一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统及其控制方法与流程

本发明涉及电机集成与控制领域，具体涉及一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统及其控制方法。

背景技术：

磁性耦合器是集工业、环境与控制技术的需要，依据永磁传动机理而研发的新技术，它具有节能降耗、容忍对中误差、无谐波和振动小的特点，但是传统的永磁或电磁耦合器为开环执行机构，没有控制反馈元件，使得应用范围比较小，而且主从动盘完全脱离的磁性耦合结构，不能承受太大的电机轴扭矩，也容易产生发热和温升，使系统发生报警或故障，限制了磁性耦合器在工业中的进一步推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统及其控制方法，能够形成对于电机磁性耦合传动系统的实时闭环控制。

实现上述目的的一种技术方案是：一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统，包括驱动电机、与驱动电机连接的减速箱和磁性耦合器，其特征在于，还包括系统稳压电源、接触继电器、电机驱动模块、霍尔角位移传感器和下位机；

外部220v交流电通过系统稳压电源接入电机磁粉耦合系统，所述系统稳压电源与所述电机驱动模块连接，所述电机驱动模块与所述驱动电机连接，所述驱动电机通过所述减速箱输出动力，所述减速箱与所述磁性耦合器连接，所述驱动电机还与所述接触继电器连接，所述接触继电器与所述下位机连接，所述霍尔角位移传感器分别与所述电机驱动模块、所述磁性耦合器及所述下位机连接。

进一步的，所述下位机通过引出线与专家服务器及上位机连接。

进一步的，若干个所述驱动电机形成电机群组，一个电机群组的每个驱动电机均由一根单电机输出轴连接到磁性耦合器，所述磁性耦合器与一个行星减速器连接并通过该行星减速器向外输出动力。

采用上述电机磁粉耦合系统的一种控制方法，其具体为：

外部220v交流电通过件系统稳压电源降压到直流12v，通过所述接触继电器打开所述电机驱动模块的使能端，使所述驱动电机开始启动，所述驱动电机通过所述减速箱输出动力，同时带动所述磁性耦合器的主动驱动盘及磁粉旋转，磁粉在磁性作用下带动磁性耦合器的被动磁性盘开始旋转，与此同时所述霍尔角位移传感器实时检测所述被动磁性盘转动的位移变化、速度变化和加速度变化，通过模数转化后将数值传送给所述下位机，当发现有位移、速度或加速度的变化跟不上驱动电机的设置值时，采用内置的pid算法，对电机驱动模块进行pwm调节驱动电压和电流的占空比，使驱动电机降低功率，直到消除闭环检测的误差或达到极小的转速差，再逐渐增加功率，以保证所述磁性耦合器的被动磁性盘和主动驱动盘及磁粉之间不发生相对位移，即可消除磁性耦合器的温升问题；在断电过程时，执行反向过程；

专家服务器及上位机的作用主要是进行数据的深度挖掘和模糊控制，针对不同的工况，可以通过大数据积累不同的控制参数和曲线，达到系统自我学习，找到系统最佳运行点并反馈给下位机，进行指令控制。

本发明的一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统及其控制方法，结合驱动电机与工业负载特性，不仅对工作磁路进行了磁场和温度场的有限元仿真分析，更进一步使用传感器和嵌入式系统，编写pid比例积分微分控制程序，并通过霍尔角位移传感器对于磁性耦合器的数据监测，形成电机磁性耦合传动系统的实时闭环控制，通过软件控制电机输出轴与负载的转速差和电机轴加速度范围，进一步提高磁性耦合的扭矩传输性能和热稳定性，对群组电机并联输出、电机频繁启停、系统过载保护和电机振动抑制等应用场景具有较强的适用性。

附图说明

图1为本发明的一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统的结构示意图；

图2为本发明的一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统的磁性耦合器的结构示意图；

图3位本发明一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统的电机群组的结构示意图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1，一种基于磁场有限元与闭环实时控制的电机磁粉耦合系统，包括驱动电机9、与驱动电机9连接的减速箱5、磁性耦合器、系统稳压电源7、接触继电器10、电机驱动模块6、霍尔角位移传感器2、下位机11和专家服务器及上位机1。其中，磁性耦合器包括被动磁性盘3和主动驱动盘及磁粉4。

外部220v交流电8通过系统稳压电源7接入电机磁粉耦合系统，系统稳压电源7与电机驱动模块6连接，电机驱动模块6与驱动电机9连接，驱动电机9通过减速箱5输出动力，减速箱5连接磁性耦合器的主动驱动盘及磁粉4，驱动电机9还与接触继电器10连接，接触继电器10与下位机11连接，下位机11通过引出线或无线网络与专家服务器及上位机1远程连接，霍尔角位移传感器2分别与电机驱动模块6、磁性耦合器及下位机11连接。

其中，请参阅图2磁性耦合器的结构示意图，由主动驱动盘41输入电机的动力，磁粉42在永磁体43的磁性作用下，吸附在主动驱动盘41、永磁体43和被动磁性盘3上，其中永磁体43和被动磁性盘3为异种材料，采用镶嵌浇铸的方式结合在一起不发生相对位移，磁粉依靠摩擦力将动力从主动驱动盘41传递到永磁体43和被动磁性盘3，再由被动磁性盘3向外输出动力。

上述回路形成对于单一的磁性耦合器电机的控制系统。请参阅图3，若干个驱动电机9形成电机群组，一个电机群组的每个驱动电机9均由一根单电机输出轴91连接到磁性耦合器92，磁性耦合器92与一个行星减速器93连接并通过该行星减速器93，通过并联输出轴94向外输出动力。当负载功率较小变化时，可采用变频调压等技术实现节能，当负载特别小时，可开启电机群组中的1台或几台，类似于发动机的闭缸技术，切断部分电机的动力输出，甚至反向发电产生刹车阻力等，能提供多种电机组合方式，对于电机群组的高效、智能控制有积极作用。

外部220v交流电8通过件系统稳压电源7降压到直流12v，通过接触继电器10打开电机驱动模块6的使能端，使驱动电机9开始启动，驱动电机9通过减速箱5输出动力，同时带动磁性耦合器的主动驱动盘及磁粉4旋转，磁粉在磁性作用下带动磁性耦合器的被动磁性盘3开始旋转。与此同时霍尔角位移传感器2实时检测被动磁性盘3转动的位移变化、速度变化和加速度变化，通过模数转化后将数值传送给下位机11，当发现有位移、速度或加速度的变化跟不上驱动电机的设置值时，采用内置的pid算法，对电机驱动模块6进行pwm调节驱动电压和电流的占空比，使驱动电机降低功率，直到消除闭环检测的误差或达到极小的转速差，再逐渐增加功率，以保证磁性耦合器的被动磁性盘和主动驱动盘及磁粉之间不发生相对位移，即可消除磁性耦合器的温升问题；在断电过程时，执行反向的过程即可。在调速过程中，类似于通电和断电的过程，也可进行闭环控制。

专家服务器及上位机1的作用主要是进行数据的深度挖掘和模糊控制，针对不同的工况，可以通过大数据积累不同的控制参数和曲线，达到系统自我学习，找到系统最佳运行点并反馈给下位机11，进行指令控制。工业实际应用时可根据高低压电机的不同，选择合适的元件参数。可以根据实际使用情况，调整磁粉的材料和颗粒度，也可以调整磁粉层的厚度，以适应不同的工况，比如需要强扭矩是可以采用高磁通的磁粉、细小的颗粒度和较薄磁粉层厚，当需要有一定偏轴使用时可增加磁粉层厚度，达到输入和输出轴的角度偏移等。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。