CN116094246A

CN116094246A - 一种双电机驱动系统及其控制方法

Info

Publication number: CN116094246A
Application number: CN202310188538.9A
Authority: CN
Inventors: 刘晓; 卢萌; 肖勇; 林娉婷
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2023-03-02
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2023-05-09

Abstract

本发明公开了一种双电机驱动系统及其控制方法，包括驱动电机I，驱动电机I的转子连接有编码器I，编码器I连接有磁齿轮电机I的内转子；磁齿轮电机I的外转子连接有编码器II；磁齿轮电机I工作在转速控制模式，驱动电机I工作在转矩控制模式；驱动电机I的最大转速大于双电机驱动系统的输出轴最大转速的Gr倍。本发明利用具有双重磁场调制特性的磁齿轮电机代替行星齿轮实现不同电机之间的功率耦合，简化了双电机驱动系统结构，在不依靠齿轮箱的前提下实现了电机系统转矩能力的大幅提升，在不提升磁路复杂度的前提下简化了系统的机械结构，两台电机的功率流在磁齿轮电机I的输出转子处汇集，互不耦合，具有较高的容错性能。

Description

一种双电机驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种双电机驱动系统及其控制方法。

背景技术

随着“碳达峰、碳中和”战略的不断推进，新能源车辆占据了越来越高的市场份额，传统以内燃机为代表的燃油装备因其污染严重、效率低、故障率高等缺点正在面临淘汰的趋势。然而，现代工业生产活动中特种装备往往工作在极端工作环境，对驱动系统输出转矩、可靠性等性能的要求越来越高，传统的电机驱动系统难以满足需求，因此对于具有高转矩、高容错性能的电机系统研究具有重要意义。

现有技术方案中，传统双电机系统通过行星齿轮将两台独立的电机输出转矩耦合在一起，这种结构机械复杂度高，维护成本高，在极端工况下易出现断齿等故障。

为了解决机械系列带来的一系列问题，以磁齿轮及磁齿轮电机为代表的非接触式传动装置受到了越来越多的关注。发明专利CN110289729B提出了一种基于磁性齿轮的动力耦合复合电机，采用两台磁齿轮实现两台电机的功率耦合，该系统由两个磁齿轮与两台单转子电机组成，以两台磁齿轮作为能量耦合装置将两台电机的功率汇集起来，但由于磁齿轮与电机采用轴向串联的连接方式，机械复杂度较高。发明专利CN104377916B提出了一种径向-轴向磁场电磁行星齿轮功率分配器，采用一种磁齿轮电机实现两台电机间的功率集成，但在该发明中，磁齿轮电机的绕组不仅承担着传输功率的作用，还为另一台电机提供功率传输所需的励磁，该装置中磁齿轮电机任意部件故障都会影响系统正常运行，不利于提升系统在复杂和极端工况下的容错性能。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种双电机驱动系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种双电机驱动系统，包括驱动电机I，驱动电机I的转子连接有编码器I，编码器I连接有磁齿轮电机I的内转子；磁齿轮电机I 的外转子连接有编码器II；磁齿轮电机I工作在转速控制模式，驱动电机I工作在转矩控制模式；驱动电机I的最大转速大于双电机驱动系统的输出轴最大转速的Gr倍，最大转矩大于系统所需驱动转矩的1/Gr倍，Gr为磁齿轮电机I的调制比，即外转子永磁体极对数po与内转子永磁体极对数pi之比。

