专利摘要

一种可主动控制惯质系数的机电惯容器，包括惯容器本体、电机和主动控制系统，惯容器本体的输入端设有力传感器，输出端与电机转子连接，电枢电路中设有电流传感器，力传感器和电流传感器均接入主动控制系统的输入端，主动控制系统的输出端接入电枢电路，外力F对应的外力转矩为TL，主动控制系统使电枢电路中产生与TL转向相反且大小成比例的目标电磁转矩Te。一种上述惯容器的控制方法：根据外力F计算外力转矩TL；计算电枢产生目标电磁转矩Te所需要的目标电流Ie；将目标电流Ie与实际电流I的差值ΔI作为主动控制系统的输入量计算主动控制系统的输出量；主动控制系统将输出量加载至电枢电路，本发明具有能主动控制惯质系数并保持性能稳定，并能根据用户工况在线调节惯质系数等优点。

权利要求

1.一种可主动控制惯质系数的机电惯容器，其特征在于：包括惯容器本体(1)、电机(2)和主动控制系统(3)，所述惯容器本体(1)的输入端设有用于检测外力F的力传感器(5)，输出端与所述电机(2)的转子(21)连接，所述电机(2)的电枢电路中设有电流传感器(4)，所述力传感器(5)和所述电流传感器(4)均接入所述主动控制系统(3)的输入端，主动控制系统(3)的输出端接入所述电枢电路，外力F使所述惯容器本体(1)受到的外力转矩为T_L，主动控制系统(3)根据所述力传感器(5)和所述电流传感器(4)的检测结果以及目标惯质系数使所述电枢中产生与外力转矩T_L大小成比例且转向相反的目标电磁转矩T_e。

2.根据权利要求1所述的可主动控制惯质系数的机电惯容器，其特征在于：所述惯容器本体(1)包括丝杠(11)、丝杆套筒(13)和设于丝杠(11)上的螺母(12)，所述螺母(12)与所述丝杠套筒(13)固定连接，所述力传感器(5)安装于所述丝杠套筒(13)上，所述转子(21)与丝杠(11)远离所述丝杠套筒(13)的一端相连。

3.根据权利要求1所述的可主动控制惯质系数的机电惯容器，其特征在于：所述主动控制系统(3)包括控制器(31)、斩波器(32)以及为控制器(31)和斩波器(32)提供电能的电源(33)，所述力传感器(5)和所述电流传感器(4)均接入所述控制器(31)的输入端，控制器(31)的输出端经所述斩波器(32)接入所述电枢电路。

4.根据权利要求1或2或3所述的可主动控制惯质系数的机电惯容器，其特征在于：所述电机(2)为永磁无刷直流电机。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的可主动控制惯质系数的机电惯容器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：通过力传感器(5)检测得到惯容器本体(1)受到的外力F，并按照惯容器本体(1)的传动关系计算得到惯容器本体(1)受到的外力转矩T_L；

S2：根据控制目标T_e＝-kT_L计算得到电枢产生目标电磁转矩T_e所需要的目标电流I_e，其中，k为惯质调节系数且0＜k＜1；

S3：通过电流传感器(4)检测得到电枢电路中的实际电流I，将目标电流I_e与实际电流I的差值ΔI作为主动控制系统(3)的输入量，并计算得到需要加在电枢上的控制电压Δu作为主动控制系统(3)的输出量；

S4：主动控制系统(3)将控制电压Δu加载至电机(2)的电枢电路上。

6.根据权利要求5所述的可主动控制惯质系数的机电惯容器的控制方法，其特征在于：步骤S3中控制器(31)根据PID算法由ΔI计算控制电压Δu，ΔI与Δu的关系为： 其中K_p、K_i、K_d为控制器(31)的控制参数。

