CN117277893A - 一种无速度传感器辅机电站控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无速度传感器辅机电站控制方法及系统,属于电站控制技术领域。包括以下步骤:获取当前三相电流、当前三相电压以及前输出直流电压;基于当前三相电流,当前三相电压,计算得到电流分量和转子角度;基于当前输出直流电压,计算得到电流控制指令值;基于电流分量和转子角度,计算得到电流反馈值;基于电流反馈值和电流控制指令值,计算得到电压指令;基于转子角度以及当前输出直流电压,对电压指令进行Svpwm调制,得到三相占空比;将三相占空比输出。本发明直接对输出电源直接进行闭环控制,且控制不依赖电机速度传感器装置,系统工作可靠性高,实现能量双向流动,主动抑制因突卸载带来的浪涌电压。
Description
技术领域
本发明属于电站控制技术领域,具体涉及一种无速度传感器辅机电站控制方法及系统。
背景技术
传统特种军用车辆系统,如装甲车辆,一般采用28V低压直流供电。随着不同复杂应用场景对车辆需求不断提升,车载设备总需求不断增加,对供电电源供电的可靠性和控制精度要求也越来越高。
现有技术中提出了一种新型电源系统,系统主要由异步感应发电机、DC/DC变换装置构成,该装置能够实现起发一体设计。但是该装置的缺点有:
(1)需要复杂的DC/DC变换器,虽然能够保证输出电压纹波,但是由于其能量不能双向流动,当负载存在突卸载工况时,电源无法实现发动机辅助制动,从而造成浪涌电压,可能触发过压故障;
(2)主发电机采用感应发电机,功率密度较低,电机工作效率通常不会高于75%,系统效率较低;
(3)引入DC/DC变换装置,系统效率进一步降低;
(4)变频器对发电机的控制依赖编码器,在特种工作场合,如持续高、低温和粉尘等恶劣复杂应用环境,编码器的故障率较高,会降低辅机电站的复杂环境下正常工作的能力。
发明内容
发明目的:为了解决上述问题,本发明提供了一种无速度传感器辅机电站控制方法及系统。
技术方案:一种无速度传感器辅机电站控制方法,包括以下步骤:
分别获取电机的当前三相电流ia、ib、ic,和当前三相电压ua、ub、uc,以及蓄电池的当前输出直流电压udcfdb;
基于当前三相电流ia、ib、ic和当前三相电压ua、ub、uc,计算得到a、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek;
根据当前输出直流电压udcfdb,计算得到d、q轴电流控制指令值idref、iqref;
基于α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek,计算得到d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb;
依据d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb,以及d、q轴电流控制指令值idref、iqref,计算得到d、q轴电压指令udref、uqref;
基于转子角度θek以及当前输出直流电压udcfdb,对d、q轴电压指令udref、uqref进行Svpwm调制,得到三相占空比ta、tb、tc;将所述三相占空比ta、tb、tc输出,对电机进行控制。
在进一步的实施例中,α、β轴电流分量iα、iβ的计算过程包括以下步骤:
基于当前三相电流ia、ib、ic,计算得到两相静止坐标系下α、β轴电流分量iα、iβ,计算公式如下:
在进一步的实施例中,转子角度θek的计算过程包括以下步骤:
基于当前三相电压ua、ub、uc,计算得到两相静止坐标系下α、β轴电压分量uα、uβ,计算公式如下:
基于α、β轴电流分量iα、iβ,α、β轴电压分量uα、uβ,计算得到α、β轴永磁体磁链观测值以及观测偏差/>计算公式如下:
其中,Ls为电机电感值;为永磁体磁链;/>分别为α、β轴的第k-1次定子静止轴系磁链值;
基于α、β轴电压分量uα、uβ,α、β轴永磁体磁链观测值以及观测偏差计算得到α、β轴第k次定子磁链/>以及α、β轴转子磁链/>计算公式如下:
其中,Rs为电机电阻;ωek-1为第k-1次电机转速;Ts为采样周期;
转子转速ωek和转子角度θek的计算公式如下:
θek=θek-1+ωek-1*Ts;
ωek-1=ωek;
其中,θek-1为第k-1次转子角度;PID1传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp1和Ki1分别为增益和积分系数参数。
在进一步的实施例中,,d、q轴电流控制指令值idref、iqref的计算公式如下:
idref=0;
iqref=PID2(udcref-udcfdb);
其中,udcref为额定电压值;PID2传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp2和Ki2分别为增益和积分系数参数。
在进一步的实施例中,d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb的计算公式如下:
在进一步的实施例中,d、q轴电压指令udref、uqref的计算公式如下:
udref=PID3(idref-idfdb);
uqref=PID4(iqref-iqfdb);
