电子技术、信息技术以及控制技术在机械工程领域获得了迅速的发展,尤其是传统的机械传动系统跨越了旧的机构组成概念,新型复合传动机构,即控制与机电相结合的传动机构获得了有关人士的高度关注,是目前机械科学领域的国际前沿性课题。机电集成超环面传动正是一种广义复合传动机构,它集超环面蜗杆传动和电磁驱动及控制技术于一体,具有传动比大、无接触、无磨损、传动扭矩大等特点。超环面传动的效率高,结构紧凑,可以在很小空间内传递大扭矩,特别适于航空、航天等技术领域,美国等发达国家已对该种传动研究多年。
　　超环面传动是整个机电集成超环面传动的基础,电、机、控融于机电集成超环面传动之中,不仅如此,还将控制机构与减速机构两者结合于其中,其控制性能更好。因为此种传动结构具有响应速度快、輸出转速与转矩可控以及传动结构紧凑等诸多的优点,所以此种传动结构取代了伺服系统,大大地简化现有的机电系统结构。超环面传动结构具有非常广阔的应用前景,除了在车辆、军事以及航空等对传动结构的紧凑性具有较高要求的领域中有着广泛应用之外,在飞行器制导以及机器人等对控制要求很高的领域也有着非常光明的应用前景。
　　一、机电集成超环面传动控制的工作原理分析
　　机电集成超环面传动主要是由电枢式蜗杆、永磁行星轮、定子及行星架组成,具体结构见下图。
　　由上图我们可以看出,电枢蜗杆由硅钢片叠加而成,表面缠有三相交流电枢,用以产生三维旋转磁场驱动行星轮转动;永磁行星轮是由稀土材料制作成磁块,N,S极相间均匀地嵌入行星轮圆周上,以形成磁性齿进行啮合;定子由若干个钢材制成的空间螺旋梁均匀的嵌在定子支架上,用于吸引行星轮磁齿沿着螺旋轨迹运动,从而带动支撑行星轮的行星架实现运动的输出。
　　机电集成超环面传动系统的基础功能是输出力或者力矩,但是它不止于此,该系统把机械减速机构融入动力结构之中,能实现电能到机械能的直接转换,与此同时,该系统本身还兼有减速功能,真正实现了能量转换与减速功能的完美结合;不仅如此,我们能够通过变化不同的蜗杆电枢的输入,可以更加方便地对系统的力矩输出与运动加以控制。
　　在机电集成超环面传动运行过程中,行星轮的运动变化可以引起同时参与啮合的齿对数的变化,并由此导致驱动输出角度与驱动力矩发生具有规律性的周期性波动。这是不利的内部激励,尤其是对飞行器而言。
　　机电集成超环面传动系统在阶跃信号的作用下实际响应的理论计算结果与实验结果见下图。
　　如上图所示,控制实验示波器采集的结果我们能够看出,机电集成超环面传动系统在运行过程中明显受到外在扰动与啮合齿对数变化的影响,即响应速度较慢,且在其稳定之后亦存在波动。理论计算的结果与该实验结果基本上吻合。
　　为了获得更好的输出性能,应当对电集成超环面传动系统实施有效地控制。
　　二、机电集成超环面传动系统的仿真计算和分析
　　考虑传动系统啮合刚度和外载对输出的影响,完成带PI校正机电集成超环面传动系统的最优伺服控制系统的设计,进而获取最优控制律,特此对该系统跟踪特性实施仿真研究。
　　笔者运用Matlab软件对该系统进行仿真计算,实施仿真计算的时候所采用的参数如下:
　　kt=25N/A,LV=0.01H,RV=2€%R,
　　D=0.06(kg·m2)/s,J =0.02kg·m2
　　考虑权重的相对性,取Q(t) =1, R(t) =€%j,其中€%j为一个正常数,其大小表示性能指标函数中输入能耗与跟踪误差之间的相对重要性。经过计算之后获取最优控制律。
　　(b)最优控制系统对阶跃信号的对应最优控制律
　　由上图我们可以清楚地看见,将PI校正与最优控制结合之后获取的伺服控制系统性能有了明显的改善:响应时间缩短,跟踪性能获得了非常大的改善;除此之外,最优控制律在经过初始启动调整后接近理想信号,无波动,可以平稳输入,改善了系统的动态性能。
　　三、结束语
　　在提高机电集成超环面传动系统的稳态精度方面,PI控制器具有非常明显的优势;在系统动态特性的改善和提高方面,最优控制表现不俗。通过以上研究表明,将PI校正和最优控制相结合的控制方法表现了它们在解决机电集成超环面传动系统自身问题方面的独特优势,且能够非常好地解决这些问题。