CN108847750B - 基于圆筒直线振荡电机的发电系统及其控制方法 - Google Patents

基于圆筒直线振荡电机的发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于圆筒直线振荡电机的发电系统，包括自由活塞式斯特林发动机、圆筒直线振荡电机、整流桥电路、无位置传感器、中央控制器、蓄电池组，无位置传感器包括基于线性霍尔传感器的动子位置检测模块，中央控制器采用三闭环控制；三闭环控制采用参数自整定模糊PI控制的电压环、无位置检测算法的速度环和解耦控制与PI调节空间矢量相结合的电流环。本发明将圆筒直线振荡电机、无位置传感器技术、基于电压、速度和电流控制器的三闭环控制方法相结合并应用在发电系统中，保证电能质量，提高发电系统的动态响应速度及鲁棒性，同时使用无位置传感器技术解决位置传感器对环境与安装精度要求高的问题，降低发电系统的制造成本及安装难度。

Description

基于圆筒直线振荡电机的发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术与电机控制领域，特别涉及一种基于圆筒直线振荡电机的发电系统及其控制方法。
背景技术
斯特林发动机是一种外燃(或外部加热)式闭式循环活塞式发动机，也称为热气机。各种燃料燃烧装置、太阳能、原子能、蓄热装置以及化学反应生成热装置等均可以成为其外部加热热源。自由活塞式斯特林发动机是斯特林发动机的一个重要分支，其运动输出为往复直线运动，系统结构紧凑，质量小，效率高，性能稳定。自由活塞斯特林发动机设备在新型电源、空间技术、核能应用、太阳能应用、热回收等领域具有很大潜力。
圆筒直线振荡电机是一种新型的永磁直线电机，它兼有永磁电机和直线电机的优点。采用直接驱动的方式，相比于传统的“旋转电机+滚珠丝杠”传动方式具有无中间传动环节，高刚性、高推力、响应速度快、优势突出的节能、免维护等优点，因此其在提升系统、高性能的伺服驱动等场合得到广泛的应用。同时，该电机为三相电机，相对于单相电机，具有三线对称绕组，采用不同的电流激励方式产生可控的行波磁场，与永磁磁场相互作用能够形成稳定可控的电磁力，故定子行程可调性高；同样的规格，三相电机的启动电流更小，只有单相电机的1/4，效率更高，输出力更大；三相电机可以通过增加极数而不改变其他尺寸的方式进行功率扩展；三相直线电机的工作原理更接近旋转直线电机，因而用于传统旋转电机的控制器和技术可以拿来借鉴。
由于自由活塞斯特林发动机和自由活塞内燃发动机的活塞均为直线往复运动，与直线振荡发电机运动方式相匹配，因此以直线振荡发电机为负载的自由活塞发电机是上述两种发动机的理想发电方式。通过发动机和发电机的一体化设计，可以实现热能到电能的高效转换。同时由于直线发电机的接入，使得直线振荡发电机系统具备了优良的系统可控性和快速响应能力，并且通过设计和控制使直线发电机在系统启动阶段作为电动机使用，使自由活塞发动机具有了可靠的自起动能力。
基于圆筒直线振荡电机的发电系统采用自由活塞发动机和直线发电机直接结合，改变了传统的将直线运动通过其他机械装置转换为旋转运动、带动旋转发电机的发电方式，省去了曲轴连杆等传动环节，系统发电效率得到较大提高。同时，自由活塞发电机系统具有噪音和污染小等优点，在促进能源的综合利用、减少环境污染、实现环境保护与可持续发展方面有着极其重要的意义。
高性能直线电机发电系统通常需要位置传感器提供速度与动子位置反馈信号。一般情况下采用机械式位置传感器来检测电机的速度和动子位置，如光电编码器、光栅尺和磁栅尺等。然而使用这些机械式传感器存在很多弊端：发电机与控制器之间的连接元件增多，抗干扰能力变差，降低了系统可靠性；增加了系统的硬件成本和维护成本；机械式传感器对安装环境与安装精度的要求较高，在一些非常规环境中可能会性能变差甚至失效。
发明内容
为了保证发电系统电能质量，提高发电系统的动态响应速度及鲁棒性，同时解决位置传感器对环境与安装精度要求高的问题，本发明目的是提供一种基于圆筒直线振荡电机的发电系统及控制方法，将自由活塞斯特林发动机与圆筒直线振荡电机配合使用，综合了自由活塞斯特林发动机结构紧凑、效率和高圆筒直线振荡电机造价便宜、结构简单、响应速度快的优点，并在控制上与无位置传感器的控制方法相结合，针对自由活塞斯特林发动机运动特点，将参数自整定模糊控制器、解耦控制、线性霍尔位置检测和闭环控制相结合，提供一种制造便宜、安装简便、控制稳定、电能可靠的发电系统方案。
