CN104506016A

CN104506016A - 永磁式转差离合器及控制方法

Info

Publication number: CN104506016A
Application number: CN201410843043.6A
Authority: CN
Inventors: 唐斌; 江浩斌; 耿国庆; 夏磊; 尧骏; 赵回; 邵凯
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN104506016B

Abstract

本发明涉及一种永磁式转差离合器及控制方法。永磁式转差离合器包括外转子、内转子、三相绕组电刷、能量回收装置和控制器；能量回收装置回收产生于三相绕组中的转差损耗，可外接其他电器设备；控制器控制能量回收装置中各MOS管的通断。控制方法是以协调永磁式转差离合器的调速性能和回收性能为目标控制各信号的输出。本发明提高了转差离合器的功率密度，减小了输出轴的转动惯量，提高了响应性，提高了效率；提出的控制方法提高了回收装置的功率因数，减小了转差离合器的转矩波动，增强了永磁转差离合器的输出转速特性。

Description

永磁式转差离合器及控制方法

技术领域

本发明涉及动力传动领域，具体涉及一种永磁式转差离合器及控制方法。

背景技术

电磁转差离合器(Electromagnetic Slipping Clutch，简称为EMSC)，也称为电磁滑差离合器，以其结构紧凑、无机械磨损、控制方便、电流小、可实现无级变速等优点得到广泛使用，尤其在有些电力源无法应用的场合，如工程机械、汽车、船舶等领域。

EMSC主要由外转子和内转子构成，一般外转子为电枢，内转子为励磁绕组。当原动机带动内转子转动时，励磁绕组所形成的磁场在电枢中感应出电动势，产生涡流，涡流在磁场的作用下产生力矩带动外转子转动，外转子中的涡流形成的损耗最终以热能的形式耗散，转差越高，无功损耗越大，效率越低。另外励磁绕组需要励磁电流，因此还存在励磁损耗。ESC的输出转速通过励磁绕组中的电流来调节，一定负载下励磁电流越大转速越高，然而ESC自身的机械特性较软，一般使用时采用闭环控制。

由于新型永磁材料钕铁硼具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积等特点，电机领域广泛采用永磁电机取代励磁电机。同理，如果将EMSC中的励磁绕组用永磁体取代，构成永磁式转差离合器(Permanent-magnetic Slipping Clutch，简称为PMSC)，将有利于提高EMSC的功率密度，减小输出轴的转动惯量，提高响应性；另外，PMSC无需励磁绕组、电刷、滑环等结构，使得整体结构简单，提高了运行的可靠性；PMSC不存在励磁损耗，并且不存在电刷与滑环间的摩擦损耗，提高了效率。但是，由于励磁磁场不可调，PMSC的控制变得困难。

发明内容

针对电磁转差离合器的功率密度低、无功损耗大等问题，本发明提出一种永磁式转差离合器，为了解决永磁式转差离合器控制难的问题，本发明提出了相应的控制方法。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种永磁式转差离合器，包括外转子、内转子、三相绕组电刷、能量回收装置和控制器；其中外转子包含铁芯、三相绕组，外转子铁芯设有T型齿和齿槽，三相绕组采用双层短距、分布式绕组，外转子的转轴通过轴承支撑于转差离合器的底座；内转子包含铁芯和永磁体，永磁体贴在内转子铁芯表面，永磁体采用径向充磁，形成N极和S极相互交替的磁极，内转子的转轴通过轴承支撑于外转子转轴的内部；三相绕组引出线与三相绕组电刷相连；三相绕组电刷与能量回收装置连接，能量回收装置用于回收产生于三相绕组中的转差损耗，能量回收装置外接其他电器设备；能量回收装置与控制器相连，控制器根据三相绕组的相电动势、相电流和能量回收装置输出端电压控制能量回收装置中各MOS管的通断。

