CN110880893B - 一种磁齿轮电机控制方法及控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁齿轮电机控制方法及控制电路，包括：基于磁齿轮电机的q轴和d轴电流及高速转子实测转速，采用线性观测器，观测得到低速转子和高速转子观测转速；基于低速转子观测转速以及高速转子实测转速或观测转速，通过磁齿轮电机速度控制环，得到用于产生转矩的控制电流和用于抑制动态震荡的补偿电流；基于控制电流和补偿电流，产生控制指令。本发明引入线性观测器对磁齿轮电机低速转子转速进行计算，避免采用硬件设备采集电机低速转子转速带来的系统复杂、成本高的问题，另外磁齿轮电机速度控制环可结合高速转子转速和线性观测器观测到的低速转子转速，产生用于抑制动态震荡的补偿电流，用于电机控制时，有效提高应用场景下的控制性能。

Description

一种磁齿轮电机控制方法及控制电路

技术领域

本发明属于磁齿轮电机控制领域，更具体地，涉及一种磁齿轮电机控制方法及控制电路。

背景技术

磁齿轮电机因其高转矩密度以及无机械接触转矩传递等优点，在一些特殊应用场合有着巨大的应用潜力。

然而，由于磁齿轮电机，输入转子与输出转子并不存在机械连接，仅仅依靠磁力耦合在一起，由于磁力耦合的程度和两个转子相对位置密切相关，因此在转矩传递过程中输入输出的转矩和转速存在振铃现象。具体来说，动态转矩图上输入转矩与输出转矩保持非线性关系，因而，在动态过程中出现震荡过程，而这种震荡程度随负载增加而越发恶化。若直接使用工业上传统变频器来驱动磁齿轮电机，则将明显看到输入输出动态响应的滞后过程，这种滞后过程将大大降低应用场合的控制性能。

由此可见，现有技术存在磁齿轮电机转矩控制过程的动态响应时间长、振荡难消除的技术问题。

发明内容

本发明提供一种磁齿轮电机控制方法及控制电路，用以解决现有磁齿轮电机控制方法中因仅基于高速转子转速生成控制信号而存在转矩响应振荡难以消除的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种磁齿轮电机控制方法，包括：

基于磁齿轮电机的q轴电流和d轴电流以及高速转子实测转速，采用线性观测器，观测得到低速转子观测转速和高速转子观测转速；

基于所述低速转子观测转速以及所述高速转子实测转速或所述高速转子观测转速，通过磁齿轮电机速度控制环，得到用于产生转矩的控制电流和用于抑制动态震荡的补偿电流；

基于所述控制电流和所述补偿电流，产生控制指令，以完成磁齿轮电机的控制。

本发明的有益效果是：本发明引入线性观测器对磁齿轮电机的低速转子转速进行计算，得到低速转子观测转速，避免了采用硬件设备采集电机低速转子转速带来的系统复杂、成本高的问题，进一步，磁齿轮电机速度控制环可结合高速转子转速和线性观测器观测到的低速转子转速，进行电流的计算，不仅得到产生转矩的控制电流，还产生用于抑制动态震荡的补偿电流，因此，在基于这两种电流进行电机运转控制时，可极大提高输入输出动态响应速度，有效提高应用场景下的控制性能。其中，基于线性观测器的观测原理，当其计算的高速转子观测转速与输入的高速转子实测转速的差收敛为0附近时，输出观测的转速信号，因此，高速转子观测转速与高速转子实测转速无限接近，因此，在下一步速度控制器进行电流计算时，可基于这两种转速计算。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述速度控制环在得到所述控制电流和所述补偿电流后，还将所述控制电流和所述补偿电流的加和与幅值阈值比较，若所述加和大于所述幅值阈值，则输出所述幅值阈值，否则，输出所述加和；

