一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法，属于永磁同步电机控制领域。该系统包括：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)。本发明专利技术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；并且所述控制系统结构简单，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。

A Velocity Sensorless Vector Control System for High Speed Flywheel and Its Method

The invention relates to a speed sensorless vector control system and method for a high-speed flywheel, belonging to the field of permanent magnet synchronous motor control. The system includes: speed control module (101), q-axis current controller (102), d-axis current controller (103), Park inverse conversion module (104), current sampling module (108), Clark conversion module (109), Park conversion module I (110), speed calculation module (111), SVPWM modulation module (105), three-phase inverter (106) and flywheel (107). Without increasing the voltage sensor, the invention can effectively estimate the speed and rotor position angle of synchronous motor and realize speed sensorless control; moreover, the control system has simple structure, less calculation, easy realization, and can accurately control the current amplitude of the flywheel at startup.

【技术实现步骤摘要】
一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法
本专利技术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系统及方法，具体涉及飞轮的启动低速控制和中高速矢量控制。
技术介绍
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。飞轮储能在电力系统调峰调频、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系统需要准确采集到电机转子的速度和位置信息，控制系统中加入速度位置传感器增加了系统成本，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系统的连接线和接口电路，使系统易受干扰，降低了系统的可靠性。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，实现控制系统的闭环。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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统及方法，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，本专利技术提供如下技术方案：一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，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轴电流给定值和坐标变换角所述q轴电流控制器(102)用于将输入的q轴电流给定值和三相电流反馈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轴电流参考值和以及模式选择控制信号Mset，变换为q轴电流给定值所述模式转换开关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所述电压坐标变换输出角和补偿角之和为坐标变换角进一步，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和所述积分器I1(302)用于将电动势矢量转换为转子磁链矢量Φ的幅值；所述积分器I2(303)用于将电角速度信号ωs转换为转子磁链位置角并送回至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轴电流参考值计算公式如下：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轴电流给定值在所述模式选择控制信号Mset＝1时，输出q轴电流给定值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：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，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分量和电压经所述积分器I1(302)得到转子磁链矢量Φ的幅值，在磁链Φ达到稳态值后，电压除以磁链幅值Φ得到同步的电角速度信号ωs；电角速度信号ωs经所述积分器I2(303)得到转子磁链位置角把位置角送回所述Park变换模块Ⅱ(301)完成矢量旋转计算。进一步，转速和变换角度计算公式为：本专利技术的有益效果在于：本专利技术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。本专利技术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。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术所述高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统的整体结构框图；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-电流采样模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，该系统包括：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

【技术特征摘要】
1.一种高速飞轮的无速度传感器矢量控制系统，其特征在于，该系统包括：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轴电流给定值和坐标变换角所述q轴电流控制器(102)用于将输入的q轴电流给定值和三相电流反馈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。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系统，其特征在于，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轴电流参考值和以及模式选择控制信号Mset，变换为q轴电流给定值所述模式转换开关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...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏立彬，郝亚川，干永革，赵聪，任亚葱，孙倩倩，
申请(专利权)人：中冶赛迪电气技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11