電機(jī)

2.2 位置檢測(cè)技術(shù)

位置檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多自由度電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的必要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，多自由度電機(jī)的快速發(fā)展推動(dòng)了位置檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著位置檢測(cè)技術(shù)日益成熟，其技術(shù)上的更新直接影響著多自由度電機(jī)的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性，為此需要建立適合多自由度電機(jī)的位置檢測(cè)體系，來(lái)適應(yīng)多自由度電機(jī)發(fā)展的需求。

早期為代表的是Lee等[42]提出的滑軌支架式位置檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2個(gè)導(dǎo)軌及3臺(tái)光電編碼器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖17所示。該接觸式檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)導(dǎo)軌上編碼器來(lái)收集轉(zhuǎn)子在X、Y、Z3個(gè)方向的位置信號(hào)，再將3個(gè)位置信號(hào)進(jìn)行疊加來(lái)獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。由于接觸式技術(shù)會(huì)增加摩擦，影響電機(jī)的精度，導(dǎo)致其一直未被推廣與應(yīng)用。國(guó)內(nèi)由張西多等[43]所提出的被動(dòng)球關(guān)節(jié)位置檢測(cè)裝置，通過(guò)機(jī)械解耦來(lái)得出轉(zhuǎn)子位置，其裝置如圖18所示[44]。其中，編碼器的作用是獲取轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)位置，二軸傾角傳感器的作用是獲取轉(zhuǎn)子的傾斜角度。雖然該技術(shù)在一定程度上得到改進(jìn)，但因?yàn)榻佑|式位置檢測(cè)技術(shù)本身的缺陷，所以使其發(fā)展受限。

圖17 滑軌支架式位置檢測(cè)裝置

圖18 被動(dòng)球關(guān)節(jié)檢測(cè)裝置

為了避開(kāi)接觸式位置檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，研究者開(kāi)始將目光投向非接觸式位置檢測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，隨著霍爾傳感器的發(fā)展與成熟，使其廣泛地應(yīng)用于多自由度電機(jī)的位置檢測(cè)中[45-49]。

文獻(xiàn)[50]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，將其運(yùn)用到多自由度電機(jī)中，提出了基于三維霍爾傳感器的位置檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)原理是通過(guò)轉(zhuǎn)軸上的檢測(cè)點(diǎn)來(lái)獲得自轉(zhuǎn)位置，附近的點(diǎn)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子其他2個(gè)自由度的對(duì)應(yīng)位置，然后求解出轉(zhuǎn)子的三維空間位置，其檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖19所示。該技術(shù)在保證電機(jī)精度的前提下，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，節(jié)省了成本，使其在日后的應(yīng)用中具有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖19 三維霍爾效應(yīng)位置檢測(cè)

華中科技大學(xué)Bai等[51]提出反電動(dòng)勢(shì)法位置檢測(cè)技術(shù)，對(duì)永磁球形電機(jī)的多自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行位置檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖20所示。該技術(shù)只需測(cè)量電磁體兩端的電壓，就可以同時(shí)求解出轉(zhuǎn)子的歐拉角和角速度，不需要在轉(zhuǎn)子上再安裝額外的傳感器或夾具，在一定程度上簡(jiǎn)化了位置檢測(cè)的結(jié)構(gòu)。

圖20 反電動(dòng)勢(shì)法位置檢測(cè)

2020年，安徽大學(xué)文彥[52]為了降低轉(zhuǎn)矩計(jì)算的復(fù)雜度，在此基礎(chǔ)上提出了一種多任務(wù)高斯過(guò)程方法來(lái)計(jì)算永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，該方法應(yīng)用廣義過(guò)程建立了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。測(cè)試平臺(tái)如圖21所示[53]，采用微機(jī)電陀螺傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子起動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)。該傳感器不僅集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，而且鑲嵌了用作控制的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器。多任務(wù)高斯過(guò)程方法的應(yīng)用不僅有助于減少計(jì)算時(shí)間，而且有利于增強(qiáng)永磁同步電機(jī)在精確位置控制中的作用。

圖21 多任務(wù)高斯過(guò)程方法測(cè)試平臺(tái)

