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专利号: 2019104186318
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种外部激励引起的永磁半直驱式传动轴系扭振控制方法,其特征是:传动轴系扭振控制方法,具体步骤如下:S1:建立大功率永磁电机驱动的半直驱主传动轴的机电耦合动力学模型,获取系统的动态信息:根据拉格朗日—麦克斯韦原理,对主传动系统进行全局机电耦合动力学分析,得到大功率永磁电机驱动的半直驱主传动轴的机电耦合动力学模型;

S2:利用多尺度法对机电耦合动力学模型进行分析,得到机电耦合系统参数变化与系统扭振之间的关系:对不加入时滞的机电耦合动力学模型利用多尺度法进行动力学分析,在考虑主共振的情况下得到系统极坐标形式下的频响函数,得出永磁半直驱截割部机电耦合传动系统中轴刚度系数、阻尼系数对系统扭振的影响;

S3:在参数变化时确定系统的稳定性:

确定S2步骤中主传动轴刚度系数、阻尼系数、永磁电机的安匝数、永磁体厚度的稳定域,并得出主传动轴刚度系数、阻尼系数、永磁电机的安匝数、永磁体厚度在稳定域内对系统扭振影响最小的点;

S4:构建时滞反馈控制器:

根据S3步骤中得到的各种参数构建时滞反馈控制器,对低速大扭矩永磁同步电机的控制信号进行调整;

S5:根据仿真效果调节机电耦合系统中的各种参数:

在MATLAB/SIMULINK中搭建低速大扭矩永磁同步电机驱动的半直驱式传动轴系仿真模型,并在仿真模型中代入设计参数验证设计的有效性;同时与上一步骤相结合调节时滞反馈控制器的时滞参数、电气参数和机械参数;

S6:设计结束。

2.根据权利要求1所述的一种外部激励引起的永磁半直驱式传动轴系扭振控制方法,其特征是:所述的步骤S1:对大功率永磁同步电机内部磁场进行分析,得到永磁同步电机的电磁扭矩;然后根据拉格朗日—麦克斯韦原理,对主传动系统进行全局机电耦合动力学分析,得到大功率永磁电机驱动的半直驱主传动轴的机电耦合动力学模型,最后加入时滞反馈构成最后的控制系统动力学模型:其中:J1、J2分别为永磁同步电机和截割滚筒的转动惯量;K、C分别为半直驱主传动轴的扭转刚度和阻尼系数;θ1、θ2分别表示永磁同步电机输出轴转角和截割滚筒转角,Ce表示永磁同步电机内部的旋转阻尼;δ表示为主传动轴扭转刚度的非线性系数;k1、k2、k3分别表示为永磁同步电机输出扭矩的一次项、二次项和三次项系数;F、ω分别为负载的幅值和相位;

对式(1)进行无量纲化,得到主传动系统无量纲动力学方程:

其中, x1=θ1,x2=θ2,其余参数由式(1)中的参数推导而出。

3.根据权利要求1所述的一种外部激励引起的永磁半直驱式传动轴系扭振控制方法,其特征是:所述的步骤S2:为了便于分析各参数对系统扭振的影响,设方程的解为:然后对动力学方程进行摄动分析,得出在极坐标系下的频率响应函数,利用式(4)将其转化到笛卡尔坐标系下:其中,r1、r2为平衡解一阶近似的幅值, 为平衡解一阶近似的相位,

引入调谐参数σ1、σ2来表示内共振频率和外激励频率,得到笛卡尔坐标系下的频响函数;

4.根据权利要求3所述的一种外部激励引起的永磁半直驱式传动轴系扭振控制方法,其特征是:所述的频响函数(5)中包括整个系统中的各个参数,根据频响函数得出,机电耦合传动系统中的主传动轴刚度系数、阻尼系数和永磁同步电机中的功率因数角、安匝数物理量对系统扭振的影响;通过主传动系统的频率响应方程获取系统的Jacobian矩阵,并计算器Hurwitz行列式;当频响函数受到小扰动Δp的影响,Jacobian矩阵和小扰动之间的关系为:[Δp′1,Δp′2,Δp′3,Δp′4]T=[J][Δp1,Δp2,Δp3,Δp4]    (6)根据Jacobian矩阵,平衡解所对应的特征方程可以表示为:

λ4+δ1λ3+δ2λ2+δ3λ+δ4=0       (7)

其中,δ1、δ2、δ3和δ4由Jacobian矩阵推导而出;根据Jacobian矩阵和Hurwitz行列式可判断系统的稳定性条件为:2

δ1>0,δ1δ2-δ3>0,δ3(δ1δ2-δ3)-δ1δ4>0,δ4>0         (8)得到各物理量对应的振动幅值和相位,并可判断其稳定性;得出主传动轴刚度系数、阻尼系数机械和电气参数的稳定域;得出某一参数的稳定域内,系统振动最小的点;得出永磁同步电机和主传动轴各参数的设计范围。

5.根据权利要求1所述的一种外部激励引起的永磁半直驱式传动轴系扭振控制方法,其特征是:所述的步骤S4:重复步骤S3得到含时滞参数的频响函数及其稳定性,根据频响函数和稳定性要求得出时滞参数的有效设计范围;在永磁同步电机PI调节器的基础上,构建时滞反馈控制器;

将电机的速度信号延迟τ时间,然后将原速度ω与延时速度ωτ做差值ω-ωτ,在乘以比例系数k,将k(ω-ωτ)作为调节信号与正常速度信号一起输入到PI调节器中作为指令信号。

6.根据权利要求1所述的一种外部激励引起的永磁半直驱式传动轴系扭振控制方法,其特征是:所述的步骤S5:当仿真结果中的电机输出转速与理论分析中的结果一致,且满足系统稳定性要求,即永磁同步电机的转速趋于平缓,则输出系统中各参数的设计范围。