报告 机器人和智能装备

永磁同步电机及其控制控制器 ——机器人和智能装备 摘要：随着科学技术的发展，永磁同步电动机得到了广泛的的发展和应用。尤其是在要求高 控制精度和高可靠性的场合，如国防、航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等方面获 得了广泛的应用，在现代交流电机中也占有举足轻重的地位。 传统永磁同步电机控制器的 设计方法一般要求对系统参数精确了解以便对控制规律进行整定， 然而在实际运行中， 系统 的参数会经常变化， 要保证优良的系统性能必须对控制器进行相应的调整。 模糊控制等智能 控制策略，都具有不依赖于对象的数学模型、鲁棒性强的优点，能够很好地克服伺服系统中 模型参数变化和非线性等不确定因素，从而实现系统的高品质控制性能。 1. 永磁同步电机工作原理 在电动机的定子绕组中通入三相电流， 在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋 转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相 斥的原理， 在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转， 最终达到转子的旋转速度与定子 中产生的旋转磁极的转速相等， 所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段 和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的， 造成上诉的主要原因是其在异步转矩、 永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子 磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的， 所以在这个过程中转速是振荡着上升 的。在起动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的， 其他的转矩大部分以制动性质为主。 在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时， 在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速， 而出现转速的超调 现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 2. 永磁同步电机的特点 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步 电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似， 主要是区别于 转子的独特的结构与其它电机形成了差别。 和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的 结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所 以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式。 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同， 但它以永磁体提供的磁通替代后 者的励磁绕组励磁。具有无电流励磁，无电刷和滑环；损耗低，效率高；功率因素高；转子 结构多样，灵活；体积小，重量轻；起动转矩大等等优点。因此在电动车驱动等方面具有较 高的应用价值。 3. 永磁同步电机发展趋势 20 世纪 90 年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、低成 本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电 机的调速性能有很大的提高， 使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现， 大大简化了硬件， 降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位 等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系 统的柔性、可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专 门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、位置环、电流环的精密快速调节和复杂的 矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控制、矢量控制、滑模变结构控制、神 经网络控制等可以高速、高精度的完成。 国内外专家学者对交流电机控制技术的研究正处在热潮。同时，非线性解耦控制、人工 神经网络自适应控制、 模型参考自适应控制、 观测控制及状态观测器、 线性二次型积分控制、 滑模变结构控制及模糊智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现， 并展现出更为广阔的前 景。 因此， 采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系统是交流伺服系统 的重要发展方向之一