进一步地，上述能量回收装置包括滤波电感、三相整流桥、滤波电容、电压调节电路和超级电容；其中三相整流桥与三相绕组电刷之间每一相都串联有滤波电感，滤波电感与三相绕组电刷之间每相分别通过电压传感器相连；三相整流桥由MOS管组成，三相整流桥与滤波电感每相分别通过电流传感器相连；滤波电容并联于三相整流桥的直流输出端和地之间，滤波电容和电压调节电路之间接有电压传感器，用于测量三相整流桥输出的直流电压；超级电容与电压调节电路并联；电压调节电路用于调节超级电容的充电电压，当三相整流桥的输出电压高于超级电容的额定电压时，电压调节电路起降压作用，当三相整流桥的输出电压低于超级电容实时的端电压时，电压调节电路起升压作用。

进一步地，上述控制器包括电源电路、信号调理模块、单片机和驱动模块，其中电源电路产生控制器各模块所需的电压；信号调理模块接收来自三相绕组的三相电动势、三相绕组的三相电流、能量回收装置输出的直流电压和电源输出端电压，并对信号进行滤波和电平转换；单片机根据调理后的输入信号及设定的控制策略运算出输出信号；驱动模块用于输出各MOS管的栅极驱动信号。

进一步地，上述电压调节电路包括MOS管T7、二极管D1、电感L1、MOS管T8、二极管D2；其中MOS管T7的漏极与直流输出端相连，源极与电感L1的一端相连，二极管D1反向并联于MOS管T2的源极和地之间，电感L1的另一端与二极管D2的阳极相连，MOS管T8的漏极与二极管D2的阳极相连，源极连接于地；二极管D2的阴极为能量回收装置的电源输出端，电源输出端为控制器供电。

本发明还提出了一种永磁式转差离合器的控制方法，包括如下步骤：

1)三相电动势ea、eb、ec通过PLL锁相环模块计算出电角度θ，用于定坐标系到旋转坐标系的变换；

2)三相电动势ea、eb、ec通过Clark-Park变换得到旋转坐标系下的ed、eq，三相电流ia、ib、ic通过Clark-Park变换得到旋转坐标系下的id、iq；

3)计算旋转坐标系下整流桥的相电压ud和uq；

4)根据整流桥的相电压ud和uq，通过SVPWM模块后输出PWM信号：*PWM1、*PWM2、*PWM3，以及各PWM信号的逻辑反信号：/*PWM1、/*PWM2、/*PWM3；

5)根据Udc的值计算*PWM4信号的占空比D1和*PWM5信号的占空比D2；

6)根据占空比D1和D2分别输出*PWM4和*PWM5信号。

上述步骤3)中相电压ud和uq的计算过程如下：

3.1)设定id的期望值id*＝0；

3.2)转差离合器的输出转速的期望值n*和实际值n的差值经过PID运算后得到iq的期望值iq*；

3.3)通过下式可以得到旋转坐标系下整流桥的相电压ud和uq：

u_{d} = - (K_{P 1} + \frac{K_{I 1}}{s}) (i_{d}^{*} - i_{d}) + L {ωi}_{q} + e_{d}

u_{q} = - (K_{P 2} + \frac{K_{I 2}}{s}) (i_{q}^{*} - i_{q}) + L {ωi}_{d} + e_{q}

其中Kp1、Kp2为PI控制器的比例系数，KI1、KI2为积分系数，L为交流侧电感，ω为三相交流电角速度。

上述步骤5)中占空比D1、D2的计算方法如下：

5.1)当Udc<25V时，*PWM4信号的占空比D1恒为1，*PWM5信号的占空比D2用下式表示：

D_{2} = (K_{P 3} + \frac{K_{I 3}}{s} + K_{D 3}) (U_{d}^{*} - U_{d})

