扭转模式阻尼控制器的制作方法

本公开涉及用于机电系统的扭转模式阻尼控制器。

背景技术：

在结构效率(即，减小飞行器结构的总重量)、空气动力学效率(即，减小飞行期间产生的空气动力学阻力)和燃料效率(即，减小执行特定飞行器任务所需的燃料)方面，一直需要更有效的飞行器设计。一种提高飞行器效率的解决方案是提供由混合动力机电(即，集成)推进系统驱动的飞行器。

在此类集成推进系统中，采用由原动机引擎例如气体涡轮引擎驱动的发电机来产生电力。该电力被提供给一个或多个推进器，诸如风扇或螺旋桨，这些推进器可远离发电机分布在飞行器周围。一种此类系统在us2018/0079515中描述。

集成推进系统还具有其他应用领域，诸如航海推进。

集成电力系统中的原动机引擎通常驱动发电机，发电机继而提供电力以为驱动推进器的电动马达供电。电力电子器件ac/dc/ac转换器连接在发电机与马达之间。此类系统的机械部件不是刚性连接的。例如，在引擎和发电机侧，引擎旋转部件和发电机转子通过机械变速器连接，并且引擎内的不同旋转部件也不是刚性连接的。在马达和推进器侧，马达转子和推进器通过机械变速器连接，该机械变速器可包括齿轮箱。这些变速器中的机械连接产生多旋转质量体系统，其中不同的质量体以不同的刚度和阻尼系数柔性连接。该多旋转质量体系统通常具有谐振模式，这些谐振模式可以在例如由动态条件(诸如电气负载或机械负载突变)期间由引擎速度与发电机速度之间或马达速度和螺旋桨速度之间的不匹配引起的不同瞬态条件下被激发。这些模式可以导致传动系过转矩，并且可能会对传动系部件(诸如轴、齿轮、耦接件和轴承)的寿命产生负面影响。

因此，使用控制技术来保护传动系部件免受扭转振动和动态转矩的影响。常规的主动减振方案基于谐振频率下的电机速度反馈，但这仅提供很小的阻尼改善。

例如，图1示出了应用于驱动n-惯性多质量体负载的感应机器系统的常规电机速度反馈控制器的示意性框图。术语的命名在本说明书的附录中提供。该系统具有电力电子器件ac/dc/ac转换器，其中电力逆变器向电动马达m提供电力。控制器具有常规的磁场减弱内回路控制器和调制器，该调制器执行脉宽调制(pwm)以产生用于逆变器的门控信号。控制器的外回路接收来自所测量的机器速度ωm的反馈，并将经修改的电磁转矩信号tmodi发送到内回路控制器。

经修改的电磁转矩信号tmodi基于速度反馈。为了在谐振频率下分离出速度分量，提供了在谐振频率下调谐的带通滤波器。使用该方法的优点在于不需要传动系内的任何附加传感器/估计方案，但是为了调谐控制器，需要知道机械系统参数以及第一固有频率。

应用于双质量体系统的该方法的示意性根轨迹图在图2中示出。具有控制器增益的极移动由根轨迹图示出。使用该方法，仅能实现很小的阻尼比率改善以及很小的初始峰值过转矩减少。如果错误地选择控制器增益，则阻尼比率可能会进一步降低。

k.sugiura和y.hori,vibrationsuppressionin2-and3-masssystembasedonthefeedbackofimperfectderivativeoftheestimatedtorsionaltorque,ieeetransactionsonindustrialelectronics,第43卷,第56-64页,1996年提出了一种基于用于双质量体和三质量体系统的不完全导数滤波器的轴转矩微分方法。图3示出了将这种类型的控制器应用于驱动n-惯性多质量体负载的感应机器系统的示意性框图。

该方法使用不完全微分器，该微分器是形式为k·s/(s+ωn)的高通滤波器，用于对轴转矩tsh的估计值或感测值进行微分。在该方法中，两个控制变量可用于调谐不完全导数滤波器，即k和ωn。应用于双质量体系统的该方法的示意性根轨迹图在图4中示出。