则所述基于所述控制电流和所述补偿电流，控制电机运行，具体为：根据所述速度控制环的输出，基于所述幅值阈值，控制电机运行，或者，基于所述加和，控制电机运行。

本发明的进一步有益效果是：控制速度控制环的输出电流值，使得输出电流不超过电机稳定域电流最大边界，保证控制的稳定性。

进一步，所述线性观测器的构建具体为：

构建磁齿轮电机非线性模型；

基于线性观测器模型，将所述磁齿轮电机非线性模型线性化为线性状态空间模型；

基于所述线性状态空间模型，映射出所述线性观测器模型对应的线性观测器。

本发明的进一步有益效果是：由于用到线性观测器，而电机模型为非线性，因此将电机模型转换为非线性模型，以用于线性观测器。

进一步，所述线性化具体为采用雅可比线性化法。

本发明的进一步有益效果是：采用雅可比线性化法能够保证转换的精确度，提高非线性模型的观测精度。

进一步，所述线性状态空间模型表示为：

其中，x＝[ω_h ω_o θ_eT_L]^T，

C＝[1 0 0 0]^T，y＝[ω_h ω_o 0 0]^T，u＝T_e，

ω_h和ω_o为高速和低速转子的机械转速，T_e、T_max、T_L分别为高速转子上的电磁转矩、最大传递电磁转矩和负载转矩，J_h、J_o分别为高速转子和低速转子的转动惯量，B_h和B_o为高速和低速转子的摩擦系数，K_d为两转子间的阻尼系数，p_h和n_s分别为高速转子极对数和低速转子极对数，G_r为等效的齿轮系数。

进一步，所述线性观测器表示为：

L＝(K₁ K₂ K₃ K₄)^T；其中，

表示所述线性观测器对x的观测量，

为所述观测量的求导，L为线性反馈矩阵，K₁、K₂、K₃、K₄分别为预设系数，

为所述线性观测器对y的观测量。

进一步，所述采用线性观测器之前，所述方法还包括：

基于极点配置法，对所述线性观测器中的所述线性反馈矩阵的系数进行分配，以提高观测速度。

本发明的进一步有益效果是：状态观测器(也即上述线性观测器)的收敛速度受限于观测器的极点分布，具体来说，受到线性反馈矩阵L的控制，通过分配L中的系数可以达到快速收敛的效果，其中，L系数的设置参考通用的观测器极点配置方法。

进一步，所述速度控制环在得到所述补偿电流时，具体为：

基于所述低速转子观测转速以及所述高速转子实测转速或所述高速转子观测转速，得到传递转矩负载角；

将所述传递转矩负载角积分后与阻尼系数相乘，得到所述补偿电流。

本发明的进一步有益效果是：通过在传统速度控制器上加入转矩负载角的反馈达到抑制转矩的目的，具体通过加入的补偿电流，相当于在两个转子之间加入了一种阻尼作用，这种阻尼作用将极大地阻碍两转子间的相对位移，因此震荡也会大大降低。

本发明还提供一种磁齿轮电机控制电路，包括：

电流传感器，用于实时采集待控制磁齿轮电机的q轴电流和d轴电流；

位置传感器，用于实时采集待控制磁齿轮电机的高速转子实测转速；

控制器，用于基于所述q轴电流和d轴电流以及所述高速转子实测转速，执行如上所述的任一种磁齿轮电机控制方法，得到控制指令；

驱动电路，用于基于所述控制指令，驱动待控制磁齿轮电机。

本发明的有益效果是：本发明采用的控制电路，硬件上与传统的硬件设备相同，没有额外添加新的硬件设备，但采用的控制器基于如上的控制方法计算低速转子转速，并将该低速转子转速与高速转子转速，对电机进行控制，在不增加控制成本的情况下，可极大提高电机的输入输出动态响应速度，有效提高应用场景下的控制性能。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一种磁齿轮电机控制方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种磁齿轮电机控制方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的传统磁齿轮电机控制系统的示意图；

图3为图1对应的控制原理示意图；

图4为本发明实施例提供的状态观测器的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的磁齿轮电机速度控制器环节的原理示意图；

图6为本发明实施例提供的磁齿轮电机动态响应原理示意图；

图7为本发明实施例提供的传统磁齿轮电机动态响应原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种磁齿轮电机控制方法100，如图1所示，包括：

步骤110、基于磁齿轮电机的q轴电流和d轴电流以及高速转子实测转速，采用线性观测器，观测得到低速转子观测转速和高速转子观测转速；

步骤110、基于低速转子观测转速以及高速转子实测转速或高速转子观测转速，通过磁齿轮电机速度控制环，得到用于产生转矩的控制电流和用于抑制动态震荡的补偿电流；

步骤110、基于控制电流和补偿电流，产生控制指令，以完成磁齿轮电机的控制。

例如，如图2所示，该控制方法对应的电路主要由传统的三相半桥式电力电子变换器、电流传感器、驱动电路以及控制电路等常规结构件构成。所提出的控制原理框图如图3所示，包括速度控制器环节、电流控制器环节、状态观测器环节。状态观测器(也即线性观测器)环节将电流与高速转子转速作为输入，通过计算得出估计的低速转子转速(即低速转子观测转速)；将高速转子实测转速和低速转子观测转速作为速度控制器的反馈变量，计算得出产生转矩的控制电流值和抑制动态震荡的阻尼电流值，最终输出为两者之和并输入电流控制器。之后，基于传统的磁齿轮控制过程，基于电机模型反馈的q轴电流值和d轴电流值以及电流指令值，产生PWM调整控制信号，并通过电路驱动单元驱动电机，完成电机控制。

