CN110504673B - 一种主动式能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种主动式能量管理系统，包括能量主回路和能量管控系统；能量主回路包括整流单元，压力机主驱电机及其驱动单元，飞轮储能电机及其驱动单元，电容储能单元和制动单元；压力机主驱电机和飞轮储能电机均通过其相应驱动单元与直流母线连接。本发明将自动控制问题转化为运动规划问题，能量管控系统通过主驱电机的运动规划求解器求解出其速度曲线和扭矩曲线；然后求解出主驱电机共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线，最后根据能量需求以及直流母线电压波动限值要求，规划求解出飞轮储能电机的运行曲线。通过主驱电机与飞轮储能电机同步控制，确保飞轮储能电机主动与主驱电机实时进行能量转换，较好平衡了主驱电机能量需求。

Description

一种主动式能量管理系统
技术领域
本发明属于机械工程技术领域，尤其适用于单机伺服压力机或伺服冲压线的能量管理系统，特别涉及一种主动式能量管理系统。
背景技术
伺服压力机与传统机械压力机相比，不仅简化了传动机构，提高了传动效率，而且冲压曲线可控可调，能够实现多材质柔性冲压，已成为当代汽车制造业的核心装备。
大型伺服压力机由大功率伺服电机直接驱动并提供冲压能量。为了提高板料成形质量及生产效率，大型伺服压力机成形工作段需降低主驱电机转速，精确控制成形力；而上、下料非成形段需提高主驱电机转速，保证压力机滑块与送料装置运动同步性。冲压成形过程中，主驱电机频繁加减速，导致主驱电机平均功率较低，而峰值功率极高，对电网容量要求较高，并频繁冲击，影响其他电气设备正常使用。目前，现有单机伺服压力机一般采用超级电容储能装置，存储、释放的能量由电压波动大小决定，属于被动管理；此类装置电容容量一般较大，维护成本较高。伺服冲压线配备的反馈式能量管理系统；能量缓存一般由大容量的飞轮储能电机和电容储能组成，通过能量主回路监测量的变化来控制飞轮储能电机的运行，属于被动管理；不仅存有时滞问题，而且调试困难。
发明内容
本发明提出了一种主动式能量管理系统，将自动控制问题转化为运动规划问题，通过压力机主驱电机与飞轮储能电机同步控制，确保飞轮储能电机主动与压力机主驱电机实时进行能量转换，较好平衡了压力机主驱电机能量需求。
为了实现上述目的，本发明提出的了一种主动式能量管理系统，包括能量主回路10和能量管控系统11；
所述能量主回路10包括整流单元1，压力机主驱电机2及其驱动单元3，飞轮储能电机4及其驱动单元5，电容储能单元6和制动单元7；所述压力机主驱电机2通过驱动单元3与直流母线9连接；所述飞轮储能电机4通过驱动单元5与直流母线9连接；电容储能单元6和制动单元7均直接与直流母线9连接；
所述能量管控系统11在正常生产前，通过压力机主驱电机2的运动规划求解器求解出压力机主驱电机2的速度曲线12和扭矩曲线13；所述能量管控系统通过压力机主驱电机2的速度曲线12和扭矩曲线13求解出压力机主驱电机2共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线15；根据设定的直流母线电压波动设定限值，规划求解出飞轮储能电机4的运行数量及速度曲线14，然后将飞轮储能电机4的速度曲线14传递至飞轮储能电机4的驱动单元5。
进一步的，在正常生产时，压力机主驱电机2与飞轮储能电机4同步控制，保证压力机主驱电机2加速时，飞轮储能电机4主动减速，压力机主驱电机2减速时，飞轮储能电机4主动加速；在能量主回路10内，飞轮储能电机4主动与压力机主驱电机2进行能量转换。
进一步的，所述制动单元7包括制动电阻7A和接触器7B；
在能量管控系统11接收制动指令后，接触器7B接通，将制动电阻7A接到能量主回路10，吸收压力机主驱电机2能量。
