一種可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣容器，尤其涉及一種可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容器及其控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 慣容器是近年來提出的一種具有兩個(gè)端子的機(jī)械慣性元件，可將兩個(gè)端子輸入的 直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在機(jī)電比擬理論中，慣容器可以替代質(zhì)量塊的作用相似于電路 網(wǎng)絡(luò)綜合里的電容器，因而可以用電路網(wǎng)絡(luò)綜合的理論方法來指導(dǎo)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。慣容 器所模擬的"虛質(zhì)量"稱為慣質(zhì)系數(shù)，慣質(zhì)系數(shù)與慣容器真實(shí)質(zhì)量之比稱為慣質(zhì)比。目前， 人們已設(shè)計(jì)出了多種形式、結(jié)構(gòu)的慣容器，如齒輪齒條慣容器、滾珠絲杠慣容器以及液壓慣 容器等。這些慣容器其慣質(zhì)系數(shù)是通過飛輪質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)的，因此，其增大慣質(zhì)系數(shù)的辦法主 要有兩種，一種是增加飛輪的質(zhì)量，另一種是增加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的放大比例系數(shù)。增加放大比例 系數(shù)的方式如齒輪齒條慣容器可以增大齒輪傳動(dòng)比，滾珠絲杠慣容器可減小絲杠導(dǎo)程。這 兩種途徑都會(huì)增加慣容器自身的重量，因而不利于慣質(zhì)比的提高，并且增大傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放大 系數(shù)的方法也放大了慣容器的非線性因素，影響慣容器性能。最近提出了一種新穎的機(jī)電 慣容器，通過將機(jī)械慣容器中的飛輪換成電機(jī)，利用電機(jī)的發(fā)電和電動(dòng)效應(yīng)，在電機(jī)電樞中 串聯(lián)負(fù)阻抗變換器和大容值電容器的方法，有效提高了慣容器的慣質(zhì)系數(shù)和慣質(zhì)比。但是 這種機(jī)電慣容器的慣質(zhì)系數(shù)受到電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)的限制，不可能做得很大，同時(shí)負(fù)阻抗變換 器和電容器的質(zhì)量、體積等也會(huì)制約慣質(zhì)系數(shù)和慣質(zhì)比的進(jìn)一步提高；另一方面，這種機(jī)電 慣容器的慣質(zhì)系數(shù)由事先設(shè)計(jì)好的負(fù)阻抗變換器和電容值確定，不便于在線調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù) 并保持性能穩(wěn)定，能根據(jù)用戶工況在線調(diào)節(jié)慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容器及其控制方法。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī) 電慣容器，包括慣容器本體、電機(jī)和主動(dòng)控制系統(tǒng)，所述慣容器本體的輸入端設(shè)有用于檢測(cè) 輸入外力F的力傳感器，輸出端與所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接，所述電機(jī)的電樞電路中設(shè)有電流 傳感器，所述力傳感器和所述電流傳感器均接入所述主動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入端，主動(dòng)控制系 統(tǒng)的輸出端接入所述電樞電路，外力F使所述慣容器本體受到的外力轉(zhuǎn)矩為I；，主動(dòng)控制系 統(tǒng)根據(jù)所述力傳感器和所述電流傳感器的檢測(cè)結(jié)果以及目標(biāo)慣質(zhì)系數(shù)使所述電樞中產(chǎn)生 與外力轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向相反且大小成比例的目標(biāo)電磁轉(zhuǎn)矩1\。
[0005] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：
[0006] 所述慣容器本體包括絲杠、絲桿套筒和設(shè)于絲杠上的螺母，所述螺母與所述絲杠 套筒固定連接，所述力傳感器安裝于所述絲杠套筒上，所述轉(zhuǎn)子與絲杠遠(yuǎn)離所述絲杠套筒 的一端相連。
[0007] 所述主動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制器、斬波器以及為控制器和斬波器提供電能的電源， 所述力傳感器和所述電流傳感器均接入所述控制器的輸入端，控制器的輸出端經(jīng)所述斬波 器接入所述電樞電路。
