永磁式轉(zhuǎn)差離合器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種永磁式轉(zhuǎn)差離合器及控制方法。永磁式轉(zhuǎn)差離合器包括外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子、三相繞組電刷、能量回收裝置和控制器；能量回收裝置回收產(chǎn)生于三相繞組中的轉(zhuǎn)差損耗，可外接其他電器設(shè)備；控制器控制能量回收裝置中各MOS管的通斷。控制方法是以協(xié)調(diào)永磁式轉(zhuǎn)差離合器的調(diào)速性能和回收性能為目標(biāo)控制各信號(hào)的輸出。本發(fā)明提高了轉(zhuǎn)差離合器的功率密度，減小了輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高了響應(yīng)性，提高了效率；提出的控制方法提高了回收裝置的功率因數(shù)，減小了轉(zhuǎn)差離合器的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，增強(qiáng)了永磁轉(zhuǎn)差離合器的輸出轉(zhuǎn)速特性。
【專利說明】永磁式轉(zhuǎn)差離合器及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及動(dòng)力傳動(dòng)領(lǐng)域，具體涉及一種永磁式轉(zhuǎn)差離合器及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電磁轉(zhuǎn)差離合器（Electromagnetic Slipping Clutch,簡(jiǎn)稱為EMSC)，也稱為電磁 滑差離合器，以其結(jié)構(gòu)緊湊、無機(jī)械磨損、控制方便、電流小、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)得到廣 泛使用，尤其在有些電力源無法應(yīng)用的場(chǎng)合，如工程機(jī)械、汽車、船舶等領(lǐng)域。
[0003] EMSC主要由外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成，一般外轉(zhuǎn)子為電樞，內(nèi)轉(zhuǎn)子為勵(lì)磁繞組。當(dāng)原 動(dòng)機(jī)帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組所形成的磁場(chǎng)在電樞中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生渦流，渦流在 磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生力矩帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，外轉(zhuǎn)子中的渦流形成的損耗最終以熱能的形式耗 散，轉(zhuǎn)差越高，無功損耗越大，效率越低。另外勵(lì)磁繞組需要?jiǎng)?lì)磁電流，因此還存在勵(lì)磁損 耗。ESC的輸出轉(zhuǎn)速通過勵(lì)磁繞組中的電流來調(diào)節(jié),一定負(fù)載下勵(lì)磁電流越大轉(zhuǎn)速越高，然 而ESC自身的機(jī)械特性較軟，一般使用時(shí)采用閉環(huán)控制。
[0004] 由于新型永磁材料欽鐵砸具有1?剩磁密度、1?矯頑力和1?磁能積等特點(diǎn)，電機(jī)領(lǐng) 域廣泛采用永磁電機(jī)取代勵(lì)磁電機(jī)。同理，如果將EMSC中的勵(lì)磁繞組用永磁體取代，構(gòu)成 永磁式轉(zhuǎn)差離合器（Permanent-magnetic Slipping Clutch,簡(jiǎn)稱為PMSC)，將有利于提高 EMSC的功率密度，減小輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高響應(yīng)性；另外，PMSC無需勵(lì)磁繞組、電刷、滑 環(huán)等結(jié)構(gòu)，使得整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了運(yùn)行的可靠性；PMSC不存在勵(lì)磁損耗，并且不存在電 刷與滑環(huán)間的摩擦損耗，提高了效率。