进一步的改进，所述转子外为第一定子及第一绕组。

进一步的改进，所述内转子外为主调制环，所述主调制环外为外转子，外转子外周为第二定子及第二绕组。

进一步的改进，所述内转子采用表贴式永磁体，所述外转子采用内嵌式永磁体。

进一步的改进，所述外转子的铁轭使用硅钢片叠压而成。

一种上述双电机驱动系统的控制方法，包括如下步骤：磁齿轮电机I工作在转速模式，采用外转子磁链定向控制带动负载在给定转速下旋转；驱动电机I工作在转矩驱动模式，通过控制器计算出需要补偿的转矩值并将转矩控制信号输入进驱动电机I控制器中，由驱动电机I的转子输出转矩并施加到磁齿轮电机I内转子，并经过主调制环的磁场调制作用将转矩扩大Gr倍施加到磁齿轮电机I外转子，提高输出轴的带载能力；在磁齿轮电机I单独驱动时，驱动电机I绕组不通电流，转子随着磁齿轮电机I 的内转子旋转，不发生功率交换；当驱动电机I单独驱动时，磁齿轮电机I的绕组不通电流，不参与功率传输，驱动电机I由转矩控制转变为转速控制。

进一步的改进，包括如下三种驱动模式：

一、单电机驱动模式：

分为两种情况：由驱动电机I或磁齿轮电机I单独驱动，当驱动电机I驱动时，功率由驱动电机I的电枢绕组流入，经过磁齿轮电机I的内转子和调制环，由磁齿轮电机I的外转子流出，磁齿轮电机I的绕组部参与功率传输；由磁齿轮电机I单独驱动时，功率由磁齿轮电机I绕组流入，由磁齿轮电机I外转子流出，驱动电机I和磁齿轮电机I的内转子不参与功率传输；单电机驱动模式适用于轻载时和单电机故障的情况，当负载超出单电机驱动能力时采用双电机驱动模式；

二、双电机驱动模式：

适用于单电机驱动模式无法正常工作的场合，功率由磁齿轮电机I和驱动电机I的绕组流入，磁齿轮电机I的外转子流出；

三、制动模式：

适用于减速或刹车制动的情况，功率由负载端流入，通过绕组回馈到电源，适用于车辆下坡制动、减速、刹车的情况，根据车辆工况计算出所需制动力，所需制动力小于磁齿轮电机I的最大制动转矩时由磁齿轮电机I提供制动转矩，所需制动力大于磁齿轮电机I的最大制动转矩时，为驱动电机I输入负的q轴电流，提供额外的制动转矩。

进一步的改进，所述双电机驱动系统的输出转矩计算公式为：

T _o= T _e* G _r+ T _M1* G _r，

其中，T _o为磁齿轮电机I外转子输出转矩， T _e为磁齿轮电机I电枢绕组提供的电磁转矩， G _r为磁齿轮电机I的调制比， T _M1为驱动电机I传递给磁齿轮电机I内转子的转矩；

T _e= 1.5 p _o ψ ^’ _out i _q

T _M1= T _Magsin( θ _M)

其中， ψ ^’ _out表示外转子永磁磁链， i _q表示q轴电流； T _Mag为磁齿轮电机I内、外转子最大永磁转矩， θ _M为磁齿轮电机I内外转子磁链相位差， θ _M= θ _o- θ _i， θ _o为外转子电角位置， θ _i为内转子电角位置，故输出转矩计算公式为：

T _o= T _e* G _r+ T _Magsin( θ _o- θ _i)* G _r，当驱动电机I和磁齿轮电机I共同驱动时，磁齿轮电机I的外转子永磁磁链滞后于磁齿轮电机I的内转子永磁磁链及定子磁链。

本发明的优点：

利用具有双重磁场调制特性的磁齿轮电机代替行星齿轮实现不同电机之间的功率耦合，简化了双电机驱动系统结构。在不依靠齿轮箱的前提下实现了电机系统转矩能力的大幅提升，在不提升磁路复杂度的前提下简化了系统的机械结构，两台电机的功率流在磁齿轮电机I的输出转子处汇集，互不耦合，这使得单台电机发生故障时几乎不影响另一台电机的运行，在除磁齿轮电机I的外转子之外的部件发生故障时系统均可以继续工作，具有较高的容错性能；