为解决上述技术问题，本发明提供了基于圆筒直线振荡电机的发电系统，包括自由活塞式斯特林发动机、圆筒直线振荡电机、整流电路、无位置传感器、中央控制器和蓄电池组，其中：
所述圆筒直线振荡电机，包括动子和定子，动子设于定子内，动子在自由活塞式斯特林发动机带动下做往复的直线运动，从而在定子绕组中感应出相应的电动势，实现发电机功能；
所述整流电路，用于将圆筒直线振荡电机产生的三相交流电转换成直流电；
所述无位置传感器，包括基于线性霍尔传感器的动子位置检测模块，用于检测电机动子运动方向、电角度信息和动子位置，所述线性霍尔传感器固定安装在圆筒直线振荡电机的定子上；
所述中央控制器采用三闭环控制，三闭环控制包括采用参数自整定模糊PI控制器控制的电压环、解耦控制与PI调节空间矢量相结合的电流环和无位置检测算法的速度环；
所述线性霍尔传感器将采集与计算好的动子运动方向和电角度信息输入至中央控制器内，得到整流电路所需的驱动信号，并将整流得到的直流电满足发电系统需要并将其作为能量储存在蓄电池组中。
参数自整定模糊PI控制器，采用模糊规则对PI参数进行自调整，以偏差e和偏差变化率ec作为输入，经过模糊化、模糊推理和解模糊三个步骤，获得PI参数的调整量ΔKp、ΔKi，然后通过下式实现PI控制器的参数自整定：
Figure BDA0001683605960000031
Figure BDA0001683605960000032
其中，
Figure BDA0001683605960000033
为原来已经整定好的PI控制器参数。
本发明还公开了一种基于圆筒直线振荡电机的发电系统的控制方法，控制采用参数自整定模糊PI控制的电压环、无位置检测算法的速度环和解耦控制与PI调节空间矢量相结合的电流环；
当自由活塞式斯特林发动机开始工作带动圆筒直线振荡电机运动时，首先固定安装在圆筒直线振荡电机内部定子上的线性霍尔传感器将采集与计算好的动子运动方向信息与电角度带入坐标变换公式：
Figure BDA0001683605960000034
其中，θe为电角度，ia、ib、ic分别为电机三相电流值，id、iq为反馈电流值，并根据空间矢量电压的参考值Sabc驱动整流电路使控制系统开始工作；同时给定电压值U*与直流母线反馈电压U的差值输入参数自整定模糊PI控制器，电压环输出值与动子运行速度v的乘积为电流误差参考值
Figure BDA0001683605960000035
输入电流环解耦控制器中，并通过坐标变换与空间矢量调制方式，得到整流电路所需的驱动信号，使整流得到的直流电满足发电系统需要并将其作为能量储存在蓄电池组中。
电机动子运动方向检测方法：根据圆筒直线振荡电机设计时的极距，将三个线性霍尔传感器焊接在设计好的电路板上，任意两个线性霍尔传感器的间距为直线振荡电机极距的1/3，将电路板固定安装在圆筒直线振荡电机内部定子上；
设三个线性霍尔传感器在第k个采样时段tk时输出的电压幅值HA(tk)、HB(tk)、HC(tk)，在第k个采样时段tk+1时输出的电压幅值HA(tk+1)、HB(tk+1)、HC(tk+1)，按照以下规则判断直线电机动子的运动方向：
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HB(tk)>HA(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HB(tk+1)>HA(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时电机动子运动到一端，规定下一周期直线振荡电机动子运动方向为正；
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HA(tk)>HB(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HA(tk+1)>HB(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到另一端，规定下一周期直线振荡电机动子运动方向为负。