其中KP3为PID控制器的比例系数，KI3为积分系数，KD3为微分系数，U*d为电源输出端电压的期望值，Ud为电源输出端电压的实际值；

5.2)当Usc>＝25V时，*PWM5信号的占空比D2恒为0，*PWM4信号的占空比D1用下式表示：

D_{1} = (K_{P 4} + \frac{K_{I 4}}{s} + K_{D 4}) (U_{d}^{*} - U_{d})

其中KP4为PID控制器的比例系数，KI4为积分系数，KD4为微分系数。

与现有技术相比，本发明所获得的有益效果是：提高了转差离合器的功率密度，减小了输出轴的转动惯量，提高了响应性；永磁式转差离合器无需励磁绕组、电刷、滑环等结构，使得整体结构简单，提高了运行的可靠性；永磁式转差离合器不存在励磁损耗，并且不存在电刷与滑环间的摩擦损耗，提高了效率；能量回收装置对转差离合器的转差损耗进行回收，回收装置中的电压调节电路确保超级电容的充电电压不会高于额定值；提出的控制方法提高了回收装置的功率因数，减小了转差离合器的转矩波动，增强了永磁转差离合器的输出转速特性。

附图说明

图1为永磁式转差离合器的构成示意图。

图2为永磁式转差离合器的内、外转子径向剖面图。

图3为永磁式转差离合器的能量回收电路图。

图4为永磁式转差离合器的控制器框图。

图5为永磁式转差离合器控制方法的流程图。

图中：1-外转子 2-三相绕组 3-内转子磁极

4-内转子 5-三相绕组电刷 6-能量回收装置

7-控制器 011-外转子铁芯 041-内转子铁芯

042-永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

图1为永磁式转差离合器的构成示意图。永磁式转差离合器由外转子1、内转子4、三相绕组电刷5、能量回收装置6和控制器7组成。外转子1的转轴通过轴承支撑于转差离合器的底座，内转子4的转轴通过轴承支撑于外转子转轴的内部。三相绕组2引出线与三相绕组电刷5相连。内转子磁极3置于内转子4的表面，内转子磁极3形成的磁力线通过内转子4、外转子1的气隙与内、外转子的铁芯之间构成闭合回路。能量回收装置6与三相绕组电刷5连接，能量回收装置6用于回收产生于三相绕组2中的转差损耗，能量回收装置6可外接其他电器设备；控制器7与能量回收装置6相连，控制器7根据三相绕组2的相电动势、相电流和能量回收装置输出端电压控制能量回收装置6中各MOS管的通断。

图2为永磁式转差离合器的内、外转子径向剖面图。外转子1包含外转子铁芯011、三相绕组2(图中未画出)，外转子铁芯011上有36个T型齿、36个齿槽，三相绕组采用双层短距、分布式绕组；内转子4包含内转子铁芯041和永磁体042，6块瓦形永磁体贴在铁芯表面，永磁体采用径向充磁，形成3对N极和S极相互交替的磁极。

图3为永磁式转差离合器的能量回收装置电路图。能量回收装置主要包括滤波电感L、三相整流桥、滤波电容C1、电压调节电路和超级电容。三相整流桥与三相绕组电刷之间每一相都串联有滤波电感，滤波电感与三相绕组电刷之间每相分别通过电压传感器相连；三相整流桥与滤波电感每相分别通过电流传感器相连；三相整流桥由6个MOS管T1～T6组成；滤波电容并联于三相整流桥的直流输出端和地之间；滤波电容C1和电压调节电路之间接有电压传感器，用于测量三相整流桥输出的直流电压Udc；超级电容与电压调节电路并联，电压调节电路用于调节超级电容的充电电压，当三相整流桥的输出电压高于超级电容的额定电压时，电压调节电路起降压作用，当三相整流桥的输出电压低于超级电容实时的端电压时，电压调节电路起升压作用。

