CN109861615A - 一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法，属于永磁同步电机控制领域。该系统包括：转速控制模块(101)、q轴电流控制器(102)、d轴电流控制器(103)、Park逆变换模块(104)、电流采样模块(108)、Clark变换模块(109)、Park变换模块Ⅰ(110)、速度计算模块(111)、SVPWM调制模块(105)、三相逆变器(106)和飞轮(107)。本发明在不增加电压传感器的情况下，能够有效估算同步电机转速和转子位置角，实现无速度传感器控制；并且所述控制系统结构简单，计算量少、易于实现，并且能够准确控制飞轮在启动时电流幅值。

Description

一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法，具体涉及飞轮的启动低速控制和中高速矢量控制。

背景技术

飞轮储能是以机械能的形式将能量储存到高速旋转的飞轮转子上，与化学储能方式相比，飞轮储能具有受温度影响小、功率密度大、运行效率高、反复充放电寿命长、对环境污染低等优点。飞轮储能在电力系统调峰调频、UPS供电、舰船电驱动、光伏电站并网、城轨列车能量回收制动，电动启程电驱动、大功率脉冲电源等方面有着广泛的应用前景。

永磁同步电机闭环控制系统需要准确采集到电机转子的速度和位置信息，控制系统中加入速度位置传感器增加了系统成本，高速飞轮需要的传感器精度高，价格也越昂贵，安装速度传感器增加了电机与系统的连接线和接口电路，使系统易受干扰，降低了系统的可靠性。因此通过电机定子绕组的电压、电流信号，经过相应的算法估算转速，实现控制系统的闭环。

目前同步电机的速度估算方法有模型扩展卡尔曼滤波法、滑模变结构观测器等方法。但扩展卡尔曼滤波法算法复杂、计算量大，对处理器性能要求较高；滑模变结构观测器算法虽然易于实现，但存在抖振问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法，在不增加电压传感器的情况下实现飞轮的中高速控制，控制结构简单、计算量小、易于实现。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，包括：转速控制模块(101)、q轴电流控制器(102)、d轴电流控制器(103)、Park逆变换模块(104)、电流采样模块(108)、Clark变换模块(109)、Park变换模块Ⅰ(110)、速度计算模块(111)、SVPWM调制模块(105)、三相逆变器(106)和飞轮(107)；

所述转速控制模块(101)用于将输入的转速设定值ω_set和经所述速度计算模块(111)产生的计算转速ω_sob，处理得到q轴电流给定值和坐标变换角

所述q轴电流控制器(102)用于将输入的q轴电流给定值和三相电流反馈q轴电流i_q做比较的差值，处理得到参考电压u_q；

所述d轴电流控制器(103)用于将输入的d轴电流给定值与三相电流反馈d轴电流i_d做比较的差值，处理得到参考电压u_d；

所述Park逆变换模块(104)用于将输入的参考电压u_d、u_q和坐标变换角变换为α-β坐标系的参考电压u_α和u_β；

所述SVPWM调制模块(105)用于将输入的参考电压u_α和u_β，变换产生出触发脉冲信号；

所述三相逆变器(106)的输入端输入触发脉冲信号，输出端与所述飞轮(107)的三相绕组连接驱动飞轮，并产生三相定子电流；

所述电流采样模块(108)用于采集飞轮的三相定子电流，得到定子电流实际值i_a、i_b、i_c；

所述Clark变换模块(109)用于将输入的定子电流实际值i_a、i_b、i_c，变换为α-β坐标系的电流i_α和i_β；

所述Park变换模块Ⅰ(110)用于将输入的坐标变换角以及α-β坐标系的电流i_α和i_β，变换为d-q轴坐标系的电流i_d和i_q；

所述速度计算模块(111)用于将输入的α-β坐标系的参考电压u_α和u_β以及电流i_α和i_β，变换为计算转速ω_sob。

进一步，所述转速控制模块(101)包括：斜坡发生器(201)、转速控制器(202)、q轴电流给定发生器(203)、模式转换开关Ⅰ(205)、模式转换开关Ⅱ(206)、积分器Ⅰ(207)和阈值开关(204)；

