CN113541560B - 一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法，包括以下步骤：1)构建一个整体构成电励磁系统1；2)求取输出压强变化率

3)计算参考转速ω^ref；4)计算输出参考电流

5)计算输出控制电压u_M、u_T；6)计算输出励磁电流控制信号

和磁链角度信号θ；7)磁链观测与调节模块29输出的励磁电流控制信号

和2r/2s坐标变换模块27输出的u_α、u_β作为电励磁系统的输入，输出三相电流i_a、i_b、i_c、三相电压u_a、u_b、u_c、转速ω以及转矩T_e；8)电励磁系统1输出的转矩T_e作为液压执行模块21的输入，输出为压强p并作为负反馈信号；9)构成电励磁液压控制器。本发明能有效提升电流的控制精度和稳定性，保证液压控制的精度。

Description

一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法

技术领域

本发明属于液压制动系统领域，特别涉及一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法。

背景技术

液压制动是流体传动的一种应用，流体传动采用流体进行力的传递，相较于机械传动，从拖动负载的能力上看，其不受电机磁性材料饱和作用的限制，功率质量比大，力质量比大。从控制性能上看，系统安装组建空间灵活，易于实现控制自动化。流体传动惯性小，反应速度快，速度传递平稳，冲击小，动态品质优良，易于工业控制。流体传动分为气压传动和液压传动。力在液体中的传播速度是在气体中传播速度的5倍，制动力响应更快。液体的体积模量远大于空气，传动效率高。液压制动是液体传动的一种应用，其使用液压油作为压力传动介质，采用电机驱动液压泵，将液压油升压，并存储在蓄能器中，作为液压制动压力来源。通过电气控制单元控制由直流电机和一系列调压阀组成的液压控制单元。液压控制单元根据不同工况下的制动指令需求，控制制动夹钳输出压力，使控制对象实现制动。

常用的驱动电机有两种为交流异步电机和交流同步电机，各有其特点。异步电机转子结构简单、可靠，在工业中被大量使用，但功率因数和效率较低。同步电机可分为电励磁同步电机和永磁同步电机。电励磁同步电机具有功率因数可调、效率高优点，因此可以采用了电励磁同步电动机为液压制动系统提供动力。

而电励磁电机控制中的转速、电流控制以及转子励磁绕组的磁链角度对输出电磁转矩的精度和稳定性起关键作用，从而影响液压压强的控制效果。另外考虑传统的转子励磁电路存在电路故障和受外界干扰时，会造成转子绕组励磁失效，无法实现有效控制的情况，因此对液压制动系统电励磁液压控制器的策略研究是十分重要的。

发明内容

本发明的目的是针对传统液压制动系统控制精度和稳定性方面不足的问题，提供一种能有效提高液压制动系统压强的控制效果，提升系统抗干扰性能的高性能液压制动系统电励磁液压控制器。

本发明的技术方案是采用如下步骤：

1)本发明将空间脉宽调制模块11、逆变器模块12、旋转角度计算模块9、旋转变压器模块10和电励磁电机13作为一个整体构成电励磁系统1；2)利用参考压强P^ref与反馈压强P的差值Δp进行压力变化率计算，输出压强变化率

3)通过参考转速计算模块23利用压力变化率计算模块22输出的压强变化率

计算参考转速ω^ref；4)利用参考转速计算模块23输出的参考转速ω^ref和电励磁系统1输出的转速ω进行转速PI调节器计算输出参考电流

。5)将积分模块42、饱和模块43和神经网络系统41组合构造神经网络控制器26，利用转速PI调节器24输出的参考电流

计算输出控制电压u_M、u_T；6)将3s/2r坐标变换模块34、磁链观测模块31、转子磁链调节器32和励磁电流限幅模块33组合构造磁链观测与调节模块29，利用输入的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c计算输出励磁电流控制信号

和磁链角度信号θ；7)磁链观测与调节模块29输出的励磁电流控制信号

和2r/2s坐标变换模块27输出的u_α、u_β作为电励磁系统1的输入，输出三相电流i_a、i_b、i_c、三相电压u_a、u_b、u_c、转速ω以及转矩T_e；8)电励磁系统1输出的转矩T_e作为液压执行模块21的输入，输出为压强P；9)将压力变化率计算模块22、参考转速计算模块23、转速PI调节器24、神经网络控制器26、2r/2s坐标变换模块串联27，并与磁链观测与调节模块29并联至电励磁系统1和液压执行模块21，构成电励磁液压控制器。