7.根据权利要求6所述的的主动控制机电惯容器的控制方法，其特征在于：步骤S4中控制器(31)通过控制斩波器(32)将控制电压Δu加载到电枢电路上。

说明书

技术领域

本发明涉及惯容器，尤其涉及一种可主动控制惯质系数的机电惯容器及其控制方法。

背景技术

惯容器是近年来提出的一种具有两个端子的机械惯性元件，可将两个端子输入的直线运动转化为旋转运动。在机电比拟理论中，惯容器可以替代质量块的作用相似于电路网络综合里的电容器，因而可以用电路网络综合的理论方法来指导机械网络的设计。惯容器所模拟的“虚质量”称为惯质系数，惯质系数与惯容器真实质量之比称为惯质比。目前，人们已设计出了多种形式、结构的惯容器，如齿轮齿条惯容器、滚珠丝杠惯容器以及液压惯容器等。这些惯容器其惯质系数是通过飞轮质量来实现的，因此，其增大惯质系数的办法主要有两种，一种是增加飞轮的质量，另一种是增加传动机构的放大比例系数。增加放大比例系数的方式如齿轮齿条惯容器可以增大齿轮传动比，滚珠丝杠惯容器可减小丝杠导程。这两种途径都会增加惯容器自身的重量，因而不利于惯质比的提高，并且增大传动机构放大系数的方法也放大了惯容器的非线性因素，影响惯容器性能。最近提出了一种新颖的机电惯容器，通过将机械惯容器中的飞轮换成电机，利用电机的发电和电动效应，在电机电枢中串联负阻抗变换器和大容值电容器的方法，有效提高了惯容器的惯质系数和惯质比。但是这种机电惯容器的惯质系数受到电机感应电势的限制，不可能做得很大，同时负阻抗变换器和电容器的质量、体积等也会制约惯质系数和惯质比的进一步提高；另一方面，这种机电惯容器的惯质系数由事先设计好的负阻抗变换器和电容值确定，不便于在线调节。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能主动控制惯质系数并保持性能稳定，能根据用户工况在线调节惯质系数的机电惯容器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种可主动控制惯质系数的机电惯容器，包括惯容器本体、电机和主动控制系统，所述惯容器本体的输入端设有用于检测输入外力F的力传感器，输出端与所述电机的转子连接，所述电机的电枢电路中设有电流传感器，所述力传感器和所述电流传感器均接入所述主动控制系统的输入端，主动控制系统的输出端接入所述电枢电路，外力F使所述惯容器本体受到的外力转矩为T_L，主动控制系统根据所述力传感器和所述电流传感器的检测结果以及目标惯质系数使所述电枢中产生与外力转矩T_L转向相反且大小成比例的目标电磁转矩T_e。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述惯容器本体包括丝杠、丝杆套筒和设于丝杠上的螺母，所述螺母与所述丝杠套筒固定连接，所述力传感器安装于所述丝杠套筒上，所述转子与丝杠远离所述丝杠套筒的一端相连。

所述主动控制系统包括控制器、斩波器以及为控制器和斩波器提供电能的电源，所述力传感器和所述电流传感器均接入所述控制器的输入端，控制器的输出端经所述斩波器接入所述电枢电路。

所述电机为永磁无刷直流电机。

一种上述可主动控制惯质比的机电惯容器的控制方法，包括以下步骤：

S1：通过力传感器检测得到惯容器本体受到的外力F，并按照惯容器本体的传动关系计算得到惯容器本体受到的外力转矩T_L；

S2：根据控制目标T_e＝-kT_L计算得到电枢产生目标电磁转矩T_e所需要的目标电流I_e，其中，k为惯质调节系数且0＜k＜1；

S3：通过电流传感器检测得到电枢中的实际电流I，将目标电流I_e与实际电流I的差值ΔI作为主动控制系统的输入量，并计算需要加在电枢上的控制电压Δu作为主动控制系统的输出量；

