CN106208877A - 一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法。本控制方法包括，一步控制磁悬浮系统稳定工作；二步安装在电机输入端的霍尔电流传感器；三步三相静止电流I_a、I_b、I_c输入到三相静止到两相静止变换CLARKE模块；四步根据转速估计值θ_est与设定阈值θ_th的关系进行开环与闭环控制切换；五步获取转子角位置；六步角位置模拟值θ_sim与估计值θ_est输入到转速估计单元得到转子转速估计值n_est；七步I_α、I_β、转子角位置输入到两相静止到两相旋转变换PARK模块；八步闭环反馈控制；九步V_d、V_q输入到两相静止到两相旋转变换IPARK模块；十步根据第九步得到的V_α、V_β进行矢量控制。本发明用于磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制。

Description

一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法

技术领域：

本发明涉及一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法。

背景技术：

磁悬浮飞轮储能技术是一种新兴的、先进的机械储能方式，具有充放电迅速、功率大、寿命长且对环境污染小等优点，在能源存储、电力动态调节以及大功率充放电场合有较好的应用。永磁同步电机具有结构简单、体积小、功率因数高、功率密度高、转动惯量低等优点，用于驱动飞轮完成充放电过程是理想的选择。

现有的永磁同步电机控制方式主要分为有传感器控制和无传感器控制两大类。其中，有传感器控制主要采用光电编码器、旋转变压器等测量转子磁链的实际位置，同时采用霍尔传感器测量转子的实际转速，其检测精度高，控制简单、可靠，但是会大幅增加电机的体积和成本，而且有许多应用场合不便于安装位置传感器。由于飞轮储能采用磁悬浮轴承支撑，转子在静止状态或旋转过程中沿圆周径向和轴向都存在较大的位移跳动，不便于在转子两侧安装传感器，因此为实现磁悬浮储能飞轮的充放电过程，必须采用无传感器控制方式。无传感器控制需要解决转子角位置的实时估计问题，通过查阅相关专利可知，目前主要有反电势直接计算法、卡尔曼滤波器法以及滑模观测器估计法等。这些方法都是基于电机电流模型进行角位置估计，适合于电机处于一定转速下运行，但是当电机启动时电流为零，或者电机在充电与放电过程进行切换时，电流均存在过零点，此时电流模型没有输出而无法采用以上所述方法进行角位置估计。

发明内容：

本发明的目的是提供一种磁悬浮储能飞轮在无位置和转速传感器条件下，快速充电控制的方法，同时提高转子角位置估计精度，实现开环与闭环控制过程的平稳过渡，完成磁悬浮储能飞轮用永磁同步电机的快速充电控制的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，本控制方法包括十步，第一步控制磁悬浮系统稳定工作，然后用于驱动飞轮旋转的永磁同步电机上电；第二步安装在电机输入端的霍尔电流传感器分别测得电机三相电流I_a、I_b、I_c，电压传感器测得电机三相电压V_a、V_b、V_c和直流母线电压V_dc；第三步将第二步中得到的三相静止电流I_a、I_b、I_c输入到三相静止到两相静止变换CLARKE模块，生成两相静止电流I_α、I_β；第四步根据转速估计值θ_est与设定阈值θ_th的关系进行开环与闭环控制切换；第五步获取转子角位置；第六步将第五步得到的角位置模拟值θ_sim与估计值θ_est输入到转速估计单元得到转子转速估计值n_est；第七步将第三步得到的I_α、I_β到与第五步得到的转子角位置输入到两相静止到两相旋转变换PARK模块,生成两项旋转电流I_d、I_q；第八步闭环反馈控制；第九步将第八步得到的V_d、V_q输入到两相静止到两相旋转变换IPARK模块，生成两相静止电压V_α、V_β；第十步根据第九步得到的V_α、V_β进行矢量控制，扇区分配，生成三相空间矢量脉宽调制SVPWM波，完成电机充电控制。

