一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电协同控制方法

1.本发明涉及的是一种船舶控制方法，具体地说是船舶混合动力控制方法。


背景技术：

2.目前以柴油机为主的船舶动力系统存在高污染，低能耗，碳排放高的缺点，因此亟需寻求一种低碳高效的动力系统来满足日益严格的减碳需求，适应未来低碳化乃至零碳的目标。
3.氨燃料作为一种清洁燃料，广泛的被应用于化学工业中。氨燃料同时作为一种零碳燃料，近年来逐渐引起船舶动力领域广泛关注。尽管目前船舶工业已提出了氨燃料发动机概念但是受限于技术限制目前仍未有成熟的产品。一方面，对于氨燃料发动机的性能缺乏全面的研究，另外一方面，对于氨燃料发动机匹配何种动力系统也未有明确的技术方案。因此，目前氨燃料发动机的研发仍处于初步阶段，氨燃料发动机的混合动力系统更是处于技术空白阶段。
4.船舶混合动力系统兼有传统内燃机推进和纯电力推进的优点，混合动力系统在综合能效，节能减排以及振动噪声方面有着明显的优势，同时相较于纯电力推进系统，匹配小容量的电池就能够满足长续航里程，成本较低。基于氨燃料发动机的混合动力系统能够既满足零碳动力的要求，同时能够弥补氨燃料发动机的低负荷效率低，冷启动困难等问题，电机的引入同时能够改善氨燃料发动机的动态特性，实现多动力源的优势互补。基于氨燃料发动机的混合动力系统将成为未来零碳动力的最佳动力形式之一。
5.目前基于氨燃料发动机的动力发电单元只是将氨燃料发动机与电机简单的机械耦合，其控制方法由各自控制器独立完全，这就导致了其控制的不协调且造成硬件浪费，同时对于整体的发电单元需要从整体协调控制才能发挥出最大优势。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供能克服传统的混合动力发电单元发动机与电机单独控制导致控制效果差等缺点的一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电协同控制方法。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.本发明一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电协同控制方法，其特征是：包括氨燃料发动机、三相永磁同步电机，氨发动机采用转速控制，三相永磁同步电机采用转矩控制；
9.三相永磁同步电机转速控制包括有功磁链观测器、转速观测器、转矩pid环、电流pid环，有功磁链观测器估计电机角度，转速观测器观测转速以及负载扭矩，转矩pid环以及电流pid环双环控制电机转速与电流；
10.有功磁链观测器表达式为：
[0011][0012][0013]
ψ
cm
＝k
active
ψ2|ψ2|-1
[0014]
ψ
vm
＝∫u-ri+wvdt+l
qi[0015][0016][0017]
转速观测器表达式为：
[0018][0019][0020][0021][0022]
其中：k
active
为有功磁链；ld为直轴电感；lq为轴电感；r
req
为虚拟电阻；id为定子直轴电流；iq为定子交轴电流；ke为永磁体磁链；ψ1为定子磁链；u为定子电压；i为定子电流；wv为干扰量；k
p
为磁链观测器比例系数；ki为积分系数；ψ2为有功磁链矢量；ψ
cm
为电流模型对应磁链；ψ
vm
为电压模型对应磁链；交轴电流估计值；为电机转速估计值；n
pp
为电机极对数；js为电机转动惯量；为负载扭矩估计值；k
p
为转速观测器比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数；为交轴电压；ε为误差算子。
[0023]
本发明还可以包括：
[0024]
1、氨燃料发动机中的飞轮信号盘的宽齿间隙所对应轴心的中心线与三相永磁同步电机的定子绕组a相空间位置轴线对齐，采用的三相坐标系以及交直轴坐标系中a相与直轴对齐；同时取消氨燃料发动机的曲轴传感器。
[0025]
2、氨燃料发动机采用转速控制的方法，以发动机转速估计值与给定转速做差，以冷却水温，转速误差作为输入，进行比例系统map查表、积分系数查表、微分系数查表确定pid系数经过pid运算后累加得到调速喷氨量；以冷却水温为输入查表空载喷氨量得到空载喷氨量；以换算后的发动机转速估计值与扭矩估计值为输入查表前馈喷氨量动态修正得到前馈量；最终将调速喷氨量、前馈量、空载喷氨量累加得到最终控制转速所需的喷氨量。