附图说明

图1是双电机驱动系统硬件结构图；

图2是双电机驱动系统软件结构图；

图3是磁齿轮电机I拓扑结构。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

一种基于双磁场调制原理的双电机驱动系统及其控制方法，系统硬件如图1所示，该系统从一侧到另一侧依次包括驱动电机I1、编码器I2、磁齿轮电机I3和编码器II4，驱动电机I1包含第一定子1-1、第一绕组1-2和转子1-3，磁齿轮电机I3包含第二定子3-1、第二绕组3-2、外转子3-3、主调制环3-4和内转子3-5。驱动电机I的转子与磁齿轮电机内转子相连，磁齿轮电机I的外转子作为输出转子。

为提高系统功率密度，降低电机控制难度和机械复杂度，磁齿轮电机I及驱动电机I的转子均采用永磁转子。所述磁齿轮电机I拓扑结构如图3所示，包含第二定子3-1、第二绕组3-2、外转子3-3、主调制环3-4和内转子3-5，内转子采用表贴式永磁体，外转子在带动大转矩负载时为保证其机械强度，采用内嵌式永磁体，外转子铁轭采用一体化设计，并使用硅钢片叠压而成，既提高了机械强度，也降低了涡流损耗。

本发明根据端口功率流向分为三种工作模式，单电机驱动模式、双电机驱动模式和制动模式。

（1）单电机驱动模式，分为两种情况。由驱动电机I或磁齿轮电机I单独驱动，当驱动电机I驱动时，功率由驱动电机I的电枢绕组流入，经过磁齿轮电机I的内转子和调制环，由磁齿轮电机I的外转子流出，磁齿轮电机I的绕组部参与功率传输。由磁齿轮电机I单独驱动时，功率由磁齿轮电机绕组流入，磁齿轮电机外转子流出，驱动电机I和磁齿轮电机I的内转子不参与功率传输。这种驱动模式适用于轻载时和单电机故障的情况，当负载过大超出单电机驱动能力时应采用双电机驱动模式。

（2）双电机驱动模式，适用于单电机驱动模式无法正常工作的极端场合，功率由磁齿轮电机I和驱动电机I的绕组流入，磁齿轮电机I的外转子流出，并联的功率流可以提高外转子的转矩输出能力。这种驱动模式适用于重载及负载高度不确定性的场合，有效缓解了单电机过载电流过大的情况，使得两台电机尽可能工作在最佳效率点附近，提升系统总效率。

（3）制动模式，适用于减速或刹车制动的情况，功率由负载端流入，通过绕组回馈到电源，该模式适用于车辆下坡制动、减速、刹车等情况，根据车辆工况计算出所需制动力，所需制动力较小时由磁齿轮电机I提供制动转矩，所需制动力较大时为驱动电机I输入负的q轴电流，提供额外的制动转矩。

基于上述结构与工作模式，本发明所述系统输出转矩计算公式为： T _o= T _e* G _r+ T _M1* G _r， T _o为磁齿轮电机I外转子输出转矩， T _e为磁齿轮电机I电枢绕组提供的电磁转矩， G _r为磁齿轮电机I的调制比，即低速转子极对数 p _o与高速转子极对数 p _i之比， T _M1为驱动电机I传递给磁齿轮电机I内转子的转矩， T _M1的计算公式为 T _M1= T _Magsin( θ _M)，其中 T _Mag为磁齿轮电机I内、外转子最大永磁转矩， θ _M为磁齿轮电机I内外转子磁链相位差，计算方法为 θ _M= θ _o- θ _i， θ _o为外转子电角位置， θ _i为内转子电角位置，故输出转矩计算公式可扩展为 T _o= T _e* G _r+ T _Magsin( θ _o- θ _i)* G _r，当两个电机共同驱动时，磁齿轮电机I的外转子永磁磁链滞后于磁齿轮电机I的内转子永磁磁链及定子磁链。