但是，由于勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)，PMSC的控制變得困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)電磁轉(zhuǎn)差離合器的功率密度低、無功損耗大等問題，本發(fā)明提出一種永磁式 轉(zhuǎn)差離合器，為了解決永磁式轉(zhuǎn)差離合器控制難的問題，本發(fā)明提出了相應(yīng)的控制方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：一種永磁式轉(zhuǎn)差離合器，包括外轉(zhuǎn) 子、內(nèi)轉(zhuǎn)子、三相繞組電刷、能量回收裝置和控制器；其中外轉(zhuǎn)子包含鐵芯、三相繞組，外轉(zhuǎn) 子鐵芯設(shè)有T型齒和齒槽，三相繞組采用雙層短距、分布式繞組，外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸通過軸承支 撐于轉(zhuǎn)差離合器的底座；內(nèi)轉(zhuǎn)子包含鐵芯和永磁體，永磁體貼在內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵芯表面，永磁體采 用徑向充磁，形成N極和S極相互交替的磁極，內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸通過軸承支撐于外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的 內(nèi)部；三相繞組引出線與三相繞組電刷相連；三相繞組電刷與能量回收裝置連接，能量回 收裝置用于回收產(chǎn)生于三相繞組中的轉(zhuǎn)差損耗，能量回收裝置外接其他電器設(shè)備；能量回 收裝置與控制器相連，控制器根據(jù)三相繞組的相電動(dòng)勢(shì)、相電流和能量回收裝置輸出端電 壓控制能量回收裝置中各M0S管的通斷。
[0007] 進(jìn)一步地，上述能量回收裝置包括濾波電感、三相整流橋、濾波電容、電壓調(diào)節(jié)電 路和超級(jí)電容；其中三相整流橋與三相繞組電刷之間每一相都串聯(lián)有濾波電感，濾波電感 與三相繞組電刷之間每相分別通過電壓傳感器相連；三相整流橋由M0S管組成，三相整流 橋與濾波電感每相分別通過電流傳感器相連；濾波電容并聯(lián)于三相整流橋的直流輸出端和 地之間，濾波電容和電壓調(diào)節(jié)電路之間接有電壓傳感器，用于測(cè)量三相整流橋輸出的直流 電壓；超級(jí)電容與電壓調(diào)節(jié)電路并聯(lián)；電壓調(diào)節(jié)電路用于調(diào)節(jié)超級(jí)電容的充電電壓，當(dāng)三 相整流橋的輸出電壓高于超級(jí)電容的額定電壓時(shí)，電壓調(diào)節(jié)電路起降壓作用，當(dāng)三相整流 橋的輸出電壓低于超級(jí)電容實(shí)時(shí)的端電壓時(shí)，電壓調(diào)節(jié)電路起升壓作用。
[0008] 進(jìn)一步地，上述控制器包括電源電路、信號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊，其中電 源電路產(chǎn)生控制器各模塊所需的電壓；信號(hào)調(diào)理模塊接收來自三相繞組的三相電動(dòng)勢(shì)、三 相繞組的三相電流、能量回收裝置輸出的直流電壓和電源輸出端電壓，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波 和電平轉(zhuǎn)換；單片機(jī)根據(jù)調(diào)理后的輸入信號(hào)及設(shè)定的控制策略運(yùn)算出輸出信號(hào)；驅(qū)動(dòng)模塊 用于輸出各M0S管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0009] 進(jìn)一步地，上述電壓調(diào)節(jié)電路包括M0S管17、二極管D1、電感LI、M0S管T8、二極 管D2 ;其中M0S管17的漏極與直流輸出端相連，源極與電感L1的一端相連，二極管D1反 向并聯(lián)于M0S管T2的源極和地之間，電感L1的另一端與二極管D2的陽極相連，M0S管T8 的漏極與二極管D2的陽極相連，源極連接于地；二極管D2的陰極為能量回收裝置的電源輸 出端，電源輸出端為控制器供電。
[0010] 本發(fā)明還提出了一種永磁式轉(zhuǎn)差離合器的控制方法，包括如下步驟：
[0011] 1)三相電動(dòng)勢(shì)ea、eb、ec通過PLL鎖相環(huán)模塊計(jì)算出電角度0，用于定坐標(biāo)系到 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換；