与图1的常规方法相比，该方法可以提供更好的阻尼比率，但其具有较差的噪声抑制能力。用于微分的高通滤波器往往会放大测量噪声和干扰。而且，大多数机电系统并非完全是双质量体或三质量体系统，因此不清楚控制算法需要哪个轴转矩。此外，该方法需要用于调谐控制器以及用于估计轴转矩的机械参数信息。

技术实现要素：

本公开涉及在机电系统中的扭转振动和动态转矩下保护机械传动系部件，并且旨在解决上述问题中的至少一些问题。

根据第一方面，提供了一种用于机电系统的扭转模式阻尼控制器，其中电力电子器件提供电力以驱动电动马达，并且其中包括所述电动马达的转子在内的多个旋转质量体机械地耦接以在其间传递转矩，所述控制器修改提供给所述电动马达的所述电力以提供对所述旋转质量体中的扭转振动的主动阻尼控制，其中所述控制器被配置为：

接收所述旋转质量体的旋转速度ωm的测量值以及在所述旋转质量体之间传递的转矩tsh的估计值或测量值；

基于所接收的传递转矩tsh，生成抑制振动的补偿转矩tcom；

基于所接收的旋转速度ωm和该补偿转矩tcom，生成电磁转矩修改信号tmodi；并且

基于所述电磁转矩修改信号tmodi来修改提供给所述电动马达的所述电力；

其中所述控制器被进一步配置为通过将滤波器应用于所接收的传递转矩tsh来生成所述补偿转矩tcom，所述滤波器基于包括调谐增益k、截止频率ωn和谐振阻尼比率ζ在内的多个可调谐参数。

有利地，所述控制器中可用的三个自由度使得能够改善扭转模式的阻尼性能并改善过转矩减小。它们还增强了抑制测量噪声和干扰的能力。

在第二方面，提供了一种对机电系统实施扭转模式阻尼的方法，其中电力电子器件提供电力以驱动电动马达，并且其中包括所述电动马达的转子在内的多个旋转质量体机械地耦接以在其间传递转矩，其中所述方法包括通过以下方式修改提供给所述电动马达的所述电力以提供对所述旋转质量体中的扭转振动的主动阻尼控制：

接收所述旋转质量体的旋转速度ωm的测量值以及在所述旋转质量体之间传递的转矩tsh的估计值或测量值；

基于所接收的传递转矩tsh，生成抑制振动的补偿转矩tcom；

基于所接收的旋转速度ωm和所述补偿转矩tcom，生成电磁转矩修改信号tmodi；并且

基于所述电磁转矩修改信号tmodi来修改提供给所述电动马达的所述电力；

其中通过将滤波器应用于所接收的传递转矩tsh来生成所述补偿转矩tcom，所述滤波器基于包括调谐增益k、截止频率ωn和谐振阻尼比率ζ在内的多个可调谐参数。

因此，第二方面的方法对应于第一方面的控制器。

第二方面的方法还可包括执行本征频率分析，以识别所述旋转质量体之间的机械耦接件以用于估计或测量所述传递转矩tsh。通常，该分析在主动阻尼控制开始之前进行。

第一方面的控制器和第二方面的方法通常是计算机实现的。因此，本公开的另外方面提供了：一种计算机程序，所述计算机程序包括代码，所述代码在计算机上被执行时使得所述计算机执行第二方面的方法；以及一种计算机可读介质，所述计算机可读介质存储计算机程序，所述计算机程序包括代码，所述代码在计算机上被执行时使得所述计算机执行第二方面的方法。

现在将阐述本公开的可选特征部。这些特征部可单独地或以与本公开的任何上述方面的任何组合应用。

滤波器可提供振幅增益，该振幅增益为以下表达式的值：

k·s/(s²+2ζωns+ωn²)

其中s为拉普拉斯复频率变量。因此，便利地，可通过改变调谐增益k来改变补偿转矩tcom的振幅。

滤波器可提供相位超前，该相位超前在旋转质量体中的扭转振动的固有谐振频率(例如，第一扭转模式)下为至少70度，并且优选地为至少80度。便利地，可通过改变截止频率ωn来改变相位超前。

控制器可被进一步配置为通过将测量的旋转速度ωm与参考旋转速度ωref进行比较并且将比较的结果转换为参考转矩tref来确定参考转矩tref。然后可通过从参考转矩tref中减去补偿转矩tcom来生成电磁转矩修改信号tmodi。