动子位置检测方法，三个线性霍尔传感器感应的电压分布均匀且相差120电角度，可通过以下正切与反正切函数计算此时动子所在位置：
Figure BDA0001683605960000041
uy＝MSinqh＝uHa
Figure BDA0001683605960000042
其中，ux与uy分别为计算中间变量，M为线性霍尔传感器电压信号的幅值，θh为电角度计算值，uHa、uHb和uHc均是线性霍尔的感应电动势。
动子运动速度由式6可得：
Figure BDA0001683605960000043
其中，v为电机动子运行速度，τ为电机极距，θh(tk)为在第k个采样时段tk时的电角度，θh(tk+1)为在第k个采样时段tk+1时的电角度。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的基于圆筒直线振荡电机的发电系统，将自由活塞斯特林发动机与圆筒直线振荡电机配合使用，综合了自由活塞斯特林发动机结构紧凑、效率和高圆筒直线振荡电机造价便宜、结构简单、响应速度快的优点，并在控制上与无位置传感器的控制方法相结合，针对自由活塞斯特林发动机运动特点，将参数自整定模糊控制器、解耦控制、线性霍尔位置检测和闭环控制相结合，提供一种制造便宜、安装简便、控制稳定、电能可靠的发电系统方案。
附图说明
图1为基于圆筒直线振荡电机的发电系统的原理框图；
图2为圆筒直线振荡电机的结构示意图；
图3为线性霍尔位置检测的原理图；
1为圆筒直线振荡电机、1-1为动子、1-2为定子、1-3为电机背铁、1-4为永磁体、1-5为绕组；
2为斯特林发动机、3为线性霍尔检测模块、4为参数自整定模糊PI控制器、5为解耦控制、6为空间矢量调制器、7为整流电路、8为蓄电池组、9为线性霍尔传感器、10为绝缘板、11为测距磁钢、12为背铁。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明。
如图1所示的一种基于圆筒直线振荡电机的发电系统，包括自由活塞式斯特林发动机、圆筒直线振荡电机、整流电路、无位置传感器、中央控制器和蓄电池组，其中：
自由活塞式斯特林发动机，包括置换活塞、动力活塞、加热器、回热器、冷却器和缸套基座组成，通过对其进行模型仿真分析与参数优化设计，可使自由活塞式斯特林发动机达到高能量转换效率和好的往复振荡幅值稳定性。同时，通过热力优化设计，可使自由活塞式斯特林发动机传输到圆筒直线振荡电机的能量高效、稳定；
圆筒直线振荡电机，包括动子和定子，动子设于定子内，动子包括背铁和高矫顽力的永磁体，定子包括低电阻率的绕组和导磁材料，电机动子在自由活塞式斯特林发动机带动下做往复的直线运动，从而在定子绕组中感应出相应的电动势，实现发电机功能；
无位置传感器，包括基于线性霍尔传感器的动子位置检测模块；
整流电路，包括三对IGBT模块组成的三相桥式整流电路，用于将圆筒直线振荡电机产生的三相交流电转换成直流电；
中央控制器，包括高速数据处理芯片和分别与其电连接的数据储存电路、电流电压调理电路、光耦隔离电路、驱动电路、电流电压检测电路；中央控制器采用三闭环控制；三闭环控制包括电压环、电流环和速度环，三闭环控制采用参数自整定模糊PI控制的电压环、无位置检测算法的速度环和解耦控制与PI调节空间矢量相结合的电流环。
如图1所示，当自由活塞式斯特林发动机开始工作带动圆筒直线振荡电机运动时，首先固定安装在圆筒直线振荡电机内部定子上的线性霍尔传感器将采集与计算好的动子运动方向信息与电角度θe带入坐标变换公式：
Figure BDA0001683605960000051
其中，ia、ib、ic分别为电机三相电流值，id、iq为反馈电流值，并根据空间矢量电压的参考值Sabc驱动整流电路使控制系统开始工作；同时给定电压值U*与直流母线反馈电压U的差值输入参数自整定模糊PI控制器，电压环输出值与动子运行速度v的乘积为电流误差参考值
Figure BDA0001683605960000052
输入电流环解耦控制器中，并通过坐标变换与空间矢量调制方式，得到整流电路所需的驱动信号，使整流得到的直流电满足发电系统需要并将其作为能量储存在蓄电池组中。如图2所示，圆筒直线振荡电机作为发电系统的核心，其圆筒型的结构能够在圆周方向抵消所有法相电磁力，使得所产生的摩擦力急剧减少；圆筒直线振荡电机采用了短初极，长次级的结构，同时采用了模块化绕组，减小了电机的加工成本；圆筒直线振荡电取代了传统旋转式发电机和齿轮等速度变换机构，具有结构简单、反应速度快、灵敏度高、工作稳定可靠等优点，符合现代工业制造的特点。