其中,PID3传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp3和Ki3分别为增益和积分系数参数;
PID4传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp4和Ki4分别为增益和积分系数参数。
在进一步的实施例中,三相占空比ta、tb、tc的计算公式如下:
其中,Max为求最大值,Min为求最小值。
在另一个技术方案中,提供了一种无速度传感器辅机电站控制系统,用于实现上述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,所述系统包括:
第一模块,被设置用于分别获取电机的当前三相电流ia、ib、ic,和当前三相电压ua、ub、uc,以及蓄电池的当前输出直流电压udcfdb;
第二模块,被设置用于基于当前三相电流ia、ib、ic和当前三相电压ua、ub、uc,计算得到α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek;
第三模块,被设置用于根据当前输出直流电压udcfdb,计算得到d、q轴电流控制指令值idref、iqref;
第四模块,被设置用于基于α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek,计算得到d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb;
第五模块,被设置用于依据d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb,以及d、q轴电流控制指令值idref、iqref,计算得到d、q轴电压指令udref、uqref;
第六模块,被设置用于基于转子角度θek以及当前输出直流电压udcfdb,对d、q轴电压指令udref、uqref进行Svpwm调制,得到三相占空比ta、tb、tc;将所述三相占空比ta、tb、tc输出,对电机进行控制。
有益效果:
(1)本发明对输出电压直接闭环控制,省去复杂的DC/DC控制器,系统效率提升;
(2)本发明将发电机更换为永磁同步电机,系统效率提升;
(3)本发明中发电机控制器无速度传感器控制,辅机电站在复杂环境下执行任务能力更强更可靠;
(4)本发明通过引入输出电压闭环控制,使得输出电能自由在线可调可控,能够主动抑制突卸载造成的浪涌电压;
(5)本发明直接对输出电源直接进行闭环控制,且控制不依赖电机速度传感器装置,系统工作可靠性高,可以实现能量双向流动,能够主动抑制因突卸载带来的浪涌电压。
附图说明
图1是本发明中无速度传感器电压控制框图;
图2是本发明中辅机电站控制系统框图。
具体实施方式
实施例1
如图1至2所示,本实施例提供了一种无速度传感器辅机电站控制方法,包括以下步骤:
S1、获取电机的当前三相电流ia、ib、ic。
S2、获取电机的当前三相电压ua、ub、uc。
S1和S2中,分别通过读取当前三相电流传感器电流值、当前三相电机电压传感器值,对应获得电机的当前三相电流ia、ib、ic,当前三相电压ua、ub、uc。
S3、基于当前三相电流ia、ib、ic,以及当前三相电压ua、ub、uc,计算得到α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek。
在S1、S2的基础上,S3根据永磁同步电机模型,对电机转子角度和转速进行估算。
S4、获取蓄电池的当前输出直流电压udcfdb。
S5、基于当前输出直流电压udcfdb,计算得到d、q轴电流控制指令值idref、iqref。
S5在S4的基础上,对输出电压进行闭环PI控制,得到电机dq坐标系下d、q轴电流控制指令值idref、iqref。
S6、基于α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek,计算得到d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb。
S6在S2、S3基础上,对三相电流进行Park变换,得到电机dq坐标系下d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb。
S7、基于d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb,以及d、q轴电流控制指令值idref、iqref,计算得到d、q轴电压指令udref、uqref。
S7在S6的基础上,分别对电机dq坐标系电流实施闭环PI控制,得到dq坐标系下d、q轴电压指令udref、uqref。
S8、基于转子角度θek以及当前输出直流电压udcfdb,对d、q轴电压指令udref、uqref进行Svpwm调制,得到三相占空比ta、tb、tc;将所述三相占空比ta、tb、tc输出,对电机进行控制。
S8在S3和S7的基础上,对d、q轴电压指令udref、uqref进行Svpwm调制,最终得到三相占空比ta、tb、tc送给硬件产品pwm,对电机进行控制。
在进一步的实施例中,S3进一步包括以下步骤:
S3-1、基于当前三相电流ia、ib、ic,采用以下公式计算两相静止坐标系下α、β轴电流分量iα、iβ;
S3-2、基于当前三相电压ua、ub、uc,采用以下公式计算两相静止坐标系下α、β轴电压分量uα、uβ;