[0008] 所述電機(jī)為永磁無刷直流電機(jī)。
[0009] -種上述可主動(dòng)控制慣質(zhì)比的機(jī)電慣容器的控制方法，包括以下步驟：
[0010] Sl :通過力傳感器檢測(cè)得到慣容器本體受到的外力F，并按照慣容器本體的傳動(dòng) 關(guān)系計(jì)算得到慣容器本體受到的外力轉(zhuǎn)矩1Y;
[0011] S2 :根據(jù)控制目標(biāo)I；= ;1\計(jì)算得到電樞產(chǎn)生目標(biāo)電磁轉(zhuǎn)矩1\所需要的目標(biāo)電 流Ie，其中，k為慣質(zhì)調(diào)節(jié)系數(shù)且0<k< 1 ;
[0012] S3 :通過電流傳感器檢測(cè)得到電樞中的實(shí)際電流I，將目標(biāo)電流Ie與實(shí)際電流I的 差值A(chǔ) I作為主動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量，并計(jì)算需要加在電樞上的控制電壓A u作為主動(dòng)控 制系統(tǒng)的輸出量；
[0013] S4 :主動(dòng)控制系統(tǒng)將控制電壓A u加載至電機(jī)的電樞電路上。
[0014] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：
[0015] 步驟S3中控制器根據(jù)PID算法由AI計(jì)算控制電壓AU，AI與Au的關(guān)系為： 趣=K pAI + AIdt + :Kd I,其中Kp、I、1為控制器（31)的控制參數(shù)。
[0016] 步驟S4中控制器通過控制斬波器將控制電壓A u加載到電樞電路上。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明的可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容 器，不再采用負(fù)阻抗變換器和電容器，從而避免了負(fù)阻抗變換器本身存在的不穩(wěn)定性因素、 大功率的負(fù)阻抗變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及大容值的電容具有較大的體積和質(zhì)量，不便于慣容 器整體設(shè)計(jì)和慣質(zhì)比的提高等不足，在慣容器本體的基礎(chǔ)上引入主動(dòng)控制系統(tǒng)，使得整套 裝置變得簡(jiǎn)潔輕巧、性能更穩(wěn)定，突破了電機(jī)電樞電路的電流受電容器容值和電樞感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)限制的瓶頸，能獲得更高的慣質(zhì)系數(shù)和慣質(zhì)比，還可根據(jù)用戶工況在線調(diào)節(jié)慣質(zhì)系數(shù)， 使得該機(jī)電慣容器在工程中應(yīng)用更加靈活。
[0018] 本發(fā)明的控制方法，步驟簡(jiǎn)要，可主動(dòng)對(duì)慣質(zhì)系數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，可大大提高機(jī)電 式慣容器的性能指標(biāo)并保持性能的穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明的控制方法的流程圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明的控制方法的原理框圖。
[0022] 圖4是本發(fā)明的控制方法的系統(tǒng)伯德圖。
[0023] 圖5是本發(fā)明的可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容器慣質(zhì)系數(shù)提高10倍的仿真結(jié) 果。
[0024] 圖6是本發(fā)明的可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容器慣質(zhì)系數(shù)提高100倍的仿真結(jié) 果。
[0025] 圖中各標(biāo)號(hào)表示：1、慣容器本體；11、絲杠；12、螺母；13、絲杠套筒；2、電機(jī)；21、 轉(zhuǎn)子；3、主動(dòng)控制系統(tǒng)；31、控制器；32、斬波器；33、電源；4、電流傳感器；5、力傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027] 如圖1所示，本實(shí)施例的可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容器，包括慣容器本體1、 電機(jī)2和主動(dòng)控制系統(tǒng)3,慣容器本體1的輸入端設(shè)有用于檢測(cè)輸入外力F的力傳感器5， 輸出端與電機(jī)2的轉(zhuǎn)子21連接，電機(jī)2的電樞電路中設(shè)有電流傳感器4,力傳感器5和電流 傳感器4均接入主動(dòng)控制系統(tǒng)3的輸入端，主動(dòng)控制系統(tǒng)3的輸出端接入電樞電路，外力F 使電機(jī)2受到的外力轉(zhuǎn)矩為I；，主動(dòng)控制系統(tǒng)3根據(jù)力傳感器5和電流傳感器4的檢測(cè)結(jié) 果以及目標(biāo)慣質(zhì)系數(shù)使電樞中產(chǎn)生與外力轉(zhuǎn)矩IV轉(zhuǎn)向相反且大小成比例的目標(biāo)電磁轉(zhuǎn)矩 !