Hur kan TSP-kompensationsalgoritmer förbättra prestandan hos permanentmagnetsystem?

Fluktuationer i strömmen orsakar stora elektromagnetiska vridmomentfluktuationer, vilket leder till en minskning av motorstyrningens stabilitet i steady-state. Dessutom, på grund av strömfluktuationer, försämras noggrannheten i positionsuppskattningen. I avsaknad av fördröjningskompensation sträcker sig positionsuppskattningsfelet från −0,11 rad till 0,1 rad. Vid användning av den traditionella TSP-kompensationsalgoritmen, som visas i figur 3.29, minskar fluktuationerna i motorströmmen i steady-state avsevärt. Den maximala amplituden för fasströmmen minskar till endast 30 A (en minskning med 25 %), och fluktuationen för q-axelströmmen minskar också till 35 A, vilket motsvarar en minskning med 25,6 %. Jämfört med den traditionella FCS-MPC-kontrollstrategin förbättrar användningen av TSP-fördröjningskompensation motorstyrningens prestanda i steady-state avsevärt och minskar vridmomentripple. När strömripplet minskar, förbättras även positionsuppskattningens noggrannhet. Positionsuppskattningsfelets intervall minskas nu från −0,08 rad till 0,09 rad.

När man jämför prestandan hos FCS-MPC-kontroll utan fördröjningskompensation med den nya kompensationsalgoritmen baserad på fördröjningstidsuppskattning, ses en liknande förbättring av systemets styrprestanda. I figur 3.30 kan man se att amplituden för fasströmfluktuationer är cirka 28 A, q-axelströmmens fluktuationsintervall är 0–36 A (med en fluktuationsstorlek på 36 A), och positionsuppskattningsfelets fluktuationsintervall ligger mellan −0,07 och 0,08 rad. Dessa resultat är mycket liknande de som erhålls med TSP-fördröjningskompensation, vilket indikerar att den nya kompensationsstrategin har samma kompenserande förmåga som den traditionella metoden.

Det är viktigt att notera att den traditionella kompensationsstrategin använder den bästa spänningsvektorn för den aktuella cykeln och tillämpar den i nästa cykel på motorn. Den nya kompensationsalgoritmen väljer och tillämpar dock den optimala spänningen inom den aktuella cykeln. Dessa två kompensationsalgoritmer är fundamentalt olika, och kompensationsalgoritmen baserad på fördröjningstidsuppskattning berikar den teoretiska ramen för MPC och har därför betydande teoretiskt värde.

När vi ser till de specifika tillämpningarna för permanentmagnetsystem är det också viktigt att förstå att en exakt positionering inte enbart handlar om att reducera fluktuationer i ström och vridmoment. I den praktiska tillämpningen av systemet innebär det även att man måste överväga de omgivande faktorer som påverkar motorernas prestanda, såsom temperaturvariationer, elektromagnetisk störning och materialets slitage. Detta förklarar varför ett sensorless kontrollsystem, som inte är beroende av fysiska sensorer, kan vara en kostnadseffektiv lösning i dessa sammanhang. Det reducerar inte bara behovet av underhåll och förbättrar systemets tillförlitlighet, utan gör även motorerna mer motståndskraftiga mot miljömässiga störningar.

Ytterligare måste det förstås att det finns olika metoder för att adressera positioneringsproblematik beroende på hastighetsintervallet för motorn. Vid låga hastigheter där traditionella metoder baserade på back-EMF är mindre effektiva, används andra tekniker som modellreferensanpassning (MRAS), observerarbaserade metoder och högfrekvent signalinjektion. Dessa metoder är särskilt användbara när det gäller att estimera rotorposition och hastighet under specifika driftförhållanden. Å andra sidan, vid högre hastigheter, kan metoder som bygger på back-EMF användas effektivt för att åstadkomma precisa uppskattningar av rotorns position och hastighet.

I ett system utan positioneringssensorer är det alltså centralt att utveckla avancerade algoritmer för positionsuppskattning, som till exempel de som används i TSP-kompensation, för att kunna säkerställa högpresterande och robusta lösningar. Det handlar inte bara om att minska fel i positionsuppskattningarna utan även om att optimera motorstyrningen för att hantera störningar och maximera effektiviteten i alla driftförhållanden.

Hur Permanentmagnetaktuatorer Påverkar Robotikens Framtid

Aktuatorer är de kritiska komponenterna i robotar, som fungerar som maskinens "muskler", "leder" och "skelett", och möjliggör att robotar kan utföra olika uppgifter genom mekanisk rörelse. De omvandlar elektrisk energi till mekanisk rörelse och gör det möjligt för robotar att lyfta, rotera, greppa eller gå. Eftersom aktuatormekanik är så central för en robots funktionalitet, påverkar den direkt robotens kapabiliteter såsom precision, styrka, hastighet och effektivitet. Utan aktuatorer skulle robotar vara blott passiva system som inte skulle kunna interagera med omvärlden. Därmed är utvecklingen av dessa komponenter avgörande för robotikens framtida framsteg.