所述斜坡发生器(201)用于将输入的转速设定值ω_set，变换产生出具有一定斜率上升或下降的转速参考值ω_ref；

所述转速控制器(202)用于将输入的转速参考值ω_ref和计算转速ω_sob做比较的差值，变换为q轴电流参考值

所述q轴电流给定发生器(203)用于将输入的转速参考值ω_ref，变换为q轴电流参考值

所述阈值开关(204)用于将输入的转速参考值ω_ref，变换产生出模式选择控制信号M_set；

所述模式转换开关Ⅰ(205)用于将输入的q轴电流参考值和以及模式选择控制信号M_set，变换为q轴电流给定值

所述模式转换开关Ⅱ(206)用于将输入的计算转速ω_sob、转速参考值ω_ref和模式选择控制信号M_set，变换产生出电角速度信号ω_s。

所述积分器Ⅰ(207)用于将输入的电角速度信号ω_s，变换为电压坐标变换输出角所述电压坐标变换输出角和补偿角之和为坐标变换角

进一步，所述速度计算模块(111)包括Park变换模块Ⅱ(301)、积分器I₁(302)和积分器I₂(303)；

所述Park变换模块Ⅱ(301)用于将输入的α-β坐标系的参考电压u_α和u_β，变换为定子电动势矢量和

所述积分器I₁(302)用于将电动势矢量转换为转子磁链矢量Φ的幅值；

所述积分器I₂(303)用于将电角速度信号ω_s转换为转子磁链位置角并送回至Park变换模块Ⅱ(301)完成矢量旋转计算。

进一步，所述q轴电流给定发生器(203)根据所述斜坡发生器(201)输出的转速参考值ω_ref计算得到q轴电流参考值计算公式如下：

其中，I_set为电流给定值，ω₁为给定电流转折时转速设定值，ω₂为进入闭环控制转速设定值。

进一步，所述阈值开关(204)根据所述斜坡发生器(201)的输出转速参考值ω_ref进行输出切换，在0≤ω_ref≤ω₂时阈值开关输出0，在ω₂≤ω_ref时阈值开关输出1。

进一步，

在所述模式选择控制信号M_set＝0时，所述转换开关Ⅰ(205)输出q轴电流给定值在所述模式选择控制信号M_set＝1时，输出q轴电流给定值

在所述模式选择控制信号M_set＝0时，转换开关Ⅱ(206)输出电角速度信号ω_s＝ω_ref；在所述模式选择控制信号M_set＝1时，输出电角速度信号ω_s＝ω_sob。

进一步，所述速度计算模块(111)在静止α-β坐标系下的电机状态方程为：

其中，r_s表示电机定子电阻，L_sσ为电机定子漏感，u_α、u_β表示在α-β坐标系的定子电压u_α和u_β，i_α、i_β表示在α-β坐标系的定子电流，表示在α-β坐标系的定子绕组感应电动势。

进一步，所述速度计算模块(111)具体处理过程为：将送至所述Park变换模块Ⅱ(301)的输入端后，被变换成定子电动势矢量e^s的φ1和φ2分量和电压经所述积分器I₁(302)得到转子磁链矢量Φ的幅值，在磁链Φ达到稳态值后，电压除以磁链幅值Φ得到同步的电角速度信号ω_s；电角速度信号ω_s经所述积分器I₂(303)得到转子磁链位置角把位置角送回所述Park变换模块Ⅱ(301)完成矢量旋转计算。

进一步，转速和变换角度计算公式为：

本发明的有益效果在于：本发明在不增加电压传感器的情况下，能够有效估算同步电机转速和转子位置角，实现无速度传感器控制。本发明所述方法的控制结构简单，计算量少、易于实现，并且能够准确控制飞轮在启动时电流幅值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统的整体结构框图；