所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第四步根据转速估计值θ_est与设定阈值θ_th的关系进行开环与闭环控制切换是当θ_est≤θ_th，采用恒流频比I/F开环控制并设置变量Scheme＝OpenLoopControl；当θ_est<θ_th，采用转速/电流双闭环控制并设置变量Scheme＝CloseLoopControl；其中OpenLoopControl＝0，CloseLoopControl＝1。

所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第五步获取转子角位置是若Scheme＝OpenLoopControl，则给定频率增量Δf，生成电频率值f＝f+Δf，输入到模拟角度单元生成角位置θ＝θo+f*T；若Scheme＝CloseLoopControl，则将第二步得到的Va、Vb、Vc和第三步得到的I_α、I_β输入到高精度扩展滑模观测器，得到转子角位置估计值θ_est。

所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第八步闭环反馈控制；若Scheme＝OpenLoopControl，根据设定的直轴和交轴电流参考I_dref、I_qref以及第七步得到的I_d、I_q进行电流闭环，分别得到直轴和交轴电压V_d、V_q；若Scheme＝OpenLoopControl，一方面根据设定的直轴电流参考I_qref和第七步得到的I_d进行电流闭环，得到直轴电压V_d，另一方面根据设定的转速参考n_ref和第六步得到的转速估计值n_est转速闭环，得到交轴电流参考I_qref，根据I_qref和第七步得到的I_q进行电流闭环，得到交轴电压V_q。

所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第五步中的扩展滑模观测器具体实现步骤如下；第1步机建立永磁同步电机α-β系下的电流与反电势数学模型：

e_α＝-λωsin(θ)，e_β＝λωcos(θ)，其中R_s、

L_s分别为电机定子相绕组电阻和电感，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β为分别为α-β，系下两相静止电压、电流与反电势，λ电势系数，ω角速度，θ电角度；第2步将权利要求1中第一步得到的电机三相电压Va、Vb、Vc进行克拉克CLARKE变换，得到α-β系下两相静止电压量测值u_α、u_β；第3步根据第2步得到的u_α、u_β与权利要求1中第三步得到的两相静止电流I_α、I_β，建立扩展滑模观测器；

$\left[\begin{array}{c}\frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{e}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{e}}_{\mathrm{\&beta;}}}{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_s}& 0& 0& 0\\ 0& -\frac{R_s}{L_s}& 0& 0\\ 0& 0& & -\mathrm{\&omega;}\\ 0& 0& \mathrm{\&omega;}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_s}\\ \frac{1}{L_s}\\ 0\\ 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}-z_{\mathrm{\&alpha;}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}-z_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ z_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_{slide}& 0\\ 0& K_{slide}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}sat(i_{\mathrm{\&alpha;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}})\\ sat(i_{\mathrm{\&beta;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}})\end{array}\right],$

得到角位置估计量和转速估计量，其中k为采样时刻，T为采样周期；

第4步、第3步中的扩展滑模观测器增益K_slide的取值原则；

K_slide＞max|e_α|，|e_β|饱和函数sat(x)的取值原则：

有益效果：

1.本发明不使用任何位置传感器和转速传感器，有效地避免了由磁悬浮轴承位移跳动引入的传感器数据失效问题，可较大幅度节省系统成本和体积，并进一步提高整个磁悬浮储能飞轮系统的可靠性。

2.本发明根据实际行转速值进行I/F开环与转速/电流双闭环控制结构的切换，采用基于模拟角度量与α-β系扩展滑模观测器角位置估计值相结合的角位置闭环控制模式，有效地解决了低速时滑模观测器角位置估计误差较大的问题，保证了电机的开环平稳启动，实现了全转速范围内的磁悬浮储能飞轮无传感器控制。

