CN113328565B - 一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器 - Google Patents

一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器，包括直线‑旋转转换装置、能量转换装置以及外部电路模块；所述直线‑旋转转换装置用于将直线运动转换成旋转运动；所述能量转换装置用于获取感应电动势；所述外部电路模块用于吸收能量，增大惯容器的惯质。本发明提出了一种与之相适应的基于位置反馈的电力电子变流器矢量控制策略对其进行控制。通过电力电子变流器配合永磁同步电机，使其在工作时既有传统直流电机的线性特性，又有永磁同步电机功率密度高、经久耐用等特点，并且可调参数多，实现了惯质的大范围调节。

Description

一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器
技术领域
本发明涉及结构减振器件技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器。
背景技术
在结构减振领域，质量、刚度、阻尼是减振系统三个重要的特征参数，任何被动减振系统根据工况可以合理地设计这三者的数值来实现最优的减振效果，而且长期以来质量这一参数都只能通过具有真实质量的装置来实现。因此，在保持减振效果的前提下，缩小减振装置的质量成为新的发展方向。惯容器能够以其较大的惯质和较高的“惯质—质量比”使元件小型化轻量化，改善了质量这一参数只能由真实质量提供的情况，在大型减振结构中降低成本，在小型悬挂中则可以有效弥补参数缺失以提高悬挂的性能以及鲁棒性。
目前惯容器大部分为机械结构，只能通过调整机械结构来增大“惯质—质量比”，会受到自身机械结构的约束。基于此，提出了一种机电式惯容器，通过机械网络传递函数与电网络传递函数对比的方式，得到机电式惯容器负载配置的形式。但由于直流电机寿命短、维护量大、功率密度低、可调参数有限等不足，限制了基于直流电机的机电式惯容器的进一步发展。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器。本发明提出了一种与之相适应的基于位置反馈的电力电子变流器矢量控制策略对其进行控制。通过电力电子变流器配合永磁同步电机，使其在工作时既有传统直流电机的线性特性，又有永磁同步电机功率密度高、经久耐用等特点，并且可调参数多，实现了惯质的大范围调节。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器，包括直线-旋转转换装置、能量转换装置以及外部电路模块；
所述直线-旋转转换装置用于将直线运动转换成旋转运动；
所述能量转换装置用于获取感应电动势；
所述外部电路模块用于吸收能量，增大惯容器的惯质。
进一步地，所述直线-旋转转换装置包括滚珠丝杠、螺母，所述螺母与滚珠丝杠螺纹连接。
进一步地，所述能量转换装置为永磁同步电机，包括转子永磁体、定子线圈，所述定子线圈一端星形连接或者角形连接，另一端通过第二端口接出，与外部电路模块相连接；所述转子永磁体连接所述滚珠丝杠一端，所述定子线圈设置在转子永磁体上；
进一步地，所述外部电路模块包括电性连接的能量回馈电路和三相电压源型变换器以及主电容；能量回馈电路与三相电压源型变换器以及主电容之间并联连接。
进一步地，所述能量转换装置还包括一位置编码器，位置编码器设置在所述转子永磁体的转轴上，用于检测转子永磁体的位置，根据转子永磁体的位置控制所述外部电路模块。
进一步地，当作用力作用到螺母上时，推动所述螺母相对所述滚珠丝杠做直线运动，所述滚珠丝杠将所述螺母的直线运动转换为所述滚珠丝杠的旋转运动，所述滚珠丝杠带动转子永磁体旋转，所述转子永磁体旋转时依次切割定子线圈，所述定子线圈与所述三相电压源型变换器连接，所述位置编码器检测转子位置，根据转子位置控制三相电压源型变换器各桥臂开通与关断以实现电机的控制。
进一步地，所述三相电压源型变换器包括六个开关器件，六个开关器件进行组合共有8种可行的开关状态，其中000、111这两种开关状态在电机驱动中不会产生有效的电流，为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量，基于六个有效矢量和两个零矢量，合成360度内的任意矢量。
较现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器，通过电力电子变流器配合永磁同步电机，使其在工作时既有传统直流电机的线性特性，又有永磁同步电机功率密度高、经久耐用等特点，并且可调参数多，实现了惯质的大范围调节。