本方法为一种磁齿轮电机在磁场调制作用下对其进行主动控制的控制方法的改进，具体通过在控制方法上引进阻尼控制，来增大磁齿轮两个转子间阻尼系数，使磁齿轮的转矩传递更加平滑、动态效果更好；同时由于阻尼控制需要两个转子的位置信息，为降低成本引入单侧转子位置观测器方法，因此硬件成本上无增加。

优选的，上述速度控制环在得到控制电流和补偿电流后，还将控制电流和补偿电流的加和与幅值阈值比较，若上述加和大于幅值阈值，则输出上述幅值阈值，否则，输出上述加和。则上述基于控制电流和补偿电流，控制电机运行，具体为：基于上述幅值阈值，控制电机运行，或者，基于上述加和，控制电机运行。

为了保证控制系统的稳定性，在速度调节器环节引入震荡抑制环节后，加入了一个幅值限制器，该幅值限制器的电流通过上下限设为稳定域电流最大边界。

优选的，上述线性观测器的构建具体为：

构建磁齿轮电机非线性模型；基于线性观测器模型，将磁齿轮电机非线性模型线性化为线性状态空间模型；基于线性状态空间模型，映射出所述线性观测器模型对应的线性观测器。

上述磁齿轮电机非线性模型表示为：

其中，ω_h和ω_o为高速和低速转子的机械转速；T_e、T_max、T_L分别为高速转子上的电磁转矩、最大传递电磁转矩和负载转矩；J_h、J_o分别为高速转子和低速转子的转动惯量；B_h和B_o为高速和低速转子的摩擦系数；K_d为两转子间的阻尼系数；p_h和n_s分别为高速转子极对数和低速转子极对数；G_r为等效的齿轮系数，其定义为G_r＝n_s/p_h；θ_h为高速转子的位置，θ_o为低速转子的位置；

θ_e为传递转矩负载角，

为传递转矩负载角的求导，表示两个转子的电角速度差。

将电机模型变换为矩阵模型，采用雅阁比矩阵线性化后得到如下线性状态空间模型：

其中，x＝[ω_h ω_o θ_e T_L]^T，

C＝[1 0 0 0]^T，y＝[ω_h ω_o 0 0]^T，u＝T_e，

x是定义的状态变量，F(x)是线性化后的雅可比矩阵，B为观测器输入矩阵，C为观测器输出矩阵，u为电机系统输入，这里定义为高速转子上的电磁转矩，y为电机系统输出。

所述线性观测器表示为：

L＝(K₁ K₂ K₃ K₄)^T；其中，

表示所述线性观测器的观测量，

为所述观测量的求导，L为线性反馈矩阵，

为y的求导。

整个过程框图如图4所示，当观测的高速转子转速和测量得到的高速转子转速的差收敛到0附近时，整个观测器达到稳定状态，可以认为观测状态中的ω_o为实际低速转子的转速，并输出到速度控制器。

需要说明的是，转子状态观测器的收敛速度受限于观测器的极点分布，具体来说，受到线性反馈矩阵L的控制，通过分配L中的系数可以达到快速收敛的效果。L系数的设置参考通用的观测器极点配置方法。

优选的，上述速度控制环在得到所述补偿电流时，具体为：

基于观测到的低速转子转速和高速转子转速，得到传递转矩负载角；

将传递转矩负载角与阻尼系数相乘，得到补偿电流。

需要说明的是，这里采用的高速转子转速，可以是直接采集的转速，也可以是状态观测器观测输出的转速。

由于采用了一种线性观测器来观测低速转子位置，因此检测反馈不用外加位置传感器也能得到低速转子的位置信息，降低了控制系统的复杂度，进一步降低控制成本。

在观测到低速转子转速之后，进一步进行震荡抑制控制，概况为：通过在传统速度控制器上加入转矩负载角的反馈达到抑制转矩的目的，具体的，如图5所示，基于观测到的低速转子转速和高速转子转速，得到传递转矩负载角，计算过程表示为θ_e＝p_h·θ_h-n_s·θ_o，θ_e为传递转矩负载角，对其进行积分，得到θ_e，将θ_e与阻尼系数相乘，得到补偿电流。

