CN113541554A - 一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法 - Google Patents

一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法 Download PDF

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CN113541554A CN202110625160.5A CN202110625160A CN113541554A CN 113541554 A CN113541554 A CN 113541554A CN 202110625160 A CN202110625160 A CN 202110625160A CN 113541554 A CN113541554 A CN 113541554A
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Abstract

本发明涉及电机伺服控制技术领域，具体公开了一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其包括获取当前电机转速、获取脉冲电压信号、电机转速持续监测、角位置自动修正和运行闭环五个步骤；本发明采用基于同电气频率生成器、角位置生成器、角位置阶梯增量等建立开环启动条件，并采用基于自修正观测器、角位置阶梯补偿量等对电机角位置进行实时估计，在转速估计误差低于阈值后切换至闭环控制，解决了电机输入电流为零时无法采用传统方法进行角位置估计的缺陷，实现飞轮电机在任意转速待机情况下的自适应快速启动和加速充电控制，也解决了无传感器控制中的电动与发电模式切换时的电流过零而引入的模型失效问题。

Description

一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法
技术领域
本发明涉及电机伺服控制技术领域，具体公开了一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法。
背景技术
飞轮用永磁电机具有结构简单、体积小、功率因数高、功率密度高、转动惯量低等优点，尤其是永磁同步类型电机，广泛应用于中小容量调速、伺服场合和运动控制领域。由于电动和发电模式的不同需求，飞轮永磁电机可频繁处于升速和降速状态，电动模式下电机不断升速至额定转速，发电模式下电机不断降速至保持转速，此时要求电机的三相电流能够快速反应，从而保证电机可由当前转速进行升速。但是，当飞轮电机处于待机状态时，由于电流模型失效，无法通过观测器方法得到角位置和转速估计值，因此电机无法在带速情况下实现自启动，如何实现电机在任意转速条件下的自适应快速启动成为关键问题。
现有的飞轮用永磁电机控制方式主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两大类。其中，有位置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，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光电编码器、旋转变压器等。无传感器控制需要解决转子角位置的实时估计问题，目前主要有反电势直接计算法、卡尔曼滤波器法以及观测器估计法等。这些方法都是基于电机的电流模型进行角位置估计，当电机由发电模式切换为电动模式时，电流迅速减小为零，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；当飞轮电机处于待机状态时，同样由于电流模型没有输出而无法实现自启动。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有飞轮电机在任意转速待机或者模式切换过程中的自适应快速启动问题，设计了一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，包括如下步骤：
1）获取当前电机转速
Figure DEST_PATH_IMAGE002
通过三个周向均匀分布在电机轴端的霍尔传感器获得当前的测速值n1，n2，n3，将三组测速值互为备份,并设置转速误差上限
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，如果
Figure DEST_PATH_IMAGE006
且
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，则认为n1可信，否则不可信；同理分别将
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
进行可信度评定，并将具备可信度的测速值求平均即得电机当前转速
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
2）获取脉冲电压信号
将获取的当前转速
Figure DEST_PATH_IMAGE016
输入到频率生成器中获得同电气频率值，然后将同电气频率
Figure DEST_PATH_IMAGE018
输入到角位置生成器生成给定角位置
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，最后将生成的角位置
Figure DEST_PATH_IMAGE022
输入至矢量控制器，生成同频率
Figure 431091DEST_PATH_IMAGE018
的脉冲电压信号，使电机绕组中产生同频的正弦波电流信号；
3）电机转速持续监测
当电机生成正弦波电流后持续监测电机转速，当电机转速持续接近目标转速时，表明电机已完成开环启动过程，电机将在目标转速以恒流模式待机运行；当电机转速远离目标转速时，以阶梯形式修正角位置初始值，然后反馈至频率生成器，继续重复步骤2和步骤3直至电机转速持续接近目标转速；
4）角位置自动修正
自修正观测器根据电机电流模型实时得到电机的角位置估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和转速估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，然后将转速估计值
Figure 521406DEST_PATH_IMAGE026
与当前转速
Figure DEST_PATH_IMAGE028
作差，得转速估计误差
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，再将转速估计误差
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