；，本實(shí)施例的可主動(dòng)控制慣質(zhì)比的機(jī)電慣容器，不再采用負(fù)阻抗變換器和電容器，從而避 免了負(fù)阻抗變換器本身存在的不穩(wěn)定性因素、大功率的負(fù)阻抗變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及大容 值的電容具有較大的體積和質(zhì)量，不便于慣容器整體設(shè)計(jì)和慣質(zhì)比的提高等不足，在慣容 器本體1的基礎(chǔ)上引入主動(dòng)控制系統(tǒng)3,使得整套裝置變得簡(jiǎn)潔輕巧、性能更穩(wěn)定，突破了 電機(jī)2電樞電路的電流受電容器容值和電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)限制的瓶頸，能獲得更高的慣質(zhì)系 數(shù)和慣質(zhì)比，可根據(jù)用戶工況在線調(diào)節(jié)慣質(zhì)系數(shù)，使得機(jī)電慣容器在工程中應(yīng)用更加靈活。
[0028] 本實(shí)施例中，主動(dòng)控制系統(tǒng)3包括控制器31、斬波器32以及為控制器31和斬波器 32提供電能的電源33,力傳感器5和電流傳感器4均接入控制器31的輸入端，控制器31 的輸出端經(jīng)斬波器32接入電樞電路。
[0029] 本實(shí)施例中，慣容器本體1包括絲杠11和設(shè)于絲杠11上的螺母12,螺母12上設(shè) 有絲杠套筒13,力傳感器5安裝于絲杠套筒13上，轉(zhuǎn)子21與絲杠11遠(yuǎn)離絲杠套筒13的一 端相連，在其他實(shí)施例中，慣容器本體1也可采用齒輪齒條慣容器等其他常規(guī)慣容器。
[0030] 本實(shí)施例中，電機(jī)2為永磁無刷直流電機(jī)，可以簡(jiǎn)化機(jī)電慣容器的整體結(jié)構(gòu)，減小 機(jī)電慣容器的實(shí)際質(zhì)量，有利于提高慣質(zhì)比。
[0031] 如圖2至圖6所示，本實(shí)施例的可主動(dòng)控制慣質(zhì)系數(shù)的機(jī)電慣容器的控制方法，包 括以下步驟：
[0032] Sl :通過力傳感器5檢測(cè)得到慣容器本體1受到的外力F，并按照慣容器本體1的 傳動(dòng)關(guān)系計(jì)算得到慣容器本體1受到的外力轉(zhuǎn)矩
[0033] S2 :根據(jù)控制目標(biāo)I；= _kl\計(jì)算得到電樞產(chǎn)生目標(biāo)電磁轉(zhuǎn)矩1\所需要的目標(biāo)電 流Ie，其中，k為慣質(zhì)調(diào)節(jié)系數(shù)且0<k< 1 ;
[0034] S3 :通過電流傳感器4檢測(cè)得到電樞中的實(shí)際電流I，將目標(biāo)電流L與實(shí)際電流I 的差值A(chǔ) I作為主動(dòng)控制系統(tǒng)3的輸入量，并計(jì)算得到需要加在電樞上的控制電壓Au作 為主動(dòng)控制系統(tǒng)3的輸出量；
[0035] S4 :主動(dòng)控制系統(tǒng)3將控制電壓加載至電機(jī)2的電樞電路上，該控制方法步驟簡(jiǎn) 要，可主動(dòng)對(duì)慣質(zhì)系數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，可大大提高機(jī)電式慣容器的性能指標(biāo)并保持性能的 穩(wěn)定。
[0036] 本實(shí)施例中，步驟S3中控制器31根據(jù)PID算法由A I計(jì)算控制電壓A u，A I與 A u的關(guān)系為：Au = + KiJ AkU + 1<(| I，其中Kp 控制器31的控制參數(shù)，需要說 明的是控制器31的具體控制方法并不受限制，只要能達(dá)到控制目標(biāo)即可。
[0037] 本實(shí)施例中，步驟S4中控制器31通過控制斬波器32將控制電壓A u加載到電樞 電路上。
[0038] 本發(fā)明的基本原理在于：外力F依次經(jīng)力傳感器5、絲杠套筒13作用于螺母12上， 推動(dòng)螺母12相對(duì)絲杠11做直線運(yùn)動(dòng)，絲杠11將螺母12的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠11的旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)，由于電機(jī)2的轉(zhuǎn)子21與絲杠11相連，因而可帶動(dòng)轉(zhuǎn)子21轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子21轉(zhuǎn)動(dòng)后在電 樞電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；在電樞電路中加入了用于主動(dòng)控制的控制系統(tǒng)3，控制系統(tǒng)3提 供的電壓與電樞自身產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)綜合后，在電樞電路中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，該電流使