[0026]
3、氨燃料发动机估计转速与电机估计转速换算关系为：
[0027][0028]
其中：ne为氨燃料发动机转速；θe为曲轴转角角度；为电机转子估计角度；te为发动机扭矩；ηm为电机效率。
[0029]
本发明的优势在于：
[0030]
1.本发明提出一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电单元及协同控制方法，硬件设计上取消了氨燃料发动机的曲轴传感器，采用曲轴飞轮端的信号盘宽齿中心线与三相永磁电机a向空间轴线对齐布置的方式。采用该种设计方式，能够通过获取电机转子的位置来推算氨发动机曲轴转角的位置，且无需复杂的换算。一方面节省了传感器的硬件成本，另一方面对于发动机控制器信号处理的压力也大大减小，节省了计算空间。
[0031]
2.混合动力智能发电单元协同控制策略采用发动机转速控制，电机转矩控制，充分考虑了二者的动态特性，即利用电机的动态响应快的优点，迅速达到需求扭矩，对于瞬态电力负载具有较好的响应。
[0032]
3.三相永磁同步电机采用无位置传感器控制的方法，采用了有功磁链观测转子角度，采用扩张状态观测器估计出电机的转速与转矩；电机的估计转矩能够为氨燃料发动机作为前馈输入，充分提高了氨发动机的动态响应；同时无位置传感器观测控制方法，节省了电机扭矩传感器，使得整套动力单元节省掉两个传感器，硬件成本降低。
[0033]
4.本发明采用了氨燃料发动机，清洁低碳，符合绿色船舶的发展方向。
附图说明
[0034]
图1为本发明的控制结构示意图；
[0035]
图2为本发明的硬件结构布置图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
[0037]
结合图1-2，本发明一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电单元协同控制方法，包括氨燃料发动机控制中的pid比例系数map1、积分系数map2、微分系数map3、空载喷氨量map4、前馈喷氨量动态修正查表5；三相永磁同步电机控制中的转速观测器6、转矩pid7、电流pid8、有功磁链观测器9、svpwm模块10、逆变器11。
[0038]
智能发电单元中的氨燃料发动机中的飞轮信号盘的宽齿间隙所对应轴心的中心线与三相永磁同步电机的定子绕组a相空间位置轴线对齐，同时采用的三相坐标系以及交直轴坐标系中a相与直轴对齐；同时取消氨燃料发动机的曲轴传感器。
[0039]
氨发动机采用转速控制，三相永磁同步电机采用转矩控制；
[0040]
三相永磁同步电机转速控制包括，有功磁链观测器估计电机角度，转速观测器观测转速以及负载扭矩，转矩pid环以及电流pid环双环控制电机转速与电流。
[0041]
其中有功磁链观测器表达式为：
(6)有功磁链观测器9计算得到电机转子角度的估计值；以电机转子角度的估计值作为输入对α、β轴下定子电流进行park变换得到d q轴下的定子电流；以d q轴下的定子电流作为输入，并以d q轴下给定参考电压作为输入，通过公式(7)-(10)转速观测器6计算得到电机估计转速与负载扭矩估计值。负载扭矩估计值与给定转矩做差进入到转矩pid环7，转速pid环7输出参考d q轴电流与电机实际反馈的定子d q轴电流做差经过电流pid环8后输出给定α、β轴下参考电压，最后经过svpwm发波模块10向逆变器11发送信号控制电机定子电流来控制电机扭矩。
[0059]
由电机控制得到的电机转速估计值与电机负载转矩估计值经过式(11)转换为氨发动机转速与负载扭矩；其中以氨发动机转速与扭矩作为输入查询前馈喷氨量动态修正表5得到前馈值，通过发动机给定转速与通过电机转速估计值换算后的发动机转速做差，以冷却水温与发动机转速为输入量查空载喷氨量map表得到空载喷氨量，以冷却水温与发动机转速为输入量查pid比例系数map1、积分系数map2、微分系数map3经过pid运算得到pid输出量。最后以前馈喷氨量、pid输出喷氨量、空载喷氨量加和，采用min/max策略输出发动机所需的喷氨量，完成发动机转速控制。
[0060]
发动机其他控制中所需的曲轴转角信号，可以由公式(11)给出，用来进行判断上止点以及判缸，喷油正时确定等控制。