与预设的阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE032
进行比较，当
Figure DEST_PATH_IMAGE034
时，修正角位置补偿值并返回步骤4进行循环；当
Figure DEST_PATH_IMAGE036
时，进入下一步；
5）运行闭环
采用自适应估计器生成的角位置信息进行闭环，运行转速和电流双闭环矢量控制算法，此后电机平稳切换至闭环控制算法中。
作为上述方案的进一步设置，所述步骤1中获取当前电机转速
Figure DEST_PATH_IMAGE038
的方法还包括通过将电机的电压输出端接入电压检测电路装置，通过获取电机反电势电压的方法得到当前电机转速
Figure 984880DEST_PATH_IMAGE038
。
作为上述方案的进一步设置，所述步骤2中频率生成器转化同电气频率
Figure DEST_PATH_IMAGE040
的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为电机定子的极对数。
作为上述方案的进一步设置，所述步骤2中角位置生成器生成给定角位置
Figure DEST_PATH_IMAGE046
的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为给定初始角位置，第一次运算时其值为零，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为采样时刻，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为采样周期。
作为上述方案的进一步设置，所述步骤3中以阶梯形式修正角位置初始值的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为预设的角位置阶梯增量。
作为上述方案的进一步设置，所述步骤4中的角位置估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE062
和转速估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE064
的公式分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure DEST_PATH_IMAGE068
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为角位置补偿值，第一次运算时其值为零，其后根据算法进行修正。
作为上述方案的进一步设置，所述步骤4中的修正角位置补偿值的公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为预设的阶梯补偿量。
作为上述方案的进一步设置，所述步骤4中的自修正观测器具体实现步骤如下：
a.建立飞轮用永磁电机三相静止坐标系下的电流置数学模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
，其中状态变量
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure DEST_PATH_IMAGE086
分别为电机三相静止电流，电机三相输入电压
Figure DEST_PATH_IMAGE088
；量测信息
Figure DEST_PATH_IMAGE090
；矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE092
，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
、
Figure DEST_PATH_IMAGE096
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE098
为电机定子相绕组电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
、
Figure DEST_PATH_IMAGE102
、
Figure DEST_PATH_IMAGE104
、
Figure DEST_PATH_IMAGE106
、
Figure 380745DEST_PATH_IMAGE108
、
Figure 342885DEST_PATH_IMAGE110
、
Figure 440154DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 741822DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure 931757DEST_PATH_IMAGE116
分别为电机定子相绕组相电感和互感，函数
Figure 318876DEST_PATH_IMAGE118
，
Figure DEST_PATH_IMAGE120A
为电机角位置，
Figure 750994DEST_PATH_IMAGE122
为电角速度，
Figure 438328DEST_PATH_IMAGE124
为电机永磁体励磁磁链；
b.采用串联在电机回路中的霍尔电流传感器测量电机的三相绕组电流，分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE126A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE128A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE130A
，并可获取电机端电压
Figure DEST_PATH_IMAGE132A
、
Figure 443238DEST_PATH_IMAGE134
和
Figure DEST_PATH_IMAGE136A
；
c.根据上述数学模型与测量得到的三相绕组电流，建立自修正观测器：
Figure 114390DEST_PATH_IMAGE138
，
Figure 819041DEST_PATH_IMAGE140
；
d.根据上述观测器以及
Figure 360881DEST_PATH_IMAGE142
的公式，令
Figure 627040DEST_PATH_IMAGE144
，可以得到角位置的一步估计值
Figure 254330DEST_PATH_IMAGE146
，
Figure 700355DEST_PATH_IMAGE148
，
Figure 96701DEST_PATH_IMAGE150
；
e.根据上述角位置的一步估计值
Figure 766717DEST_PATH_IMAGE152
、
Figure 146883DEST_PATH_IMAGE154
、
