CN102780443A - 航空三级电励磁式同步电机起动控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空三级电励磁式同步电机的起动控制方法及装置，通过直接控制电压矢量的模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方式确定控制器输出电压矢量，再以空间矢量调制SVM的方式发出三相全桥逆变器的开关信号，控制逆变器驱动主发电机，实现三级电励磁式同步电机起动功能的方法。本发明具有以下优点：1）控制环节较少，速度环PI调节器和电流环PI调节器相互独立，参数调整方便；2）不需***的实时状态信息，可以采用较为复杂的滤波算法对采集到的主发电机原始信息进行处理，对瞬态干扰具有一定的鲁棒性，可有效提高***控制性能；3）控制目标量少，可有效降低励磁机对主发电机的电磁干扰所造成的综合控制误差。

Description

航空三级电励磁式同步电机起动控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种航空三级电励磁式同步电机的起动控制方法及装置，是一种利用空间矢量调制实现航空三级电励磁式同步电机起动功能的控制方法和装置，属于交流电机传动技术领域。

背景技术

起动/发电双功能一体化是未来航空交流电源***的一个重要发展方向。目前，在航空大功率交流电源***中，广泛采用三级电励磁式同步电机（原理框图见图1）作为发电机，如能用该电机完成航空发动机的起动，可有效降低航空电源***的复杂程度、减轻重量、提高可靠性。但是，该电机主要为满足发电功能设计，在电动状态时存在如下问题：1）静止/低速状态时，励磁机输出电压较低、主发电机励磁电流较小，严重影响主发电机的带载起动能力，难以适应航空发动机在起动过程中低转速大转矩的负载特性；2）三级电励磁式同步电机的主发电机与励磁机之间存在较强的电磁耦合，而电机的无刷化结构使其在旋转状态下的准确数学模型难以获取，因此无法将采集到的主发电机三相电流准确解耦。

目前，国内已开展的针对三级电励磁式同步电机起动控制方法的相关研究工作，均基于传统的矢量控制方法和直接转矩控制方法，且多为仿真研究，部分实验采用普通的电励磁同步电机进行验证。经采用一台三级电励磁式同步电机和MAGTROL公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机的起动过程实验发现，由于该电机在电动状态时存在上文所述的两个问题，不论是矢量控制方法还是直接转矩控制方法，由于控制量较多且无法准确解耦，均难以达到较好的控制效果，无法有效发挥电机的带载能力。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种应用于三级电励磁式同步电机的起动控制方法及装置，通过直接控制电压矢量的模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方式确定控制器输出电压矢量，再以空间矢量调制（SVM）发生器的方式发出三相全桥逆变器的开关信号，控制逆变器驱动主发电机，以实现三级电励磁式同步电机起动功能的方法。

技术方案

一种航空三级电励磁式同步电机的起动控制方法，其特征在于通过直接控制电压矢量的模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方式确定控制器输出电压矢量，再以空间矢量调制SVM的方式发出三相全桥逆变器的开关信号，控制逆变器驱动主发电机，实现三级电励磁式同步电机起动功能的方法；依次含有以下步骤：

步骤1：计算当前励磁机转子感应电势，得到A相感应电势：

$e_A=N_2{k}_{N_2}{\mathrm{\Φ}}_m({\mathrm{\ω}}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\cos \mathrm{\ωt}+\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t\sin \mathrm{\ωt})$

其中：ω₁＝2πf₁，f₁为励磁机定子励磁频率；N₂为励磁机转子每相串联绕组匝数；

为绕组系数；φ_m为脉振磁势产生的每极磁通的幅值；

步骤2：计算主发电机励磁电流i_f：i_f＝K_UC*e_A/R_zr，其中：K_UC为励磁机输出电压与主发电机转子端电压的对应系数，R_sr为主发电机转子电阻；

步骤3：计算主发电机d轴电流的理想控制目标量为：

其中：I为主发电机线电流，M_sf为主发电机定子、转子间的互感，L_d为主发电机d轴电感，L_q为主发电机q轴电感；

步骤4：将主发电机d轴电流的理想控制目标量

与实际i_d之差进行PI调节，得到电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ：Δθ＝K_pc·e_id+K_ic∫e_iddt，其中：K_pc为电流环PI调节器的比例系数、且K_pc＞0；K_ic为电流环PI调节器的积分系数、且K_ic＞0； $e_{\mathrm{id}}=i_d^{*}-i_d;$