控制器还可具有内回路，该内回路基于提供给电动马达的电力的相位电流的测量值ia、ib、ic、所接收的旋转速度ωm和电磁转矩修改信号tmodi来修改提供给电动马达的电力。例如，该内回路可执行脉宽调制(pwm)以产生用于逆变器的门控信号。

在另一方面，提供了一种机电系统，所述机电系统具有：

电力电子器件，所述电力电子器件提供电力以驱动电动马达；

包括所述电动马达的转子在内的多个旋转质量体，所述旋转质量体机械地耦接以在其间传递转矩；以及

第一方面的扭转模式阻尼控制器，所述扭转模式阻尼控制器修改提供给所述电动马达的所述电力以提供对所述旋转质量体中的扭转振动的主动阻尼控制。

所述机电系统还可包括被配置为感测表示所述旋转质量体中的两个旋转质量体之间的机械耦接件上的转矩的信号的传感器，所感测的信号被所述控制器用于形成在所述旋转质量体之间传递的所述转矩tsh的估计值或测量值。

所述机电系统还可包括被配置为测量所述旋转质量体的旋转速度ωm的传感器。

所述电力电子器件可包括电力逆变器，所述电力逆变器提供所述电力以驱动所述电动马达，所述控制器修改由所述电力逆变器提供的所述电力。

所述电力电子器件可包括ac/dc/ac转换器，所述ac/dc/ac转换器提供ac/dc整流器和到所述电力逆变器的dc链路，所述控制器修改所述dc链路中的所述电力以修改由所述电力逆变器提供的所述电力。

所述机电系统还可包括原动机引擎和由所述原动机引擎驱动的发电机，所述发电机由此产生电力，所述电力被提供给所述电力电子器件以驱动所述电动马达。例如，此类机电系统可以是航空推进系统或航海推进系统。航空推进系统可具有原动机引擎(例如，气体涡轮引擎)、发电机、电力电子器件、马达和风扇或螺旋桨。航海推进系统可具有原动机引擎、发电机、动力电子器件、马达和螺旋桨。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1示出了应用于驱动n-惯性多质量体负载的感应机器系统的常规电机速度反馈控制器的示意性框图；

图2示出了应用于双质量体系统的图1的控制器的控制逻辑的示意性根轨迹图；

图3示出了将基于微分器的控制器应用于驱动n-惯性多质量体负载的感应机器系统的示意性框图；

图4示出了应用于双质量体系统的图3的控制器的控制逻辑的示意性根轨迹图；

图5示出了在驱动多质量体负载的三相感应马达系统的背景下根据本公开的谐振控制器的示意性框图；

图6示出了图5的马达系统的机械部件的双质量体表示；

图7是示出图3的基于微分器的控制器的特性的bode图；

图8是示出图5的谐振控制器的特性的bode图；

图9示意性地示出了九质量八刚度多质量体系统；

图10示出了转矩估计器的框图；

图11示出了相对于时间绘制的图9的传动系中的轴转矩；并且

图12示出了相对于时间绘制的图9的传动系中的质量体速度。

现在将参考附图讨论本公开的方面和实施方案。另外的方面和实施方案对于本领域的技术人员而言是显而易见的。

具体实施方式

图5示出了在驱动多质量体负载的三相感应马达系统的背景下根据本公开的谐振控制器的示意性框图。该系统的逆变器可以是ac/dc/ac转换器的电力逆变器，该控制器修改转换器的dc链路中的电力以修改由电力逆变器提供的电力。

该马达系统的机械部件可以表示为双质量体系统，如图6所示，以表示第一固有频率并分析控制方法的有效性。假设系统无摩擦(bsh＝0，bm＝0)并且轴惯性与负载惯性相比可忽略不计，则该机电系统可以以状态空间形式被描述为：

根据公式(1)，发现轴转矩tsh与马达转矩tm之间的传递函数为：

根据传递函数(2)，可以看出，该系统在由下式给出的谐振频率下无阻尼：

根据(2)，马达电磁转矩tm可以用tsh表示：

并且加上轴转矩微分项(补偿转矩)产生参考转矩tref：

根据(5)，通过从参考转矩tref中减去补偿转矩tcom＝k·stsh，产生经修改的电磁转矩tmodi。在图5的控制器中，tref由常规速度控制器根据参考旋转速度ωref和测量的机器旋转速度ωm方便地确定。