参数自整定模糊PI控制器，采用模糊规则对PI参数进行自调整，以偏差e和偏差变化率ec作为输入，经过模糊化、模糊推理和解模糊三个步骤，获得PI参数的调整量ΔKp、ΔKi，然后通过下式实现PI控制器的参数自整定：
Figure BDA0001683605960000061
Figure BDA0001683605960000062
其中，
Figure BDA0001683605960000063
为原来已经整定好的PI控制器参数。
动子位置角的估计值按照如下方法获得：
电机动子运动方向检测，根据圆筒直线振荡电机设计时的极距，将三个线性霍尔传感器焊接在设计好的电路板上，任意两个线性霍尔传感器的间距为直线振荡电机极距的1/3，然后将电路板固定安装在圆筒直线振荡电机内部定子上。线性霍尔传感器采集信号过程中，当直线振荡电机动子运动到两端时，由于电机的定位力和机械结构，会造成动子和定子在一定时间内相对静止，电机动子会在两端停顿，此时三个线性霍尔传感器输出电压幅值在时间内恒定不变。因而，动子运动方向可由同一采样时段前后时刻的电压幅值来判断。设三个线性霍尔传感器在第k个采样时段tk时输出的电压幅值HA(tk)、HB(tk)、HC(tk)，在第k个采样时段tk+1时输出的电压幅值HA(tk+1)、HB(tk+1)、HC(tk+1)，按照以下规则判断直线电机动子的运动方向：
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HB(tk)>HA(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HB(tk+1)>HA(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到一端，规定下一周期直线振荡电机动子运动方向为正；
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HA(tk)>HB(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HA(tk+1)>HB(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到另一端，规定下一周期直线振荡电机动子运动方向为负。
检测出直线振荡电机动子的运动方向，从而得到正确的超前或滞后的电角度，从而在控制环节中便可以选择正确的派克坐标变换公式。
动子位置检测，三个线性霍尔传感器感应的电压分布均匀且相差120电角度，如图3所示，可通过以下正切与反正切函数计算此时动子所在位置：
Figure BDA0001683605960000071
uy＝MSinqh＝uHa
Figure BDA0001683605960000072
其中，ux与uy分别为计算中间变量，M为线性霍尔传感器电压信号的幅值，θh为电角度计算值，uHa、uHb和uHc均是线性霍尔的感应电动势。
设在第k个采样时段tk时电角度为θh(tk)，在第k个采样时段tk+1时电角度为θh(tk+1)，则有
Figure BDA0001683605960000073
其中，v为电机动子运行速度，τ为电机极距。
当自由活塞式斯特林发动机开始工作带动圆筒直线振荡电机运动时，首先固定安装在圆筒直线振荡电机内部定子上的线性霍尔将采集与计算好的动子运动方向与电角度信息输入三闭环系统；电压环通过参数自整定模糊PI控制对直流母线电压进行跟踪，随后将计算出的速度与电压环输出值的乘积输入到电流环解耦控制器中，并通过空间矢量调制方式，得到整流电路所需的驱动信号，最后将整流得到的直流电作为能量储存在蓄电池组中。

Claims (5)

1.基于圆筒直线振荡电机的发电系统，其特征在于：包括自由活塞式斯特林发动机、圆筒直线振荡电机、整流电路、无位置传感器、中央控制器和蓄电池组，其中：
所述圆筒直线振荡电机，包括动子和定子，动子设于定子内，动子在自由活塞式斯特林发动机带动下做往复的直线运动，从而在定子绕组中感应出相应的电动势，实现发电机功能；