根据设定的电机转速参考值

和电机转速反馈值ω之差进行PI调节，得到当前调制电压矢量的模值U：U＝K_ps·e_ω+K_is∫e_ωdt；其中：K_ps为速度环PI调节器的比例系数、且K_ps＞0，K_is为速度环PI调节器的积分系数，且K_is＞0；

由当前主发电机转子的位置θ以及电压矢量与主发电机转子d轴的夹角Δθ，唯一确立模值为U的电压矢量U^*，其位置

步骤5：根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量U^*进行矢量合成，得到逆变器所需要的三相开关控制信号。

所述的电机转速给定值

所述的电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ满足：

一种实现所述航空三级电励磁式同步电机的起动控制方法的装置，其特征在于包括整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、单相H桥逆变器、中央控制器、隔离驱动电路、电流采集电路和位置传感器；位置传感器与三级电励磁式同步电机连接，位置传感器测得当前主发电机的转子位置θ和转速ω；电流采集电路从交流供电的逆变器电路中测得主发电机三相电流i_A、i_B、i_C；整流电路的输入端连接三相交流供电，其输出端连接滤波电路，滤波电路的输出连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器；单相H桥逆变器的输出端接入励磁机的定子单相绕组，控制三级电励磁式同步电机以实现主发电机的转子励磁，三相全桥逆变器输出端接入三级电励磁式同步电机的主发电机定子三相绕组，在主发电机转子实现励磁后，控制主发电机实现三级电励磁式同步电机的电动运行。

有益效果

本发明所述的三级电励磁式同步电机起动控制方法及装置，通过转速闭环PI调节器直接控制输出电压矢量的大小，通过电流闭环PI调节器调整电压矢量与转子的相对位置，控制主发电机的转矩角，以调节主发电机d轴电流i_d达到当前转速下的理想d轴电流

本方法不需要分别控制主发电机d轴电流i_d以及q轴电流i_q的给定值，也不需要分别控制d轴电压U_d以及q轴电压U_q的输出，由于控制量的减少，励磁机耦合在主发电机三相电流中的分量对***控制性能的影响降低，采用相同滤波技术的前提下，可获得更好的起动控制效果。

本发明具有以下优点：1）控制环节较少，速度环PI调节器和电流环PI调节器相互独立，参数调整方便；2）不需***的实时状态信息，可以采用较为复杂的滤波算法对采集到的主发电机原始信息进行处理，对瞬态干扰具有一定的鲁棒性，可有效提高***控制性能；3）控制目标量少，可有效降低励磁机对主发电机的电磁干扰所造成的综合控制误差。

附图说明

图1：三级电励磁式同步电机原理框图

图2：本发明方法原理框图

图3：主发电机电动运行时各向量关系图

图4：生成空间电压矢量

的向量图

图5：***硬件电路结构框图

图6：采用本控制方法时45N·m堵转矩情况下的主发电机起动波形

图7：采用本控制方法时600（r/min），70N·m负载主发电机稳速运行波形

图8：采用本控制方法时1200（r/min），80N·m负载主发电机稳速运行波形

图9：采用本控制方法时2000（r/min），80N·m负载主发电机稳速运行波形

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明方法的控制原理框图如图2所示。其中，转速闭环控制器将电机给定转速

与实际转速ω之差进行PID调节后输出电压矢量的模值U^*；励磁机输出估计器根据当前电机实际转速计算励磁机输出电压及主发电机励磁电流，结合测得的主发电机i_d、i_q的值计算出当前主发电机运行的理想i^* _d值，并将其与主发电机的实际i_d值做PID调节后输出电压矢量与主发电机转子d轴的夹角，实现电压矢量定位，完成对主发电机i_d值的调节；通过空间矢量调制（Space Vector Modulation,SVM）方法控制三相全桥逆变器的输出，驱动主发电机，实现三级电励磁式同步电机的带载起动。