本发明具有以下有益效果：通过电励磁控制实现液压压强的控制，电励磁系统采用旋转变压器实现转子励磁绕组的电流的控制，提升系统的抗干扰性能，神经网络控制器的引入提升了电流的控制精度和稳定性，磁链观测与调节模块提升了电励磁电机转子控制的准确，从而保证液压控制的精度。

附图说明

图1是由空间脉宽调制模块11、逆变器模块12、旋转角度计算模块9、旋转变压器模块10和电励磁电机13作为一个整体构成电励磁系统1。

图2是将压力变化率计算模块22、参考转速计算模块23、转速PI调节器24、神经网络控制器26、2r/2s坐标变换模块串联27，并与磁链观测与调节模块29并联至电励磁系统1和液压执行模块21，构成电励磁液压控制器的控制框图。

图3是磁链观测与调节模块29的框图。

图4是神经网络控制器26的控制框图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式分为以下9步

1、如图1所示，形成复合被控对象。本发明将空间脉宽调制模块11、逆变器模块12、旋转角度计算模块9、旋转变压器模块10和电励磁电机13作为一个整体构成电励磁系统1。该电励磁系统1以两相电压u_α、u_β以及励磁电流控制信号

为输入，输出为易测量的三相电流i_a、i_b、i_c、三相电压u_a、u_b、u_c、转速ω以及转矩T_e。电压u_α、u_β作为空间脉宽调制模块11的输入，输出产生开关脉冲信号作为逆变器模块12的输入。励磁电流控制信号

作为旋转角度计算模块9的输入，输出产生的变压器旋转角度信号θ_α作为旋转变压器模块10的输入。

旋转角度计算模块9的输入输出关系为：

式中，

为励磁电流信号，

是励磁电流信号的最大值，K_p为励磁电流信号的调节系数。

逆变器模块12输出的三相电流i_a、i_b、i_c和旋转变压器模块10输出的励磁电流i_f共同驱动电励磁电机13产生转速ω和转矩T_e。

旋转变压器模块10的输入输出关系为：

i_f＝i_fmax·cosθ_α

式中，i_fmax是励磁电流最大值。

2、如图2所示为本发明所提出的电励磁液压控制器控制框图。完成本发明所提出的电励磁液压控制器除了电励磁系统1还需要压力变化率计算模块22、参考转速计算模块23、转速PI调节器24、神经网络控制器26、2r/2s坐标变换模块27、3s/2r坐标变换模块28、磁链观测与调节模块29以及液压执行模块21。压力变化率计算模块22的输入为参考压强P^ref与液压执行模块21输出的压强P的差值Δp，其输出的压强变化率

作为参考转速计算模块23的输入。参考转速计算模块23输出产生的参考转速ω^ref作为转速PI调节器24的第一部分输入，电励磁系统1输出的转速ω作为转速PI调节器24的第二部分输入，其输出产生参考电流

参考电流

作为神经网络控制器26的第一部分输入，3s/2r坐标变换模块28输出的电流i_M、i_T作为神经网络控制器26的第二部分输入，其输出产生控制电压u_M、u_T。控制电压u_M、u_T作为2r/2s坐标变换模块27的第一部分输入，磁链观测与调节模块29输出的磁链角度信号θ作为2r/2s坐标变换模块27的第二部分输入，其输出为两相静止坐标系控制电压u_α、u_β。控制电压u_α、u_β与磁链观测与调节模块29输出的励磁电流信号

作为电励磁系统1的输入，输出三相电流i_a、i_b、i_c，三相电压u_a、u_b、u_c，转速ω以及转矩T_e。转矩T_e作为液压执行模块21的输入，输出为压强P。3s/2r坐标变换模块28的输入为电励磁系统1输出的三相电流i_a、i_b、i_c以及磁链观测与调节模块29输出的磁链角度信号θ，输出为电流i_M、i_T。磁链观测与调节模块29的输入为电励磁系统1输出的电流i_a、i_b、i_c和电压u_a、u_b、u_c，输出为磁链角度信号θ和励磁电流信号

