[发明专利]一种基于动态参数辨识的飞轮储能系统的转子位置检测方法

摘要

本发明公开了一种基于动态参数辨识的飞轮储能系统的转子位置检测方法，首先，测量FSPM电机在一个电周期内的定位力矩值、d轴电感值和q轴电感值，将这三个值导入控制系统的离线表中；然后，采用基于参数自学习辨识算法的θ域扰动状态观测器对运行过程中的FSPM电机进行定位力矩值、d轴电感值和q轴电感值的在线辨识；最后将在线辨识得到的值作为已知值，与离线表进行匹配，确定FSPM电机运行过程中的转子位置信息。本发明将离线表、非线性扰动状态观测器、以及自学习辨识算法结合在一起，使得FSPM电机定位力矩的预测值能够快速准确的跟随真实值，实现飞轮储能系统用FSPM电机全速下无位置准确跟踪。

主权项

1.一种基于动态参数辨识的飞轮储能系统的转子位置检测方法，其特征在于：首先，测量FSPM电机在一个电周期内的定位力矩值、d轴电感值和q轴电感值，将这三个值导入控制系统的离线表中；然后，采用基于参数自学习辨识算法的θ域扰动状态观测器对运行过程中的FSPM电机进行定位力矩值、d轴电感值和q轴电感值的在线辨识；θ域扰动状态观测器采用阈值转换器将以时间t为单位的定位力矩F_cog(t)转换为以角度θ为单位的定位力矩F_cog(θ)；最后将在线辨识得到的值作为已知值，与离线表进行匹配，确定FSPM电机运行过程中的转子位置信息；采用基于参数自学习辨识算法辨识d轴电感值和L_q和q轴电感值L_d时，首先设κ‑γ虚拟坐标系以估计转速估计角度运行，同时选取适合的收敛系数σ即可控制系统期望的最大角度误差Δθ_{e_max}，保证估计角度的准确性，获得κ‑γ虚拟坐标系下的电流κ‑γ虚拟坐标系；该方法具体包括如下步骤：(1)根据LFSPM电机的动子从x＝0～τ_ρ的一个电周期过程中产生的定位力矩波形图，将定位力矩的值备份到控制系统离线表中，对LFSPM电机从x＝0～τ_ρ的一个电周期过程中的dq轴电感值进行测量并备份到控制系统离线表中；(2)将非线性扰动状态观测器表示为：式中，ε为最优控制系数，x(t)为时变、非线性系统的控制对象，z₁为x(t)的跟踪信号，z₂为γ(t)的观测值，γ(t)为未知扰动，u(t)为系统控制量，b为跟踪系数，β₀₁和β₀₂为输出误差校正效益，fal(ε,α,δ)为最优综合控制函数，δ为滤波因子，α＝α₁,α₂，α₁和α₂为非线性因子，且满足0＜α₁＜α₂＜1，有：(3)将FSPM电机的机械状态方程表示为：式中，ω为FSPM电机的转速，F_e(t)为电磁推力，F_cog(t)为定位力矩，J为转动惯量；令z₁＝ω，z₂＝F_cog(t)，u(t)＝F_e(t)，由于F_e(t)和J为已知量，因此只需要得知F_cog(t)即可对ω进行估计；(4)将以时间t为单位的定位力矩F_cog(t)转换为以角度θ为单位的定位力矩F_cog(θ)；设0＜ω＜∞，t_f表示一个时间区间，且ω＝dθ/dt，定义L²(0,t_f)为勒贝格平方可积空间，u(t)在L²(0,t_f)空间的范数满足式(4)，L²(0,t_f)同时为希尔伯特空间：对ω引进权函数空间则L²(0,t_f)和分别为：从式(5)和式(6)可以看出ω＞0，所以L²(0,t_f)和具有相同拓扑；定义算子T为到的映射，其中θ_f＝f(t_f)，即有：因此存在线性算子T，使其逆存在，且T^‑1＝T^*，T^*为T的伴随算子；(5)针对FSPM电机无位置传感器控制系统，由于角度θ_e无法通过光栅尺进行直接测量，因此不能获取d‑q坐标下的电流、电压值，为准确检测实际动子位置，设κ‑γ虚拟坐标系以估计转速估计角度运行，采取自学习辨识算法对dq轴电感进行辨识，LFSPM电机电压稳态数学模型为：式中，u_κ、u_γ和i_κ、i_γ分别为定子电压和电流在κ‑γ虚拟坐标系下的分量，R_s和ψ_PM分别表示定子电阻和永磁磁链，L_d和L_q分别表示直轴和交轴电感，ω和τ分别表示LFSPM电机转速和极距；自学习格式为：式中，y(t)、分别表示系统输出、输入序列，Λ为待辨识的参数；根据式(10)将式(9)写成：式中：Λ＝[L_q L_d]^T引入角度误差纠正器，其闭环传递函数为：式中，s表示复频率，τ_p、τ_i分别表示分别为PI调节器的比例系数和积分系数；根据非线性扰动状态观测器结构，可得：同时，将系统的两个极点进行优化配置，并令其重合在点σ，即：由式(13)、(14)可得τ_p＝2σ，τ_i＝σ²；FSPM电机的角度θ_e和实际速度ω关系为：根据式(15)与式(13)，可得误差方程：令可得：因此可通过公式(17)对σ进行选取：式中，Δθ_{e_max}为系统期望的最大角度误差；因此选取适合的σ即可控制最大角度误差，保证的准确性，获得虚拟坐标系κ‑γ下的电流i_κ、i_γ和电压u_κ、u_γ，即：式中，i_α和i_β分别为FSPM电机α、β轴电流；最后根据公式(11)，采取自学习辨识算法即可得出d轴电感值和L_q和q轴电感值L_d，最终将F_cog(θ)、L_q、L_d视为三个已知量匹配离线表，确定位置θ_e。