CN109586642A - 一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，该方法主要包括互补滑模切换控制器、磁齿轮复合电机和电压源逆变器、PI控制器位移、编码器组成，通过实际转速和估计转速的误差输入给互补滑模切换控制得到控制量，将得到的控制量通过PI控制器处理后产生控制电流，并将控制电流和输入电压通过电压源逆变器驱动磁齿轮复合电机，再将磁齿轮复合电机输出信号传递给编码器转换得到旋转角速度信号，求导后得到估计转速，重复以上操作，所设计的互补滑模切换控制包含等效控制力和切换控制力，该架构具有在线调整参数能力，对于磁齿轮复合电机驱动系统有着较好的抑制干扰能力，并且能有效提高驱动系统的动态特性。

Description

一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法

技术领域

本发明涉及电力传动控制设备领域，具体为一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法。

背景技术

磁齿轮复合电机与机械齿轮相比具有低噪音、高效率、便于维护、高可靠性以及过载保护等优势。磁齿轮在高力密度驱动装置等电力传动领域，具有广泛的应用，特别适用于无需润滑、无噪声、无摩擦能耗、无油污、防水防尘场合。磁齿轮本质上是一个开环不稳定的非线性系统，因此需要设计闭环控制系统对其进行调节。线性控制理论广泛应用在磁齿轮控制系统中，常用的线性化方法是在磁齿轮的平衡点附近对系统的数学模型表达式进行泰勒展开并略去二阶以上无穷小量，从而进行控制系统设计。速度信息是数学模型中重要参数，因此速度信息的准确性以及实时性直接关系到磁齿轮的稳定性能。线性控制控制理论虽然比较成熟，但与非线性控制方法相比，使得磁齿轮的速度检测精度和实时性较差，本发明提出一种将互补滑模切换控制的非线性控制方法应用于磁齿轮中可以有效提高速度检测精度和实时性。

互补滑模切换控制由等效控制力和切换控制力控制器组成。互补滑模切换控制与滑模控制方法相比，转速控制器架构具有在线学习和非线性趋近的能力，可有效提升系统的转速动态响应，并且使系统性能对负载扰动具有鲁棒性。经检索国内外相关专利和文献，尚无互补滑模切换控制应用于磁齿轮复合电机的转速控制方法和装置。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，在该区域内的设备，采用互补滑模切换控制代替滑模控制器，其精度更高，对于磁齿轮复合电机这样非线性特性比较突出的控制对象，可以明显看出互补滑模切换控制的优势，能够有效实现磁齿轮复合电机的速度稳定控制，并对外界干扰具有较强的鲁棒性等。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

磁齿轮复合电机内转子和外转子的运动方程为：

(1)

(2)

式(1)中，T_L为负载转矩、J_m为转动惯量，B_m为黏滞摩擦系数，T₁、T₂和T₃分别为内层气隙单元计算出的电磁转矩、中间层气隙单元计算出的电磁转矩和外层气隙计算出的电磁转矩，J₁为内转子的转动惯量，J₃为外转子和负载的转动惯量，T_L为负载转矩，R₁为内转子的运动阻尼系数，R₃为外转子和负载的运动阻尼系数，ω₁和ω₃分别为内转子和外转子的估计速度；

(3)

K_e为电磁转矩系数，为转矩电流；

将式(3)代入式(2)可得，

(4)

式(4)中，A_s＝A_s2K_e；当磁齿轮复合电机驱动系统受到不确定干扰时，则式(4)可以改为：

(5)

式(5)中，ΔA，ΔB和ΔC均为驱动系统所引起的不确定量，

H为不确定干扰和；

定义外转子转速误差为e，

(6)

式(6)中，为外转子实际转速命令。目标是外转子估计转速ω₃能紧紧跟随实际转速指令；

定义第一个滑动面S为

(7)

式(7)中，λ为设计的正常数；

(8)

在互补滑模切换控制转速检测方法中，需要设计第二个滑动面S_C，称为互补滑模面，定义为：

(9) S_C＝e-λ²∫edt

由于第一个滑动面S和第二个滑动面S_C设计参数λ相同，因此第一个滑动面S和第二个滑动面S_C存在如下关系：

(10)

等效控制力i_eq和切换控制力i_swi分别为：

(11)

(12)

(13)

Sat()为饱和函数，φ为边界层宽度，ρ为饱和系数；

定义互补滑模切换控制的李雅普诺夫函数V_com：

(14)

