一种驱传一体化智能控制系统及方法

本发明涉及驱动与传动，尤其涉及一种驱传一体化智能控制系统及方法。

背景技术：

1、驱动与传动技术是高端装备的两大核心关键技术，随着各项技术日臻成熟，对具有高功率密度比的驱传一体化产品的需求日益提高。我国目前的驱动与传动技术仍处于发展阶段，高端装备的设计多以“驱动系统+传动系统+编码器+控制器”的分散模式展开，造成零件离散、装配复杂、调试繁琐等缺陷，并且由于驱动系统与传动系统相对独立的设计与安装，使系统整体结构庞大、传动链冗杂，从而导致功率密度低、效率损耗大，无法满足高端装备对于高精度、强过载、高动态特性、驱传一体化产品的性能需求。

2、谐波传动机构通过使用柔性构件来实现机械传动，其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生周期性弹性变形以与刚轮啮合来传递动力，对于柔轮的材料性能与制造精度均提出较高要求，尤其是在高转速、高负载的工况下，柔轮易于疲劳损坏而造成谐波传动失效。

3、例如，公开号为cn104221278a的专利申请公开了一种电动机控制装置，包括：驱动与驱动对象结合的电动机的电力转换器；位置控制器，用于根据位置指令值与电动机的位置检测值的偏差输出位置控制器输出；输入位置指令值，用于输出位置前馈信号的位置前馈控制器；将位置控制器输出和位置前馈信号相加，输出速度指令值的加法器；根据速度指令值与电动机的速度检测值的偏差，输出转矩电流指令值的速度控制器；根据转矩电流指令值与供给至电动机的转矩电流检测值的偏差，调整电力转换器的输出电流的电流控制器；和输出预先登记的多个位置指令模式作为对位置控制器的位置指令的参数调谐部，其中，参数调谐部具有电机振动判断部，其判断位置指令值与位置检测值的偏差的微分是否满足预先设定的振动条件，在满足振动条件的情况下判断为存在电机振动，在不满足振动条件的情况下判断为没有电机振动，并输出判断结果，当向位置控制器输出多个位置指令模式来驱动电动机，调整前馈增益时，将电机振动判断部的输出为不满足振动条件且过冲量为规定值以下的最大的前馈增益，设定为控制参数。该电动机控制装置通过前馈控制的方式来调节控制参数，但是由于无法直接监测振动数据，因此需要根据大量数据来判断是否满足振动条件，这无疑增加了数据处理量，并且容易使得判断的误差增大。

4、例如，公开号为cn116816896a的专利申请公开了一种对数螺旋线齿廓的活动齿减速器，包括外齿圈、活动齿、凸轮和保持架，依靠活动齿与外齿圈的齿面近似的曲率，在受力状态可实现面接触，极大程度提高了传动承载能力。但是，从对现有的驱传一体化产品与技术的调研可知，其普遍存在的问题包括：(1)部件高度零散化，供应链繁杂，导致装配复杂、调试繁琐；(2)驱动系统与传动系统轴向连接方式复杂，导致传动链冗长、传动损失大。本发明希望改进活动齿减速器的结构，简化并缩小其体积。

5、当前，普遍通过增量式编码器和绝对值编码器对驱控一体化装置进行监控，提供精确的位置反馈，从而通过控制器对装置进行调整。但是，当使用编码器对装置进行监控时，需要在装置内部预留空间安装编码器，在很大程度上会增加装置的体积。因此，现有的驱控一体化装置的体积偏大。

6、不仅如此，由于柔性传感器的应用受到材料和制作方法的限制，当前还没有将柔性振动传感器应用于驱传一体化装置中的产品。

7、本发明希望改进柔性传感器的结构，从而提供一种新型的柔性传感器来应用在驱传一体化装置上，实现驱传一体化的智能控制。本发明还希望通过改进电机中的结构来缩小电机的体积。

8、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、当前，普遍通过增量式编码器和绝对值编码器对驱控一体化装置进行监控，提供精确的位置反馈，从而通过控制器件对装置进行调整。但是，当使用编码器对装置进行监控时，需要在装置内部预留空间安装编码器，在很大程度上会增加装置的体积。因此，现有的驱控一体化装置的体积偏大。不仅如此，由于柔性传感器的应用受到材料和制作方法的限制，当前还没有将柔性振动传感器应用于驱传一体化装置中的产品。