4. 智能装备的概念与发展 智能装备， 指具有感知、 分析、 推理、 决策、 控制功能的制造装备， 它是先进制造技术、 信息技术和智能技术的集成和深度融合。 中国重点推进高档数控机床与基础制造装备， 自动 化成套生产线，智能控制系统，精密和智能仪器仪表与试验设备，关键基础零部件、元器件 及通用部件，智能专用装备的发展。 例如，在精密和智能仪器仪表与试验设备领域，要针对生物、节能环保、石油化工等 产业发展需要，重点发展智能化压力、流量、物位、成分、材料、力学性能等精密仪器仪表 和科学仪器及环境、安全和国防特种检测仪器。 在关键基础零部件、元器件及通用部件领域，要重点发展高参数、高精密和高可靠性 轴承、液压/气动/密封元件、齿轮传动装置及大型、精密、复杂、长寿命模具等。 在智能专用装备领域，要重点发展新一代大型电力和电网装备，机器人产业，全断面 掘进机、 快速集成柔性施工装备等智能化大型施工机械， 以及大型先进高效智能化农业机械 等。 此外，还要以大飞机、支线飞机及通用飞机为应用对象，采用飞机制造、机床制造和 材料生产企业相结合，重点发展复合材料制备装备、自动辅带/辅丝设备、构件加工机床、 超声加工/高压水切割设备等 工业和信息化部装备工业司副司长李东在 2011 年国际现代工厂/过程自动化技术与装 备展览会上表示， 高端装备制造业是国家“十二五”规划提出的战略性新兴产业七大领域之 一，其中智能制造装备是高端装备制造业的重点方向之一。 李东说，改造提升制造业、加快培育战略新兴产业是国家“十二五”规划中明确的重 要任务。 实现由主要依靠规模增长的传统工业化道路向主要依靠技术进步和可持续发展的新 型工业化道路转变，调整优化技术结构、组织结构、布局结构和行业结构，成为转变工业发 展方式的核心工作。 面向传统产业改造提升和战略性新兴产业发展的需求，重点推进智能仪表装备、智能 装备等四大类产品，其中智能专用装备主要包括大型智能工程机械、高效农业机械、智能印 刷机械、自动化纺织机械、环保机械、煤炭机械、冶金机械等各类专用装备，实现各种制造 过程自动化、智能化、精义化，带动整体智能装备水平的提升。 5. 智能控制的发展 人类的进化归根结底是智能的进化， 而智能反过来又为人类的进步服务。 我们学习与研 究智能系统、智能机器人和智能控制等，其目的就在于创造和应用智能技术和智能系统，从 而为人类进步服务。因此，可以说对智能控制的钟情、期待、开发和应用，是科技发展和人 类进步的必然趋势。从人工智能角度看，智能控制是智能科学的一个新的应用领域；而从自 动控制的角度看，智能控制是控制科学一个新发展的学科。 在科学技术发展史上，控制科学同其他技术科学一样，它的产生与发展主要由人类的 生产发展需求和人类当时的知识水平所决定和限制的 20 世纪以来，特别是第二次世界大战以来，控制科学与技术得到了迅速的发展，由研 究单输入单输出被控对象的经典控制理论， 发展成了研究多输入多输出被控对象的现代控制 理论。1948 年，美国著名的控制论创始人维纳(N．Wiener)在他的《控制论》中第一次把动 物和机器相提并论，引起哲学界的轩然大波，有人骂控制论是“伪科学” 。直到 1954 年钱学 森博士在《工程控制论》中系统地揭示了控制论这一新兴学科对电子通讯、航空航天和机械 制造工业等领域的重要意义和深远影响后，反控制论的热潮才逐渐开始平息。20 世纪 60 年 代，由于空间技术，海洋技术和机器人技术发展的需要，控制领域面临着被控对象的复杂性 和不确定性， 以及人们对控制性能要求越来越高的挑战。 被控对象的复杂性和不确定性表现 为对象特性的高度非线性和不确定性，高噪声干扰，系统工作点动态突变性，以及分散的传 感元件与执行元件，分层和分散的决策机构，复杂的信息模式和庞大的数据量。 面对复杂的对象，复杂的环境和复杂的任务，用传统控制(即经典控制和现代控制的理
论和方法去解决是不可能的。 在这个意义上， 传统控制和智能控制可以统一在智能控制的框 架下。智能控制第一次出现于 20 世纪 60 年代。1965 年，傅京孙教授首先把人工智能的启 发式推理规则用于学习控制系统。1967 年，Leondes 等人首次正式使用“智能控制”一词。 初期的智能控制系统采用一些比较初级的智能方法，而且发展速度十分缓慢。20 世纪 70 年 代是智能控制的深化时期， 随着智能控制理论的发展。 蔡自兴教授又将信息论引入到了智能 控制当中，为智能控制的发展展现了更加广阔的前景。1985 年 IEEE(美国电气和电子工程师 协会)在美国召开了第一届智能控制学术会议， 1987 年在美国 IEEE 控制系统学会与计算机学 会召开了智能控制的第一次国际会议， 标志着智能控制有了长足的发展。 随后一些国际学术 组织(如 IFAC 等)定期或不定期地举办各类有关智能控制的国际学术会议或研讨会， 说明智能 控制理论在不断的发展。我国已经分别于 1993 年、1997 年、2000 年、2002 年组织召开了 四届全球智能控制与自动化大会(WCI．