一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法技术

一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法。本控制方法包括，一步控制磁悬浮系统稳定工作；二步安装在电机输入端的霍尔电流传感器；三步三相静止电流Ia、Ib、Ic输入到三相静止到两相静止变换CLARKE模块；四步根据转速估计值θest与设定阈值θth的关系进行开环与闭环控制切换；五步获取转子角位置；六步角位置模拟值θsim与估计值θest输入到转速估计单元得到转子转速估计值nest；七步Iα、Iβ、转子角位置输入到两相静止到两相旋转变换PARK模块；八步闭环反馈控制；九步Vd、Vq输入到两相静止到两相旋转变换IPARK模块；十步根据第九步得到的Vα、Vβ进行矢量控制。本发明专利技术用于磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法。
技术介绍
：磁悬浮飞轮储能技术是一种新兴的、先进的机械储能方式，具有充放电迅速、功率大、寿命长且对环境污染小等优点，在能源存储、电力动态调节以及大功率充放电场合有较好的应用。永磁同步电机具有结构简单、体积小、功率因数高、功率密度高、转动惯量低等优点，用于驱动飞轮完成充放电过程是理想的选择。现有的永磁同步电机控制方式主要分为有传感器控制和无传感器控制两大类。其中，有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，同时采用霍尔传感器测量转子的实际转速，其检测精度高，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位置传感器。由于飞轮储能采用磁悬浮轴承支撑，转子在静止状态或旋转过程中沿圆周径向和轴向都存在较大的位移跳动，不便于在转子两侧安装传感器，因此为实现磁悬浮储能飞轮的充放电过程，必须采用无传感器控制方式。无传感器控制需要解决转子角位置的实时估计问题，通过查阅相关专利可知，目前主要有反电势直接计算法、卡尔曼滤波器法以及滑模观测器估计法等。这些方法都是基于电机电流模型进行角位置估计，适合于电机处于一定转速下运行，但是当电机启动时电流为零，或者电机在充电与放电过程进行切换时，电流均存在过零点，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。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种磁悬浮储能飞轮在无位置和转速传感器条件下，快速充电控制的方法，同时提高转子角位置估计精度，实现开环与闭环控制过程的平稳过渡，完成磁悬浮储能飞轮用永磁同步电机的快速充电控制的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法。上述的目的通过以下的技术方案实现：一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，本控制方法包括十步，第一步控制磁悬浮系统稳定工作，然后用于驱动飞轮旋转的永磁同步电机上电；第二步安装在电机输入端的霍尔电流传感器分别测得电机三相电流Ia、Ib、Ic，电压传感器测得电机三相电压Va、Vb、Vc和直流母线电压Vdc；第三步将第二步中得到的三相静止电流Ia、Ib、Ic输入到三相静止到两相静止变换CLARKE模块，生成两相静止电流Iα、Iβ；第四步根据转速估计值θest与设定阈值θth的关系进行开环与闭环控制切换；第五步获取转子角位置；第六步将第五步得到的角位置模拟值θsim与估计值θest输入到转速估计单元得到转子转速估计值nest；第七步将第三步得到的Iα、Iβ到与第五步得到的转子角位置输入到两相静止到两相旋转变换PARK模块,生成两项旋转电流Id、Iq；第八步闭环反馈控制；第九步将第八步得到的Vd、Vq输入到两相静止到两相旋转变换IPARK模块，生成两相静止电压Vα、Vβ；第十步根据第九步得到的Vα、Vβ进行矢量控制，扇区分配，生成三相空间矢量脉宽调制SVPWM波，完成电机充电控制。所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第四步根据转速估计值θest与设定阈值θth的关系进行开环与闭环控制切换是当θest≤θth，采用恒流频比I/F开环控制并设置变量Scheme＝OpenLoopControl；当θest<θth，采用转速/电流双闭环控制并设置变量Scheme＝CloseLoopControl；其中OpenLoopControl＝0，CloseLoopControl＝1。所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第五步获取转子角位置是若Scheme＝OpenLoopControl，则给定频率增量Δf，生成电频率值f＝f+Δf，输入到模拟角度单元生成角位置θ＝θo+f*T；若Scheme＝CloseLoopControl，则将第二步得到的Va、Vb、Vc和第三步得到的Iα、Iβ输入到高精度扩展滑模观测器，得到转子角位置估计值θest。所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第八步闭环反馈控制；若Scheme＝OpenLoopControl，根据设定的直轴和交轴电流参考Idref、Iqref以及第七步得到的Id、Iq进行电流闭环，分别得到直轴和交轴电压Vd、Vq；若Scheme＝OpenLoopControl，一方面根据设定的直轴电流参考Iqref和第七步得到的Id进行电流闭环，得到直轴电压Vd，另一方面根据设定的转速参考nref和第六步得到的转速估计值nest转速闭环，得到交轴电流参考Iqref，根据Iqref和第七步得到的Iq进行电流闭环，得到交轴电压Vq。