所述整流电路，用于将圆筒直线振荡电机产生的三相交流电转换成直流电；
所述无位置传感器，包括基于线性霍尔传感器的动子位置检测模块，用于检测电机动子运动方向、电角度信息和动子位置，所述线性霍尔传感器固定安装在圆筒直线振荡电机的定子上；
所述中央控制器采用三闭环控制，三闭环控制包括采用参数自整定模糊PI控制器控制的电压环、解耦控制与PI调节空间矢量相结合的电流环和无位置检测算法的速度环；
所述动子位置检测模块将采集与计算好的动子运动方向和电角度信息输入至中央控制器内，给定电压值U*与直流母线反馈电压U的差值作为电压环的输入值，电压环的输出值与动子运行速度v的乘积为电流误差参考值
Figure FDA0002438442010000011
Figure FDA0002438442010000012
输入电流环中，并通过坐标变换与空间矢量调制方式，得到整流电路所需的驱动信号，使整流得到的直流电满足发电系统需要并将其作为能量储存在蓄电池组中；
其中，所述动子运行速度v由式(6)可得：
Figure FDA0002438442010000013
其中，τ为电机极距，θh(tk)为在第k个采样时段tk时的电角度，θh(tk+1)为在第k个采样时段tk+1时的电角度；
其中，所述电角度由下式可得：
Figure FDA0002438442010000014
Figure FDA0002438442010000015
其中，ux与uy分别为计算中间变量，M为线性霍尔传感器电压信号的幅值，θh为电角度计算值，uHa、uHb和uHc均是线性霍尔的感应电动势。
2.根据权利要求1所述的基于圆筒直线振荡电机的发电系统，其特征在于：所述参数自整定模糊PI控制器，采用模糊规则对PI参数进行自调整，以偏差e和偏差变化率ec作为输入，经过模糊化、模糊推理和解模糊三个步骤，获得PI参数的调整量ΔKp、ΔKi，然后通过下式实现PI控制器的参数自整定：
Figure FDA0002438442010000021
Figure FDA0002438442010000022
其中，
Figure FDA0002438442010000023
为原来已经整定好的PI控制器参数。
3.根据权利要求1所述的基于圆筒直线振荡电机的发电系统，其特征在于：所述坐标变换为：
Figure FDA0002438442010000024
其中，θe为电角度，ia、ib、ic分别为电机三相电流值，id、iq为反馈电流值。
4.根据权利要求1所述的基于圆筒直线振荡电机的发电系统，其特征在于：所述动子位置检测模块由电压分布均匀且相差120电角度的三个线性霍尔传感器构成，根据圆筒直线振荡电机设计时的极距，将三个线性霍尔传感器焊接在设计好的电路板上，任意两个线性霍尔传感器的间距为圆筒直线振荡电机极距的1/3，将电路板固定安装在圆筒直线振荡电机内部定子上。
5.根据权利要求4所述的基于圆筒直线振荡电机的发电系统，其特征在于：设三个线性霍尔传感器在第k个采样时段tk时输出的电压幅值HA(tk)、HB(tk)、HC(tk)，在第k个采样时段tk+1时输出的电压幅值HA(tk+1)、HB(tk+1)、HC(tk+1)，按照以下规则判断直线电机动子的运动方向：
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HB(tk)>HA(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HB(tk+1)>HA(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时电机动子运动到一端，规定下一周期直线振荡电机动子运动方向为正；
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HA(tk)>HB(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HA(tk+1)>HB(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到另一端，规定下一周期直线振荡电机动子运动方向为负。
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