CN117277893B - 一种无速度传感器辅机电站控制方法及系统 - Google Patents

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

一种无速度传感器辅机电站控制方法及系统

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i_a、i_b、i_c，和当前三相电压u_a、u_b、u_c，以及蓄电池的当前输出直流电压u_dcfdb；

基于当前三相电流i_a、i_b、i_c和当前三相电压u_a、u_b、u_c，计算得到a、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek；

根据当前输出直流电压u_dcfdb，计算得到d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref；

基于α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek，计算得到d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb；

依据d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb，以及d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref，计算得到d、q轴电压指令u_dref、u_qref；

基于转子角度θ_ek以及当前输出直流电压u_dcfdb，对d、q轴电压指令u_dref、u_qref进行Svpwm调制，得到三相占空比t_a、t_b、t_c；将所述三相占空比t_a、t_b、t_c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i_α、i_β的计算过程包括以下步骤：

基于当前三相电流i_a、i_b、i_c，计算得到两相静止坐标系下α、β轴电流分量i_α、i_β，计算公式如下：

在进一步的实施例中，转子角度θ_ek的计算过程包括以下步骤：

基于当前三相电压u_a、u_b、u_c，计算得到两相静止坐标系下α、β轴电压分量u_α、u_β，计算公式如下：

基于α、β轴电流分量i_α、i_β，α、β轴电压分量u_α、u_β，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，L_s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u_α、u_β，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，R_s为电机电阻；ω_ek-1为第k-1次电机转速；T_s为采样周期；

转子转速ω_ek和转子角度θ_ek的计算公式如下：

θ_ek＝θ_ek-1+ω_ek-1*T_s；

ω_ek-1＝ω_ek；

其中，θ_ek-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，K_p1和K_i1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i_dref、i_qref的计算公式如下：

i_dref＝0；

i_qref＝PID2(u_dcref-u_dcfdb)；

其中，u_dcref为额定电压值；PID2传递函数为s为拉普拉斯变换算子，K_p2和K_i2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i_dfdb、i_qfdb的计算公式如下：

在进一步的实施例中，d、q轴电压指令u_dref、u_qref的计算公式如下：

u_dref＝PID3(i_dref-i_dfdb)；

u_qref＝PID4(i_qref-i_qfdb)；

其中，PID3传递函数为s为拉普拉斯变换算子，K_p3和K_i3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，K_p4和K_i4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t_a、t_b、t_c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i_a、i_b、i_c，和当前三相电压u_a、u_b、u_c，以及蓄电池的当前输出直流电压u_dcfdb；

第二模块，被设置用于基于当前三相电流i_a、i_b、i_c和当前三相电压u_a、u_b、u_c，计算得到α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek；

第三模块，被设置用于根据当前输出直流电压u_dcfdb，计算得到d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref；

第四模块，被设置用于基于α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek，计算得到d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb；

第五模块，被设置用于依据d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb，以及d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref，计算得到d、q轴电压指令u_dref、u_qref；

第六模块，被设置用于基于转子角度θ_ek以及当前输出直流电压u_dcfdb，对d、q轴电压指令u_dref、u_qref进行Svpwm调制，得到三相占空比t_a、t_b、t_c；将所述三相占空比t_a、t_b、t_c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i_a、i_b、i_c。

S2、获取电机的当前三相电压u_a、u_b、u_c。

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i_a、i_b、i_c，当前三相电压u_a、u_b、u_c。

S3、基于当前三相电流i_a、i_b、i_c，以及当前三相电压u_a、u_b、u_c，计算得到α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek。

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u_dcfdb。

S5、基于当前输出直流电压u_dcfdb，计算得到d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref。

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i_dref、i_qref。

S6、基于α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek，计算得到d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb。

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i_dfdb、i_qfdb。

S7、基于d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb，以及d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref，计算得到d、q轴电压指令u_dref、u_qref。

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u_dref、u_qref。

S8、基于转子角度θ_ek以及当前输出直流电压u_dcfdb，对d、q轴电压指令u_dref、u_qref进行Svpwm调制，得到三相占空比t_a、t_b、t_c；将所述三相占空比t_a、t_b、t_c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u_dref、u_qref进行Svpwm调制，最终得到三相占空比t_a、t_b、t_c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i_a、i_b、i_c，采用以下公式计算两相静止坐标系下α、β轴电流分量i_α、i_β；

S3-2、基于当前三相电压u_a、u_b、u_c，采用以下公式计算两相静止坐标系下α、β轴电压分量u_α、u_β；

S3-3、基于α、β轴电流分量i_α、i_β，α、β轴电压分量u_α、u_β，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，L_s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u_α、u_β，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，R_s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/>