S3-3、基于α、β轴电流分量iα、iβ,α、β轴电压分量uα、uβ,计算永磁体磁链观测值α、β轴以及观测偏差/>计算公式如下:
其中,Ls为电机电感值,单位为亨(H);为永磁体磁链,单位为韦伯(Wb);分别为α、β轴第k-1次定子静止轴系磁链值。
S3-4、基于α、β轴电压分量uα、uβ,α、β轴永磁体磁链观测值以及观测偏差/>计算α、β轴第k次定子磁链/>以及α、β轴转子磁链/>计算公式如下:
其中,Rs为电机电阻,单位为欧(Ohm);
γ为待整定参数,当时,观测器稳定,在本实施例中设定/>
ωek-1为第k-1次电机转速,单位为rad/s;
Ts为采样周期,通常取Pwm开关频率的倒数,单位为s。
转子磁链计算如下:
S3-5、转子转速ωek和转子角度θek的计算公式如下:
θek=θek-1+ωek-1*Ts;
ωek-1=ωek;
其中,θek-1为第k-1次转子角度,PID1传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp1和Ki1分别为增益和积分系数参数。Kp1和Ki1的整定值与现场带载特性,电机转动惯量等有关,根据现场调试参数而定。
在进一步的实施例中,S5中d、q轴电流控制指令值idref、iqref的计算公式如下:
idref=0;
iqref=PID2(udcref-udcfdb);
其中,udcref为额定电压值(如+28V),PID2传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp2和Ki2分别为增益和积分系数参数。Kp2和Ki2的整定值根据车载带载和空载现场调试得到。
在进一步的实施例中,S6中处理得到为dq旋转坐标系下电机的d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb计算公式如下:
在进一步的实施例中,S7实现对旋转坐标系下dq电流的闭环控制,得到需求值;S7中d、q轴电压指令udref、uqref计算公式如下:
udref=PID3(idref-idfdb);
uqref=PID4(iqref-iqfdb);
其中,PID3传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp3和Ki3分别为增益和积分系数参数;
PID4传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp4和Ki4分别为增益和积分系数参数。
对于表贴式永磁同步电机(SPM),取Kp3=Kp4=ωc*Ls,Ki3=Ki4=ωc*Rs,其中ωc为电流环截止角频率,与内环响应时间,本实施例中取ωc=2*pi*/Ts/50。
在进一步的实施例中,S8中三相占空比ta、tb、tc的计算公式如下:
其中,Max为求最大值,Min为求最小值。
图2中,PMSM为永磁同步电机。永磁同步电机因为功率密度较高,调速范围宽等优点在工业和特种领域有着广泛的应用。特别是对于车载多路多种电源需求的应用场合,永磁同步电机有独特的优势。
实施例2
本实施例提供了一种无速度传感器辅机电站控制系统,用于实现如实施例1所述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,所述系统包括:
第一模块,被设置用于分别获取电机的当前三相电流ia、ib、ic,和当前三相电压ua、ub、uc,以及蓄电池的当前输出直流电压udcfdb;
第二模块,被设置用于基于当前三相电流ia、ib、ic和当前三相电压ua、ub、uc,计算得到α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek;
第三模块,被设置用于根据当前输出直流电压udcfdb,计算得到d、q轴电流控制指令值idref、iqref;
第四模块,被设置用于基于α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek,计算得到d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb;
第五模块,被设置用于依据d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb,以及d、q轴电流控制指令值idref、iqref,计算得到d、q轴电压指令udref、uqref;
第六模块,被设置用于基于转子角度θek以及当前输出直流电压udcfdb,对d、q轴电压指令udref、uqref进行Svpwm调制,得到三相占空比ta、tb、tc;将所述三相占空比ta、tb、tc输出,对电机进行控制。
Claims (8)
1.一种无速度传感器辅机电站控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
分别获取电机的当前三相电流ia、ib、ic,和当前三相电压ua、ub、uc,以及蓄电池的当前输出直流电压udcfdb;
基于当前三相电流ia、ib、ic和当前三相电压ua、ub、uc,计算得到α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek;
根据当前输出直流电压udcfdb,计算得到d、q轴电流控制指令值idref、iqref;