隨著電力電子器件的更新?lián)Q代，位置檢測(cè)技術(shù)有了更加顯著的提升，未來(lái)將會(huì)更加簡(jiǎn)單與智能化，從而實(shí)現(xiàn)多自由度電機(jī)的自動(dòng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)同步檢測(cè)的目標(biāo)。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制策略

多自由度電機(jī)的研究往往不能與運(yùn)動(dòng)控制策略相分離，而運(yùn)動(dòng)控制策略的完善，代表著多自由度電機(jī)能夠按照預(yù)定的軌跡準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。當(dāng)前多自由度電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制策略的主要研究方向?yàn)橹悄芑刂扑惴ā?/p>

文獻(xiàn)[54]提到,2016年，北京航空航天大學(xué)提出了一種永磁球形執(zhí)行器軌跡跟蹤的魯棒自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制算法。系統(tǒng)控制如圖22所示，該算法有效地補(bǔ)償系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種不確定性的影響。2017年，北京航空航天大學(xué)Liu等[55-56]提出了一種基于反推和滑?？刂葡嘟Y(jié)合的魯棒自適應(yīng)控制策略。該方案結(jié)合了2種控制方法的優(yōu)勢(shì)，更加有效地補(bǔ)償了不確定性對(duì)結(jié)果造成的干擾，提高了控制的準(zhǔn)確性。

圖22 系統(tǒng)控制圖

2017年，天津大學(xué)李洪鳳等[57]提出了一種基于非線性干擾觀測(cè)器的模糊滑?？刂撇呗?，如圖23所示。非線性干擾觀測(cè)器的目的是排除多自由度電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的定轉(zhuǎn)子之間的摩擦和電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定性的影響。利用模糊滑模控制策略，進(jìn)一步減少電機(jī)的抖振現(xiàn)象，以保證控制策略的連續(xù)性。2019年，該團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，采用四元數(shù)代替歐拉角作為永磁動(dòng)量球姿態(tài)描述量[46]，多自由度電機(jī)進(jìn)行大范圍的運(yùn)動(dòng)將不再受到歐拉角奇點(diǎn)的限制，并且電流/位置雙閉環(huán)控制方法具有更好的跟隨性能，能夠適應(yīng)高速多自由度電機(jī)的位置檢測(cè)。

圖23 模糊滑模控制策略

2019年，Guo等[58-59]建立了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的軌跡規(guī)劃方法，提出一種基于三角形(△)組合線圈的通電策略。在電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)無(wú)運(yùn)動(dòng)奇點(diǎn)，簡(jiǎn)化了計(jì)算的過(guò)程，完善了控制的策略。2020年，張宗楠等[60]提出了一種適用于多自由度電機(jī)運(yùn)動(dòng)的數(shù)字積分歐拉角插補(bǔ)算法，算法流程如圖24所示。該算法建立了多自由度電機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，求解出多自由度電機(jī)運(yùn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換，通過(guò)插補(bǔ)的算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)球形電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

圖24 數(shù)字積分歐拉角插補(bǔ)算法流程

由上述研究可知，這類(lèi)電機(jī)控制策略均存在一定的不足。為了克服這些問(wèn)題，未來(lái)可以考慮將更先進(jìn)的智能算法引入到控制策略中[61-62]，以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，使多自由度電機(jī)滿足當(dāng)前制造業(yè)對(duì)高精度的需求。

3 多自由度電機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展前景

多自由度電機(jī)打破了傳統(tǒng)單自由度電機(jī)的固有思維，擴(kuò)展了電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，且其結(jié)構(gòu)豐富，可以根據(jù)不同的場(chǎng)合來(lái)選定多自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。 隨著電機(jī)控制系統(tǒng)的不斷完善，運(yùn)動(dòng)軌跡基本實(shí)現(xiàn)了精確控制，使得多自由度電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。此外，多自由度電機(jī)在航空航天、機(jī)器人仿生關(guān)節(jié)、無(wú)線充電以及未來(lái)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用均具有廣泛的前景[63]。

多自由度電機(jī)近年來(lái)發(fā)展迅速，在許多領(lǐng)域與傳統(tǒng)的單自由度電機(jī)相比都有著巨大的優(yōu)勢(shì)，但是在工業(yè)生產(chǎn)上進(jìn)行廣泛應(yīng)用卻還存在諸多問(wèn)題。為此，需要國(guó)內(nèi)外學(xué)者繼續(xù)努力。未來(lái)多自由度電機(jī)可以從以下方面進(jìn)行優(yōu)化和開(kāi)發(fā)。

