一种双独立电机驱动双转子系统的电子相位同步控制方法及控制器

本发明涉及电机伺服控制领域，尤其是涉及一种双独立电机驱动双转子系统的电子相位同步控制方法及控制器。

背景技术：

1、双转子真空泵、双转子干式压缩机等设备通常要求两个转子维持设定的机械相位关系。传统装置普遍采用机械同步齿轮锁定转子相位；但机械同步齿轮存在高速噪声、齿轮磨损、润滑与密封负担大、加工装配难度高，并且存在转速上限，制约设备向高速化、无油化方向发展。因此采用两台独立电机分别驱动两个转子，依靠电子同步控制替代持续啮合的同步齿轮，具备显著的工程价值。

2、现有技术已经提出采用双独立电机驱动方案，利用编码器采集转子角位置反馈；控制器根据位置反馈生成两台电机的原始转矩指令，再对各轴执行逐轴独立限幅，在转矩裕量充足的稳态工况下能够实现无齿轮双转子的转速与角位置同步。但是在实际运行中，电机输出转矩存在物理能力边界；当系统公共加减速需求与转子相位纠偏需求同时存在、竞争有限的驱动转矩资源时，即便相位控制器输出了正确的相位纠偏指令，逐轴独立限幅仅对各轴总转矩进行钳位，无法区分转矩中的共模分量与差模纠相分量，会造成有效差模纠相转矩发生畸变与衰减，破坏预设的相位纠偏控制关系。

3、在高速运行、快速升降速或者单轴突加负载等工况下，电机进入电流 / 转矩饱和区；此时单纯依靠双轴独立速度控制，或者在转矩指令合成后逐轴独立限幅的方案，难以维持理论设计的相位纠正能力，会造成转子机械相位误差快速增大。对于依靠微小工作间隙实现密封与压缩、转子非接触运行的双转子机构，转子间微小的相对相位偏移即可显著改变最小工作间隙，降低真空度或压缩效率，严重时会引发转子干涉风险。

4、因此，对于具有严格相位保持要求的双转子系统，亟需一种在电机驱动资源受限条件下合理分配转矩资源、保障相位纠偏能力的控制方案，抑制转矩饱和工况下相位误差发散，保证双转子在转矩可用范围内维持规定的机械相位关系。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是在取消持续机械同步齿轮、两个转子由独立电机分别驱动的双转子系统中，当至少一个电机接近或达到当前驱动能力边界时，如何在有限的双电机驱动资源下避免公共运动控制需求破坏机械相位控制需求，从而降低执行器饱和导致的机械相位偏差。为解决所述技术问题，本发明提出一种双独立电机驱动双转子系统的电子相位同步控制方法及控制器。

2、第一方面，本发明提供一种双独立电机驱动双转子系统的相位同步控制方法，所述双转子系统包括第一转子、第二转子、驱动第一转子的第一电机和驱动第二转子的第二电机，所述方法包括：

3、获取第一分配系数和第二分配系数，根据分配系数，对第一电机和第二电机的输出转矩进行公共转矩和差模转矩的解耦；

4、根据第一转子和第二转子之间的机械相位状态，确定差模转矩的需求值；

5、根据所述第一电机和第二电机的可实现转矩范围以及第一分配系数和第二分配系数，确定差模转矩的可实现范围，所述可实现转矩范围由对应电机的当前运行状态获得；

6、根据所述差模转矩的需求值和所述差模转矩的可实现范围，确定差模转矩的实际值；

7、以所述差模转矩的实际值作为偏置，将所述第一电机和第二电机的可实现转矩范围分别映射为第一公共转矩允许范围以及第二公共转矩允许范围；所述差模转矩的实际值针对第一可实现转矩范围以及第二可实现转矩范围的偏置方向相反；

8、根据预设公共转矩需求值，在所述第一公共转矩允许范围以及第二公共转矩允许范围的交集内确定公共转矩的实际值；

9、根据差模转矩的实际值、公共转矩的实际值、第一分配系数和第二分配系数，分别生成第一电机和第二电机的转矩控制指令。

10、在一种可选的实施方式中，所述根据分配系数，对第一电机和第二电机的输出转矩进行公共转矩和差模转矩的解耦，公式表达如下：

11、；

12、；

13、其中,为第一电机的转矩，为第二电机的转矩，为公共转矩的实际值，为差模转矩的实际值，为第一分配系数，为第二分配系数，，且。

14、在一种可选的实施方式中，所述第一分配系数为第一转子驱动轴系的等效转动惯量在两套转子驱动轴系等效转动惯量之和中所占比例；所述第二分配系数为第二转子驱动轴系的等效转动惯量在两套转子驱动轴系等效转动惯量之和中所占比例。

