基于虚拟主轴控制的多电机齿轮系统转矩均衡控制方法

本发明属于多电机控制，具体涉及一种基于虚拟主轴控制思想的多电机刚性连接齿轮结构控制方法。

背景技术：

1、多电机驱动系统作为一种典型的机电系统，由多台电机共同驱动机械部件组成，具有高效率、快速性和高可靠性等特点。多电机驱动系统涉及机械、电力电子、控制科学以及计算机技术等诸多学科，是跨学科综合性课题。

2、多电机刚性连接齿轮系统，其特点在于各个电机通过齿轮结构进行耦合连接，进而驱动负载完成作业。在理想情况下，电机和齿轮可以看成是一个整体，即系统中的各电机间、驱动器、齿轮等参数完全相同时，可由电机的电磁转矩来代替齿轮所分配的转矩，当系统正常稳定运行时，各电机将会被分配到相同的负载，从而使得各电机的输出转矩一致。但是，在实际情况中，电机和齿轮将会受到参数、扰动等的影响，由运动方程可知，此时电机和齿轮不再被看成是一个整体，在这种机械结构下，各齿轮之间的转速被强制进行同步(考虑齿隙的情况下，齿轮之间的转速会出现异步)，虽然受到齿轮结构的影响，电机轴输出的转矩之间相互耦合，但是满足不了对整个系统控制的性能要求：

3、一方面，受到设备制造时的影响，电机、轴和齿轮等的参数(如转动惯量，轴的旋转参数)性能并不会完全相同，因此在系统运行过程中，齿轮将出现转矩分配不均的问题；同时多电机刚性连接齿轮系统在控制过程中，控制器参数的变化也会影响系统的运行性能，从而造成齿轮转矩分配不均，进而导致系统运行性能下降，严重时出现断轴的风险。

4、另一方面，面对某台电机的负载发生突变时，将会导致系统发生转矩失衡的现象，从而面临电机过载或者断轴等的危险。

5、因此，多电机系统的转矩控制性能将直接影响整个工程系统的效率和安全，研究多电机系统的转矩均衡控制具有十分重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于虚拟主轴控制的多电机齿轮系统转矩均衡控制方法，将虚拟主轴控制应用于多电机刚性连接齿轮系统中，降低多电机刚性连接齿轮系统在运行过程中由于系统本身参数或者机械传动机构以及负载扰动导致转矩失衡的风险。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明提出一种基于虚拟主轴控制的多电机齿轮系统转矩均衡控制方法，基于多电机刚性连接齿轮系统，所述多电机刚性连接齿轮系统包括一台虚拟主电机和多台通过齿轮结构连接的从电机，电机采用svpwm矢量控制，小齿轮与大齿轮相互啮合，多台从电机在主电机的控制下同步运行，其输出的转矩相互耦合；所述转矩均衡控制方法包括以下步骤：

4、步骤一、建立多电机刚性连接齿轮系统的动力学模型，得到电机-轴-齿轮的动力学方程；

5、步骤二、依据系统的动力学方程建立虚拟主轴的模型，将虚拟主轴得到的驱动力矩加到转矩外环中，以实现转矩均衡控制；

6、步骤三、测得电机轴实际输出的机械转矩，将电机轴实际输出的机械转矩与驱动力矩的平均值进行比较，然后补偿到转矩外环中，以提升系统的抗干扰能力。

7、进一步地，所述电机-轴-齿轮的动力学方程为：

8、

9、其中，ratio为齿轮传动比，eta为齿轮间的传递效率；tei、ji和θmi为第i台电机的转矩、转动惯量和角度；tgi、jgi和θgi为第i个小齿轮的转矩、转动惯量和角度；c1i和d1i分别为第i台电机与对应小齿轮之间连接轴的旋转刚度和阻尼；ci和di分别为第i个小齿轮与大齿轮间的啮合刚度和阻尼；tg、jg和θg为大齿轮的转矩、转动惯量和角度；c21和d21为大齿轮与负载之间轴的旋转刚度和阻尼；tload、jload和θload为总负载的转矩、转动惯量和角度；δtli为第i台电机的负载扰动。