S4：主动控制系统将控制电压Δu加载至电机的电枢电路上。

作为上述技术方案的进一步改进：

步骤S3中控制器根据PID算法由ΔI计算控制电压Δu，ΔI与Δu的关系为： 其中K_p、K_i、K_d为控制器(31)的控制参数。

步骤S4中控制器通过控制斩波器将控制电压Δu加载到电枢电路上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的可主动控制惯质系数的机电惯容器，不再采用负阻抗变换器和电容器，从而避免了负阻抗变换器本身存在的不稳定性因素、大功率的负阻抗变换器结构复杂，以及大容值的电容具有较大的体积和质量，不便于惯容器整体设计和惯质比的提高等不足，在惯容器本体的基础上引入主动控制系统，使得整套装置变得简洁轻巧、性能更稳定，突破了电机电枢电路的电流受电容器容值和电枢感应电动势限制的瓶颈，能获得更高的惯质系数和惯质比，还可根据用户工况在线调节惯质系数，使得该机电惯容器在工程中应用更加灵活。

本发明的控制方法，步骤简要，可主动对惯质系数进行在线调节，可大大提高机电式惯容器的性能指标并保持性能的稳定。

附图说明

图1是本发明可主动控制惯质系数的机电惯容器的结构示意图。

图2是本发明的控制方法的流程图。

图3是本发明的控制方法的原理框图。

图4是本发明的控制方法的系统伯德图。

图5是本发明的可主动控制惯质系数的机电惯容器惯质系数提高10倍的仿真结果。

图6是本发明的可主动控制惯质系数的机电惯容器惯质系数提高100倍的仿真结果。

图中各标号表示：1、惯容器本体；11、丝杠；12、螺母；13、丝杠套筒；2、电机；21、转子；3、主动控制系统；31、控制器；32、斩波器；33、电源；4、电流传感器；5、力传感器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例的可主动控制惯质系数的机电惯容器，包括惯容器本体1、电机2和主动控制系统3，惯容器本体1的输入端设有用于检测输入外力F的力传感器5，输出端与电机2的转子21连接，电机2的电枢电路中设有电流传感器4，力传感器5和电流传感器4均接入主动控制系统3的输入端，主动控制系统3的输出端接入电枢电路，外力F使电机2受到的外力转矩为T_L，主动控制系统3根据力传感器5和电流传感器4的检测结果以及目标惯质系数使电枢中产生与外力转矩T_L转向相反且大小成比例的目标电磁转矩T_e，本实施例的可主动控制惯质比的机电惯容器，不再采用负阻抗变换器和电容器，从而避免了负阻抗变换器本身存在的不稳定性因素、大功率的负阻抗变换器结构复杂，以及大容值的电容具有较大的体积和质量，不便于惯容器整体设计和惯质比的提高等不足，在惯容器本体1的基础上引入主动控制系统3，使得整套装置变得简洁轻巧、性能更稳定，突破了电机2电枢电路的电流受电容器容值和电枢感应电动势限制的瓶颈，能获得更高的惯质系数和惯质比，可根据用户工况在线调节惯质系数，使得机电惯容器在工程中应用更加灵活。

本实施例中，主动控制系统3包括控制器31、斩波器32以及为控制器31和斩波器32提供电能的电源33，力传感器5和电流传感器4均接入控制器31的输入端，控制器31的输出端经斩波器32接入电枢电路。

本实施例中，惯容器本体1包括丝杠11和设于丝杠11上的螺母12，螺母12上设有丝杠套筒13，力传感器5安装于丝杠套筒13上，转子21与丝杠11远离丝杠套筒13的一端相连，在其他实施例中，惯容器本体1也可采用齿轮齿条惯容器等其他常规惯容器。