2、为了防止因机械平台的加减速而激发的振动以及从周边的其他机械受到的震动而对机械本身产生干扰并维持其控制性能，现有技术已经出现通过使用控制对象的模型来预测控制对象的控制量的技术方案。例如，公开号为cn110161973a的专利文献公开了一种模型预测控制装置、控制方法、信息处理程序及记录介质，模型预测控制装置包括：针对预测误差的时间变化来判定有无周期性的判定部，该预测误差是控制对象的控制量的实测值、与使用模型而预测的控制量的预测值的误差；当由判定部判定为有周期性时，导出表示振幅的时间变化的数式的导出部，该振幅是表示预测误差的时间变化的波形中的振幅；以及使用由导出部导出的数式、及波形中的当前周期的前一个周期中的预测误差，对当前周期的预测值进行修正的预测值修正部。该技术方案不需要干扰的模型而能够适用干扰补偿，尤其在控制对象的控制量的实测值与预测值的误差即预测误差周期性地变化时，即使表示预测误差的时间变化的波形的振幅相对于时间来说并非定值，其也能够准确地预测控制量。该技术方案实质上仅涉及通过反馈控制来实现对控制对象的控制过程，即通过其中的伺服驱动器使用从控制器获取的修正后指令位置与从控制对象获取的反馈速度及反馈位置中的至少一者，来对控制对象执行位置/速度控制。一方面，该技术方案仍然需要通过额外设置的检测部来实现对误差信息的监控，并且其中的驱动系统也需要通过独立设置的控制器和伺服驱动器进行调整与控制，例如，将由扭矩计算部所算出的扭矩作为与控制对象的扭矩控制相关的指令值而输出至伺服驱动器，此处的伺服驱动器为对控制对象进行运动控制的控制系统。因此，该技术方案同样属于分散模式的控制系统，进而存在功率密度低、效率损耗大的缺陷，无法满足高端装备对于驱传一体化的设计需求。另一方面，该技术方案涉及误差数据的检测过程仅限于对模型预测的误差数据进行检测，无法根据实际的传感器检测数据确定具体的振动误差范围，也即是说，该技术方案使用检测部的目的在于提高模型预测的准确性，这与本发明设置柔性振动传感器来提高振动数据检测准确性的作用完全不同。

3、针对现有技术之不足，本发明从第一方面提供一种驱传一体化智能控制系统，包括柔性振动传感器和驱传一体化装置。驱传一体化装置内设置有控制单元。柔性振动传感器设置在驱传一体化装置的外壁以采集驱传一体化装置的振动数据，与柔性振动传感器连接的控制单元对接收的振动数据进行分析，并且通过前馈控制或反馈控制的方式控制驱传一体化装置的转速和/或扭矩。

4、与上述现有技术相比，本发明的智能控制系统的控制单元能够通过一体化设置在驱传一体化装置上的柔性振动传感器所检测到的驱传一体化装置的振动数据进行分析，并根据具体的分析结果通过前馈控制或反馈控制的方式对驱传一体化装置的转速和/或扭矩进行适应性调整。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在提高振动控制的一体化程度的同时，提高振动控制的精度。首先，本发明将柔性振动传感器置于驱传一体化装置的壳体外壁上，在很大程度上节约了驱传一体化装置的内部空间，将定子和转子安装于壳体内部，使得驱传一体化装置的结构更加紧凑，总体尺寸得到很好的控制。其次，本发明将独有的柔性振动传感器紧贴在驱传一体化装置的壳体外壁上，用于实时监测装置的振动数据，并且将振动数据向控制单元传输。控制单元通过前馈控制或反馈控制的方式实现对驱传一体化装置的转速和扭矩的精确控制。以此往复，本发明通过控制单元实现对驱传一体化装置的智能化控制。

5、根据一个优选实施方式，控制单元被配置为：将驱传一体化装置的前一步的振动数据与原始设定值进行比较并得到偏差信号，基于偏差信号计算能够消除偏差信号的输出信号，使得驱传一体化装置的下一步的转速和/或扭矩的输出值为定值。

6、本发明通过控制单元对驱传一体化装置的转速、扭矩进行精确控制，降低驱传一体化装置在运转过程中的振动。本发明通过控制单元实时调整驱传一体化装置的输出信号来实现智能化控制，使装置能够稳定输出。

7、根据一个优选实施方式，控制单元被配置为：根据预测模型来预测柔性振动传感器的振动数据的变化和预测输出信号，将待输出的计划输出信号与预测输出信号比较，在计划输出信号与预测输出信号的差值不处于误差范围内的情况下，按照使得计划输出信号与预测输出信号对应的方式调整驱传一体化装置的转速和/或扭矩。

8、上述现有技术相比，本发明的控制单元能够根据预测模型确定柔性振动传感器的预测振动数据变化情况和用于控制驱传一体化装置具体参数的预测输出信号，并且能够将即将执行的输出信号与预测输出信号进行比较，以在其超出预设误差范围时及时调整驱传一体化装置的转速和/或扭矩。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何提高驱传一体化装置参数调整的及时程度与准确程度。具体地，本发明能够避免预期问题的出现，例如，防止计划输出信号与预测输出信号的差值超出误差范围而使得振动过程失去控制。该控制方式为前馈控制方式，具有响应速度快、稳定性好、控制精度高、抗干扰能力强等优点。当控制单元发出指令使驱传一体化装置改变转速和扭矩时，驱传一体化装置通过另一途径向控制单元发出前馈信号。这样，当驱传一体化装置在根据控制单元的指令进行调整时，又会及时接收来自前馈信号的调控，因此驱传一体化装置可以在扰动还未影响到输出之前，及时改变操作变量，使输出信号不受或少受外部扰动的影响。