其等效原理如图6所示，在电机动态响应模型(如图7所示)中施加所述补偿电流的影响，可见控制器中加入的额外电流相当于在两个转子之间加入了一种阻尼作用f(ω_e)，这种阻尼作用将极大地阻碍两转子间的相对位移，因此震荡也会大大降低。

由于负载角不可直接得到，必须通过内外转子位置来获得，如上所述通过引入观测器在不增加额外的传感器情况下，得到了内外转子的位置。

震荡抑制的收敛速度受到引入的阻尼系数影响，阻尼系数设置的越大震荡抑制速度越快，反之，设的越小震荡效果越明显，因此，阻尼系数的设置根据实际需要，可合理设置。

实施例二

一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上实施例一所述的任一种磁齿轮电机控制方法。

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁齿轮电机控制方法，其特征在于，包括：

基于磁齿轮电机的q轴电流和d轴电流以及高速转子实测转速，采用线性观测器，观测得到低速转子观测转速和高速转子观测转速；

基于所述低速转子观测转速以及所述高速转子实测转速或所述高速转子观测转速，通过磁齿轮电机速度控制环，得到用于产生转矩的控制电流和用于抑制动态震荡的补偿电流；

基于所述控制电流和所述补偿电流，产生控制指令，以完成磁齿轮电机的控制；

所述线性观测器表示为：

L＝(K₁ K₂ K₃ K₄)^T；其中，

表示所述线性观测器对x的观测量，

为所述观测量的求导，L为线性反馈矩阵，K₁、K₂、K₃、K₄分别为预设系数，

为所述线性观测器对y的观测量；其中，

x＝[ω_h ω_o θ_eT_L]^T，

C＝[1 0 0 0]^T，y＝[ω_h ω_o 0 0]^T，u＝T_e，

ω_h和ω_o为高速和低速转子的机械转速，T_e、T_max、T_L分别为高速转子上的电磁转矩、最大传递电磁转矩和负载转矩，J_h、J_o分别为高速转子和低速转子的转动惯量，B_h和B_o为高速和低速转子的摩擦系数，K_d为两转子间的阻尼系数，p_h和n_s分别为高速转子极对数和低速转子极对数，G_r为等效的齿轮系数；

所述速度控制环在得到所述补偿电流时，具体为：

基于所述低速转子观测转速以及所述高速转子实测转速或所述高速转子观测转速，得到传递转矩负载角；

将所述传递转矩负载角积分后与阻尼系数相乘，得到所述补偿电流；

其中，θ_e＝p_h·θ_h-n_s·θ_o，θ_e为传递转矩负载角，p_h和n_s分别为高速转子极对数和低速转子极对数，θ_h为高速转子的位置，θ_o为低速转子的位置；

所述速度控制环在得到所述控制电流和所述补偿电流后，还将所述控制电流和所述补偿电流的加和与幅值阈值比较，若所述加和大于所述幅值阈值，则输出所述幅值阈值，否则，输出所述加和；

则所述基于所述控制电流和所述补偿电流，控制电机运行，具体为：根据所述速度控制环的输出，基于所述幅值阈值，控制电机运行，或者，基于所述加和，控制电机运行。

2.根据权利要求1所述的一种磁齿轮电机控制方法，其特征在于，所述线性观测器的构建具体为：

构建磁齿轮电机非线性模型；

基于线性观测器模型，将所述磁齿轮电机非线性模型线性化为线性状态空间模型；

基于所述线性状态空间模型，映射出所述线性观测器模型对应的线性观测器。

3.根据权利要求2所述的一种磁齿轮电机控制方法，其特征在于，所述线性化具体为采用雅可比线性化法。

4.根据权利要求1所述的一种磁齿轮电机控制方法，其特征在于，所述采用线性观测器之前，所述方法还包括：

基于极点配置法，对所述线性观测器中的所述线性反馈矩阵的系数进行用于优化观测速度的分配。

5.一种磁齿轮电机控制电路，其特征在于，包括：

电流传感器，用于实时采集待控制磁齿轮电机的q轴电流和d轴电流；

位置传感器，用于实时采集待控制磁齿轮电机的高速转子实测转速；

控制器，用于基于所述q轴电流和d轴电流以及所述高速转子实测转速，执行如权利要求1至4任一项所述的磁齿轮电机控制方法，得到控制指令；

驱动电路，用于基于所述控制指令，驱动待控制磁齿轮电机。

6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述如权利要求1至4任一项所述的一种磁齿轮电机控制方法。

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