图2为转速控制模块的结构框图；

图3为速度观测模块的结构框图；

附图标记：101-转速控制模块，102-q轴电流控制器，103-d轴电流控制器，104-Park逆变换模块，105-SVPWM调制模块，106-三相逆变器，107-飞轮，108-电流采样模块，109-Clark变换模块，110-Park变换模块Ⅰ，111-速度计算模块，201-斜坡发生器，202-转速控制器，203-q轴电流给定发生器，204-阈值开关，205-模式转换开关Ⅰ，206-模式转换开关Ⅱ，207-积分器Ⅰ，301-Park变换模块Ⅱ，302-积分器I₁，302-积分器I₂。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，包括：转速控制模块101、q轴电流控制器102、d轴电流控制器103、Park逆变换模块104、电流采样模块108、Clark变换模块109、Park变换模块Ⅰ110、速度计算模块111、SVPWM调制模块105、三相逆变器106和飞轮107。所述系统的实现方法包括启动、低速控制、中高速控制，在低速阶段根据给定转速设定电流幅值，由给定转速计算电流坐标变换角度。在平滑过渡到中高速控制后，通过电机定子电压和电流估算转速，实现飞轮的闭环矢量控制。

所述高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统的工作流程为：

1)转速设定值ω_set和经速度计算模块111产生的计算转速ω_sob作为转速控制模块101的输入，处理得到q轴电流给定值和坐标变换角

2)q轴电流给定值和三相电流反馈q轴电流i_q做比较的差值输入到q轴电流控制器102，处理得到参考电压u_q；

3)d轴电流给定值与三相电流反馈d轴电流i_d做比较的差值输入到d轴电流控制器103，处理得到参考电压u_d；

4)参考电压u_d、u_q和坐标变换角输入到Park逆变换模块104，变换为α-β坐标系的参考电压u_α和u_β；

5)参考电压u_α和u_β输入到SVPWM调制模块105产生触发脉冲信号，触发脉冲信号作为三相逆变器106的输入，三相逆变器106的输出与飞轮107的三相绕组连接驱动飞轮，并产生三相定子电流；

6)电流采样模块108采集飞轮的三相定子电流，得到定子电流实际值i_a、i_b、i_c；

7)定子电流实际值i_a、i_b、i_c输入到Clark变换模块109，产生为α-β坐标系的电流i_α和i_β；

8)从转速控制模块101输出的坐标变换角以及α-β坐标系的电流i_α和i_β输入到Park变换模块Ⅰ110，产生d-q轴坐标系的电流i_d和i_q；

9)在α-β坐标系的参考电压u_α和u_β以及电流i_α和i_β作为速度计算模块111，产生计算转速ω_sob。

如图2所示，转速控制模块101包括：斜坡发生器201、转速控制器202、q轴电流给定发生器203、模式转换开关Ⅰ205、模式转换开关Ⅱ206、积分器Ⅰ207和阈值开关204。