9、根据一个优选实施方式，控制单元内的预测模型的构建方式包括：基于深度学习模型对柔性振动传感器的历史数据进行学习，基于历史数据的变化规律构建并形成预测模型。通过构建预测模型，本发明能够预测驱传一体化装置的振动数据并及时进行处理。

10、根据一个优选实施方式，柔性振动传感器包括柔性基底和导电涂层，导电涂层设置在柔性基底的表面；其中，柔性基底包括以拉伸的方式形成的纳米级的裂纹结构；导电涂层在柔性基底的表面形成若干凸起结构。本发明的柔性振动传感器在安装时不需要预留空间，并且能够适用于复杂的工件表面，减小了驱传一体化装置的体积。柔性振动传感器的裂纹结构和凸起结构达到纳米级别，提高了电阻灵敏度和疏水性，使柔性振动传感器在使用过程中具有很高的精度和响应速度。

11、根据一个优选实施方式，导电涂层的设置方式包括：将多壁碳纳米管进行超声处理并形成涂层溶液；在涂层溶液内加入纳米磁性颗粒；在将含有纳米磁性颗粒的涂层溶液喷涂至柔性基底并形成薄膜之后，使用磁性器件接触柔性基底以使得薄膜在磁力的作用下产生若干凸起结构。

12、上述现有技术相比，本发明的柔性振动传感器包括柔性基底和导电涂层，并且能够通过特定的连接结构与驱传一体化装置的外壁进行连接以形成一体式结构。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何提高柔性振动传感器在使用过程中的检测精度与灵敏度。具体地，凸起结构增加了柔性振动传感器表面的粗糙度，进而改变疏水性能。裂纹结构与凸起结构的结合，能改善柔性振动传感器的线性响应范围，使其在较大的振动范围内的电阻变化仍然是高线性。由于将柔性振动传感器贴在壳体外壁，驱传一体化装置在运行过程中产生的振动会使柔性振动传感器的电阻发生改变，将振动信号转为电信号，并且将电信号传递给控制单元。控制单元通过前馈控制或反馈控制的方式对驱传一体化装置的转速、扭矩实现智能控制。

13、根据一个优选实施方式，驱传一体化装置包括同轴设置的用于输入动力的驱动部、用于传递动力的传动部和用于输出动力的从动部。驱动部与传动部一体化设置，其中，驱动部中的转子与凸轮的中心轴一体化设置，凸轮、传动部中的内齿圈和活动齿三者基于对数螺旋线设置。如此设置，将驱动系统的输出端与传动系统的输入端直接连接，减少了传动损耗，提高了系统的效率和刚度。

14、根据一个优选实施方式，转子、凸轮、内齿圈、活动齿、凸轮端盖与第一端盖连接并形成第一套件；定子与第二端盖连接并形成第二套件；第一套件与第二套件连接以形成驱传一体化装置；控制单元设置在定子和第二端盖之间。

15、将控制单元设置在驱传一体化装置的壳体内，减少了系统中零件数量，易于维护并提高运行稳定性。

16、本发明从第二方面提供一种柔性振动传感器，柔性振动传感器设置在驱传一体化装置的外壁以采集驱传一体化装置的振动数据，柔性振动传感器包括柔性基底和导电涂层，导电涂层设置在柔性基底的表面；其中，柔性基底包括以拉伸的方式形成的纳米级的裂纹结构；导电涂层在柔性基底的表面形成若干凸起结构。

17、本发明的柔性振动传感器中，裂纹结构与凸起结构的结合，能改善柔性振动传感器的线性响应范围，使其在较大的振动范围内的电阻变化仍然是高线性。

18、本发明从第三方面提供一种驱传一体化智能控制方法，方法包括：将柔性振动传感器设置在驱传一体化装置的外壁以采集驱传一体化装置的振动数据，与柔性振动传感器连接的控制单元对接收的振动数据进行分析，并且通过前馈控制或反馈控制的方式控制驱传一体化装置的转速和/或扭矩。

19、本发明的控制方法，能够降低驱传一体化装置在运转过程中的振动。本发明通过控制单元实时调整装置的输出信号来实现智能化控制，实现驱传一体化装置的稳定输出。

20、根据一个优选实施方式，方法还包括：将驱传一体化装置的前一步的振动数据与原始设定值进行比较并得到偏差信号，基于偏差信号计算能够消除偏差信号的输出信号，使得驱传一体化装置的下一步的转速和/或扭矩的输出值为定值。

21、本发明的控制方法，根据驱传一体化装置的上一步的振动情况来修正其下一步的振动效果，使得驱传一体化装置的输出值为定值，因此能够控制驱传一体化装置达到输出稳定且不受振动影响的技术效果。