[0012] 2)三相電動(dòng)勢(shì)ea、eb、ec通過Clark-Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的ed、eq，三相 電流ia、ib、ic通過Clark-Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的id、iq ;
[0013] 3)計(jì)算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下整流橋的相電壓ud和uq ;
[0014] 4)根據(jù)整流橋的相電壓ud和uq，通過SVPWM模塊后輸出PWM信號(hào)：*PWM1、*PWM2、 *PWM3,以及各PWM信號(hào)的邏輯反信號(hào)：/*PWMl、/*PWM2、/*PWM3 ;
[0015] 5)根據(jù)Udc的值計(jì)算*PWM4信號(hào)的占空比D1和*PWM5信號(hào)的占空比D2 ;
[0016] 6)根據(jù)占空比D1和D2分別輸出*PWM4和*PWM5信號(hào)。
[0017] 上述步驟3)中相電壓ud和uq的計(jì)算過程如下：
[0018] 3. 1)設(shè)定id的期望值id* = 0 ;
[0019] 3. 2)轉(zhuǎn)差離合器的輸出轉(zhuǎn)速的期望值n*和實(shí)際值n的差值經(jīng)過PID運(yùn)算后得到 iq的期望值iq* ;
[0020] 3. 3)通過下式可以得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下整流橋的相電壓ud和uq :

【權(quán)利要求】
1. 一種永磁式轉(zhuǎn)差離合器，其特征在于：包括外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子、三相繞組電刷、能量回 收裝置和控制器；所述外轉(zhuǎn)子包含鐵芯、三相繞組，外轉(zhuǎn)子鐵芯設(shè)有T型齒和齒槽，三相繞 組采用雙層短距、分布式繞組，所述外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸通過軸承支撐于轉(zhuǎn)差離合器的底座；所述 內(nèi)轉(zhuǎn)子包含鐵芯和永磁體，所述永磁體貼在內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵芯表面，永磁體采用徑向充磁，形成N 極和S極相互交替的磁極，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸通過軸承支撐于外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部；所述三 相繞組引出線與三相繞組電刷相連；所述三相繞組電刷與能量回收裝置連接，所述能量回 收裝置用于回收產(chǎn)生于三相繞組中的轉(zhuǎn)差損耗，能量回收裝置外接其他電器設(shè)備；所述能 量回收裝置與控制器相連，所述控制器根據(jù)三相繞組的相電動(dòng)勢(shì)、相電流和能量回收裝置 輸出端電壓控制能量回收裝置中各MOS管的通斷。
2. 如權(quán)利要求1所述的永磁式轉(zhuǎn)差離合器，其特征在于：所述能量回收裝置包括濾波 電感、三相整流橋、濾波電容、電壓調(diào)節(jié)電路和超級(jí)電容；所述三相整流橋與三相繞組電刷 之間每一相都串聯(lián)有濾波電感，所述濾波電感與三相繞組電刷之間每相分別通過電壓傳感 器相連；所述三相整流橋由MOS管組成，三相整流橋與濾波電感每相分別通過電流傳感器 相連；所述濾波電容并聯(lián)于三相整流橋的直流輸出端和地之間，濾波電容和電壓調(diào)節(jié)電路 之間接有電壓傳感器，用于測(cè)量三相整流橋輸出的直流電壓；所述超級(jí)電容與電壓調(diào)節(jié)電 路并聯(lián)；所述電壓調(diào)節(jié)電路用于調(diào)節(jié)超級(jí)電容的充電電壓，當(dāng)三相整流橋的輸出電壓高于 超級(jí)電容的額定電壓時(shí)，電壓調(diào)節(jié)電路起降壓作用，當(dāng)三相整流橋的輸出電壓低于超級(jí)電 容實(shí)時(shí)的端電壓時(shí)，電壓調(diào)節(jié)電路起升壓作用。