进一步的，在制动单元7工作过程中，若飞轮储能电机4转速N高于额定转速Nn，能量管控系统11控制飞轮储能电机11以匀速N运行；若飞轮储能电机4转速N低于额定转速Nn，能量管控系统11直接控制飞轮储能电机加速至极限转速Nmax，并以极限转速Nmax匀速运行。
进一步的，所述能量管控系统11在正常生产前，通过压力机主驱电机2的运动规划求解器求解出压力机主驱电机2的速度曲线12和扭矩曲线13的方法为：根据工艺要求参数，利用多项式参数曲线插值求解出速度曲线2；所述工艺要求参数包括成形力、成形速度和节拍要求；通过伺服压力机主传动动力学方程求解出扭矩曲线13。
进一步的，所述能量管控系统通过压力机主驱电机2的速度曲线12和扭矩曲线13求解出压力机主驱电机2共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线15的方法为：首先通过P＝T*n/9550计算出各功耗单元的功率；所述T为扭矩，所述n为速度；然后根据各功耗单元的相位差进行叠加，得出压力机主驱电机2共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线15；
所述各功耗单元包括直流母线连接的压力机主驱电机2、伺服垫和送料装置。
进一步的，所述根据设定的直流母线电压波动设定限值，规划求解出飞轮储能电机4的运行数量及速度曲线14的方法为：在能量回路理想状态下：满足Pa+Ps+Pf+Pc＝0；所述飞轮储能电机4的速度曲线14采用均匀B样条拟合算法计算出；
所述直流母线电压波动设定限值为△V＝Vmax-Vmin；所述Vmax为直流母线电压最大值；所述Vmin为直流母线电压最小值；
其中，所述Pa为冲压耗电的平均功率经整流单元的输入；所述Ps为压力机主驱电机2共直流母线连接的各耗电单元的总功率；所述Pf为飞轮储能电机的功率；所述Pc为电容储能装置的功率。
进一步的，所述飞轮储能电机4由若干组大惯量三相异步电机或装有机械飞轮的普通三相异步电机组成。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明实施例提出了一种主动式能量管理系统，包括：能量主回路10和能量管控系统11；能量主回路10包括整流单元1，压力机主驱电机2及其驱动单元3，飞轮储能电机4及其驱动单元5，电容储能单元6和制动单元7；压力机主驱电机2通过驱动单元3与直流母线9连接；飞轮储能电机4通过驱动单元5与直流母线9连接；电容储能单元6和制动单元7均直接与直流母线9连接；能量管控系统11在正常生产前，通过压力机主驱电机2的运动规划求解器求解出压力机主驱电机2的速度曲线12和扭矩曲线13；能量管控系统通过压力机主驱电机2的速度曲线12和扭矩曲线13求解出压力机主驱电机2共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线15；根据设定的直流母线电压波动设定限值，规划求解出飞轮储能电机4的运行数量及速度曲线14，然后将飞轮储能电机4的速度曲线14传递至飞轮储能电机4的驱动单元5。在正常生产时，压力机主驱电机2与飞轮储能电机4同步控制，保证压力机主驱电机2加速时，飞轮储能电机4主动减速，压力机主驱电机2减速时，飞轮储能电机4主动加速；在能量主回路10内，飞轮储能电机4主动与压力机主驱电机2进行能量转换。本发明提出的一种主动式能量管理系统将自动控制问题转化为运动规划问题，即根据单机伺服压力机或伺服冲压线能量需求以及直流母线电压波动限值要求，规划求解出飞轮储能电机的运行曲线。通过压力机主驱电机与飞轮储能电机同步控制，确保飞轮储能电机主动与压力机主驱电机实时进行能量转换，较好平衡了压力机主驱电机能量需求。
附图说明
如图1给出了本发明实施例1一种主动式能量管理系统的主回路示意图；
如图2给出了本发明实施例1中提出的压力机主驱电机的速度曲线和扭矩曲线；