Aktuatorer kan vara hydrauliska, pneumatiska eller elektriska, beroende på applikation och behov. Hydrauliska aktuatorer, som använder trycksatta vätskor för att skapa linjär eller roterande rörelse, är kända för sin förmåga att generera höga krafter och används ofta i tunga applikationer som byggrobotar och industrimaskiner. Dock är deras användbarhet begränsad på grund av deras storlek och det behov de har av regelbundet underhåll. Pneumatiska aktuatorer, som är beroende av komprimerad luft, är enkla och kostnadseffektiva, vilket gör dem populära i repetitiva uppgifter som plock- och placering i tillverkningsindustrin. Emellertid lider pneumatiska system av bristande precision och förutsägbarhet, vilket gör dem mindre lämpliga för finare robotapplikationer.

De senaste framstegen inom robotik har emellertid drivit fram elektriska aktuatorer som en mer föredragen lösning, särskilt för system där hög precision och effektivitet är avgörande. Dessa aktuatorer, som inkluderar Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) och Permanent Magnet Brushless DC Motors (PM-BLDC), har överlägsna egenskaper i termer av prestanda, hållbarhet och anpassningsförmåga. Elektriska aktuatorer erbjuder höga vridmoment-till-vikt-förhållanden och är mycket effektiva, vilket gör dem särskilt användbara i små eller rymdbegränsade applikationer som drönare, robotarmar och kirurgiska robotar. Deras kompakta design och integration med digitala kontrollsystem gör dem till en idealisk lösning för komplexa system som kräver noggrann styrning av rörelse och respons.

Permanentmagnetaktuatorer (PMA) är en särskilt intressant och transformativ typ av elektriska aktuatorer. Till skillnad från traditionella aktuatorer som använder elektromagneter, utnyttjar PMA de permanenta magneterna som finns i avancerade material som neodymium eller samarium-kobolt för att generera elektromagnetiska krafter. Denna konfiguration ger en otrolig effektivitet och hållbarhet, vilket gör att PMA:er kan användas i ett brett spektrum av industriella och servicerobotsystem.

En av de mest framstående tillämpningarna av PMA är användningen av Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM), som gör att rotorns rörelse synkroniseras med det magnetfält som genereras av statorn. Denna synkronisering resulterar i en mycket smidig och exakt rörelse, vilket gör PMSM:s till idealiska komponenter för applikationer som kräver precision och konsekvent rörelse. PMSM:s används ofta i robotarmar, CNC-maskiner och avancerade tillverkningssystem. Dessutom används PM-BLDC, som kännetecknas av sin robusta design och höga driftshastigheter, ofta i drönare och autonoma fordon.

Nyckelkomponenter som driver prestandan hos PMA:er inkluderar motorer, kontroller, bromsar och växellådor. Motorerna är kärnan i varje PMA, där de omvandlar elektrisk energi till mekanisk rörelse. De kan vara kompakta och integrerade i enhetliga system eller modulära, vilket gör att de kan anpassas för specifika applikationer. PMSM och PM-BLDC dominerar denna teknik på grund av deras effektivitet, precision och hållbarhet. Kontroller spelar en viktig roll genom att reglera den elektriska strömmen till motorerna för att säkerställa att de arbetar inom önskade parametrar. De använder avancerade feedbacksystem och algoritmer för att säkerställa exakt kontroll av hastighet, vridmoment och position.

För att ytterligare förbättra prestandan integreras sensorer i PMA:er för att möjliggöra exakt realtidsövervakning och kontroll. Positioneringssensorer, som encoders och resolvers, mäter den exakta positionen på motoraxeln och växellådans utgång, vilket säkerställer korrekt rörelse och positionering. Andra sensorer som mäter vridmoment, temperatur och elektrisk ström hjälper till att övervaka systemets tillstånd, identifiera potentiella problem och optimera energiförbrukningen.

Permanentmagnetaktuatorer (PMA:er) har snabbt blivit oumbärliga i modern robotik tack vare deras överlägsna effektivitet och pålitlighet. Eftersom robotar och automatiserade system blir mer komplexa och preciserade kommer behovet av effektiva, kompakta och pålitliga aktuatorer att öka. Dessa aktuatorers förmåga att leverera exakt, programmerbar rörelse är en av de främsta drivkrafterna bakom robotikens utveckling och kommer utan tvekan att spela en central roll i att forma framtidens teknologiska landskap.