所述转速控制模块101的工作流程具体为：

1)转速设定值ω_set作为斜坡发生器201的输入，产生出具有一定斜率上升或下降的转速参考值ω_ref；

2)转速参考值ω_ref和计算转速ω_sob做比较的差值作为转速控制器202的输入，产生q轴电流参考值

3)转速参考值ω_ref作为q轴电流给定发生器203的输入，产生q轴电流参考值

4)转速参考值ω_ref作为阈值开关204用的输入，产生模式选择控制信号M_set；

5)q轴电流参考值和以及模式选择控制信号M_set作为模式转换开关Ⅰ205的输入，产生q轴电流给定值

6)计算转速ω_sob、转速参考值ω_ref和模式选择控制信号M_set作为模式转换开关Ⅱ206的输入，产生电角速度信号ω_s；

7)电角速度信号ω_s作为积分器Ⅰ207的输入，产生电压坐标变换输出角所述电压坐标变换输出角和补偿角之和为坐标变换角

所述q轴电流给定发生器203根据所述斜坡发生器201输出的转速参考值ω_ref计算得到q轴电流参考值计算公式如下：

其中，I_set为电流给定值，ω₁为给定电流转折时转速设定值，ω₂为进入闭环控制转速设定值。

所述阈值开关204根据所述斜坡发生器201的输出转速参考值ω_ref进行输出切换，在0≤ω_ref≤ω₂时阈值开关输出0，在ω₂≤ω_ref时阈值开关输出1。

在所述模式选择控制信号M_set＝0时，所述转换开关Ⅰ205输出q轴电流给定值在所述模式选择控制信号M_set＝1时，输出q轴电流给定值

在所述模式选择控制信号M_set＝0时，转换开关Ⅱ206输出电角速度信号ω_s＝ω_ref；在所述模式选择控制信号M_set＝1时，输出电角速度信号ω_s＝ω_sob。

如图3所示，速度计算模块111包括Park变换模块Ⅱ301、积分器I₁ 302和积分器I₂303；所述速度计算模块111具体处理过程为：将送至所述Park变换模块Ⅱ301的输入端后，被变换成定子电动势矢量e^s的φ1和φ2分量和电压经所述积分器I₁ 302得到转子磁链矢量Φ的幅值，在磁链Φ达到稳态值后，电压除以磁链幅值Φ得到同步的电角速度信号ω_s；电角速度信号ω_s经所述积分器I₂ 303得到转子磁链位置角把位置角送回所述Park变换模块Ⅱ301完成矢量旋转计算。

所述速度计算模块111在静止α-β坐标系下的电机状态方程为：

其中，r_s表示电机定子电阻，L_sσ为电机定子漏感，u_α、u_β表示在α-β坐标系的定子电压u_α和u_β，i_α、i_β表示在α-β坐标系的定子电流，表示在α-β坐标系的定子绕组感应电动势。

进一步，转速和变换角度计算公式为：

数字控制以及采样延时造成计算的角度滞后实际角度，因此在计算出的角度补偿得到实际坐标变换角

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，该系统包括：转速控制模块(101)、q轴电流控制器(102)、d轴电流控制器(103)、Park逆变换模块(104)、电流采样模块(108)、Clark变换模块(109)、Park变换模块Ⅰ(110)、速度计算模块(111)、SVPWM调制模块(105)、三相逆变器(106)和飞轮(107)；

所述转速控制模块(101)用于将输入的转速设定值ω_set和经所述速度计算模块(111)产生的计算转速ω_sob，处理得到q轴电流给定值和坐标变换角

所述q轴电流控制器(102)用于将输入的q轴电流给定值和三相电流反馈q轴电流i_q做比较的差值，处理得到参考电压u_q；

所述d轴电流控制器(103)用于将输入的d轴电流给定值与三相电流反馈d轴电流i_d做比较的差值，处理得到参考电压u_d；

所述Park逆变换模块(104)用于将输入的参考电压u_d、u_q和坐标变换角变换为α-β坐标系的参考电压u_α和u_β；

所述SVPWM调制模块(105)用于将输入的参考电压u_α和u_β，变换产生出触发脉冲信号；

所述三相逆变器(106)的输入端输入触发脉冲信号，输出端与所述飞轮(107)的三相绕组连接驱动飞轮，并产生三相定子电流；

所述电流采样模块(108)用于采集飞轮的三相定子电流，得到定子电流实际值i_a、i_b、i_c；

所述Clark变换模块(109)用于将输入的定子电流实际值i_a、i_b、i_c，变换为α-β坐标系的电流i_α和i_β；

所述Park变换模块Ⅰ(110)用于将输入的坐标变换角以及α-β坐标系的电流i_α和i_β，变换为d-q轴坐标系的电流i_d和i_q；

所述速度计算模块(111)用于将输入的α-β坐标系的参考电压u_α和u_β以及电流i_α和i_β，变换为计算转速ω_sob。

2.根据权利要求1所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，所述转速控制模块(101)包括：斜坡发生器(201)、转速控制器(202)、q轴电流给定发生器(203)、模式转换开关Ⅰ(205)、模式转换开关Ⅱ(206)、积分器Ⅰ(207)和阈值开关(204)；

