CN109861615B - 一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制***及方法 - Google Patents

一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制***及方法 Download PDF

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CN109861615B CN201910122700.0A CN201910122700A CN109861615B CN 109861615 B CN109861615 B CN 109861615B CN 201910122700 A CN201910122700 A CN 201910122700A CN 109861615 B CN109861615 B CN 109861615B
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Abstract

本发明涉及一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制***及方法，属于永磁同步电机控制领域。该***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***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***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***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***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***需要准确采集到电机转子的速度和位置信息，控制***中加入速度位置传感器增加了***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***的连接线和接口电路，使***易受干扰，降低了***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***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***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***，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ωset和经所述速度计算模块(111)产生的计算转速ωsob，处理得到q轴电流给定值
Figure GDA0002603242600000011
和坐标变换角
Figure GDA0002603242600000012
所述q轴电流控制器(102)用于将输入的q轴电流给定值
Figure GDA0002603242600000013
和三相电流反馈q轴电流iq做比较的差值，处理得到参考电压uq；
所述d轴电流控制器(103)用于将输入的d轴电流给定值
Figure GDA0002603242600000021
与三相电流反馈d轴电流id做比较的差值，处理得到参考电压ud；
所述Park逆变换模块(104)用于将输入的参考电压ud、uq和坐标变换角
Figure GDA0002603242600000022
变换为α-β坐标系的参考电压uα和uβ；
所述SVPWM调制模块(105)用于将输入的参考电压uα和uβ，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ia、ib、ic；
所述Clark变换模块(109)用于将输入的定子电流实际值ia、ib、ic，变换为α-β坐标系的电流iα和iβ；
所述Park变换模块Ⅰ(110)用于将输入的坐标变换角
Figure GDA0002603242600000027
以及α-β坐标系的电流iα和iβ，变换为d-q轴坐标系的电流id和iq；
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uα和uβ以及电流iα和iβ，变换为计算转速ωsob。
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ωset，变换产生出具有一定斜率上升或下降的转速参考值ωref；
所述转速控制器(202)用于将输入的转速参考值ωref和计算转速ωsob做比较的差值，变换为q轴电流参考值
Figure GDA0002603242600000023
所述q轴电流给定发生器(203)用于将输入的转速参考值ωref，变换为q轴电流参考值
Figure GDA0002603242600000024
所述阈值开关(204)用于将输入的转速参考值ωref，变换产生出模式选择控制信号Mset；
所述模式转换开关Ⅰ(205)用于将输入的q轴电流参考值
Figure GDA0002603242600000025
和
Figure GDA0002603242600000026
以及模式选择控制信号Mset，变换为q轴电流给定值
Figure GDA0002603242600000031
所述模式转换开关Ⅱ(206)用于将输入的计算转速ωsob、转速参考值ωref和模式选择控制信号Mset，变换产生出电角速度信号ωs。
所述积分器Ⅰ(207)用于将输入的电角速度信号ωs，变换为电压坐标变换输出角
Figure GDA0002603242600000032
所述电压坐标变换输出角
Figure GDA0002603242600000033
和补偿角
Figure GDA0002603242600000034
之和为坐标变换角
Figure GDA0002603242600000035
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uα和uβ，变换为定子电动势矢量
Figure GDA0002603242600000036
和
Figure GDA0002603242600000037
所述积分器I1(302)用于将电动势矢量
Figure GDA0002603242600000038
转换为转子磁链矢量Φ的幅值；
所述积分器I2(303)用于将计算转速ωsob转换为转子磁链位置角φs'，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ωref计算得到q轴电流参考值
Figure GDA0002603242600000039
计算公式如下：
Figure GDA00026032426000000310
其中，Iset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ωref进行输出切换，在0≤ωref≤ω2时阈值开关输出0，在ω2≤ωref时阈值开关输出1。
进一步，
在所述模式选择控制信号Mset＝0时，所述转换开关Ⅰ(205)输出q轴电流给定值
Figure GDA00026032426000000311
在所述模式选择控制信号Mset＝1时，输出q轴电流给定值
Figure GDA00026032426000000312
在所述模式选择控制信号Mset＝0时，转换开关Ⅱ(206)输出电角速度信号ωs＝ωref；在所述模式选择控制信号Mset＝1时，输出电角速度信号ωs＝ωsob。
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：