CA)，已成立的学术团体有中国人工智能学会，计算 机视觉与智能控制学会， 中国智能机器人专业委员会和中国自动化学会智能自动化专业委员 会等，这些情况表明，智能控制作为一门独立的新学科，已经在我国建立起来。应该指出， 在模糊控制、仿人智能控制等方面的研究，我国已经形成了自己的特色，为发展、完善和推 动智能控制的研究起到了较大的促进作用。 近年来， 随着人工智能和机器人技术的快速发展， 各种智能控制也被应用于社会众多领域。 目前，关于智能控制的主要研究内容有：自适应控制(Adaptive Contr01)、模糊控制 (FuzzyContr01)、神经网控制(Neural Net．based Contr01)、基于知识的控 O(Knowledge Based Contr01)或专家控制(EXpert Contr01)、复合智能控锘 tJ(Hybrid IntelligentContr01)、学习控带 lJ(1eaming Contr01)和基于进化机制的控带 lJ(Evolutionary Mechanism Based Contr01)。
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机器人技术综合了机械工程、电气工程、材料工程、控制工程、传感技术、人工智能以 及仿生学等多种学科,是目前科技发展最活跃的一门综合学科。机器人学的主要研究方向之 一是机器人运动的规划与控制。 机器人在获得一个指定的任务之后， 首先根据对环境的感知， 作出满足该任务要求的运动规划；然后，由控制来执行规划，该控制足以使机器人适当地完 成所期望的运动。 7. 机器人的应用领域 机器人的应用领域十分广泛。不过，这些领域也不是截然分开的，它们之间存在着相当 大的重叠。这些应用范围包括工业生产，海空探索，康复和军事等。此外，机器人已逐渐在 医院，家庭和一些服务行业获得应用。根据其功能可分为工业机器人，探索机器人，服务机 器人和军事机器人。 探索机器人在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务，进行探索。例如，水下机器人 和空间机器人。 随着海洋开发事业的发展， 一般潜水技术已无法适应高深度综合考察和和研 究并完成多种作业的需要。 空间机器人则可以在月球， 火星及其它星球等非人居住条件下完 成先驱勘探。 也可以在宇宙空间代替宇航员做卫星的服务， 空间站上的服务及空间环境的应 用实验。 服务机器人用来为病人看病， 护理病人和协助病残人员康复， 能够极大地改善伤残疾病 人员的状态，以及改善瘫患者（包括下肢及四肢瘫痪者）和被截肢者的生活条件。医用机器 人已应用于下列几方面： （1） 诊断机器人，即配备有医疗诊断专家系统的机器人 （2） 护理机器人，是一些具有丰富护理经验的机器人护士或护师 （3） 伤残瘫痪康复机器人，包括假肢、矫形以及遥控等技术 （4） 家用机器人，机器人已开始进入家庭和办公室，用于代替人从事清扫、洗 刷、守卫、煮饭、照料小孩、接待、接电话、打印文件等。酒店售货和餐 厅服务机器人、炊事机器人和机器人保姆已不再是一种幻想。 （5） 娱乐机器人，包括文娱歌舞和体育机器人， （6） 医疗手术机器人近年来有所突破。 军事机器人可分为： （1） 地面军用机器人 地面军用机器人分为两类：一类是智能机器人，包括自主和半自主车辆； 另一类是遥控机器人，即各种用途的遥控无人驾驶车辆。 （2） 海洋军用机器人 美国海军有一个独立的水下机器人分队，这支由精锐人员和水下机器人组 成的分队，可以在全世界海域进行搜索，定位，援救和回收工作。水下机 器人在美国海军中的另一个主要用途是扫雷，如 MINS 水下机器人系统，它 可以用来发现，分类，排除水下残物及系留的水雷。 法国在军用扫雷机器人方面一直处于世界领先地位。 （3） 空间军用机器人 可以说无人机和其他空间机器人，都可能成为空间军用机器人。微型飞机 用于填补军用卫星和侦察机无法到达的盲区，为前线指挥员提供小范围内 的具体敌情。 应用最广的为工业机器人。从 20 世纪 60 年代初，人类创造了第一台工业机器人以后， 工业机器人就显示出它极大的生命力，在短短 40 多年的时间中，工业机器人技术得到了迅 速的发展，工业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前，工业机器人已 广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食 品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，焊接机器人、装配机器人、喷涂机器 人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。 我国的自动化工业生产有着起步晚、 发展快
智能控制 进 展 方 向 自学习控制 自适应控制 随机控制 最优控制 确定性反馈控 制 开环控制 控制复杂性 6. 机器人的概念 机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预 先编排的程序， 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。 它的任务是协助或取代人 类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。