则李雅普诺夫函数V_com的一次微分为：

(15)

将式(10)-(13)代入(14)，得

(16)

由式(16)可知，采用互补滑模切换控制可以保证磁齿轮复合电机转速误差收敛到零。

优选的，该操作方法具体包括以下步骤：

步骤S1：实际转速与估计转速ω₃之间的误差为e，将该误差e输入给互补滑模切换控制求到控制量u_t；

步骤S2：将得到的控制量u_t通过PI控制器处理后产生控制电流I_A、控制电流I_B与控制电流I_C，并将产生控制电流I_A、控制电流I_B与控制电流I_C和输入电压U_dc通过电压源逆变器驱动磁齿轮复合电机，磁齿轮复合电机与编码器电性连接，在磁齿轮复合电机驱动的过程中产生输出信号，输出信号传递到编码器进行转换得到旋转角速度信号θ_r；

步骤S3：旋转角速度信号θ_r通过进行求导得到估计转速再次将实际转速和估计转速ω₃之间的误差e输入给互补滑模切换控制，求到控制量u_t；

步骤S4：重复以上操作，对磁齿轮复合电机进行速度控制。

优选的，所述互补滑模切换控制的控制器具有良好的非线性本质特性。

(三)有益效果

本发明提供了一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，具备以下有益效果：

(1)、该磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，互补滑模切换控制相比滑模控制具有在线学习收敛速度快、函数模仿能力强和记忆能力，能明显提高磁齿轮复合电机转速动态响应，使系统性能对参数变动及负载干扰具鲁棒性。

(2)、该磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，互补滑模切换控制克服了滑模控制器精度偏低以及输出为不平滑的问题，在具有强非线性的磁齿轮复合电机模型中，非线性趋近能力和数值稳定性更佳。

附图说明

图1为本发明一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法的工作示意图。

图中：1、互补滑模切换控制；2、PI控制器；3、电压源逆变器；4、磁齿轮复合电机；5、编码器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

磁齿轮复合电机内转子和外转子的运动方程为：

(1)

(2)

式(1)中，T_L为负载转矩、J_m为转动惯量，B_m为黏滞摩擦系数，T₁、T₂和T₃分别为内层气隙单元计算出的电磁转矩、中间层气隙单元计算出的电磁转矩和外层气隙计算出的电磁转矩，J₁为内转子的转动惯量，J₃为外转子和负载的转动惯量，T_L为负载转矩，R₁为内转子的运动阻尼系数，R₃为外转子和负载的运动阻尼系数，ω₁和ω₃分别为内转子和外转子的估计速度；

(3)

K_e为电磁转矩系数，为转矩电流；

将式(3)代入式(2)可得，

(4)

式(4)中，A_s＝A_s2K_e；当磁齿轮复合电机驱动系统受到不确定干扰时，则式(4)可以改为：

(5)

式(5)中，ΔA，ΔB和ΔC均为驱动系统所引起的不确定量，

H为不确定干扰和；

定义外转子转速误差为e，

(6)

式(6)中，为外转子实际转速命令。目标是外转子估计转速ω₃能紧紧跟随实际转速指令；

定义第一个滑动面S为

(7)

式(7)中，λ为设计的正常数；

(8)

在互补滑模切换控制转速检测方法中，需要设计第二个滑动面S_C，称为互补滑模面，定义为：

(9)S_C＝e-λ²∫edt

由于第一个滑动面S和第二个滑动面S_C设计参数λ相同，因此第一个滑动面S和第二个滑动面S_C存在如下关系：

(10)

等效控制力i_eq和切换控制力i_swi分别为：

(11)

(12)

(13)

Sat()为饱和函数，φ为边界层宽度，ρ为饱和系数；

定义互补滑模切换控制的李雅普诺夫函数V_com：

(14)

则李雅普诺夫函数V_com的一次微分为：

(15)

将式(10)-(13)代入(14)，得

(16)

由式(16)可知，采用互补滑模切换控制可以保证磁齿轮复合电机转速误差收敛到零。

进一步，该操作方法具体包括以下步骤：

步骤S1：实际转速与估计转速ω₃之间的误差为e，将该误差e输入给互补滑模切换控制求到控制量u_t；

步骤S2：将得到的控制量u_t通过PI控制器处理后产生控制电流I_A、控制电流I_B与控制电流I_C，并将产生控制电流I_A、控制电流I_B与控制电流I_C和输入电压U_dc通过电压源逆变器驱动磁齿轮复合电机，磁齿轮复合电机与编码器电性连接，在磁齿轮复合电机驱动的过程中产生输出信号，输出信号传递到编码器进行转换得到旋转角速度信号θ_r；