如图3给出了本发明实施例1中提出的压力机主驱电机转速以及飞轮储能电机转速曲线；
如图4还给出了本发明实施例1中能量主回路各功能单元能量流及电压运行曲线；
1-整流单元、2-压力机主驱电机、3-驱动单元、4-飞轮储能电机、5-驱动单元、6-电容储能单元、7-制动单元、7A-制动电阻、7B-接触器、8-电网、9-直流母线、10-能量主回路、11-能量管控系统、12-压力机主驱电机速度曲线、13-压力机主驱电机扭矩曲线、14-飞轮储能电机速度曲线、15-压力机功率曲线、16-飞轮储能电机功率曲线、17-整流单元进线能量曲线、18-直流母线电压波动曲线。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本发明实施例1提出了一种主动式能量管理系统，尤其适用于单机伺服压力机或伺服冲压线的能量管理系统。包括：能量主回路和能量管控系统；
能量主回路包括整流单元，压力机主驱电机及其驱动单元，飞轮储能电机及其驱动单元，电容储能单元和制动单元；压力机主驱电机通过驱动单元与直流母线连接；飞轮储能电机通过驱动单元与直流母线连接；电容储能单元和制动单元均直接与直流母线连接；
能量管控系统在正常生产前，通过压力机主驱电机的运动规划求解器求解出压力机主驱电机的速度曲线和扭矩曲线；能量管控系统通过压力机主驱电机的速度曲线和扭矩曲线求解出压力机主驱电机共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线；根据设定的直流母线电压波动设定限值，规划求解出飞轮储能电机的运行数量及速度曲线，然后将飞轮储能电机的速度曲线传递至飞轮储能电机的驱动单元。
在正常生产时，压力机主驱电机与飞轮储能电机同步控制，保证压力机主驱电机加速时，飞轮储能电机主动减速，压力机主驱电机减速时，飞轮储能电机主动加速；在能量主回路内，飞轮储能电机主动与压力机主驱电机进行能量转换，只有较小的能量流通过电容储能单元，整流单元以较小的平均功率能量流输入能量主回路；不仅降低了整流单元配置容量，而且减轻能量尖峰对电网的冲击。
如图1给出了本发明实施例1一种主动式能量管理系统的主回路示意图；包括能量主回路10和能量管控系统11；能量主回路10包括整流单元1，压力机主驱电机2及其驱动单元3，飞轮储能电机4及其驱动单元5，电容储能单元6和制动单元7；压力机主驱电机2通过驱动单元3与直流母线9连接；飞轮储能电机4通过驱动单元5与直流母线9连接；电容储能单元6和制动单元7均直接与直流母线9连接；制动单元7包括制动电阻7A和接触器7B。飞轮储能电机4由若干组大惯量三相异步电机或装有机械飞轮的普通三相异步电机组成。
能量管控系统在正常生产前，通过压力机主驱电机的运动规划求解器求解出压力机主驱电机的速度曲线和扭矩曲线，如图2给出了本发明实施例1中提出的压力机主驱电机的速度曲线和扭矩曲线；压力机主驱电机的速度、扭矩曲线的求解属于非线性约束的最优化问题，根据用户工艺要求参数，利用多项式参数曲线插值求解出速度曲线12；其中工艺要求参数包括成形力、成形速度和节拍要求，通过伺服压力机动力学方程求解出扭矩曲线13。
单自由度机构-单自由度驱动的情况下，一般将各参量折算到曲柄，以曲柄转角转速ω作为状态变量，而以伺服电机等效驱动扭矩Td作为控制变量，则伺服压力机动力学方程为
其中为机构、传动、电机转子及惯性负载等效到曲柄的总惯量，是曲柄角度的函数；滑块行程/>对于单自由度执行机构，由曲柄角度唯一确定)、滑块速度vslide、滑块加速度/>皆为滑块的运动参数；Twork为工作力相应的力矩、TG为重力力矩、Tr为阻力矩。
通常采用多项式拟合伺服电机扭矩特性，有时也采用多项式和固定界限共同约束控制扭矩，由于在整个速度范围内不易获得拟合良好的多项式，，则控制参数限制值及约束如下：
其中Td，rms是均方根扭矩，nmtr，av是一个循环的伺服电机平均速率，isys为电机轴到曲柄的总减速比。