15、在一种可选的实施方式中，所述根据所述第一电机和第二电机的可实现转矩范围以及第一分配系数和第二分配系数，确定差模转矩的可实现范围，所述差模转矩的可实现范围公式表达为：

16、；；

17、其中，为第一电机的可实现转矩范围，为第二电机的可实现转矩范围，为差模转矩可实现的最小值，为差模转矩可实现的最大值，为第一分配系数，为第二分配系数。

18、在一种可选的实施方式中，所述根据所述差模转矩的需求值和所述差模转矩的可实现范围，确定差模转矩的实际值，所述差模转矩的实际值公式表达为：

19、；

20、其中，为差模转矩的实际值，为差模转矩的需求值，为差模转矩的可实现范围。

21、在一种可选的实施方式中，以所述差模转矩的实际值作为偏置，将所述第一电机和第二电机的可实现转矩范围分别映射为第一公共转矩允许范围以及第二公共转矩允许范围，公式表达为：

22、；；

23、；；

24、其中，为第一公共转矩允许范围，为第二公共转矩允许范围，为第一电机的可实现转矩范围，为第二电机的可实现转矩范围,为差模转矩的实际值，为第一分配系数，为第二分配系数。

25、在一种可选的实施方式中，根据预设公共转矩需求值，在所述第一公共转矩允许范围以及第二公共转矩允许范围的交集内确定公共转矩的实际值，所述公共转矩的实际值公式表达为：

26、；

27、其中，为公共转矩的实际值，为公共转矩的需求值，为第一公共转矩允许范围，为第二公共转矩允许范围。

28、在一种可选的实施方式中，所述可实现转矩范围由对应电机的当前运行状态获得，所述当前运行状态至少包括电机电流、直流母线电压、电机转速、电机温度、逆变器温度、逆变器限流状态和故障降额状态中的一种。

29、在一种可选的实施方式中，所述第一可实现转矩范围中的转矩上限与转矩下限分别独立确定；第二可实现转矩范围中的转矩上限与转矩下限分别独立确定，转矩范围为对称或非对称。

30、在一种可选的实施方式中，根据第一转子和第二转子之间的机械相位状态，确定差模转矩的需求值，所述第一转子和第二转子之间的机械相位状态的获取方法包括：

31、获取第一转子的第一机械位置状态，同时获取对应的第一有效测量时刻、第一平均角速度以及第一平均角加速度；

32、获取第二转子的第二机械位置状态，同时获取对应的第二有效测量时刻，第二平均角速度以及第二平均角加速度；

33、根据第一平均角速度和第一平均角加速度，将第一转子的机械位置状态从第一有效测量时刻重构至控制参考时刻，获得对应控制参考时刻的第一重构位置状态；

34、根据第二平均角速度和第二平均角加速度，将第二转子的机械位置状态从第二有效测量时刻重构至控制参考时刻，获得对应控制参考时刻的第二重构位置状态；

35、根据第一重构位置状态和第二重构位置状态，确定第一转子和第二转子的机械相位状态。

36、在一种可选的实施方式中，所述有效测量时刻为机械位置状态被控制器接收到的时刻减去对应位置测量链路的等效延迟时间。

37、在一种可选的实施方式中，所述分别获取第一转子第一机械位置状态和第二转子的第二机械位置状态，还包括对所述机械位置状态进行方向归一化。

38、在一种可选的实施方式中，所述双转子系统为双转子真空泵或双转子压缩机。

39、第二方面，本发明提供一种用于双独立电机驱动双转子系统的电子相位同步控制器，分别与用于检测第一转子机械位置的第一位置检测单元、用于检测第二转子机械位置的第二位置检测单元、第一电机驱动单元和第二电机驱动单元连接，所述控制器用于：从所述第一位置检测单元获取第一转子机械位置，从第二位置检测单元获取第二转子机械位置；执行如第一方面任一项所述的电子相位同步控制方法，生成第一电机和第二电机的转矩控制指令；将所述转矩控制指令分别下发给第一电机驱动单元和第二电机驱动单元。

40、相比于现有技术，本发明的有益效果在于通过将差模需求和共模需求解耦，先固定分配差模资源，在保持差模资源不变的前提下，计算共模资源可分配的区域，确保共模资源分配保持在可分配区域内，在此基础上计算得到的两个电机的输出转矩，可以保证两个电机的输出转矩都在各自的能力范围之内，不会引起畸变，同时还可以保证两个电机的输出转矩之差满足差距需求。因此，当双转子系统中一台或一台以上的电机运转在饱和工况下，通过本发明提供的相位同步控制方法，仍能保持两个转子的相对相位，减少相位误差。