所述斜坡发生器(201)用于将输入的转速设定值ω_set，变换产生出具有一定斜率上升或下降的转速参考值ω_ref；

所述转速控制器(202)用于将输入的转速参考值ω_ref和计算转速ω_sob做比较的差值，变换为q轴电流参考值

所述q轴电流给定发生器(203)用于将输入的转速参考值ω_ref，变换为q轴电流参考值

所述阈值开关(204)用于将输入的转速参考值ω_ref，变换产生出模式选择控制信号M_set；

所述模式转换开关Ⅰ(205)用于将输入的q轴电流参考值和以及模式选择控制信号M_set，变换为q轴电流给定值

所述模式转换开关Ⅱ(206)用于将输入的计算转速ω_sob、转速参考值ω_ref和模式选择控制信号M_set，变换产生出电角速度信号ω_s；

所述积分器Ⅰ(207)用于将输入的电角速度信号ω_s，变换为电压坐标变换输出角所述电压坐标变换输出角和补偿角之和为坐标变换角

3.根据权利要求1所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，所述速度计算模块(111)包括Park变换模块Ⅱ(301)、积分器I₁(302)和积分器I₂(303)；

所述Park变换模块Ⅱ(301)用于将输入的α-β坐标系的参考电压u_α和u_β，变换为定子电动势矢量和

所述积分器I₁(302)用于将电动势矢量转换为转子磁链矢量Φ的幅值；

所述积分器I₂(303)用于将电角速度信号ω_s转换为转子磁链位置角并送回至Park变换模块Ⅱ(301)完成矢量旋转计算。

4.根据权利要求2所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，所述q轴电流给定发生器(203)根据所述斜坡发生器(201)输出的转速参考值ω_ref计算得到q轴电流参考值计算公式如下：

其中，I_set为电流给定值，ω₁为给定电流转折时转速设定值，ω₂为进入闭环控制转速设定值。

5.根据权利要求2所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，所述阈值开关(204)根据所述斜坡发生器(201)的输出转速参考值ω_ref进行输出切换，在0≤ω_ref≤ω₂时阈值开关输出0，在ω₂≤ω_ref时阈值开关输出1。

6.根据权利要求2所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，

在所述模式选择控制信号M_set＝0时，所述转换开关Ⅰ(205)输出q轴电流给定值在所述模式选择控制信号M_set＝1时，输出q轴电流给定值

在所述模式选择控制信号M_set＝0时，转换开关Ⅱ(206)输出电角速度信号ω_s＝ω_ref；在所述模式选择控制信号M_set＝1时，输出电角速度信号ω_s＝ω_sob。

7.根据权利要求3所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，所述速度计算模块(111)在静止α-β坐标系下的电机状态方程为：

其中，r_s表示电机定子电阻，L_sσ为电机定子漏感，u_α、u_β表示在α-β坐标系的定子电压u_α和u_β，i_α、i_β表示在α-β坐标系的定子电流，表示在α-β坐标系的定子绕组感应电动势。

8.根据权利要求7所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，所述速度计算模块(111)具体处理过程为：将送至所述Park变换模块Ⅱ(301)的输入端后，被变换成定子电动势矢量e^s的φ1和φ2分量和电压经所述积分器I₁(302)得到转子磁链矢量Φ的幅值，在磁链Φ达到稳态值后，电压除以磁链幅值Φ得到同步的电角速度信号ω_s；电角速度信号ω_s经所述积分器I₂(303)得到转子磁链位置角把位置角送回所述Park变换模块Ⅱ(301)完成矢量旋转计算。

9.根据权利要求8所述的一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，转速和变换角度计算公式为：