因此，轴转矩tsh与参考转矩tref之间的传递函数为：

通过增益k引入轴转矩微分可以通过调节参数k来有效地增加系统阻尼。这种微分是上面针对图3所述的控制器的基础。阻尼比率的增加可以通过使用图4所示的根轨迹图来分析。控制器有效地将微分转换为机械系统固有频率下的振幅增益和90度相位超前。然而，精确的90度相位超前是不可行的。可以通过理想的微分器来实现，但由于振幅增益随频率线性增加，这也将放大高频噪声。另一方面，接近90度的相位角可以提供阻尼，其中性能随相位增益移动接近90度而增加。这种相位超前和振幅增益可使用与形式为k·s/(s+ωn)的低通滤波器串联的微分器并通过调谐增益k和截止频率ωn来实现。图7是示出这种与低通滤波器串联的微分器的特性的bode图。截止频率为200hz。根据该bode图，在所示的8.6hz的机械固有频率ωres下，相位增益为74.8度。

然而，这种与低通滤波器串联的微分器表现为高通滤波器，其在高频下产生高且恒定的增益。因此，在这些频率下较差地抑制测量噪声和干扰。

通过图5的谐振控制器(具有形式为k·s/(s²+2ζωns+ωn²)的滤波器)可以实现更好的性能。在该控制器中，三个自由度可用。滤波器基于产生补偿转矩tcom的k·s微分器项，但用k·s/(s²+2ζωns+ωn²)代替k·s。可以通过调谐增益k来实现滤波器的振幅增益，并且使用阻尼比率ζ和固有(截止)频率ωn可以实现非常接近90度的相位增益。图8是具有23hz的控制器频率ωn的控制器的bode图，机械固有频率ωres再次为8.6hz。从图中可以明显看出，控制器仅具有较小的高频增益。同样在系统固有频率下，相位增益为81.4度，与图3的微分器相比，该相位增益更接近90度。

可以通过增加调谐增益k来增加阻尼。

机械参数(诸如惯性和轴刚度)的变化会改变机械系统的固有频率ωres。如果ωres移动接近控制器固有频率ωn，则阻尼性能降低，因为相位增益偏离90度。相反，如果ωres移动远离ωn，则阻尼性能随着相位增益移向90度而改善。因此，控制器固有频率通常被调谐到与机械系统固有频率完全不同的频率，即以产生期望的相位增益。

可以根据系统阻尼性能要求、逆变器尺寸、dc-链路电容器尺寸等来调谐阻尼比率

此外，谐振控制器可以实现图4的根轨迹图所示的最高阻尼比率改善。具体地，控制器允许系统极移动到最左手侧。因此，由扭转振荡引起的初始峰值过转矩也可以由控制器减小。

在图5中，控制器被示为用于速度控制。然而，控制器也可以用于转矩控制。在转矩控制模式下，tref由用户提供，而不是基于ωref和ωm。有利地，控制器可以防止在tref的阶跃变化下激发系统谐振。

对于具有多个轴转矩振幅的多质量体机电系统，可以通过本征频率分析来识别哪个轴转矩用作谐振控制器的输入。这可以识别在第一固有频率下彼此反相移动的质量体。然后可以将这些质量体之间的每个轴转矩用作输入控制变量tsh。具体地，如果多于一个轴在谐振，则控制器可以确定每个谐振轴的抑制振动的补偿转矩tcom并从参考转矩tref中减去每个tcom。

通常，对于多旋转质量体系统，在进行模式振型分析后，发现具有最低谐振频率的第一模式具有最大转矩振荡幅度，并选择该模式进行阻尼。然而，控制器不限于阻尼第一模式，并且可以被扩展以提供对另外的轴转矩振荡的抑制。