(1) 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與創(chuàng)新。隨著多自由度電機(jī)的提出，針對(duì)不同的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外大量科研人員經(jīng)過(guò)幾十年的不斷努力已經(jīng)取得了巨大的成果，但是仍然無(wú)法保證多維的精準(zhǔn)快速和低損耗低成本運(yùn)行。通過(guò)對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和放置位置的優(yōu)化，可以從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)多自由度電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能、尺寸大小和控制精度。同樣，未來(lái)可以進(jìn)行新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)模型方面的創(chuàng)新，在減小損耗、提高精度和提高轉(zhuǎn)矩等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。這也是未來(lái)需要繼續(xù)努力研究的重點(diǎn)之一。

(2) 建立完備的設(shè)計(jì)與分析體系。多自由度電機(jī)的蓬勃發(fā)展涌現(xiàn)出各種新結(jié)構(gòu)電機(jī)的同時(shí)，綜合多物理場(chǎng)的分析也是研究重點(diǎn)之一。電磁學(xué)、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)和流體等物理場(chǎng)的綜合研究是保證未來(lái)各種機(jī)理多自由度電機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)行的前提。通過(guò)多物理場(chǎng)仿真和計(jì)算，科研人員可以把仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)電機(jī)提出新的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。針對(duì)不同機(jī)理的電機(jī)，通過(guò)多物理場(chǎng)耦合的方法對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前使用多種物理學(xué)和數(shù)學(xué)方法對(duì)多物理場(chǎng)進(jìn)行分析，并且通過(guò)多物理場(chǎng)仿真軟件來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化電機(jī)模型，已經(jīng)成為該類(lèi)電機(jī)未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

(3) 設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的控制體系。在多自由度電機(jī)發(fā)展過(guò)程中，有大量的新型電機(jī)結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)新，該類(lèi)電機(jī)控制的發(fā)展也是重中之重。實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的前提是對(duì)電機(jī)進(jìn)行位置檢測(cè)。在位置測(cè)量時(shí)不影響電機(jī)的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，精確且快速地反饋轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)，是未來(lái)研究需要突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前控制方法針對(duì)不同機(jī)理的電機(jī)有所不同，但均存在成本較高、算法復(fù)雜、脈動(dòng)較大等問(wèn)題。與傳統(tǒng)的單自由度電機(jī)相比，多自由度電機(jī)需要對(duì)不同方向進(jìn)行精準(zhǔn)和穩(wěn)定的控制。多自由電機(jī)控制方法和策略方面的發(fā)展是當(dāng)前面臨的巨大挑戰(zhàn)。

(4) 精準(zhǔn)的加工制造工藝和新型材料的發(fā)展。雖然多自由度電機(jī)具有體積小、強(qiáng)度大、熱形變小等特點(diǎn)，但未獲得廣泛應(yīng)用的原因是加工工藝和制造材料方面不成熟。多自由度電機(jī)本身的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中均對(duì)制作材料有著苛刻要求。未來(lái)電機(jī)的發(fā)展在專(zhuān)注電機(jī)設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)新型材料的研究是多自由度電機(jī)發(fā)展道路上的重要助力。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外當(dāng)前多自由度電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了幾種不同機(jī)理下新型多自由度電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理。新型多自由度電機(jī)適用于多種傳動(dòng)方式，代替了多臺(tái)傳統(tǒng)單自由度電機(jī)組合的工作方式，將復(fù)雜繁瑣的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，在減少空間占用率的同時(shí)，提高了效率并節(jié)約了成本。本文還對(duì)電機(jī)控制過(guò)程中的位置檢測(cè)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制策略進(jìn)行了相關(guān)分析，并討論了不同機(jī)理的多自由度電機(jī)的研究現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展方向。雖然許多新型多自由度電機(jī)還處于試驗(yàn)階段，并沒(méi)有達(dá)到產(chǎn)品化的條件，但是多自由度電機(jī)的研究已經(jīng)成為目前電機(jī)研究的前沿，擁有著廣闊的應(yīng)用前景。該電機(jī)終將帶來(lái)新型制造業(yè)的進(jìn)一步崛起。