一种氢燃料电池空压机高精度控制方法技术

本发明专利技术公开了一种氢燃料电池空压机高精度控制方法，包括以下步骤：S10)采集电机运行时的直流母线电压和电流信号、对应的三相电压信号、以及运行时的温度、湿度、压强、磁场强度、负载振动五个参量；S20)根据输入的三相电压信号计算出对应的反电动势信号；S30)根据对应的反电动势信号处理生成电机转子的位置和速度信息；S40)根据电机本体的电阻、电感参数与传感器所测的电信号分模块计算位置补偿信号；S50)通过在初始位置信息的基础上加入补偿信号，从而提高电机在超高速运行状态下的换相精度，保障其平稳运行。本发明专利技术能够解决目前氢燃料电池空气循环系统中氧气供给不足、电机转速不高、可靠性差的技术问题。可靠性差的技术问题。可靠性差的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种氢燃料电池空压机高精度控制方法


[0001]本专利技术涉及超高速电机控制
，尤其是涉及一种基于连续位置估计理论的高精度转子定位方案。

技术介绍

[0002]在能源供应趋向于多极化、多元化的当今时代，可再生能源的地位在不断上升，故如何更有效的利用清洁能源已成为各国研究人员的研究热点。氢燃料电池作为一种以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，因其具有的能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。但目前氢燃料电池系统中的核心部件空气压缩机在运行过程中，一方面由于其稳定转速不够大无法提供充足的氧气与氢气发生电化学反应，一定程度限制了氢燃料电池的能量转换效率；另一方面由于其控制算法并不能实现对电机在超高速状态下的精确稳定控制，使其在超高速运行过程中本体与控制器均存在不可忽视的发热问题。由于所存在的上述技术问题，研究氢燃料电池空压机的高精度控制方法对提高氢燃料电池的能量转换效率具有非常重要的意义，尤其是随着各国对氢燃料电池技术的不断重视，对氢燃料电池空压机高精度控制方法的研究已经成为本领域研究的重点。
[0003]目前，经过大量的实际运行测试，总结出空压机存在的技术问题具体表现为：
[0004](1)其稳定运行的最高转速并不能实现提供足够的氧气和氢气发生电化学反应，限制了氢燃料电池的能量转换效率。
[0005](2)其运行在超高转速状态时，自身发热严重，无法长时间运行。
[0006]目前的氢燃料电池系统主要由电堆和系统部件(空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶)组成。其中较为核心的部分为电堆和空压机，电堆是整个系统发生电化学反应的主体，承担着向外界输送电能的核心任务；空压机是空气循环系统中的核心部件，承担着为氢气燃料输送氧气的重要任务。从控制理论的角度分析，空气循环系统中的核心部件空气压缩机需要高精度的控制算法来实现其在超高转速运行状态下仍然能够长时间稳定运行。根据目前的运行情况，通过外加高精度传感器实现对电机转子位置的精确测算，是保证其在超高速状态下仍然可以长时间稳定运行的方法之一。
[0007]在现有的控制技术中，主要是通过安装位置传感器的方式来实现对电机转子位置的精确测算。在这其中霍尔传感器因其高可靠性、较低的成本等优势在工业界脱颖而出，在实际应用中通过在相差一定角度的三个特定位置分别安装霍尔传感器，依据其三者对应信号的逻辑关系可以方便准确的确定电机的换相点，从而保障电机在超高速运行状态下的平稳性。但现有的霍尔传感器安装后，不仅需要考虑外界对传感器信号可能产生的干扰，还需要对其信号规划走线空间。但在现有控制技术中也给出了许多可以代替霍尔传感器对电机转子位置进行检测的方案。如：磁位置传感器、光电式位置传感器、电容式位置传感器等。通过不同的传感器作用采集相关数据，再通过软件算法进行数据分析处理，最终可以得到较为准确的电机位置信号。
[0008]上述现有控制技术基于传感器采集信号对应处理生成电机的换相信号，其局限性主要体现在以下两个方面：
[0009](1)对电机本体设计而言，需要额外考虑传感器的安装位置，增加了设计复杂度，增大了本体体积，降低了控制系统的可靠性；
[0010](2)在控制过程中，需要考虑位置传感器受到的环境干扰，因此一定程度的增加了系统硬件成本，同时增加了控制器硬件的复杂度，降低了控制系统的整体可靠性。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种氢燃料电池空压机高精度控制方法，以解决目前氢燃料电池空气循环系统中氧气供给不足、电机转速不高、可靠性差的技术问题。
[0012]为了实现上述专利技术目的，本专利技术具体提供了一种氢燃料电池空压机高精度控制方法的技术实现方案，包括以下步骤：
[0013]S10)采集电机运行时的直流母线电压和电流信号、对应的三相电压信号、以及运行时的温度、湿度、压强、磁场强度、负载振动五个参量；
[0014]S20)根据输入的三相电压信号计算出对应的反电动势信号；
[0015]S30)根据对应的反电动势信号处理生成电机转子的位置和速度信息；
[0016]S40)根据电机本体的电阻、电感参数与传感器所测的电信号分模块计算位置补偿信号；