本实施例中，电机2为永磁无刷直流电机，可以简化机电惯容器的整体结构，减小机电惯容器的实际质量，有利于提高惯质比。

如图2至图6所示，本实施例的可主动控制惯质系数的机电惯容器的控制方法，包括以下步骤：

S1：通过力传感器5检测得到惯容器本体1受到的外力F，并按照惯容器本体1的传动关系计算得到惯容器本体1受到的外力转矩T_L：

S2：根据控制目标T_e＝-kT_L计算得到电枢产生目标电磁转矩T_e所需要的目标电流I_e，其中，k为惯质调节系数且0＜k＜1；

S3：通过电流传感器4检测得到电枢中的实际电流I，将目标电流I_e与实际电流I的差值ΔI作为主动控制系统3的输入量，并计算得到需要加在电枢上的控制电压Δu作为主动控制系统3的输出量；

S4：主动控制系统3将控制电压加载至电机2的电枢电路上，该控制方法步骤简要，可主动对惯质系数进行在线调节，可大大提高机电式惯容器的性能指标并保持性能的稳定。

本实施例中，步骤S3中控制器31根据PID算法由ΔI计算控制电压Δu，ΔI与Δu的关系为： 其中K_p、K_i、K_d为控制器31的控制参数，需要说明的是控制器31的具体控制方法并不受限制，只要能达到控制目标即可。

本实施例中，步骤S4中控制器31通过控制斩波器32将控制电压Δu加载到电枢电路上。

本发明的基本原理在于：外力F依次经力传感器5、丝杠套筒13作用于螺母12上，推动螺母12相对丝杠11做直线运动，丝杠11将螺母12的直线运动转换为丝杠11的旋转运动，由于电机2的转子21与丝杠11相连，因而可带动转子21转动，转子21转动后在电枢电路中产生感应电动势；在电枢电路中加入了用于主动控制的控制系统3，控制系统3提供的电压与电枢自身产生的感应电动势综合后，在电枢电路中产生对应的电流，该电流使电枢电路产生一个对应的阻碍转子21旋转的电磁转矩，进而阻碍螺母12的直线运动，达到提高惯质系数的目的。

根据上述基本原理，本发明控制方法的基本流程为：忽略丝杠副的摩擦力，滚珠丝杠惯容器存在如下转换关系：

ω(t)=2πpv(t)F(t)=2πpTL(t)---(1)]]>

其中ω表示螺母12和丝杠11的相对转速，v表示丝杠11和螺母12在轴向上的相对线速度，P表示滚珠丝杠导程，F表示螺母12和丝杠11在轴向上的相互作用力，T_L表示螺母12和丝杠11在丝杠副上的相对转矩。

忽略电机2的阻尼因素，其动力学方程和电学方程如下式：

Te(t)=ktI(t)Ue(t)=keω(t)TL(t)+Te(t)=Jdω(t)dtU=RI+LdIdt---(2)]]>

其中T_e、I、U_eR、L分别表示电枢的电磁转矩、电流、感应电动势、电阻和电感，k_e、k_t分别是电机2的电动势常数和转矩常数；由于丝杠11和转子21轴联，因此，ω等于电机2转速，T_L等于电机2的负载力矩，J为丝杠与转子的转动惯量之和。

结合(1)和(2)，可得到惯容器本体1机械部分(T_e＝0，即电枢电路开路)的惯质系数为J(2π/p)²。

根据力传感器5检测惯容器本体1受到的的外力F，按照式(1)计算得到电机2受到的外力转矩T_L；控制器31的控制目标是让电枢产生的电磁转矩T_e与外力转矩T_L方向相反、大小成固定比例，即T_e＝-kT_L，k为惯质调节系数且0＜k＜1；根据控制目标计算出电枢产生目标电磁转矩T_e所需要的目标电流I_e，此时惯质系数为：

b＝[1/(1-k)]J(2π/p)²(3)

k取不同值则可得到不同的惯质系数；通过电流传感器4检测电枢中的实际电流I，将目标电流和实际电流做差，这个差值ΔI作为控制器31的输入量，根据PID控制算法计算需要加在电机电枢上的电压作为控制器的输出量Δu，即控制电压，控制器31的输入量和输出量存在如下关系