10、进一步地，所述虚拟主轴的驱动力矩方程为：

11、

12、其中，s为微分算子，n为电机数量，ratio为齿轮传动比，eta为齿轮间的传递效率；tv_gi和θv_gi为虚拟主轴中第i个小齿轮的转矩和角度；c1i和d1i分别为第i台电机与齿轮之间轴的旋转刚度和阻尼；ci和di分别为第i个小齿轮与大齿轮间的啮合刚度和阻尼；c21和d21分别为负载轴与大齿轮之间轴的旋转刚度和阻尼；tg和θg是大齿轮的扭矩和角度；tv_load、jv_load和θv_load为虚拟主轴中总负载的转矩、转动惯量和角度；ti为驱动力矩。

13、进一步地，所述步骤三中进行补偿的补偿量为：

14、

15、其中，kt为补偿系数。

16、本发明还提供了一种设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述转矩均衡控制方法的步骤。

17、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述转矩均衡控制方法的步骤。

18、本发明的有益效果是：

19、1、本发明针对多电机刚性连接齿轮系统中因参数变化或负载扰动引起的转矩输出不均衡问题难以有效解决的现状，提出了一种转矩均衡控制方法，将多电机虚拟主轴控制应用于多电机刚性连接齿轮系统中，基于系统的动力学方程，得到虚拟主轴的驱动力矩，并对其进行补偿，将二者加到转矩外环中，提高了系统的抗干扰能力，降低系统的转矩误差、抑制系统的转矩波动、提高系统的稳定性；

20、2、上述转矩均衡控制方法、设备及存储介质，依据系统动力学方程重新对虚拟主轴的驱动力矩进行设计，通过控制驱动力矩，从而驱动电机带动负载更高性能的运行，以实现增强系统的转矩均衡程度；当系统出现扰动时对转矩进行补偿，从而提高系统的抗干扰能力。

技术特征：

1.一种基于虚拟主轴控制的多电机齿轮系统转矩均衡控制方法，基于多电机刚性连接齿轮系统，所述多电机刚性连接齿轮系统包括一台虚拟主电机和多台通过齿轮结构连接的从电机，电机采用svpwm矢量控制，小齿轮与大齿轮相互啮合，多台从电机在主电机的控制下同步运行，其输出的转矩相互耦合；其特征在于，所述转矩均衡控制方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟主轴控制的多电机齿轮系统转矩均衡控制方法，其特征在于，所述电机-轴-齿轮的动力学方程为：

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟主轴控制的多电机齿轮系统转矩均衡控制方法，其特征在于，所述步骤二中，虚拟主轴的驱动力矩方程为：

4.根据权利要求3所述的所述的一种基于虚拟主轴控制的多电机齿轮系统转矩均衡控制方法，其特征在于，所述步骤三中进行补偿的补偿量为：

技术总结
本发明公开了基于虚拟主轴控制的多电机齿轮系统转矩均衡控制方法，该方法以多电机刚性连接齿轮系统的数学模型为基础，首先建立电机‑轴‑齿轮的动力学模型，基于该动力学方程重新对电机的驱动力矩进行设计，根据系统的实时变化对驱动力矩进行实时计算，同时，对转矩进行补偿，通过反馈的驱动力矩和转矩补偿输入到相对应的电机的转矩外环中进行输出的调整，实现电机间的转矩同步运行。本发明方法将多电机虚拟主轴控制应用于多电机刚性连接齿轮系统中，降低系统的转矩误差、抑制系统的转矩波动，从而降低系统在运行过程中由于系统本身参数或者机械传动机构以及负载扰动导致转矩失衡带来的风险。

技术研发人员：范波,姜辰龙,孙力帆,许惠,胡庆炜,张逸帆,黄国幸
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31