系统软件结构如图2所示，控制方法为：磁齿轮电机I工作在转速控制模式，采用外转子磁链定向控制带动负载在用户设定的转速下旋转；驱动电机I工作在转矩驱动模式，通过控制器计算出需要补偿的转矩值并将转矩控制信号输入进驱动电机I的控制器中，由驱动电机I的转子输出转矩并施加到磁齿轮电机I内转子，并经过主调制环的磁场调制作用将转矩扩大 G _r倍施加到磁齿轮电机I外转子，提高输出轴的带载能力。在磁齿轮电机I单独驱动时，驱动电机I绕组不通电流，转子随着磁齿轮电机I 的内转子旋转，此时驱动电机I不参与功率传输；当驱动电机I单独驱动时，磁齿轮电机I的绕组不通电流，不参与功率传输，驱动电机I由转矩控制转变为转速控制。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims

1.一种双电机驱动系统，其特征在于，包括驱动电机I，驱动电机I的转子连接有编码器I，编码器I连接有磁齿轮电机I的内转子；磁齿轮电机I 的外转子连接有编码器II；磁齿轮电机I工作在转速控制模式，驱动电机I工作在转矩控制模式；驱动电机I的最大转速大于双电机驱动系统的输出轴最大转速的Gr倍，最大转矩大于系统所需驱动转矩的1/Gr倍，Gr为磁齿轮电机I的调制比，即外转子永磁体极对数po与内转子永磁体极对数pi之比。

2.如权利要求1所述的双电机驱动系统，其特征在于，所述转子外为第一定子及第一绕组。

3.如权利要求1所述的双电机驱动系统，其特征在于，所述内转子外为主调制环，所述主调制环外为外转子，外转子外周为第二定子及第二绕组。

4.如权利要求3所述的双电机驱动系统，其特征在于，所述内转子采用表贴式永磁体，所述外转子采用内嵌式永磁体。

5.如权利要求3所述的双电机驱动系统，其特征在于，所述外转子的铁轭使用硅钢片叠压而成。

6.一种权利要求1-5任一所述双电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：磁齿轮电机I工作在转速模式，采用外转子磁链定向控制带动负载在给定转速下旋转；驱动电机I工作在转矩驱动模式，通过控制器计算出需要补偿的转矩值并将转矩控制信号输入进驱动电机I控制器中，由驱动电机I的转子输出转矩并施加到磁齿轮电机I内转子，并经过主调制环的磁场调制作用将转矩扩大Gr倍施加到磁齿轮电机I外转子，提高输出轴的带载能力；在磁齿轮电机I单独驱动时，驱动电机I绕组不通电流，转子随着磁齿轮电机I 的内转子旋转，不发生功率交换；当驱动电机I单独驱动时，磁齿轮电机I的绕组不通电流，不参与功率传输，驱动电机I由转矩控制转变为转速控制。

7.如权利要求6所述双电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括如下三种驱动模式：

一、单电机驱动模式：

二、双电机驱动模式：

三、制动模式：

8.如权利要求6所述双电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述双电机驱动系统的输出转矩计算公式为：

T _o=T _e*G _r+T _M1*G _r，

其中，T _o为磁齿轮电机I外转子输出转矩，T _e为磁齿轮电机I电枢绕组提供的电磁转矩，G _r为磁齿轮电机I的调制比，T _M1为驱动电机I传递给磁齿轮电机I内转子的转矩；

T _e= 1.5p _o ψ ^’ _out i _q

T _M1= T _Magsin(θ _M)

其中，ψ ^’ _out表示外转子永磁磁链，i _q表示q轴电流； T _Mag为磁齿轮电机I内、外转子最大永磁转矩，θ _M为磁齿轮电机I内外转子磁链相位差，θ _M=θ _o-θ _i，θ _o为外转子电角位置，θ _i为内转子电角位置，故输出转矩计算公式为：

T _o=T _e*G _r+ T _Magsin(θ _o-θ _i)*G _r，当驱动电机I和磁齿轮电机I共同驱动时，磁齿轮电机I的外转子永磁磁链滞后于磁齿轮电机I的内转子永磁磁链及定子磁链。