技术特征：
1.一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电协同控制方法，其特征是：包括氨燃料发动机、三相永磁同步电机，氨发动机采用转速控制，三相永磁同步电机采用转矩控制；三相永磁同步电机转速控制包括有功磁链观测器、转速观测器、转矩pid环、电流pid环，有功磁链观测器估计电机角度，转速观测器观测转速以及负载扭矩，转矩pid环以及电流pid环双环控制电机转速与电流；有功磁链观测器表达式为：有功磁链观测器表达式为：ψ
cm
＝k
active
ψ2|ψ2|-1
ψ
vm
＝∫u-ri+w
v
dt+l
q
ii转速观测器表达式为：转速观测器表达式为：转速观测器表达式为：转速观测器表达式为：其中：k
active
为有功磁链；l
d
为直轴电感；l
q
为轴电感；r
req
为虚拟电阻；i
d
为定子直轴电流；i
q
为定子交轴电流；k
e
为永磁体磁链；ψ1为定子磁链；u为定子电压；i为定子电流；w
v
为干扰量；k
p
为磁链观测器比例系数；k
i
为积分系数；ψ2为有功磁链矢量；ψ
cm
为电流模型对应磁链；ψ
vm
为电压模型对应磁链；交轴电流估计值；为电机转速估计值；n
pp
为电机极对数；j
s
为电机转动惯量；为负载扭矩估计值；k
p
为转速观测器比例系数；k
i
为积分系数；k
d
为微分系数；u'
q
为交轴电压；ε为误差算子。2.根据权利要求1所述的一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电协同控制方法，其特征是：氨燃料发动机中的飞轮信号盘的宽齿间隙所对应轴心的中心线与三相永磁同步电机的定子绕组a相空间位置轴线对齐，采用的三相坐标系以及交直轴坐标系中a相与直轴对齐；同时取消氨燃料发动机的曲轴传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电协同控制方法，其特征是：氨燃料发动机采用转速控制的方法，以发动机转速估计值与给定转速做差，以冷却水温，转速误差作为输入，进行比例系统map查表、积分系数查表、微分系数查表确定pid系数经过pid运算后累加得到调速喷氨量；以冷却水温为输入查表空载喷氨量得到空载喷氨量；以换算后的发动机转速估计值与扭矩估计值为输入查表前馈喷氨量动态修正得到前馈量；最终将调速喷氨量、前馈量、空载喷氨量累加得到最终控制转速所需的喷氨量。4.根据权利要求1所述的一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电协同控制方法，其特征是：氨燃料发动机估计转速与电机估计转速换算关系为:其中：n
e
为氨燃料发动机转速；θ
e
为曲轴转角角度；为电机转子估计角度；t
e
为发动机扭矩；η
m
为电机效率。

技术总结
本发明的目的在于提供一种基于无位置传感器电机控制的混合动力智能发电协同控制方法，包括氨燃料发动机、三相永磁同步电机，为了克服二者单独控制造成的传感器冗余，本发明采用有功磁链观测器来估计电机转子角度，采用扩张状态观测器来估计电机转速与负载扭矩。以电机转速估计发动机转速，以电机转子位置估计曲轴转角位置，从而节省了发动机曲轴传感器成本，可应用于大批量生产。可应用于大批量生产。可应用于大批量生产。


技术研发人员：范立云 徐超 陈晨 孙进伟 李晶雪
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/20