Figure GDA0002603242600000041
其中，rs表示电机定子电阻，Lsσ为电机定子漏感，uα、uβ表示在α-β坐标系的定子电压uα和uβ，iα、iβ表示在α-β坐标系的定子电流，
Figure GDA0002603242600000049
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
Figure GDA0002603242600000042
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es的φ1和φ2分量
Figure GDA0002603242600000043
和
Figure GDA0002603242600000044
电压
Figure GDA0002603242600000045
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，
Figure GDA0002603242600000046
电压
Figure GDA0002603242600000047
除以磁链幅值Φ得到同步的计算转速ωsob；计算转速ωsob经所述积分器I2(303)得到转子磁链位置角φs'，把位置角φs'送回所述Park变换模块Ⅱ(301)完成矢量旋转计算。
进一步，转速和转子磁链位置角计算公式为：
Figure GDA0002603242600000048
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***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***，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***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***的工作流程为：
1)转速设定值ωset和经速度计算模块111产生的计算转速ωsob作为转速控制模块101的输入，处理得到q轴电流给定值
Figure GDA0002603242600000051
和坐标变换角
Figure GDA0002603242600000052
2)q轴电流给定值
Figure GDA0002603242600000053
和三相电流反馈q轴电流iq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uq；
3)d轴电流给定值
Figure GDA0002603242600000054
与三相电流反馈d轴电流id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ud；
4)参考电压ud、uq和坐标变换角
Figure GDA0002603242600000055
输入到Park逆变换模块104，变换为α-β坐标系的参考电压uα和uβ；
5)参考电压uα和uβ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ia、ib、ic；
7)定子电流实际值ia、ib、ic输入到Clark变换模块109，产生为α-β坐标系的电流iα和iβ；
8)从转速控制模块101输出的坐标变换角
Figure GDA0002603242600000056
以及α-β坐标系的电流iα和iβ输入到Park变换模块Ⅰ110，产生d-q轴坐标系的电流id和iq；
9)在α-β坐标系的参考电压uα和uβ以及电流iα和iβ作为速度计算模块111，产生计算转速ωsob。
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ωset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ωref；
2)转速参考值ωref和计算转速ωsob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
Figure GDA0002603242600000061
3)转速参考值ωref作为q轴电流给定发生器203的输入，产生q轴电流参考值
Figure GDA0002603242600000062
4)转速参考值ωref作为阈值开关204用的输入，产生模式选择控制信号Mset；
5)q轴电流参考值
Figure GDA0002603242600000063
和
Figure GDA0002603242600000064
以及模式选择控制信号Mset作为模式转换开关Ⅰ205的输入，产生q轴电流给定值
Figure GDA0002603242600000065
6)计算转速ωsob、转速参考值ωref和模式选择控制信号Mset作为模式转换开关Ⅱ206的输入，产生电角速度信号ωs；
7)电角速度信号ωs作为积分器Ⅰ207的输入，产生电压坐标变换输出角
Figure GDA0002603242600000066
所述电压坐标变换输出角
Figure GDA0002603242600000067
和补偿角
Figure GDA0002603242600000068
之和为坐标变换角
Figure GDA0002603242600000069
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ωref计算得到q轴电流参考值
Figure GDA00026032426000000610
计算公式如下：
Figure GDA00026032426000000611
其中，Iset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ωref进行输出切换，在0≤ωref≤ω2时阈值开关输出0，在ω2≤ωref时阈值开关输出1。
在所述模式选择控制信号Mset＝0时，所述转换开关Ⅰ205输出q轴电流给定值
Figure GDA00026032426000000612
在所述模式选择控制信号Mset＝1时，输出q轴电流给定值
Figure GDA00026032426000000613
在所述模式选择控制信号Mset＝0时，转换开关Ⅱ206输出电角速度信号ωs＝ωref；在所述模式选择控制信号Mset＝1时，输出电角速度信号ωs＝ωsob。
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
Figure GDA0002603242600000071
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es的φ1和φ2分量
Figure GDA0002603242600000072
和
Figure GDA0002603242600000073
电压
Figure GDA0002603242600000074
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，
Figure GDA0002603242600000075
电压
Figure GDA0002603242600000076
除以磁链幅值Φ得到同步的计算转速ωsob；计算转速ωsob经所述积分器I2 303得到转子磁链位置角φs'，把位置角φs'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：
Figure GDA0002603242600000077
其中，rs表示电机定子电阻，Lsσ为电机定子漏感，uα、uβ表示在α-β坐标系的定子电压uα和uβ，iα、iβ表示在α-β坐标系的定子电流，