Figure 927757DEST_PATH_IMAGE156
，最终得到角位置估计值
Figure 444189DEST_PATH_IMAGE158
，其中
Figure 488368DEST_PATH_IMAGE160
为角位置补偿量。
有益效果：
1）本发明采用基于同电气频率生成器、角位置生成器、角位置阶梯增量等建立开环启动条件，并采用基于自修正观测器、角位置阶梯补偿量等对电机角位置进行实时估计，在转速估计误差低于阈值后切换至双闭环控制结构，有效解决了电机输入电流为零时无法采用传统有位置传感器控制、无位置传感器控制的方法进行角位置估计的缺陷，实现飞轮电机在任意转速待机情况下的自适应快速启动和加速充电控制，同时也有效解决了无传感器控制中的电动与发电模式切换时的电流过零而引入的模型失效问题。
2）本发明采用基于飞轮永磁电机三相静止坐标系的电流模型、自修正观测器估计角位置，从而节省了坐标转换过程，采用角位置阶梯补偿量实现了角位置的自修正，进一步提高了观测器的估计性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法流程图；
图2为本发明飞轮电机转速/电流双闭环控制结构图；
图3为采用本发明的角位置生成器得到的角度值；
图4为采用自修正观测器得到的角度估计值。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、
“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1~4，并结合实施例来详细说明本申请。
本发明公开了一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，参考附图1，其具体实施步骤包括如下步骤：
（1）采用安装在永磁同步电机转子侧的霍尔传感器测得电机的当前转速
Figure 90251DEST_PATH_IMAGE162
，其测得的转速为电机的机械角速度（r/min）；在具体设置时将三组霍尔测速传感器US1881以120°机械角度方式安装在飞轮电机轴端，US1881信号采用5V供电并在信号输出端采用硅胶固定，使其在空间上相对稳定并保持测量端与转子轴等间隙。
（2）分别读取三组霍尔测速传感器的测速值
Figure DEST_PATH_IMAGE164A
，
Figure 504177DEST_PATH_IMAGE166
，
Figure 343957DEST_PATH_IMAGE168
（r/min），将这三组传感器互为备份，同时采用数据融合方式得到电机的当前转速；设置转速误差上限
Figure DEST_PATH_IMAGE170
，如果
Figure DEST_PATH_IMAGE172
且
Figure DEST_PATH_IMAGE174
，则认为转速可信，否则不可信，同理分别将
Figure DEST_PATH_IMAGE176
，
Figure DEST_PATH_IMAGE178
进行可信度评定，然后将具备可信度的转速测量值求平均，获得飞轮电机当前转速
Figure DEST_PATH_IMAGE180
（r/min）。
（3）当接收到电机启动控制命令后，控制方法根据步骤（2）中的转速信息
Figure 513032DEST_PATH_IMAGE180
求得输入到频率生成器，获得同电气频率值
Figure DEST_PATH_IMAGE182
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE184
为电机定子的极对数。
（4）将步骤（3）中得到的电气频率
Figure DEST_PATH_IMAGE186
输入到角位置生成器，生成给定角位置量
Figure DEST_PATH_IMAGE188
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE190
为给定初始角位置，第一次运算时其值为零，
Figure DEST_PATH_IMAGE192
为采样时刻，
Figure DEST_PATH_IMAGE194
为采样周期。
（5）根据步骤（4）中的给定角位置量
Figure DEST_PATH_IMAGE196
输入至矢量控制器，生成同频率
Figure 290627DEST_PATH_IMAGE186
的脉冲电压信号，使电机绕组中产生同频的正弦波电流信号。
（6）当电机生成正弦波电流后，持续监测飞轮电机转速，当转速远离目标转速时，以阶梯形式修正角位置初始值，公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE198
，
Figure DEST_PATH_IMAGE200
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE202
为预设的角位置阶梯增量，并将反馈至频率生成器，继续循环第（3）~（6）步骤。
（7）持续监测飞轮电机转速，当转速持续接近目标转速时，表明飞轮电机已完成开环启动过程，飞轮电机将在目标转速以恒流模式待机运行，恒流值为预设电流值，此后进入自修正观测器估计过程。
（8）自修正观测器根据电机电流模型实时得到电机的角位置估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE204
和转速估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE206
，公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE208
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE210
为角位置补偿值，第一次运算时其值为零，其后根据算法进行修正。
（9）将步骤（8）中的转速估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE212
与当前转速
Figure DEST_PATH_IMAGE214
作差，得到转速估计误差
Figure DEST_PATH_IMAGE216
；
（10）将转速估计误差
Figure DEST_PATH_IMAGE218
与预设的阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE220
进行比较，当
Figure DEST_PATH_IMAGE222
时进入下一步，当
Figure DEST_PATH_IMAGE224
时修正角位置补偿值并返回步骤（8）进行循环，角位置补偿值公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE226
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE228