所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，所述的第五步中的扩展滑模观测器具体实现步骤如下；第1步机建立永磁同步电机α-β系下的电流与反电势数学模型：eα＝-λωsin(θ)，eβ＝λωcos(θ)，其中Rs、Ls分别为电机定子相绕组电阻和电感，uα、uβ、iα、iβ、eα、eβ为分别为α-β，系下两相静止电压、电流与反电势，λ电势系数，ω角速度，θ电角度；第2步将权利要求1中第一步得到的电机三相电压Va、Vb、Vc进行克拉克CLARKE变换，得到α-β系下两相静止电压量测值uα、uβ；第3步根据第2步得到的uα、uβ与权利要求1中第三步得到的两相静止电流Iα、Iβ，建立扩展滑模观测器； d i ^ α d t d i ^ β d t d e ^ α 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，其特征是:本控制方法包括十步，第一步控制磁悬浮系统稳定工作，然后用于驱动飞轮旋转的永磁同步电机上电；第二步安装在电机输入端的霍尔电流传感器分别测得电机三相电流Ia、Ib、Ic，电压传感器测得电机三相电压Va、Vb、Vc和直流母线电压Vdc；第三步将第二步中得到的三相静止电流Ia、Ib、Ic输入到三相静止到两相静止变换CLARKE模块，生成两相静止电流Iα、Iβ；第四步根据转速估计值θest与设定阈值θth的关系进行开环与闭环控制切换；第五步获取转子角位置；第六步将第五步得到的角位置模拟值θsim与估计值θest输入到转速估计单元得到转子转速估计值nest；第七步将第三步得到的Iα、Iβ到与第五步得到的转子角位置输入到两相静止到两相旋转变换PARK模块,生成两项旋转电流Id、Iq；第八步闭环反馈控制；第九步将第八步得到的Vd、Vq输入到两相静止到两相旋转变换IPARK模块，生成两相静止电压Vα、Vβ；第十步根据第九步得到的Vα、Vβ进行矢量控制，扇区分配，生成三相空间矢量脉宽调制SVPWM波，完成电机充电控制。

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，其特征是:本控制方法包括十步，第一步控制磁悬浮系统稳定工作，然后用于驱动飞轮旋转的永磁同步电机上电；第二步安装在电机输入端的霍尔电流传感器分别测得电机三相电流Ia、Ib、Ic，电压传感器测得电机三相电压Va、Vb、Vc和直流母线电压Vdc；第三步将第二步中得到的三相静止电流Ia、Ib、Ic输入到三相静止到两相静止变换CLARKE模块，生成两相静止电流Iα、Iβ；第四步根据转速估计值θest与设定阈值θth的关系进行开环与闭环控制切换；第五步获取转子角位置；第六步将第五步得到的角位置模拟值θsim与估计值θest输入到转速估计单元得到转子转速估计值nest；第七步将第三步得到的Iα、Iβ到与第五步得到的转子角位置输入到两相静止到两相旋转变换PARK模块,生成两项旋转电流Id、Iq；第八步闭环反馈控制；第九步将第八步得到的Vd、Vq输入到两相静止到两相旋转变换IPARK模块，生成两相静止电压Vα、Vβ；第十步根据第九步得到的Vα、Vβ进行矢量控制，扇区分配，生成三相空间矢量脉宽调制SVPWM波，完成电机充电控制。2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，其特征是:所述的第四步根据转速估计值θest与设定阈值θth的关系进行开环与闭环控制切换是当θest≤θth，采用恒流频比I/F开环控制并设置变量Scheme＝OpenLoopControl；当θest<θth，采用转速/电流双闭环控制并设置变量Scheme＝CloseLoopControl；其中OpenLoopControl＝0，CloseLoopControl＝1。3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，其特征是:所述的第五步获取转子角位置是若Scheme＝OpenLoopControl，则给定频率增量Δf，生成电频率值f＝f+Δf，输入到模拟角度单元生成角位置θ＝θo+f*T；若Scheme＝CloseLoopControl，则将第二步得到的Va、Vb、Vc和第三步得到的Iα、Iβ输入到高精度扩展滑模观测器，得到转子角位置估计值θest。4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，其特征是:所述的第八步闭环反馈控制；若Scheme＝OpenLoopControl，根据设定的直轴和交轴电流参考Idref、Iqref以及第七步得到的Id、Iq进行电流闭环，分别得到直轴和交轴电压Vd、Vq；若Scheme＝OpenLoopControl，一方面根据设定的直轴电流参考Iqref和第七步得到的Id进行电流闭环，得到直轴电压Vd，另一方面根据设定的转速参考nref和第六步得到的转速估计值nest转速闭环，得到交轴电流参考Iqref，根据Iqref和第七步得到的Iq进行电流闭环，得到交轴电压Vq。5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮无传感器充电控制方法，其特征是:所述的第五步中的扩展滑模观测器具体实现步骤如下；第1步机建立永磁同步电机α-β系下的电流与反电势数学模型：eα＝-λωsin(θ)，eβ＝λωcos(θ)，其中Rs、Ls分别为电机定子相绕组电阻和电感，uα、uβ、iα、iβ、eα、eβ为分别为α-β，系下两相静止电压、电流与反电势，λ电势系数，ω角速度，θ电角度；第2步将权利要求1中第一步得到的电机三相电压Va、Vb、Vc进行克拉克CLARKE变换，得到α-β系下两相静止电压量测值uα、uβ；第3步根据第2步得到的uα、uβ与权利要求1中第三步得到的两相静止电流Iα、Iβ，建立扩展滑模观测器； d i ^ α d t d i ^ β d t d e ^ α d t d e ^ β d t = - R s L s 0 0 0 0 - R s L s 0 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李树胜，王志强，刘海财，郭巍，齐聪睿，
申请(专利权)人：北京泓慧国际能源技术发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11