液压执行模块21的输入为转矩T_e，输出为压强P，输入输出关系为：

式中，η为液压转换系数。

3、压力变化率计算模块22的输入为参考压强P^ref与液压执行模块21输出的压强P的差值Δp，其输出为压强变化率

输入输出的表达式为：

式中，K为液压系统常数。

4、参考转速计算模块23的输入压强变化率

输出为参考转速ω^ref，输入输出的表达式为：

式中，β为液体积弹性模量，V为液体体积。

5、转速PI调节器24的第一部分输入为参考转速计算模块23输出的参考转速ω^ref，第二部分输入为电励磁系统1输出的转速ω，转速PI调节器24的输出为参考电流

输入输出关系表达式为：

式中，

分别为M、T轴参考电流分量。

6、如图4所示构造神经网络控制器26。该控制器由积分模块42、饱和模块43和神经网络系统41组成。转速PI调节器24输出的参考电流

与3s/2r坐标变换模块28输出的电流i_M、i_T作差得到电流误差e_iM、e_iT。电流误差e_iM、e_iT输入积分模块42，输出电流误差积分s_iM、s_iT，并经饱和模块43输出电流误差积分限定值s_iMs、s_iTs。

积分模块42的输入输出关系为：

饱和模块43的输入输出关系为：

式中，s_iM，T_smin，s_iM，T_smax分别是M，T轴电路误差最小值与最大值。

电流误差积分限定值s_iMs、s_iTs与电流误差e_iM、e_iT共同作为神经网络系统41的输入，输出产生控制电压u_M、u_T。

神经网络系统41的输入输出关系为：

式中，

ξ分别是M，T轴神经网络调节系数。

7、如图3所示构造磁链观测与调节模块29。该模块由3s/2r坐标变换模块34、磁链观测模块31、转子磁链调节器32和励磁电流限幅模块33组成。三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c经3s/2r坐标变换模块34输出两相电流i_α、i_β和两相电压u_α、u_β，且作为磁链观测模块31的输入，输出磁链角度信号θ和气隙磁链幅值ψ_δ。

磁链观测器模块31的内部关系表达式：由电压方程计算两相静止坐标系下的气隙磁链表达式为

式中，ψ_α、ψ_β为两相静止坐标系下磁链，R为转子励磁绕组，L为转子励磁绕组电感。

气隙磁链幅值ψ_δ以及磁链角度信号θ计算表达式为

θ＝arctan(ψ_β/ψ_α)

气隙磁链幅值ψ_δ和参考磁链幅值

作为转子磁链调节器32的输入，输出为参考励磁电流信号

输入输出表达式为

式中，

分别为调节器的比例系数和积分系数。

励磁电流限幅模块33的输入为参考励磁电流信号

输出为励磁电流控制信号

其输入输出关系为

式中，

分别是励磁电流信号的最小值与最大值。

8、电励磁系统1输出的转矩T_e作为液压执行模块21的输入，输出为压强P并作为负反馈信号。

根据以上所述，便可以实现本发明。

综上所述，本发明一种电励磁液压控制器的构造方法为：

1)本发明将空间脉宽调制模块11、逆变器模块12、旋转角度计算模块9、旋转变压器模块10和电励磁电机13作为一个整体构成电励磁系统1；2)利用参考压强P^ref与压强P的差值Δp进行压力变化率计算，输出压强变化率

3)通过参考转速计算模块23利用压力变化计算模块22输出的压强变化率

计算参考转速ω^ref；4)利用参考转速计算模块23输出的参考转速ω^ref和电励磁系统1输出的转速ω进行转速调节器计算输出参考电流

5)将积分模块42、饱和模块43和神经网络系统41组合构造神经网络控制器26，利用转速PI调节器24输出的参考电流

计算输出控制电压u_M、u_T；6)将3s/2r坐标变换模块34、磁链观测模块31、转子磁链调节器32和励磁电流限幅模块33组合构造磁链观测与调节模块29，利用输入的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c计算输出励磁电流控制信号

和磁链角度信号θ；7)磁链观测与调节模块29输出的励磁电流控制信号

和2r/2s坐标变换模块27输出的u_α、u_β作为电励磁系统的输入，输出三相电流i_a、i_b、i_c、三相电压u_a、u_b、u_c、转速ω以及转矩T_e；8)电励磁系统1输出的转矩T_e作为液压执行模块21的输入，输出为压强P并作为负反馈信号；9)将压力变化率计算模块22、参考转速计算模块23、转速PI调节器24、神经网络控制器26、2r/2s坐标变换模块串联27，并与磁链观测与调节模块29并联至电励磁系统1和液压执行模块21，构成电励磁液压控制器，从而通过电励磁控制实现液压压强的控制，电励磁系统采用旋转变压器实现转子励磁绕组的电流的控制，提升系统的抗干扰性能，神经网络控制器的引入提升了电流的控制精度和稳定性，磁链观测与调节模块提升了电励磁电机转子控制的准确，从而保证液压控制的精度。