ω_ek-1为第k-1次电机转速，单位为rad/s；

T_s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ω_ek和转子角度θ_ek的计算公式如下：

θ_ek＝θ_ek-1+ω_ek-1*T_s；

ω_ek-1＝ω_ek；

其中，θ_ek-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，K_p1和K_i1分别为增益和积分系数参数。K_p1和K_i1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i_dref、i_qref的计算公式如下：

i_dref＝0；

i_qref＝PID2(u_dcref-u_dcfdb)；

其中，u_dcref为额定电压值(如+28V)，PID2传递函数为s为拉普拉斯变换算子，K_p2和K_i2分别为增益和积分系数参数。K_p2和K_i2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i_dfdb、i_qfdb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u_dref、u_qref计算公式如下：

u_dref＝PID3(i_dref-i_dfdb)；

u_qref＝PID4(i_qref-i_qfdb)；

其中，PID3传递函数为s为拉普拉斯变换算子，K_p3和K_i3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，K_p4和K_i4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K_p3＝K_p4＝ω_c*L_s,K_i3＝K_i4＝ω_c*R_s,其中ω_c为电流环截止角频率，与内环响应时间，本实施例中取ω_c＝2*pi*/T_s/50。

在进一步的实施例中，S8中三相占空比t_a、t_b、t_c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i_a、i_b、i_c，和当前三相电压u_a、u_b、u_c，以及蓄电池的当前输出直流电压u_dcfdb；

第二模块，被设置用于基于当前三相电流i_a、i_b、i_c和当前三相电压u_a、u_b、u_c，计算得到α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek；

第三模块，被设置用于根据当前输出直流电压u_dcfdb，计算得到d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref；

第四模块，被设置用于基于α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek，计算得到d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb；

第五模块，被设置用于依据d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb，以及d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref，计算得到d、q轴电压指令u_dref、u_qref；

第六模块，被设置用于基于转子角度θ_ek以及当前输出直流电压u_dcfdb，对d、q轴电压指令u_dref、u_qref进行Svpwm调制，得到三相占空比t_a、t_b、t_c；将所述三相占空比t_a、t_b、t_c输出，对电机进行控制。

Claims (7)

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i_a、i_b、i_c，和当前三相电压u_a、u_b、u_c，以及蓄电池的当前输出直流电压u_dcfdb；

基于当前三相电流i_a、i_b、i_c和当前三相电压u_a、u_b、u_c，计算得到α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek；

根据当前输出直流电压u_dcfdb，计算得到d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref；

基于α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek，计算得到d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb；

依据d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb，以及d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref，计算得到d、q轴电压指令u_dref、u_qref；

基于转子角度θ_ek以及当前输出直流电压u_dcfdb，对d、q轴电压指令u_dref、u_qref进行Svpwm调制，得到三相占空比t_a、t_b、t_c；将所述三相占空比t_a、t_b、t_c输出，对电机进行控制；

转子角度θ_ek的计算过程包括以下步骤：

基于当前三相电压u_a、u_b、u_c，计算得到两相静止坐标系下α、β轴电压分量u_α、u_β，计算公式如下：

基于α、β轴电流分量i_α、i_β，α、β轴电压分量u_α、u_β，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，L_s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u_α、u_β，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，R_s为电机电阻；ω_ek-1为第k-1次电机转速；T_s为采样周期；

转子转速ω_ek和转子角度θ_ek的计算公式如下：

θ_ek＝θ_ek-1+ω_ek-1*T_s；

ω_ek-1＝ω_ek；

其中，θ_ek-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，K_p1和K_i1分别为增益和积分系数参数。

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i_α、i_β的计算过程包括以下步骤：

基于当前三相电流i_a、i_b、i_c，计算得到两相静止坐标系下α、β轴电流分量i_α、i_β，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，d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref的计算公式如下：

i_dref＝0；

i_qref＝PID2(u_dcref-u_dcfdb)；

其中，u_dcref为额定电压值；PID2传递函数为s为拉普拉斯变换算子，K_p2和K_i2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轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb的计算公式如下：

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轴电压指令u_dref、u_qref的计算公式如下：

u_dref＝PID3(i_dref-i_dfdb)；

u_qref＝PID4(i_qref-i_qfdb)；

其中，PID3传递函数为s为拉普拉斯变换算子，K_p3和K_i3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，K_p4和K_i4分别为增益和积分系数参数。

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，三相占空比t_a、t_b、t_c的计算公式如下：

其中，Max为求最大值，Min为求最小值。

7.一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6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i_a、i_b、i_c，和当前三相电压u_a、u_b、u_c，以及蓄电池的当前输出直流电压u_dcfdb；

第二模块，被设置用于基于当前三相电流i_a、i_b、i_c和当前三相电压u_a、u_b、u_c，计算得到α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek；

第三模块，被设置用于根据当前输出直流电压u_dcfdb，计算得到d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref；

第四模块，被设置用于基于α、β轴电流分量i_α、i_β，以及转子角度θ_ek，计算得到d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb；

第五模块，被设置用于依据d、q轴电流反馈值i_dfdb、i_qfdb，以及d、q轴电流控制指令值i_dref、i_qref，计算得到d、q轴电压指令u_dref、u_qref；

第六模块，被设置用于基于转子角度θ_ek以及当前输出直流电压u_dcfdb，对d、q轴电压指令u_dref、u_qref进行Svpwm调制，得到三相占空比t_a、t_b、t_c；将所述三相占空比t_a、t_b、t_c输出，对电机进行控制。