3. 如權(quán)利要求1所述的永磁式轉(zhuǎn)差離合器，其特征在于：所述控制器包括電源電路、信 號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊，所述電源電路產(chǎn)生控制器各模塊所需的電壓；所述信號(hào)調(diào) 理模塊接收來自三相繞組的三相電動(dòng)勢(shì)、三相繞組的三相電流、能量回收裝置輸出的直流 電壓和電源輸出端電壓，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和電平轉(zhuǎn)換；所述單片機(jī)根據(jù)調(diào)理后的輸入信 號(hào)及設(shè)定的控制策略運(yùn)算出輸出信號(hào)；所述驅(qū)動(dòng)模塊用于輸出各MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
4. 如權(quán)利要求2所述的永磁式轉(zhuǎn)差離合器，其特征在于：所述電壓調(diào)節(jié)電路包括MOS 管17、二極管D1、電感LUMOS管T8、二極管D2 ;所述MOS管17的漏極與直流輸出端相連， 源極與電感Ll的一端相連，二極管Dl反向并聯(lián)于MOS管T2的源極和地之間，電感Ll的另 一端與二極管D2的陽極相連，MOS管T8的漏極與二極管D2的陽極相連，源極連接于地；二 極管D2的陰極為能量回收裝置的電源輸出端，所述電源輸出端為控制器供電。
5. -種永磁式轉(zhuǎn)差離合器的控制方法，其特征在于包括如下步驟： 1) 三相電動(dòng)勢(shì)ea、eb、ec通過PLL鎖相環(huán)模塊計(jì)算出電角度0，用于定坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系的變換； 2) 三相電動(dòng)勢(shì)ea、eb、ec通過Clark-Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的ed、eq，三相電流 ia、ib、ic通過Clark-Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的id、iq; 3) 計(jì)算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下整流橋的相電壓ud和uq; 4) 根據(jù)整流橋的相電壓ud和uq，通過SVPWM模塊后輸出PWM信號(hào)：*PWM1、*PWM2、 *PWM3,以及各PWM信號(hào)的邏輯反信號(hào)：/*PWMl、/*PWM2、/*PWM3 ; 5) 根據(jù)Udc的值計(jì)算*PWM4信號(hào)的占空比Dl和*PWM5信號(hào)的占空比D2 ; 6) 根據(jù)占空比Dl和D2分別輸出*PWM4和*PWM5信號(hào)。
6. 如權(quán)利要求5所述的永磁式轉(zhuǎn)差離合器的控制方法，其特征在于：所述步驟3)中相 電壓ud和uq的計(jì)算過程如下： 3. 1)設(shè)定id的期望值id* =O; 3. 2)轉(zhuǎn)差離合器的輸出轉(zhuǎn)速的期望值n*和實(shí)際值n的差值經(jīng)過PID運(yùn)算后得到iq的 期望值iq* ; 3. 3)通過下式可以得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下整流橋的相電壓ud和uq:
其中Kpl、Kp2為PI控制器的比例系數(shù)，KI1、KI2為積分系數(shù)，L為交流側(cè)電感，《為 三相交流電角速度。
7.如權(quán)利要求5所述的永磁式轉(zhuǎn)差離合器的控制方法，其特征在于所述步驟5)中占空 比Dl、D2的計(jì)算方法如下： 5. 1)當(dāng)Udc〈25V時(shí)，*PWM4信號(hào)的占空比Dl恒為1，*PWM5信號(hào)的占空比D2用下式表 示：
其中KP3為PID控制器的比例系數(shù)，KI3為積分系數(shù)，KD3為微分系數(shù)，U*d為電源輸出 端電壓的期望值，Ud為電源輸出端電壓的實(shí)際值； 5. 2)當(dāng)Usc> = 25V時(shí)，*PWM5信號(hào)的占空比D2恒為0，*PWM4信號(hào)的占空比Dl用下式 表不：
其中KP4為PID控制器的比例系數(shù)，KI4為積分系數(shù)，KD4為微分系數(shù)。
【文檔編號(hào)】H02P21/14GK104506016SQ201410843043
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】唐斌, 江浩斌, 耿國慶, 夏磊, 堯駿, 趙回, 邵凱 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)