[0017]S50)通过在初始位置信息的基础上加入补偿信号，从而提高电机在超高速运行状态下的换相精度，保障其平稳运行。
[0018]进一步的，所述步骤S40)包括以下过程：
[0019]S401)根据所采集的温度、湿度、压强、磁场强度、负载振动五个参量进行实验拟合量化，最终形成一个增益补偿参数K修正各模块补偿公式；
[0020]S402)根据模拟滤波环节的截止频率与电机转子工作频率的比值在引入增益补偿参数的基础上来测算滤波器延时角；
[0021]S403)根据零阶保持器作用产生的转子位置误差，同时考虑引入的增益补偿参数，对应估算出转子实际所需的电压信号；
[0022]S404)根据电机电感的特性，通过其与直流电信号的比值在引入增益补偿参数的基础上测算超前角。
[0023]进一步的，在所述步骤S401)中，根据以下公式估算温度、湿度、压强三者对换相精度影响的参量α：
[0024][0025]式中，α为表征环境温度、湿度、压强对电机换相精度影响的参量，其中K
t
为温度比例系数，T为热力学温度，ln()为自然对数，K
r
为湿度比例系数，r为环境中的相对湿度，p为大气压强，K
p
为压强比例系数。
[0026]进一步的，在所述步骤S401)中，根据以下公式估算磁场强度对换相精度影响的参量β：
[0027][0028]式中，β为表征磁场强度对电机换相精度影响的参量，k
B
为磁场强度比例系数，B为传感器采集的磁场强度信号，为电机本体电感值，为电机速度估计值。
[0029]进一步的，在所述步骤S401)中，根据以下公式估算负载振动对换相精度影响的参量γ：
[0030][0031]式中，γ为表征负载振动对电机换相精度影响的参量，M为传感器采集的振动信号，K
M
为振动比例系数，为电机速度估计值。
[0032]进一步的，在所述步骤S401)中，根据以下公式对增益补偿参数进行测算，从而量化其对换相精度的影响：
[0033]K＝Aα+Bβ+Cγ
[0034]式中，K为环境因素对换相精度的综合表征参数，A为温度、湿度、压强三者对换相精度影响的拟合系数，α为表征环境温度、湿度、压强对电机换相精度影响的参量，B为环境磁场强度对换相精度影响的拟合系数，β为表征环境磁场强度对电机换相精度影响的参量，C为负载振动对换相精度影响的拟合系数，γ为表征负载振动对电机换相精度影响的参量。
[0035]进一步的，在所述步骤S402)中，根据以下公式对滤波器延时补偿角进行计算，从而得出本模块所对应的位置补偿信号：
[0036][00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池空压机高精度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S10)采集电机运行时的直流母线电压和电流信号、对应的三相电压信号、以及运行时的温度、湿度、压强、磁场强度、负载振动五个参量；S20)根据输入的三相电压信号计算出对应的反电动势信号；S30)根据对应的反电动势信号处理生成电机转子的位置和速度信息；S40)根据电机本体的电阻、电感参数与传感器所测的电信号分模块计算位置补偿信号；S50)通过在初始位置信息的基础上加入补偿信号，从而提高电机在超高速运行状态下的换相精度，保障其平稳运行。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池空压机高精度控制方法，其特征在于，所述步骤S40)进一步包括以下过程：S401)根据所采集的温度、湿度、压强、磁场强度、负载振动五个参量进行实验拟合量化，最终形成一个增益补偿参数K修正各模块补偿公式；S402)根据模拟滤波环节的截止频率与电机转子工作频率的比值在引入增益补偿参数的基础上来测算滤波器延时角；S403)根据零阶保持器作用产生的转子位置误差，同时考虑引入的增益补偿参数，对应估算出转子实际所需的电压信号；S404)根据电机电感的特性，通过其与直流电信号的比值在引入增益补偿参数的基础上测算超前角。3.根据权利要求1所述的氢燃料电池空压机高精度控制方法，其特征在于，在所述步骤S401)中，根据以下公式估算温度、湿度、压强三者对换相精度影响的参量α：式中，α为表征环境温度、湿度、压强对电机换相精度影响的参量，其中K
t
为温度比例系数，T为热力学温度，ln()为自然对数，K
r
为湿度比例系数，r为环境中的相对湿度，p为大气压强，K
p
为压强比例系数。4.根据权利要求1所述的氢燃料电池空压机高精度控制方法，其特征在于，在所述步骤S401)中，根据以下公式估算磁场强度对换相精度影响的参量β：式中，β为表征磁场强度对电机换相精度影响的参量，K
B
为磁场强度比例系数，B为传感器采集的磁场强度信号，为电机本体电感值，为电机速度估计值。5.根据权利要求1所述的氢燃料电池空压机高精度控制方法，其特征在于，在所述步骤S401)中，根据以下公式估算负载振动对换相精度影响的参量γ：式中，γ为表征...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡辉，余岳，韩宜微，覃莲英，彭思睿，胡韵，刘建华，黄刚，朱永祥，何文鑫，黄建军，吴灿辉，杨晃民，李诚，马涛，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：