Δu=KpΔI+Ki∫ΔIdt+KdI·---(4)]]>

其中K_p、K_i、K_d为控制器31的控制参数；控制器31通过斩波器32将控制电压Δu加载到电枢上。

控制器31采用PID控制算法，控制器31的传递函数可表示为G_c(s)＝K_p+K_i/s+K_ds，控制方法的原理框图如图3所示，根据原理框图，由梅逊公式化简可得到传递函数：

G(s)=a(s)F(s)=(p2π)2(1-k)sGc(s)+s(R+Ls)JsGc(s)+Js(R+Ls)+kekt---(5)]]>

进而得到作用在螺母12上的外力F与螺母12相对电机2定子的加速度a的关系式：

F(s)=J(2πp)2(Kd+L)s2+(Kp+R)s+Ki+kekt/J[(1-k)Kd+L]s2+[(1-k)Kp+R]s+(1-k)Kia(s)---(6)]]>

其中p为滚珠丝杠导程，J为丝杠11和转子21的转动惯量，K_p、K_i、K_d为控制器31的控制参数，k为惯质调节系数，k_e、k_t、R、L分别是电机2的电动势常数、转矩常数、电枢电阻和电枢电感。

根据惯容器的基本特性，作用在惯容器两端等大反向的力与惯容器两端相对加速度成正比，这个比值为惯质系数，可得到本发明可主动控制惯质系数的机电惯容器其惯质系数的计算式：

b=J(2πp)2(Kd+L)s2+(Kp+R)s+Ki+kekt/J[(1-k)Kd+L]s2+[(1-k)Kp+R]s+(1-k)Ki---(7)]]>

式(7)中，分子和分母均为含变量s的二阶多项式，为使b等于或近似等于常数，通过调节控制参数，使得分子和分母中的常数项均远大于二次项系数和一次项系数，故令K_i+k_ek_t/J＞＞K_d+L，K_i+k_ek_t/J＞＞K_p+R，(1-k)K_i＞＞(1-k)K_d+L，(1-k)K_i＞＞(1-k)K_p+R，K_i＞＞k_ek_t/J，为了保证系统稳定，根据劳斯判据可得K_d>-L，K_p>-R，K_i>-k_ek_t/J，最终得到F与a的关系为：

F(s)＝(1/1-k)J(2π/p)²a(s)(8)

由式(8)可以得知，本发明的可主动控制惯质系数的机电惯容器的惯质系数是同机械结构惯容器的1/(1-k)倍。

借助matlab/simulink仿真工具，搭建仿真流程框图，设置k＝0.9，令外界作用力F＝3sin20πt，滚珠丝杠导程p＝0.02m，电机2的转子21与丝杠11转动惯量和为0.00292kgm²，可知机电式惯容器机械部分的惯质系数为28.8kg，电枢电阻R＝12Ω，电杆L＝0.024H，设置PID控制器参数K_p＝400，K_i＝3500000，K_d＝0，此时式(5)的具体表达式为：

G(s)=0.024s2+52s+3500000.6912s2+11865.6s+100842960.96]]>

在0<s<40π的取值范围内，G(s)的幅频特性和相频特性曲线如图4所示，最终得到作用力F与螺母12的加速度a的仿真结果，如图5所示。

从图4中可得系统的幅值裕度为-49.2dB，系统的相角裕度为0rad，对应图5中F与a的幅值比为288.5，相位相同，由此得到本发明的可主动控制惯质系数的机电惯容器的惯质系数b＝288.5kg，相比同结构机械惯容器的提高了约10倍。

若设置k＝0.99，其余参数均不变，则得到仿真结果如图6所示，此时主动控制惯质系数的机电惯容器的惯质系数b＝2890.2kg，相比同结构机械惯容器提高了约100倍。

以上结果表明，通过主动控制系统3能让本发明的可主动控制惯质系数的机电惯容器的惯质系数具有比同等质量的机械式惯容器高出若干倍，并且惯质系数大小可以通过惯质调节参数在线进行调节。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

一种可主动控制惯质系数的机电惯容器及其控制方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。