An Actuator with Magnetic Restoration, Part II: Drive Circuit and Control Loops
作者: Sajjad Mohammadi, William R. Benner, James L. Kirtley, Jeffrey H. Lang
分类: eess.SY
发布日期: 2023-12-07 (更新: 2024-04-11)
💡 一句话要点
针对磁恢复执行器的驱动电路与控制环设计，提升控制精度与性能
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 磁恢复执行器 驱动电路设计 电流环控制 位置控制 DSP控制 模型仿真 涡流效应
📋 核心要点
- 现有执行器驱动电路建模精度不足，难以满足高性能控制需求，且忽略了涡流效应的影响。
- 提出了一种基于运算放大器的驱动电路，并建立了高精度模型，同时考虑了涡流效应，为控制环设计提供准确的仿真平台。
- 通过实验验证了所提出的驱动电路和模型的准确性，并实现了多种基于DSP的位置控制策略，提升了控制性能。
📝 摘要（中文）
本文（第二部分）提出并设计了一种基于运算放大器的驱动电路。随后，开发了一个非常精确的驱动电路和电流环模型，作为仿真平台，并推导了其简化版本，专为高效设计而定制。通过全面的评估，验证了执行器和驱动电路建模的准确性和有效性，展示了它们相对于现有方法的优越性。强调了涡流建模的重要性。此外，设计并讨论了电流环的有效性及其在实际应用中的权衡。然后，实现了三种基于DSP的位置控制技术：带电压驱动的极点配置、带电流驱动的极点配置和带反馈线性化的非线性控制。利用全阶和降阶观测器来估计未测量的状态。通过阶跃响应中的上升时间、过冲、稳态误差和大信号跟踪以及频域中的带宽、鲁棒性、相位裕度、灵敏度、抗扰性和抗噪声等指标，评估了控制设计在各种应用中的性能。比较了所实现控制策略的独特特征，对其各自的优点和缺点进行了细致的讨论，阐明了它们的潜在应用。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决磁恢复执行器驱动电路设计和控制环设计中的精度问题。现有方法在驱动电路建模方面不够精确，忽略了涡流效应，导致控制性能受限。此外，缺乏对不同控制策略的全面评估和比较，难以选择适合特定应用的最佳方案。
核心思路：本文的核心思路是建立高精度的驱动电路模型，并在此基础上设计有效的电流环和位置控制环。通过考虑涡流效应，提高模型的准确性。同时，采用多种控制策略，并通过实验评估其性能，为实际应用提供参考。
技术框架：整体框架包括以下几个主要模块：1) 基于运算放大器的驱动电路设计；2) 驱动电路和电流环的高精度建模（包括简化版本）；3) 基于DSP的位置控制策略实现（包括极点配置和非线性控制）；4) 全阶和降阶观测器设计；5) 实验评估和性能比较。
关键创新：本文的关键创新在于：1) 提出了高精度的驱动电路模型，考虑了涡流效应，提高了仿真精度；2) 实现了多种基于DSP的位置控制策略，并进行了全面的性能评估和比较；3) 利用全阶和降阶观测器估计未测量状态，提高了控制系统的鲁棒性。
关键设计：在驱动电路设计中，选择了合适的运算放大器参数，并优化了电路拓扑结构。在模型建立中，采用了集总参数模型和有限元分析相结合的方法，以提高精度。在控制环设计中，采用了极点配置和反馈线性化等技术，并根据具体应用调整了控制参数。观测器的设计则基于Kalman滤波理论。
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的驱动电路模型具有较高的精度，能够准确预测执行器的动态特性。通过比较不同控制策略的性能，发现带电流驱动的极点配置和带反馈线性化的非线性控制在不同的应用场景下具有优势。例如，在阶跃响应中，非线性控制能够实现更快的上升时间和更小的过冲。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于高精度定位系统、机器人控制、精密仪器等领域。通过提高执行器的控制精度和响应速度，可以提升设备的性能和效率。未来，该技术有望应用于更广泛的自动化和智能化领域，例如智能制造、医疗设备等。
📄 摘要（原文）
In part II, an op-amp-based drive is proposed and designed. Subsequently, a very accurate model for the drive circuit and the current loop is developed as a simulation platform, while its simplified version is derived, tailored for efficient design purposes. Through a comprehensive evaluation, the accuracy and efficacy of both the actuator and drive circuit modeling is scrutinized, showcasing their superiorities over existing approaches. The importance of eddy current modeling is underscored. Also, the effectiveness of the designed current loop and its practical trade-offs are engineered and discussed. Then, three DSP-based position control techniques are implemented: pole placement with voltage drive, pole placement with current drive, and nonlinear control with feed linearization. Both full-order and reduced-order observers are leveraged to estimate the unmeasured states. The performance of control designs across various applications are evaluated through indices such as rise time, overshoot, steady-state error, and large-signal tracking in the step response as well as bandwidth, robustness, phase margin, sensitivity, disturbance rejection, and noise rejection in the frequency domain. The distinctive features of implemented control strategy are compared, offering a nuanced discussion of their respective advantages and drawbacks, shedding light on their potential applications.