步骤S3：旋转角速度信号θ_r通过进行求导得到估计转速再次将实际转速和估计转速ω₃之间的误差e输入给互补滑模切换控制，求到控制量u_t；

步骤S4：重复以上操作，对磁齿轮复合电机进行速度控制。

互补滑模切换控制1的控制器具有良好的非线性本质特性。

综上所述，该磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，将实际转速和估计转速ω₃的误差e输入给互补滑模切换控制1得到控制量u_t，将得到的控制量u_t通过PI控制器2处理后控制电流I_A、控制电流I_B与控制电流I_C，并将产生控制电流I_A、控制电流I_B与控制电流I_C和输入电压U_dc通过电压源逆变器3驱动磁齿轮复合电机4，再将磁齿轮复合电机4输出信号传递给编码器5转换得到旋转角速度信号θ_r，并对旋转角速度信号θ_r通过进行求导得到估计转速再次将实际转速和估计转速ω₃的误差e输入给互补滑模切换控制1，周而复始的对磁齿轮复合电机4进行速度控制。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”，该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

磁齿轮复合电机内转子和外转子的运动方程为：

(1)

(2)

式(1)中，T_L为负载转矩、J_m为转动惯量，B_m为黏滞摩擦系数，T₁、T₂和T₃分别为内层气隙单元计算出的电磁转矩、中间层气隙单元计算出的电磁转矩和外层气隙计算出的电磁转矩，J₁为内转子的转动惯量，J₃为外转子和负载的转动惯量，T_L为负载转矩，R₁为内转子的运动阻尼系数，R₃为外转子和负载的运动阻尼系数，ω₁和ω₃分别为内转子和外转子的估计速度；

(3)

K_e为电磁转矩系数，为转矩电流；

将式(3)代入式(2)可得，

(4)

式(4)中，A_s＝A_s2K_e；当磁齿轮复合电机驱动系统受到不确定干扰时，则式(4)可以改为：

(5)

式(5)中，ΔA，ΔB和ΔC均为驱动系统所引起的不确定量，

H为不确定干扰和；

定义外转子转速误差为e，

(6)

式(6)中，为外转子实际转速命令。目标是外转子估计转速ω₃能紧紧跟随实际转速指令；

定义第一个滑动面S为

(7)

式(7)中，λ为设计的正常数；

(8)

在互补滑模切换控制转速检测方法中，需要设计第二个滑动面S_C，称为互补滑模面，定义为：

(9) S_C＝e-λ²∫edt

由于第一个滑动面S和第二个滑动面S_C设计参数λ相同，因此第一个滑动面S和第二个滑动面S_C存在如下关系：

(10)

等效控制力i_eq和切换控制力i_swi分别为：

(11)

(12)

(13)

Sat()为饱和函数，φ为边界层宽度，ρ为饱和系数；

定义互补滑模切换控制的李雅普诺夫函数V_com：

(14)

则李雅普诺夫函数V_com的一次微分为：

(15)

将式(10)-(13)代入(14)，得

(16)

由式(16)可知，采用互补滑模切换控制可以保证磁齿轮复合电机转速误差收敛到零。

2.根据权利要求1所述的一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，其特征在于：该操作方法具体包括以下步骤：

步骤S1：实际转速与估计转速ω₃之间的误差为e，将该误差e输入给互补滑模切换控制求到控制量u_t；

步骤S2：将得到的控制量u_t通过PI控制器处理后产生控制电流I_A、控制电流I_B与控制电流I_C，并将产生控制电流I_A、控制电流I_B与控制电流I_C和输入电压U_dc通过电压源逆变器驱动磁齿轮复合电机，磁齿轮复合电机与编码器电性连接，在磁齿轮复合电机驱动的过程中产生输出信号，输出信号传递到编码器进行转换得到旋转角速度信号θ_r；

步骤S3：旋转角速度信号θ_r通过进行求导得到估计转速再次将实际转速和估计转速ω₃之间的误差e输入给互补滑模切换控制，求到控制量u_t；

步骤S4：重复以上操作，对磁齿轮复合电机进行速度控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种磁齿轮复合电机的互补滑模切换控制转速检测方法，其特征在于：所述互补滑模切换控制的控制器具有良好的非线性本质特性。