然后能量管控系统通过压力机主驱电机的速度曲线和扭矩曲线求解出压力机主驱电机共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线；首先通过P＝T*n/9550计算出各功耗单元的功率；其中T为扭矩，n为速度；然后根据各功耗单元的相位差进行叠加，得出压力机主驱电机2共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线；本发明提出的运动规划求解器，是一套求解运动的算法，均是根据工艺要求进行规划求解的。能量管控系统也是一套求解运动的算法，根据各耗能单元的功率曲线进行飞轮储能电机的运动规划求解。能量管控系统和运动规划求解器可以为分别独立的模块，也可以将能量管控系统和运动规划求解器集成于一体。
根据设定的直流母线电压波动设定限值，规划求解出飞轮储能电机的运行数量及速度曲线，在伺服冲压线或伺服压力机能量回路理想状态下：满足能量守恒，即Pa+Ps+Pf+Pc＝0；飞轮储能电机4的速度曲线14采用均匀B样条拟合算法计算出；使冲压耗电的平均功率经整流单元的输入Pa波动最小。如图3给出了本发明实施例1中提出的压力机主驱电机转速以及飞轮储能电机转速曲线；
直流母线电压波动设定限值为△V＝Vmax-Vmin其中，Vmax为直流母线电压最大值；Vmin为直流母线电压最小值；如图4还给出了本发明实施例1中能量主回路各功能单元能量流及电压运行曲线，直流母线电压波动曲线18。其中，Pa为冲压耗电的平均功率经整流单元的输入17；Ps为压力机主驱电机2共直流母线连接的各耗电单元的总功率15；Pf为飞轮储能电机的功率16；所述Pc为电容储能装置的功率。
制动单元7包括制动电阻7A和接触器7B；在能量管控系统11接收制动指令后，接触器7B接通，将制动电阻7A接到能量主回路10，吸收压力机主驱电机2能量。制动单元7仅在压力机制动过程中工作，当能量管控系统接收制动指令后，若飞轮储能电机4转速N高于额定转速Nn，能量管控系统11控制飞轮储能电机11以匀速N运行；若飞轮储能电机4转速N低于额定转速Nn，能量管控系统11直接控制飞轮储能电机加速至极限转速Nmax，并以极限转速Nmax匀速运行。
飞轮储能电机4由若干组大惯量三相异步电机或装有机械飞轮的普通三相异步电机组成。飞轮储能电机4可同步运行单一运动曲线，也可同步运行规划求解出的不同运动曲线，本发明提出的伺服冲压线一般配备2-3台飞轮储能电机，如果1或2台储能电机故障损坏，无相同型号备件可用，此时可使用功率近似的电机替换使用；由于电机性能不同，需要运行不同的曲线满足能耗需求。
本发明和现有技术相比，将自动控制问题转化为运动规划问题，即根据单机伺服压力机或伺服冲压线能量需求以及直流母线电压波动限值要求，规划求解出飞轮储能电机的运行曲线。通过压力机主驱电机与飞轮储能电机同步控制，确保飞轮储能电机主动与压力机主驱电机实时进行能量转换，较好平衡了压力机主驱电机能量需求。
以上内容仅仅是对本发明的结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种主动式能量管理系统，其特征在于，包括能量主回路(10)和能量管控系统(11)；
所述能量主回路(10)包括整流单元(1)，压力机主驱电机(2)及其驱动单元(3)，飞轮储能电机(4)及其驱动单元(5)，电容储能单元(6)和制动单元(7)；所述压力机主驱电机(2)通过驱动单元(3)与直流母线(9)连接；所述飞轮储能电机(4)通过驱动单元(5)与直流母线(9)连接；电容储能单元(6)和制动单元(7)均直接与直流母线(9)连接；
