一种可主动控制惯质系数的机电惯容器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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I；，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 与外力转矩转向相反且大小成比例的目标电磁转矩1\。
[0005] 作为上述技术方案的进一步改进：
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 所述电机为永磁无刷直流电机。
[0009] -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：
[0010] Sl :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1Y;
[0011] S2 :根据控制目标I；= ;1\计算得到电枢产生目标电磁转矩1\所需要的目标电 流Ie，其中，k为惯质调节系数且0<k< 1 ;
[0012] 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Ie与实际电流I的 差值A I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A u作为主动控 制系统的输出量；
[0013] S4 :主动控制系统将控制电压A u加载至电机的电枢电路上。
[0014] 作为上述技术方案的进一步改进：
[0015] 步骤S3中控制器根据PID算法由AI计算控制电压AU，AI与Au的关系为： 趣=K pAI + AIdt + :Kd I,其中Kp、I、1为控制器（31)的控制参数。
[0016] 步骤S4中控制器通过控制斩波器将控制电压A u加载到电枢电路上。
[0017] 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。
[0018] 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】
[0019] 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。
[0020] 图2是本发明的控制方法的流程图。
[0021] 图3是本发明的控制方法的原理框图。
[0022] 图4是本发明的控制方法的系统伯德图。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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】
[0026] 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。
[0027] 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I；，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IV转向相反且大小成比例的目标电磁转矩 !；，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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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：
[0032] Sl :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
[0033] S2 :根据控制目标I；= _kl\计算得到电枢产生目标电磁转矩1\所需要的目标电 流Ie，其中，k为惯质调节系数且0<k< 1 ;
[0034] 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L与实际电流I 的差值A I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Au作 为主动控制系统3的输出量；
[0035] 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。
[0036] 本实施例中，步骤S3中控制器31根据PID算法由A I计算控制电压A u，A I与 A u的关系为：Au = + KiJ AkU + 1<(| I，其中Kp 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。
[0037] 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A u加载到电枢 电路上。
[0038] 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