附图说明：

附图1是本发明的磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制的流程图。

附图2为本发明的转速/电流双闭环控制结构图。

附图3为本发明的模拟角度量单元生成的角位置模拟值。

附图4为本发明的扩展滑模观测器得到的角位置估计值。

附图5为本发明的磁悬浮储能飞轮充电控制的转速曲线。

具体实施方式：

实施例1：

一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，本控制方法包括十步，第一步控制磁悬浮系统稳定工作，然后用于驱动飞轮旋转的永磁同步电机上电；第二步安装在电机输入端的霍尔电流传感器分别测得电机三相电流I_a、I_b、I_c，电压传感器测得电机三相电压V_a、V_b、V_c和直流母线电压V_dc；第三步将第二步中得到的三相静止电流I_a、I_b、I_c输入到三相静止到两相静止变换CLARKE模块，生成两相静止电流I_α、I_β；第四步根据转速估计值θ_est与设定阈值θ_th的关系进行开环与闭环控制切换；第五步获取转子角位置；第六步将第五步得到的角位置模拟值θ_sim与估计值θ_est输入到转速估计单元得到转子转速估计值n_est；第七步将第三步得到的I_α、I_β到与第五步得到的转子角位置输入到两相静止到两相旋转变换PARK模块,生成两项旋转电流I_d、I_q；第八步闭环反馈控制；第九步将第八步得到的V_d、V_q输入到两相静止到两相旋转变换IPARK模块，生成两相静止电压V_α、V_β；第十步根据第九步得到的V_α、V_β进行矢量控制，扇区分配，生成三相空间矢量脉宽调制SVPWM波，完成电机充电控制。

实施例2：

实施例1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第四步根据转速估计值θ_est与设定阈值θ_th的关系进行开环与闭环控制切换是当θ_est≤θ_th，采用恒流频比I/F开环控制并设置变量Scheme＝OpenLoopControl；当θ_est<θ_th，采用转速/电流双闭环控制并设置变量Scheme＝CloseLoopControl；其中OpenLoopControl＝0，CloseLoopControl＝1。

实施例3：

实施例1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第五步获取转子角位置是若Scheme＝OpenLoopControl，则给定频率增量Δf，生成电频率值f＝f+Δf，输入到模拟角度单元生成角位置θ＝θo+f*T，其中θo为初始角位置，T为采样周期；若Scheme＝CloseLoopControl，则将第二步得到的Va、Vb、Vc和第三步得到的I_α、I_β输入到高精度扩展滑模观测器，得到转子角位置估计值θ_est。

实施例4：

实施例1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第八步闭环反馈控制；若Scheme＝OpenLoopControl，根据设定的直轴和交轴电流参考I_dref、I_qref以及第七步得到的I_d、I_q进行电流闭环，分别得到直轴和交轴电压V_d、V_q；若Scheme＝OpenLoopControl，一方面根据设定的直轴电流参考I_qref和第七步得到的I_d进行电流闭环，得到直轴电压V_d，另一方面根据设定的转速参考n_ref和第六步得到的转速估计值n_est转速闭环，得到交轴电流参考I_qref，根据I_qref和第七步得到的I_q进行电流闭环，得到交轴电压V_q。

实施例5：

实施例1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第五步中的扩展滑模观测器具体实现步骤如下；第1步机建立永磁同步电机α-β系下的电流与反电势数学模型：

e_α＝-λωsin(θ)，e_β＝λωcos(θ)，其中R_s、

L_s分别为电机定子相绕组电阻和电感，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β为分别为α-β，系下两相静止电压、电流与反电势，λ电势系数，ω角速度，θ电角度；第2步将权利要求1中第一步得到的电机三相电压Va、Vb、Vc进行克拉克CLARKE变换，得到α-β系下两相静止电压量测值u_α、u_β；第3步根据第2步得到的u_α、u_β与权利要求1中第三步得到的两相静止电流I_α、I_β，建立扩展滑模观测器；