作为本发明的优选实施例，本发明中的电压调节电路包括MOS管T7、二极管D1、电感L1、MOS管T8、二极管D2，MOS管T7的漏极与直流输出端相连，源极与电感L1的一端相连，二极管D1反向并联于MOS管T2的源极和地之间，电感L1的另一端与二极管D2的阳极相连，MOS管T8的漏极与二极管D2的阳极相连，源极连接于地；二极管D2的阴极为能量回收装置的电源输出端；超级电容SC并联于电源输出端与地之间，电源输出端为控制器供电，另外电源输出端通过二极管D3与其他外接电器相连。

图4为永磁式转差离合器的控制器框图。控制器主要包括电源电路、信号调理模块、单片机、驱动模块，电源电路产生控制器各模块所需的电压，信号调理模块接收来自电磁转差离合器三相绕组的三相电动势ea、eb、ec，三相绕组的三相电流ia、ib、ic，能量回收装置三相整流桥输出的直流电压Udc，电源输出端电压Ud，并对信号进行滤波和电平转换；单片机根据调理后的输入信号及设定的控制策略运算出输出信号*PWM1～3、/*PWM1～3、*PWM4、*PWM5；驱动模块是各MOS管的栅极驱动电路，驱动模块用于输出各MOS管的栅极驱动信号PWM1～3、/PWM1～3、PWM4、PWM5。

图5为永磁式转差离合器控制方法的流程图。永磁式转差离合器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据三相电动势ea、eb、ec通过PLL锁相环模块计算出电角度θ，用于定坐标系到旋转坐标系的变换。

2)把三相电动势ea、eb、ec通过Clark-Park变换得到旋转坐标系下的ed、eq，把三相电流ia、ib、ic通过Clark-Park变换得到旋转坐标系下的id、iq。

3)设定id的期望值id*＝0，转差离合器的输出转速的期望值n*和实际值n的差值经过PID运算后得到iq的期望值iq*，通过下式可以得到旋转坐标系下整流桥的相电压ud和uq：

u_{d} = - (K_{P 1} + \frac{K_{I 1}}{s}) (i_{d}^{*} - i_{d}) + L {ωi}_{q} + e_{d}

u_{q} = - (K_{P 2} + \frac{K_{I 2}}{s}) (i_{q}^{*} - i_{q}) + L {ωi}_{d} + e_{q}

式中Kp1、Kp2为PI控制器的比例系数，KI1、KI2为积分系数，L为交流侧电感，ω为三相交流电角速度。

4)将整流桥的相电压ud和uq送入SVPWM模块后输出PWM信号：*PWM1、*PWM2、*PWM3即*PWM1～3，以及各PWM信号的逻辑反信号：/*PWM1、/*PWM2、/*PWM3即/*PWM1～3。

5)根据Udc的值计算*PWM4信号的占空比D1和*PWM5信号的占空比D2。

当Udc<25V时，*PWM4信号的占空比D1恒为1，*PWM5信号的占空比D2用下式表示：

D_{2} = (K_{P 3} + \frac{K_{I 3}}{s} + K_{D 3}) (U_{d}^{*} - U_{d})

式中KP3为PID控制器的比例系数，KI3为积分系数，KD3为微分系数，U*d为电源输出端电压的期望值，Ud为电源输出端电压的实际值。

当Usc>＝25V时，*PWM5信号的占空比D2恒为0，*PWM4信号的占空比D1用下式表示：

D_{1} = (K_{P 4} + \frac{K_{I 4}}{s} + K_{D 4}) (U_{d}^{*} - U_{d})

式中KP4为PID控制器的比例系数，KI4为积分系数，KD4为微分系数。

6)根据占空比D1和D2分别输出*PWM4和*PWM5信号。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种永磁式转差离合器，其特征在于：包括外转子、内转子、三相绕组电刷、能量回收装置和控制器；所述外转子包含铁芯、三相绕组，外转子铁芯设有T型齿和齿槽，三相绕组采用双层短距、分布式绕组，所述外转子的转轴通过轴承支撑于转差离合器的底座；所述内转子包含铁芯和永磁体，所述永磁体贴在内转子铁芯表面，永磁体采用径向充磁，形成N极和S极相互交替的磁极，所述内转子的转轴通过轴承支撑于外转子转轴的内部；所述三相绕组引出线与三相绕组电刷相连；所述三相绕组电刷与能量回收装置连接，所述能量回收装置用于回收产生于三相绕组中的转差损耗，能量回收装置外接其他电器设备；所述能量回收装置与控制器相连，所述控制器根据三相绕组的相电动势、相电流和能量回收装置输出端电压控制能量回收装置中各MOS管的通断。