本发明提供的基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器，具有线性度优良、稳定频域宽、功率密度高的性能。
基于上述理由本发明可在结构减振器件等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明机电惯容器总体结构图。
图2为本发明永磁同步电机结构图。
图3为本发明基于永磁同步电机的可调谐机电惯容器系统物理结构原理图。
图4为本发明基于永磁同步电机的可调谐机电惯容器工作原理图。
图5为本发明SVPWM空间电压矢量分区及合成图。
图6为本发明外转矩与电磁转矩对比图。
图7为本发明外转矩与角加速度对比图。
图8为本发明电磁反力矩随矢量夹角变化图。
图中：1、直线-旋转转换装置；11、滚珠丝杠；12、螺母；2、能量转换装置；21、转子永磁体；22、定子线圈；23、位置编码器；3、外部电路模块；31、能量回馈电路；32、三相电压源型变换器；33、主电容。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器，包括直线-旋转转换装置1、能量转换装置2以及外部电路模块3；所述直线-旋转转换装置1用于将直线运动转换成旋转运动；所述能量转换装置2用于获取感应电动势；所述外部电路模块3用于吸收能量，增大惯容器的惯质。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述直线-旋转转换装置1包括滚珠丝杠11、螺母12，所述螺母12与滚珠丝杠11螺纹连接。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述能量转换装置2为永磁同步电机，包括转子永磁体21、定子线圈22，所述定子线圈22同相绕线一端星形连接或者角形连接，另一端通过第二端口接出，与外部电路模块3相连接；所述转子永磁体21连接所述滚珠丝杠11一端，所述定子线圈22设置在转子永磁体21上。能量转换装置2还包括一位置编码器23，位置编码器设置在所述转子永磁体21的转轴上，用于检测转子永磁体21的位置，根据转子永磁体21的位置控制所述外部电路模块3。
如果将永磁同步电机应用到机电式惯容器中，其理论上的必要条件是通过某种电机结构上的改造，使其具有直流发电机相同或者近似的性能，即：其空载电动势仅与电机转速相关(E＝f(v))、转矩仅与电枢电流相关(F＝f(Ia))，而与电机转子的位置无关。永磁同步电机具有功率密度高、经久耐用等特点，若要将永磁同步电机应用到机电惯容器中，还需要电力电子变流器的有效配合。为了方便分析，对永磁同步电机模型进行以下五点假设：
(1)、转子上没有阻尼绕组；
(2)、三相定子绕组空间对称分布；
(3)、转子磁链在空间中按正弦分布；
(4)、忽略发电机铁心磁饱和、磁滞及涡流的影响。
(5)、采用隐极永磁同步电机，转子d、q轴电感相等。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述外部电路模块3包括电性连接的能量回馈电路31和三相电压源型变换器32以及主电容33；能量回馈电路31与三相电压源型变换器32以及主电容33之间并联连接。通过矢量控制模块产生脉冲，控制三相电压源型变换器32各个桥臂的通断，控制电磁转矩，以达到改变惯质的目的，并且将电机产生的能量通过能量回馈电路31进行存储。
本发明的基本工作过程为：如图4所示，当作用力作用到螺母12上时，推动所述螺母12相对所述滚珠丝杠11做直线运动，所述滚珠丝杠11将所述螺母12的直线运动转换为所述滚珠丝杠11的旋转运动，所述滚珠丝杠11带动转子永磁体21旋转，所述转子永磁体21旋转时依次切割定子线圈22，所述定子线圈22与所述三相电压源型变换器32连接，所述位置编码器23检测转子位置，根据转子位置控制三相电压源型变换器32各桥臂开通与关断以实现电机的控制。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述三相电压源型变换器32包括六个开关器件，六个开关器件进行组合共有8种可行的开关状态，其中000、111这两种开关状态在电机驱动中不会产生有效的电流，为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量，基于六个有效矢量和两个零矢量，合成360度内的任意矢量。如图5所示，图5中，6条模为2vdc/3的空间电压矢量将复平面均分成6个扇区I～VI，对于任一扇形区域中的电压矢量V*，均可由该扇形区两边的空间电压矢量进行合成。如果在复平面上匀速旋转，就对应到三相对称的正弦量。实际上，由于开关频率和矢量组合限制，电压矢量V*的合成矢量只能以某一步进速度旋转，从而使矢量运动轨迹为一多边形准圆轨迹。显然，PWM开关频率越高，多边形准圆轨迹就越接近于圆。