为预设的阶梯补偿量；
（11）最后采用自适应估计器生成的角位置信息进行闭环，运行转速/电流双闭环矢量控制算法，此后飞轮电机平稳切换至闭环控制算法中。
同时，本发明步骤8中的自修正观测器具体实现步骤如下：
（81）建立飞轮永磁电机三相静止坐标系下的电流置数学模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE230
，其中状态变量
Figure DEST_PATH_IMAGE232
，
Figure DEST_PATH_IMAGE234
、
Figure DEST_PATH_IMAGE236
、
Figure DEST_PATH_IMAGE238
分别为电机三相静止电流，电机三相输入电压
Figure DEST_PATH_IMAGE240
；量测信息
Figure DEST_PATH_IMAGE242
；矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE244
，
Figure DEST_PATH_IMAGE246
、
Figure DEST_PATH_IMAGE248
，
Figure DEST_PATH_IMAGE250
为电机定子相绕组电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE252
、
Figure DEST_PATH_IMAGE254
、
Figure DEST_PATH_IMAGE256
、
Figure DEST_PATH_IMAGE258
、
Figure DEST_PATH_IMAGE260
、
Figure DEST_PATH_IMAGE262
、
Figure DEST_PATH_IMAGE264
、
Figure DEST_PATH_IMAGE266
、
Figure DEST_PATH_IMAGE268
分别为电机定子相绕组相电感和互感，函数
Figure DEST_PATH_IMAGE270
，
Figure DEST_PATH_IMAGE272
为电机角位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE274
为电角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE276
为电机永磁体励磁磁链；
（82）采用串联在电机回路中的霍尔电流传感器测量电机的三相绕组电流，分别为
Figure 146061DEST_PATH_IMAGE278
、
Figure DEST_PATH_IMAGE280A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE282A
，并可获取电机端电压
Figure 466446DEST_PATH_IMAGE284
、
Figure 118007DEST_PATH_IMAGE286
和
Figure DEST_PATH_IMAGE288A
；
（83）根据步骤（91）中的数学模型与步骤（92）中的电机三相电流，建立自修正观测器：
Figure 225641DEST_PATH_IMAGE290
，
Figure 417588DEST_PATH_IMAGE292
；
（84）根据步骤（93）中的观测器以及（91）中
Figure 966381DEST_PATH_IMAGE294
的公式，令
Figure 54422DEST_PATH_IMAGE296
，可以得到角位置的一步估计值
Figure 681975DEST_PATH_IMAGE298
，
Figure 880875DEST_PATH_IMAGE300
，
Figure 346492DEST_PATH_IMAGE302
；
（85）根据步骤（94）中的角位置的一步估计值
Figure 605435DEST_PATH_IMAGE304
、
Figure 359764DEST_PATH_IMAGE306
、
Figure 159093DEST_PATH_IMAGE308
，最终得到角位置估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE310
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE312
为角位置补偿量。
另外，本发明控制方法中由步骤1和步骤2获取飞轮电机当前转速
Figure DEST_PATH_IMAGE314
还可以通过将电机线电压输出端接入电压检测电路装置，通过获取电机反电势电压方法得到飞轮电机的当前转速的方法进行代替。
参考附图2，其为本发明飞轮电机转速/电流双闭环控制结构图。外环路为转速环，由转速设定值
Figure DEST_PATH_IMAGE316
与霍尔传感器测速值
Figure 511839DEST_PATH_IMAGE314
或者估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE318
组成闭环反馈，经转速补偿器（通常为PI控制器），输出
Figure DEST_PATH_IMAGE320
电流参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE322
，而
Figure DEST_PATH_IMAGE324
电流参考值通常设置为零即
Figure DEST_PATH_IMAGE326
。内环路为电流环，包括
Figure DEST_PATH_IMAGE328
电流环和
Figure DEST_PATH_IMAGE330
电流环两部分，电流参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE332
、
Figure DEST_PATH_IMAGE334
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
Figure 223574DEST_PATH_IMAGE336
和
Figure DEST_PATH_IMAGE338A
；两相旋转电压经过IPARK变换转换为α-β系下的两相静止电压
Figure 261937DEST_PATH_IMAGE340
和
Figure DEST_PATH_IMAGE342
；两相静止电压经过SVPWM算法生成三路PWM占空比信号
Figure DEST_PATH_IMAGE344
、
Figure DEST_PATH_IMAGE346
和
Figure DEST_PATH_IMAGE348
，取值范围（-1,1）；控制器的PWM单元根据三路占空比生成PWM信号PWMA、PWMB和PWMC。反馈通道：霍尔电流传感器测得电机的三相电流信号
Figure DEST_PATH_IMAGE350
、