2.如权利要求1所述的永磁式转差离合器，其特征在于：所述能量回收装置包括滤波电感、三相整流桥、滤波电容、电压调节电路和超级电容；所述三相整流桥与三相绕组电刷之间每一相都串联有滤波电感，所述滤波电感与三相绕组电刷之间每相分别通过电压传感器相连；所述三相整流桥由MOS管组成，三相整流桥与滤波电感每相分别通过电流传感器相连；所述滤波电容并联于三相整流桥的直流输出端和地之间，滤波电容和电压调节电路之间接有电压传感器，用于测量三相整流桥输出的直流电压；所述超级电容与电压调节电路并联；所述电压调节电路用于调节超级电容的充电电压，当三相整流桥的输出电压高于超级电容的额定电压时，电压调节电路起降压作用，当三相整流桥的输出电压低于超级电容实时的端电压时，电压调节电路起升压作用。

3.如权利要求1所述的永磁式转差离合器，其特征在于：所述控制器包括电源电路、信号调理模块、单片机和驱动模块，所述电源电路产生控制器各模块所需的电压；所述信号调理模块接收来自三相绕组的三相电动势、三相绕组的三相电流、能量回收装置输出的直流电压和电源输出端电压，并对信号进行滤波和电平转换；所述单片机根据调理后的输入信号及设定的控制策略运算出输出信号；所述驱动模块用于输出各MOS管的栅极驱动信号。

4.如权利要求2所述的永磁式转差离合器，其特征在于：所述电压调节电路包括MOS管T7、二极管D1、电感L1、MOS管T8、二极管D2；所述MOS管T7的漏极与直流输出端相连，源极与电感L1的一端相连，二极管D1反向并联于MOS管T2的源极和地之间，电感L1的另一端与二极管D2的阳极相连，MOS管T8的漏极与二极管D2的阳极相连，源极连接于地；二极管D2的阴极为能量回收装置的电源输出端，所述电源输出端为控制器供电。

5.一种永磁式转差离合器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

3)计算旋转坐标系下整流桥的相电压ud和uq；

5)根据Udc的值计算*PWM4信号的占空比D1和*PWM5信号的占空比D2；

6)根据占空比D1和D2分别输出*PWM4和*PWM5信号。

6.如权利要求5所述的永磁式转差离合器的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中相电压ud和uq的计算过程如下：

3.1)设定id的期望值id*＝0；

3.3)通过下式可以得到旋转坐标系下整流桥的相电压ud和uq：

u_{d} = - (K_{P 1} + \frac{K_{I 1}}{s}) (i_{d}^{*} - i_{d}) + {Lωi}_{q} + e_{d}

u_{q} = - (K_{P 2} + \frac{K_{I 2}}{s}) (i_{q}^{*} - i_{q}) + {Lωi}_{d} + e_{d}

其中Kp1、Kp2为PI控制器的比例系数，KI 1、KI2为积分系数，L为交流侧电感，ω为三相交流电角速度。

7.如权利要求5所述的永磁式转差离合器的控制方法，其特征在于所述步骤5)中占空比D1、D2的计算方法如下：

D_{2} = (K_{P 3} + \frac{K_{I 3}}{s} + K_{D 3}) (U_{d}^{*} - U_{d})

D_{1} = (K_{P 4} + \frac{K_{I 4}}{s} + K_{D 4}) (U_{d}^{*} - U_{d})