所述能量管控系统(11)在正常生产前，通过压力机主驱电机(2)的运动规划求解器求解出压力机主驱电机(2)的速度曲线(12)和扭矩曲线(13)；所述能量管控系统通过压力机主驱电机(2)的速度曲线(12)和扭矩曲线(13)求解出压力机主驱电机(2)共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线(15)；根据设定的直流母线电压波动设定限值，规划求解出飞轮储能电机(4)的运行数量及速度曲线(14)，然后将飞轮储能电机(4)的速度曲线(14)传递至飞轮储能电机(4)的驱动单元(5)；
所述能量管控系统(11)在正常生产前，通过压力机主驱电机(2)的运动规划求解器求解出压力机主驱电机(2)的速度曲线(12)和扭矩曲线(13)的方法为：根据工艺要求参数，利用多项式参数曲线插值求解出速度曲线(12)；所述工艺要求参数包括成形力、成形速度和节拍要求；通过伺服压力机动力学方程求解出扭矩曲线(13)；
扭矩曲线(13)确定的过程包括以曲柄转角转速ω作为状态变量，而以伺服电机等效驱动扭矩Td作为控制变量，则伺服压力机动力学方程为
其中为机构、传动、电机转子及惯性负载等效到曲柄的总惯量，是曲柄角度的函数；滑块行程/>对于单自由度执行机构，由曲柄角度唯一确定、滑块速度vslide、滑块加速度/>皆为滑块的运动参数；Twork为工作力相应的力矩、TG为重力力矩、Tr为阻力矩。
2.根据权利要求1所述的一种主动式能量管理系统，其特征在于，在正常生产时，压力机主驱电机(2)与飞轮储能电机(4)同步控制，保证压力机主驱电机(2)加速时，飞轮储能电机(4)主动减速，压力机主驱电机(2)减速时，飞轮储能电机(4)主动加速；在能量主回路(10)内，飞轮储能电机(4)主动与压力机主驱电机(2)进行能量转换。
3.根据权利要求1所述的一种主动式能量管理系统，其特征在于，所述制动单元(7)包括制动电阻(7A)和接触器(7B)；
在能量管控系统(11)接收制动指令后，接触器(7B)接通，将制动电阻(7A)接到能量主回路(10)，吸收压力机主驱电机(2)能量。
4.根据权利要求3所述的一种主动式能量管理系统，其特征在于，在制动单元(7)工作过程中，若飞轮储能电机(4)转速N高于额定转速Nn，能量管控系统(11)控制飞轮储能电机(11)以匀速N运行；若飞轮储能电机(4)转速N低于额定转速Nn，能量管控系统(11)直接控制飞轮储能电机加速至极限转速Nmax，并以极限转速Nmax匀速运行。
5.根据权利要求1所述的一种主动式能量管理系统，其特征在于，所述能量管控系统通过压力机主驱电机(2)的速度曲线(12)和扭矩曲线(13)求解出压力机主驱电机(2)共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线(15)的方法为：首先通过P＝T*n/9550计算出各功耗单元的功率；所述T为扭矩，所述n为速度；然后根据各功耗单元的相位差进行叠加，得出压力机主驱电机(2)共直流母线连接的各耗电单元的总功率曲线；
所述各功耗单元包括直流母线连接的压力机主驱电机(2)、伺服垫和送料装置。
6.根据权利要求1所述的一种主动式能量管理系统，其特征在于，所述根据设定的直流母线电压波动设定限值，规划求解出飞轮储能电机(4)的运行数量及速度曲线(14)的方法为：在能量回路理想状态下：满足Pa+Ps+Pf+Pc＝0；所述飞轮储能电机(4)的速度曲线(14)采用均匀B样条拟合算法计算出；
所述直流母线电压波动设定限值为△V＝Vmax-Vmin；所述Vmax为直流母线电压最大值；所述Vmin为直流母线电压最小值；
其中，所述Pa为冲压耗电的平均功率经整流单元的输入；所述Ps为压力机主驱电机(2)共直流母线连接的各耗电单元的总功率；所述Pf为飞轮储能电机的功率；所述Pc为电容储能装置的功率。
7.根据权利要求1所述的一种主动式能量管理系统，其特征在于，所述飞轮储能电机(4)由若干组大惯量三相异步电机或装有机械飞轮的普通三相异步电机组成。
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