$\left[\begin{array}{c}\frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{e}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{e}}_{\mathrm{\&beta;}}}{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_s}& 0& 0& 0\\ 0& -\frac{R_s}{L_s}& 0& 0\\ 0& 0& & -\mathrm{\&omega;}\\ 0& 0& \mathrm{\&omega;}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_s}\\ \frac{1}{L_s}\\ 0\\ 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}-z_{\mathrm{\&alpha;}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}-z_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ z_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_{slide}& 0\\ 0& K_{slide}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}sat(i_{\mathrm{\&alpha;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}})\\ sat(i_{\mathrm{\&beta;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}})\end{array}\right],$

得到角位置估计量和转速估计量，其中k为采样时刻，T为采样周期；

第4步、第3步中的扩展滑模观测器增益K_slide的取值原则；

K_slide＞max|e_α|，|e_β|饱和函数sat(x)的取值原则：

实施例6：

上述实施例所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，如附图2所示，外环路为转速环，由转速设定值n_ref与转速估计值n_est为组成闭环反馈，经转速补偿器(通常为PI控制器)，输出交轴电流参考值I_qref，而I_d电流参考值通常设置为零即I_qref＝0。内环路为电流环，包括I_q电流环和I_d电流环两部分，电流参考值I_qref、I_qref经过电流补偿器(通常为PI控制器)分别输出d-q系下的两相旋转电压V_d和V_q；V_d和V_q经过两相旋转到两相静止(IPARK)为变换转换为α-β系下的两相静止电压V_α和V_β；V_α和V_β经过空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法生成三路脉冲宽度调制(PWM)占空比信号T_a、T_b和T_c；控制器的PWM单元根据三路占空比生成PWM信号，这三路信号分别标记为PWMA、PWMB和PWMC。反馈通道：霍尔电流传感器测得电机三相电流信号I_a、I_b和I_c，输入到CLARKE模块为转换为α-β系下的两相静止电流I_α和I_β，两相静止电流经过PARK变换转换为d-q系下的两相旋转电流I_d和I_q并反馈至电流补偿器；电压传感器测得电机三相电压信号V_a、V_b和V_c以及直流母线电压V_dc，输入到CLARKE为模块转换为α-β系下的两相静止电压u_α和u_β，u_α、u_β、I_α和I_β输入到扩展滑模观测器与转速估计单元，分别得到角位置估计量θ_est和转速估计量n_est；模拟角度单元生成角位置模拟量θ_sim；θ_sim和θ_est根据附图1说明进行角位置闭环反馈，最终实现电机无传感器快速充电控制。

如附图3所示的模拟角度量单元生成的角位置模拟θ_sim，从中可以看出模拟角度量数据平滑、连续，有利于永磁同步电机由静止状态快速、平稳地启动。

如附图4所示的扩展滑模观测器得到的角位置估计量θ_est，从附图3和附图4两个曲线可以看出，采用扩展滑模观测器得到的角位置估计量θ_est与模拟量θ_sim基本保持一致θ_est的相位滞后较小且平滑度较好，从而验证了所采用的扩展滑模观测器的有效性。

如附图5所示的磁悬浮储能飞轮充电控制的转速曲线。从中可以看出，在0～100s时间段，飞轮处于充电过程，电机加速旋转至10000r/m；在100～500s时间段，飞轮充电结束，电机处于稳速状态；500s之后飞轮开始放电，电机处于自由降速状态，直到完全停机。整个过程飞轮充电迅速并保持设定转速待机，验证了本发明控制方法的有效性。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，其特征是:本控制方法包括十步，第一步控制磁悬浮系统稳定工作，然后用于驱动飞轮旋转的永磁同步电机上电；第二步安装在电机输入端的霍尔电流传感器分别测得电机三相电流I_a、I_b、I_c，电压传感器测得电机三相电压V_a、V_b、V_c和直流母线电压V_dc；第三步将第二步中得到的三相静止电流I_a、I_b、I_c输入到三相静止到两相静止变换CLARKE模块，生成两相静止电流I_α、I_β；第四步根据转速估计值θ_est与设定阈值θ_th的关系进行开环与闭环控制切换；第五步获取转子角位置；第六步将第五步得到的角位置模拟值θ_sim与估计值θ_est输入到转速估计单元得到转子转速估计值n_est；第七步将第三步得到的I_α、I_β到与第五步得到的转子角位置输入到两相静止到两相旋转变换PARK模块,生成两项旋转电流I_d、I_q；第八步闭环反馈控制；第九步将第八步得到的V_d、V_q输入到两相静止到两相旋转变换IPARK模块，生成两相静止电压V_α、V_β；第十步根据第九步得到的V_α、V_β进行矢量控制，扇区分配，生成三相空间矢量脉宽调制SVPWM波，完成电机充电控制。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，