Figure DEST_PATH_IMAGE352
和
Figure DEST_PATH_IMAGE354
，三相静止电流经过CLARKE变换转换为α-β系下的两相静止电流
Figure DEST_PATH_IMAGE356
和
Figure DEST_PATH_IMAGE358
，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
Figure DEST_PATH_IMAGE360
和
Figure DEST_PATH_IMAGE362
并反馈至电流补偿器；控制器根据直流母线电压检测值
Figure DEST_PATH_IMAGE364
与三路占空比信号
Figure DEST_PATH_IMAGE366
、
Figure DEST_PATH_IMAGE368
和
Figure DEST_PATH_IMAGE370
，得到α-β系下的两相静止电压
Figure DEST_PATH_IMAGE372
和
Figure DEST_PATH_IMAGE374
；两相静止电压和两相静止电流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
Figure DEST_PATH_IMAGE376
和转速估计量
Figure DEST_PATH_IMAGE378
；角位置生成器单元根据实际转速得到模拟角度量
Figure DEST_PATH_IMAGE380
，
Figure 930203DEST_PATH_IMAGE380
和
Figure DEST_PATH_IMAGE382
根据图1说明进行角位置闭环反馈，最终保证电机可由当前任意快速启动。
如图3和附图4所示，采用本发明的角位置生成器得到的角度值
Figure DEST_PATH_IMAGE384
与自修正观测器得到的角度估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE386
，其中图3为采用斜坡函数单元生成的模拟角度量
Figure DEST_PATH_IMAGE388
，图4为采用自修正观测器得到的角位置估计量
Figure 26204DEST_PATH_IMAGE386
。从中可以看出，采用本发明的自修正观测器，角位置估计量
Figure 892529DEST_PATH_IMAGE386
可以较好地跟踪模拟角度量
Figure 642355DEST_PATH_IMAGE388
，相位滞后较小，角位置估计误差较小，从而验证了所采用的自修正观测器的有效性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）获取当前电机转速
Figure 948302DEST_PATH_IMAGE001
通过三个周向均匀分布在电机轴端的霍尔传感器获得当前的测速值n1，n2，n3，将三组测速值互为备份,并设置转速误差上限
Figure 104477DEST_PATH_IMAGE002
，如果
Figure 465313DEST_PATH_IMAGE003
且
Figure 74149DEST_PATH_IMAGE004
，则认为n1可信，否则不可信；同理分别将
Figure 44379DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 55061DEST_PATH_IMAGE006
进行可信度评定，并将具备可信度的测速值求平均即得电机当前转速
Figure 819754DEST_PATH_IMAGE007
；
2）获取脉冲电压信号
将获取的当前转速
Figure 712624DEST_PATH_IMAGE008
输入到频率生成器中获得同电气频率值，然后将同电气频率
Figure 424228DEST_PATH_IMAGE009
输入到角位置生成器生成给定角位置
Figure 853198DEST_PATH_IMAGE010
，最后将生成的角位置
Figure 992055DEST_PATH_IMAGE011
输入至矢量控制器，生成同频率
Figure 575483DEST_PATH_IMAGE012
的脉冲电压信号，使电机绕组中产生同频的正弦波电流信号；
3）电机转速持续监测
当电机生成正弦波电流后持续监测电机转速，当电机转速持续接近目标转速时，表明电机已完成开环启动过程，电机将在目标转速以恒流模式待机运行；当电机转速远离目标转速时，以阶梯形式修正角位置初始值，然后反馈至频率生成器，继续重复步骤2和步骤3直至电机转速持续接近目标转速；
4）角位置自动修正
自修正观测器根据电机电流模型实时得到电机的角位置估计值
Figure 153095DEST_PATH_IMAGE013
和转速估计值
Figure 872789DEST_PATH_IMAGE014
，然后将转速估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE015
与当前转速
Figure 776023DEST_PATH_IMAGE016
作差，得转速估计误差
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，再将转速估计误差
Figure 909064DEST_PATH_IMAGE017
与预设的阈值
Figure 696892DEST_PATH_IMAGE018
进行比较，当
Figure DEST_PATH_IMAGE019
时，修正角位置补偿值并返回步骤4进行循环；当
Figure 88735DEST_PATH_IMAGE020
时，进入下一步；
5）运行闭环
采用自适应估计器生成的角位置信息进行闭环，运行转速和电流双闭环矢量控制算法，此后电机平稳切换至闭环控制算法中。
2.根据权利要求1或2所述的飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其特征在于，所述步骤1中获取当前电机转速
Figure DEST_PATH_IMAGE021
的方法还包括通过将电机的电压输出端接入电压检测电路装置，通过获取电机反电势电压的方法得到当前电机转速
Figure 897291DEST_PATH_IMAGE021
。
3.根据权利要求1或2所述的飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其特征在于，所述步骤2中频率生成器转化同电气频率
Figure 986469DEST_PATH_IMAGE022
的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，其中为电机定子的极对数。
4.根据权利要求1或2所述的飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其特征在于，所述步骤2中角位置生成器生成给定角位置