假若令电压矢量V*始终跟随三相合成电动势矢量V0，则在理想情况下，电力电子变换器直流侧会产生与电机转速成正比的电压。若V*与V0不能完全重合，而是有一电夹角α，则直流侧电压将会是乘以一投影系数cosα。
证明在电机后级只有纯电容负载，且在理想情况下(忽略一切阻力以及阻感参数)，电机按照这种指令方式产生的反力矩与外力矩为同相位，即该系统等效为一个机电惯容器。证明过程如下：
当外力矩为0时，电机在理想情况下将会匀速旋转，产生恒定电压，由于后级只有电容，
Figure BDA0003056319760000071
所以电流为0，电机转矩为0。
当出现外力矩时，则有：
Figure BDA0003056319760000072
由于直流电压与转速成正比，则有：
Figure BDA0003056319760000073
其中，q为一常数。
在直流侧
Figure BDA0003056319760000074
由于电路纯容性，且为表贴式永磁同步电机，电枢反应电流的d轴分量对反力矩没有影响。且易证明，iq与直流侧电流id成正比，即iq＝aid，其中a为一常数。又根据永磁同步电机Te＝ψ*iq，得到Te与T同相位，从而得证该系统等效为一个机电惯容器。且当给定电压矢量V*与三相合成电动势矢量V0夹角发生变化时，电磁反力矩也会变化，根据得到的惯质表达式：
Figure BDA0003056319760000081
其中，A表示机械部分转矩放大倍数，J表示电机转子的转动惯量；To表示经过转矩放大装置放大后，传递到后级的力矩，称外转矩；Te表示由电机产生的、与To相位相反的、具有抵消效果的电磁反力矩，从而使得惯容器惯质发生变化，能够实现大范围连续的惯质调节。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器，其特征在于，包括直线-旋转转换装置（1）、能量转换装置（2）以及外部电路模块（3）；
所述直线-旋转转换装置（1）用于将直线运动转换成旋转运动；所述直线-旋转转换装置（1）包括滚珠丝杠（11）、螺母（12），所述螺母（12）与滚珠丝杠（11）螺纹连接；
所述能量转换装置（2）用于获取感应电动势；所述能量转换装置（2）为永磁同步电机，包括转子永磁体（21）、定子线圈（22），所述定子线圈（22）一端星形连接或者角形连接，另一端通过第二端口接出，与外部电路模块（3）相连接；所述转子永磁体（21）连接所述滚珠丝杠（11）一端，所述定子线圈（22）设置在转子永磁体（21）上；
所述外部电路模块（3）用于吸收能量，增大惯容器的惯质；所述外部电路模块（3）包括电性连接的能量回馈电路（31）和三相电压源型变换器（32）以及主电容（33）；能量回馈电路（31）与三相电压源型变换器（32）以及主电容（33）之间并联连接；
当作用力作用到螺母（12）上时，推动所述螺母（12）相对所述滚珠丝杠（11）做直线运动，所述滚珠丝杠（11）将所述螺母（12）的直线运动转换为所述滚珠丝杠（11）的旋转运动，所述滚珠丝杠（11）带动转子永磁体（21）旋转，所述转子永磁体（21）旋转时依次切割定子线圈（22），所述定子线圈（22）与所述三相电压源型变换器（32）连接，位置编码器（23）检测转子位置，根据转子位置控制三相电压源型变换器（32）各桥臂开通与关断以实现电机的控制；
三相电压源型变换器（32）包括六个开关器件，六个开关器件进行组合共有8种可行的开关状态，其中000、111这两种开关状态在电机驱动中不会产生有效的电流，为零矢量；另外6种开关状态分别是六个有效矢量，基于六个有效矢量和两个零矢量，合成360度内的任意矢量。
2.根据权利要求1所述的基于永磁同步电机矢量控制的机电惯容器，其特征在于，所述能量转换装置（2）还包括一位置编码器（23），位置编码器设置在所述转子永磁体（21）的转轴上，用于检测转子永磁体（21）的位置，根据转子永磁体（21）的位置控制所述外部电路模块（3）。
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