其特征是:所述的第四步根据转速估计值θ_est与设定阈值θ_th的关系进行开环与闭环控制切换是当θ_est≤θ_th，采用恒流频比I/F开环控制并设置变量Scheme＝OpenLoopControl；当θ_est<θ_th，采用转速/电流双闭环控制并设置变量Scheme＝CloseLoopControl；其中OpenLoopControl＝0，CloseLoopControl＝1。

3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，其特征是:所述的第五步获取转子角位置是若Scheme＝OpenLoopControl，则给定频率增量Δf，生成电频率值f＝f+Δf，输入到模拟角度单元生成角位置θ＝θo+f*T；若Scheme＝CloseLoopControl，则将第二步得到的Va、Vb、Vc和第三步得到的I_α、I_β输入到高精度扩展滑模观测器，得到转子角位置估计值θ_est。

4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，

其特征是:所述的第八步闭环反馈控制；若Scheme＝OpenLoopControl，根据设定的直轴和交轴电流参考I_dref、I_qref以及第七步得到的I_d、I_q进行电流闭环，分别得到直轴和交轴电压V_d、V_q；若Scheme＝OpenLoopControl，一方面根据设定的直轴电流参考I_qref和第七步得到的I_d进行电流闭环，得到直轴电压V_d，另一方面根据设定的转速参考n_ref和第六步得到的转速估计值n_est转速闭环，得到交轴电流参考I_qref，根据I_qref和第七步得到的I_q进行电流闭环，得到交轴电压V_q。

5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，

其特征是:所述的第五步中的扩展滑模观测器具体实现步骤如下；第1步机建立永磁同步电机α-β系下的电流与反电势数学模型：

e_α＝-λωsin(θ)，e_β＝λωcos(θ)，其中R_s、

L_s分别为电机定子相绕组电阻和电感，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β为分别为α-β，系下两相静止电压、电流与反电势，λ电势系数，ω角速度，θ电角度；第2步将权利要求1中第一步得到的电机三相电压Va、Vb、Vc进行克拉克CLARKE变换，得到α-β系下两相静止电压量测值u_α、u_β；第3步根据第2步得到的u_α、u_β与权利要求1中第三步得到的两相静止电流I_α、I_β，建立扩展滑模观测器；

$\left[\begin{array}{c}\frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{e}}_{\mathrm{\&alpha;}}}{dt}\\ \frac{d{\hat{e}}_{\mathrm{\&beta;}}}{dt}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_s}& 0& 0& 0\\ 0& -\frac{R_s}{L_s}& 0& 0\\ 0& 0& & -\mathrm{\&omega;}\\ 0& 0& \mathrm{\&omega;}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_s}\\ \frac{1}{L_s}\\ 0\\ 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}-z_{\mathrm{\&alpha;}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}-z_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ z_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_{slide}& 0\\ 0& K_{slide}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}sat(i_{\mathrm{\&alpha;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}})\\ sat(i_{\mathrm{\&beta;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}})\end{array}\right],$

得到角位置估计量和转速估计量，其中k为采样时刻，T为采样周期；

第4步、第3步中的扩展滑模观测器增益K_slide的取值原则；

K_slide＞max|e_α|，|e_β|饱和函数sat(x)的取值原则：