为了证明谐振控制器的有效性，将其用于模拟方位推进系统的振动阻尼，该方位推进系统被表示为图9示意性地示出的简化九质量八刚度多质量体系统。通过执行本征频率分析，识别在第一固有频率下在质量体2与质量体3之间发生扭转。因此，来自轴2的转矩信息用于控制变量tsh。轴2转矩信息是通过使用以下两者获得的：使用转矩传感器的直接轴转矩感测以及轴转矩估计方法。轴2转矩估计器的框图在图10中示出。质量体1与质量体2之间的连杆非常牢固，因此质量体1和质量体2可以被组合为单个质量体(因此在框图中，jm＝j1)。估计器公式为：

根据该公式，如果已知tm和ωm，则可以估计tsh2。所提出的估计器很简单，没有更高的状态。

在快速通风条件下模拟控制器的阻尼，其中螺旋桨负载转矩在时间t＝7s、12s和15s时突然减小并恢复全值。在时间段0s<t<11s内，系统在没有主动振动控制的情况下运行。在时间段11s<t<14.5s内接通基于轴转矩感测的控制，并且在时间段14.5s<t<20s内接通基于轴转矩估计的控制。

图11示出了相对于时间绘制的传动系中的轴转矩。如果没用主动减振解决方案，则轴的过转矩达到全负载转矩的2.1倍，并且振荡持续约2s的时长。基于轴转矩感测以及轴转矩估计的控制在初始过转矩减小以及振荡时长减少方面提供了相似的性能水平。图12示出了相对于时间绘制的传动系中的对应质量体速度。基于轴转矩感测以及基于轴转矩估计的控制在质量体2与质量体3之间提供了相似的扭转减少。

因此，控制器可以在多质量体机电系统中的扭转振动和动态转矩下为敏感机械系统部件(诸如耦接件、轴承、齿轮)提供有效保护。当发生负载突变时，控制器识别过转矩和扭转振动，并产生补偿转矩作为轴转矩的微分器输出。仅当存在扭转振荡时，控制逻辑才有效。谐振控制器的优点在于：

1.改善扭转模式的阻尼性能并且改善过转矩减小。

2.改善噪声抑制能力。

3.对机械参数变化相对不敏感。

4.与实际转矩感测与转矩估计之间的性能类似。

5.适用于多质量体传动系统，用作控制器的输入的轴转矩信息可通过本征频率分析来确定。

尽管上文在马达驱动系统的背景下进行描述，但控制器也可以用于具有带主动整流转换的原动机驱动的发电机的系统中。然后可以通过整流器控制发电机转矩以减少扭转振动。

该控制器也可以集成到不同的电机中，诸如感应机、永磁同步机、无刷同步机等。电力电子转换器还可以具有不同类型的逆变器、可控整流器、矩阵转换器等。

此外，控制器可以应用于使用机电能量转换和电力电子转换器系统的各种应用领域。因此，控制器可以用于工业驱动器、伺服驱动器、汽车系统和风力涡轮机等。具体地，潜在的应用可以在航空航天混合电力推进系统、航海推进系统、陆地混合传动系统和航空起动发电机系统中找到。

实施方案可以被描述为过程，该过程被描绘为流程图、流程图表、数据流程图、结构图或框图。虽然流程图可以将操作描述为顺序过程，但许多操作可以并行或并发地执行。此外，可以重新安排操作顺序。过程在其操作完成时终止，但可以具有未包括在附图中的附加步骤。过程可对应于方法、函数、规程、子例程，子程序等。当过程对应于函数时，其终止对应于函数返回到调用函数或主函数。

术语“计算机可读介质”可以表示用于存储数据的一个或多个装置，包括只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁性ram、磁芯存储器、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存存储装置和/或用于存储信息的其他机器可读介质。术语“计算机可读介质”包括但不限于便携式或固定存储装置、光学存储装置、无线信道，以及能够存储、包含或携带指令和/或数据的各种其他介质。

此外，实施方案可以通过硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或它们的任何组合来实现。当在软件、固件、中间件或微码中实现时，用于执行必要任务的程序代码或代码段可以被存储在计算机可读介质中。一个或多个处理器可以执行必要任务。代码段可以表示规程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任何组合。代码段可以通过传递和/或接收信息、数据、隐式参数、显式参数、或存储器内容来耦合到另一个代码段或硬件电路。信息、隐式参数、显式参数、数据等可以经由任何合适的方式传递、转发或传输，包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

附录

命名