Figure 640305DEST_PATH_IMAGE024
的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure 600170DEST_PATH_IMAGE026
为给定初始角位置，第一次运算时其值为零，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为采样时刻，
Figure 346672DEST_PATH_IMAGE028
为采样周期。
5.根据权利要求1或2所述的飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其特征在于，所述步骤3中以阶梯形式修正角位置初始值的公式为：
Figure 657567DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 787197DEST_PATH_IMAGE030
，其中
Figure 132728DEST_PATH_IMAGE031
为预设的角位置阶梯增量。
6.根据权利要求1或2所述的飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其特征在于，所述步骤4中的角位置估计值
Figure 486349DEST_PATH_IMAGE032
和转速估计值
Figure 550120DEST_PATH_IMAGE033
的公式分别为：
Figure 280179DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 480216DEST_PATH_IMAGE035
，其中
Figure 208000DEST_PATH_IMAGE036
为角位置补偿值，第一次运算时其值为零，其后根据算法进行修正。
7.根据权利要求1或2所述的飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其特征在于，所述步骤4中的修正角位置补偿值的公式为
Figure 994953DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 263123DEST_PATH_IMAGE038
，其中
Figure 583246DEST_PATH_IMAGE039
为预设的阶梯补偿量。
8.根据权利要求1或2所述的飞轮用永磁电机自适应带速充电控制方法，其特征在于，所述步骤4中的自修正观测器具体实现步骤如下：
a.建立飞轮用永磁电机三相静止坐标系下的电流置数学模型：
Figure 544249DEST_PATH_IMAGE040
，其中状态变量
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，其中
Figure 51454DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 388894DEST_PATH_IMAGE044
分别为电机三相静止电流，电机三相输入电压
Figure DEST_PATH_IMAGE045
；量测信息
Figure 861726DEST_PATH_IMAGE046
；矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 462472DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，其中
Figure 253710DEST_PATH_IMAGE050
为电机定子相绕组电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 660421DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 220715DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 759406DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure 37941DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure DEST_PATH_IMAGE059
分别为电机定子相绕组相电感和互感，函数
Figure 186025DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为电机角位置，
Figure 600826DEST_PATH_IMAGE062
为电角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为电机永磁体励磁磁链；
b.采用串联在电机回路中的霍尔电流传感器测量电机的三相绕组电流，分别为
Figure 871270DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure DEST_PATH_IMAGE065
和
Figure 872987DEST_PATH_IMAGE066
，并可获取电机端电压
Figure DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 559183DEST_PATH_IMAGE068
和
Figure DEST_PATH_IMAGE069
；
c.根据上述数学模型与测量得到的三相绕组电流，建立自修正观测器：
Figure 359649DEST_PATH_IMAGE070
，
Figure DEST_PATH_IMAGE071
；
d.根据上述观测器以及
Figure 738677DEST_PATH_IMAGE072
的公式，令
Figure DEST_PATH_IMAGE073
，可以得到角位置的一步估计值
Figure 726225DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure 779894DEST_PATH_IMAGE076
；
e.根据上述角位置的一步估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 106970DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，最终得到角位置估计值
Figure 453638DEST_PATH_IMAGE080
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE081
为角位置补偿量。
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