Claims (6)

1.一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将空间脉宽调制模块(11)、逆变器模块(12)、旋转角度计算模块(9)、旋转变压器模块(10)和电励磁电机(13)作为一个整体构成电励磁系统(1)；2)利用参考压强P^ref与压强P的差值Δp进行压力变化率计算，输出压强变化率

3)通过参考转速计算模块(23)利用压力变化计算模块(22)输出的压强变化率

计算参考转速ω^ref；4)利用参考转速计算模块(23)输出的参考转速ω^ref和电励磁系统(1)输出的转速ω进行转速调节器计算输出参考电流

5)将积分模块(42)、饱和模块(43)和神经网络系统(41)组合构造神经网络控制器(26)，利用转速PI调节器(24)输出的参考电流

计算输出控制电压u_M、u_T；6)将3s/2r坐标变换模块(34)、磁链观测模块(31)、转子磁链调节器(32)和励磁电流限幅模块(33)组合构造磁链观测与调节模块(29)，利用输入的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c计算输出励磁电流控制信号

和磁链角度信号θ；7)磁链观测与调节模块(29)输出的励磁电流控制信号

和2r/2s坐标变换模块(27)输出的u_α、u_β作为电励磁系统的输入，输出三相电流i_a、i_b、i_c、三相电压u_a、u_b、u_c、转速ω以及转矩T_e；8)电励磁系统(1)输出的转矩T_e作为液压执行模块21的输入，输出为压强p并作为负反馈信号；9)将压力变化率计算模块(22)、参考转速计算模块(23)、转速PI调节器(24)、神经网络控制器(26)、2r/2s坐标变换模块(27)串联，并与磁链观测与调节模块(29)并联至电励磁系统(1)和液压执行模块(21)，构成电励磁液压控制器。

2.根据权利要求1所述的一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法，其特征在于，液压执行模块(21)的输入为转矩T_e，输出为压强P，输入输出关系为：

式中，η为液压转换系数。

3.根据权利要求1所述的一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法，其特征在于，压力变化率计算模块(22)的输入为参考压强P^ref与液压执行模块(21)输出的压强P的差值Δp，其输出为压强变化率

输入输出的表达式为：

式中，K为液压系统常数。

4.根据权利要求1所述的一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法，其特征在于，参考转速计算模块(23)的输入压强变化率

输出为参考转速ω^ref，输入输出的表达式为：

式中，β为液体积弹性模量，V为液体体积。

5.根据权利要求1所述的一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法，其特征在于，旋转角度计算模块(9)的输入输出关系为：

式中，

是励磁电流信号的最大值，K_p为励磁电流信号的调节系数；

逆变器模块(12)输出的三相电流i_a、i_b、i_c和旋转变压器模块(10)输出的励磁电流if共同驱动电励磁电机(13)产生转速ω和转矩T_e：

旋转变压器模块(10)的输入输出关系为：

i_f＝i_fmax·cosθ_α

式中，i_fmax是励磁电流最大值。

6.根据权利要求1所述的一种液压制动系统电励磁液压控制器的构造方法，其特征在于，积分模块(42)的输入输出关系为：

饱和模块(43)的输入输出关系为：

式中，s_iM，Tsmin，s_iM，Tsmax分别是M，T轴电路误差最小值与最大值；

电流误差积分限定值s_iMs、s_iTs与电流误差e_iM、e_iT共同作为神经网络系统(41)的输入，输出产生控制电压u_M、u_T；

神经网络系统(41)的输入输出关系为：

式中，

ξ分别是M，T轴神经网络调节系数；其中，转速PI调节器(24)输出的参考电流

与3s/2r坐标变换模块(28)输出的电流i_M、i_T作差得到电流误差e_iM、e_iT；电流误差e_iM、e_iT输入积分模块(42)，输出电流误差积分s_iM、s_iT，并经饱和模块(43)输出电流误差积分限定值s_iMs、s_iTs。

Images