基于α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek,计算得到d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb;
依据d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb,以及d、q轴电流控制指令值idref、iqref,计算得到d、q轴电压指令udref、uqref;
基于转子角度θek以及当前输出直流电压udcfdb,对d、q轴电压指令udref、uqref进行Svpwm调制,得到三相占空比ta、tb、tc;将所述三相占空比ta、tb、tc输出,对电机进行控制。
2.如权利要求1所述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,其特征在于,α、β轴电流分量iα、iβ的计算过程包括以下步骤:
基于当前三相电流ia、ib、ic,计算得到两相静止坐标系下α、β轴电流分量iα、iβ,计算公式如下:
3.如权利要求1所述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,其特征在于,转子角度θek的计算过程包括以下步骤:
基于当前三相电压uα、ub、uc,计算得到两相静止坐标系下α、β轴电压分量uα、uβ,计算公式如下:
基于α、β轴电流分量iα、iβ,α、β轴电压分量uα、uβ,计算得到α、β轴永磁体磁链观测值以及观测偏差/>计算公式如下:
其中,Ls为电机电感值;为永磁体磁链;/>分别为α、β轴的第k-1次定子静止轴系磁链值;
基于α、β轴电压分量uα、uβ,α、β轴永磁体磁链观测值以及观测偏差/>计算得到α、β轴第k次定子磁链/>以及α、β轴转子磁链/>计算公式如下:
其中,Rs为电机电阻;ωek-1为第k-1次电机转速;Ts为采样周期;
转子转速ωek和转子角度θek的计算公式如下:
θek=θek-1+ωek-1*Ts;
ωek-1=ωek;
其中,θek-1为第k-1次转子角度;PID1传递函数为为拉普拉斯变换算子,Kp1和Ki1分别为增益和积分系数参数。
4.如权利要求1所述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,其特征在于,d、q轴电流控制指令值idref、iqref的计算公式如下:
idref=0;
iqref=PID2(udcref-udcfdb);
其中,udcref为额定电压值;PID2传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp2和Ki2分别为增益和积分系数参数。
5.如权利要求1所述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,其特征在于,d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb的计算公式如下:
6.如权利要求1所述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,其特征在于,d、q轴电压指令udref、uqref的计算公式如下:
udref=PID3(idref-idfdb);
uqref=PID4(iqref-iqfdb);
其中,PID3传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp3和Ki3分别为增益和积分系数参数;
PID4传递函数为s为拉普拉斯变换算子,Kp4和Ki4分别为增益和积分系数参数。
7.如权利要求1所述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,其特征在于,三相占空比ta、tb、tc的计算公式如下:
其中,Max为求最大值,Min为求最小值。
8.一种无速度传感器辅机电站控制系统,其特征在于,用于实现如权利要求1至7任意一项所述的一种无速度传感器辅机电站控制方法,所述系统包括:
第一模块,被设置用于分别获取电机的当前三相电流ia、ib、ic,和当前三相电压ua、ub、uc,以及蓄电池的当前输出直流电压udcfdb;
第二模块,被设置用于基于当前三相电流ia、ib、ic和当前三相电压ua、ub、uc,计算得到α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek;
第三模块,被设置用于根据当前输出直流电压udcfdb,计算得到d、q轴电流控制指令值idref、iqref;
第四模块,被设置用于基于α、β轴电流分量iα、iβ,以及转子角度θek,计算得到d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb;
第五模块,被设置用于依据d、q轴电流反馈值idfdb、iqfdb,以及d、q轴电流控制指令值idref、iqref,计算得到d、q轴电压指令udref、uqref;
第六模块,被设置用于基于转子角度θek以及当前输出直流电压udcfdb,对d、q轴电压指令udref、uqref进行Svpwm调制,得到三相占空比ta、tb、tc;将所述三相占空比ta、tb、tc输出,对电机进行控制。
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