Figure GDA0002603242600000078
表示在α-β坐标系的定子绕组感应电动势。
进一步，转速和转子磁链位置角计算公式为：
Figure GDA0002603242600000079
数字控制以及采样延时造成计算的角度φs'滞后实际角度，因此在计算出的角度补偿
Figure GDA00026032426000000710
得到实际坐标变换角
Figure GDA00026032426000000711
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 (4)

1.一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制***，其特征在于，该***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ωset和经所述速度计算模块(111)产生的计算转速ωsob，处理得到q轴电流给定值
Figure FDA0002828335010000011
和坐标变换角
Figure FDA0002828335010000012
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ωset，变换产生出具有一定斜率上升或下降的转速参考值ωref；
所述转速控制器(202)用于将输入的转速参考值ωref和计算转速ωsob做比较的差值，变换为q轴电流参考值
Figure FDA0002828335010000013
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ωref计算得到q轴电流参考值
Figure FDA0002828335010000014
计算公式如下：
Figure FDA0002828335010000015
其中，Iset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)用于将输入的转速参考值ωref，变换产生出模式选择控制信号Mset；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ωref进行输出切换，在0≤ωref＜ω2时阈值开关输出0，在ω2≤ωref时阈值开关输出1；
所述模式转换开关Ⅰ(205)用于将输入的q轴电流参考值
Figure FDA0002828335010000016
和
Figure FDA0002828335010000017
以及模式选择控制信号Mset，变换为q轴电流给定值
Figure FDA0002828335010000018
所述模式转换开关Ⅱ(206)用于将输入的计算转速ωsob、转速参考值ωref和模式选择控制信号Mset，变换产生出电角速度信号ωs；在所述模式选择控制信号Mset＝0时，所述转换开关Ⅰ(205)输出q轴电流给定值
Figure FDA0002828335010000019
在所述模式选择控制信号Mset＝1时，输出q轴电流给定值
Figure FDA00028283350100000110
在所述模式选择控制信号Mset＝0时，转换开关Ⅱ(206)输出电角速度信号ωs＝ωref；在所述模式选择控制信号Mset＝1时，输出电角速度信号ωs＝ωsob；
所述积分器Ⅰ(207)用于将输入的电角速度信号ωs，变换为电压坐标变换输出角
Figure FDA0002828335010000021
所述电压坐标变换输出角
Figure FDA0002828335010000022
和补偿角
Figure FDA0002828335010000023
之和为坐标变换角
Figure FDA0002828335010000024
所述q轴电流控制器(102)用于将输入的q轴电流给定值
Figure FDA0002828335010000025
和三相定子电流反馈q轴电流iq做比较的差值，处理得到参考电压uq；
所述d轴电流控制器(103)用于将输入的d轴电流给定值
Figure FDA0002828335010000026
与三相定子电流反馈d轴电流id做比较的差值，处理得到参考电压ud；
所述Park逆变换模块(104)用于将输入的参考电压ud、uq和坐标变换角
Figure FDA0002828335010000027
变换为α-β坐标系的参考电压uα和uβ；
所述SVPWM调制模块(105)用于将输入的参考电压uα和uβ，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ia、ib、ic；
所述Clark变换模块(109)用于将输入的定子电流实际值ia、ib、ic，变换为α-β坐标系的电流iα和iβ；
所述Park变换模块Ⅰ(110)用于将输入的坐标变换角
Figure FDA0002828335010000028
以及α-β坐标系的电流iα和iβ，变换为d-q轴坐标系的三相定子电流反馈d轴电流id和三相定子电流反馈q轴电流iq；
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uα和uβ以及电流iα和iβ，变换为计算转速ωsob。
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***，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坐标系的定子绕组感应电动势
Figure FDA0002828335010000029
变换为定子电动势矢量
Figure FDA00028283350100000210
和
Figure FDA00028283350100000211
所述积分器I1(302)用于将电动势矢量
Figure FDA00028283350100000212
转换为转子磁链矢量的幅值Φ；
所述积分器I2(303)用于将计算转速ωsob转换为转子磁链位置角φ′s，并送回至Park变换模块Ⅱ(301)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：
Figure FDA0002828335010000031
其中，rs表示电机定子电阻，Lsσ为电机定子漏感。
3.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***，其特征在于，所述速度计算模块(111)具体处理过程为：将
Figure FDA0002828335010000032
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es的φ1和φ2分量
Figure FDA0002828335010000033
和
Figure FDA0002828335010000034
电压
Figure FDA0002828335010000035
经所述积分器I1(302)得到转子磁链矢量的幅值Φ，在转子磁链矢量的幅值Φ达到稳态值后，
Figure FDA0002828335010000036
电压
Figure FDA0002828335010000037
除以转子磁链矢量的幅值Φ得到同步的计算转速ωsob；计算转速ωsob经所述积分器I2(303)得到转子磁链位置角φ′s，把位置角φ′s送回所述Park变换模块Ⅱ(301)完成矢量旋转计算。
4.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***，其特征在于，计算转速和转子磁链位置角的计算公式为：
Figure FDA0002828335010000038
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