本发明实施例的***硬件结构如图5所示，包括：整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、单相H桥逆变器，隔离驱动电路、电流采集电路、中央控制器和人机接口电路。本***采用旋转变压器来检测电机转速，构成三级电励磁式同步电机起动控制***。为验证本发明方法，采用MAGTROL公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机负载，利用一台三级电励磁式同步电机搭建了验证平台。

本发明是一种技术特征在于它依次含有以下步骤：

(1)由当前电机的转速反馈值，经励磁机输出估计器计算当前励磁机输出电压及主发电机励磁电流，结合主发电机模型及测得的主发电机i_d、i_q值，计算出当前主发电机电动运行的理想

值，具体步骤如下：

a)由励磁机模型，计算当前励磁机转子感应电势，其中，A相感应电势可表示为：

$e_A=N_2{k}_{N_2}{\mathrm{\Φ}}_m({\mathrm{\ω}}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\cos \mathrm{\ωt}+\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t\sin \mathrm{\ωt})$

其中，ω₁＝2πf₁，f₁为励磁机定子励磁频率，N₂为励磁机转子每相串联绕组匝数，

为绕组系数，φ_m为脉振磁势产生的每极磁通的幅值；

b)由于主发电机通过励磁机经旋转变压器三相全桥整流实现转子励磁，因此主发电机励磁电流i_f可表示为：

i_f＝K_UC*e_A/R_zr

其中，K_UC为励磁机输出电压与主发电机转子端电压的对应系数，R_zr为主发转子电阻。

c)计算主发电机d轴电流的理想控制目标量

为：

$i_d^{*}=\sqrt{\frac{I^2}{2}+{\left[\frac{M_{\mathrm{sf}}{i}_f}{4(L_d-L_q)}\right]}^2}-\frac{M_{\mathrm{sf}}{i}_f}{4(L_d-L_q)}$

其中：I为主发电机线电流，M_sf为主发电机定子、转子间的互感，L_d为主发电机d轴电感，L_q为主发电机q轴电感。

(2)将主发电机的理想

与实际i_d之差进行PI调节，得到电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ，Δθ＝K_pc·e_id+K_ic∫e_iddt，（K_pc＞0，K_ic＞0）。其中，K_pc、K_ic分别为电流环PI调节器的比例、积分系数，

(3)根据设定的电机转速参考值

和电机转速反馈值ω之差进行PI调节，得到当前调制电压矢量的模值U：U＝K_ps·e_ω+K_is∫e_ωdt（K_ps＞0，K_is＞0）。其中，K_ps、K_is分别为速度环PI调节器的比例、积分系数，

(4)由步骤（2）所得的电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ，结合主发电机转子的位置θ可唯一确认电压矢量位置为

由步骤（3）得到的电压矢量模值，可得到电压矢量U^*；根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量U^*进行矢量合成，得到逆变器所需要的三相开关控制信号。

所述的电机转速给定值

所述的电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ满足：

所述的根据三级电励磁式同步电机本身特性和***性能要求设定K_ps、K_is和K_pc、K_ic，并满足K_ps＞0、K_is＞0和K_pc＞0、K_ic＞0。

具体实施例包含的具体步骤如下：

1.通过位置传感器测得当前主发电机的转子位置θ和转速ω；

2．计算当前时刻主发电机旋转坐标系dq轴下的电流分量：

(2.1).通过电流采集电路从交流供电的逆变器电路中测得主发电机三相电流i_A、i_B、i_C；

(2.2).由下式计算主发电机定子电流在静止两相坐标系αβ轴下的分量：

$i_{\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}[i_A-\frac{1}{2}(i_B+i_C)]$

$i_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}(i_B-i_C)$

(2.3).由下式计算主发电机定子电流在旋转两相坐标系dq轴下的分量：

i_q＝-i_αsinθ+i_βcosθ

i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ

3．通过以下步骤计算主发电机理想

值：

(3.1).由励磁机模型，计算当前励磁机转子感应电势，其中，A相感应电势可表示为：

$e_A=N_2{k}_{N_2}{\mathrm{\Φ}}_m({\mathrm{\ω}}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\cos \mathrm{\ωt}+\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t\sin \mathrm{\ωt})$

其中，ω₁＝2πf₁，f₁为励磁机定子励磁频率，N₂为励磁机转子每相串联绕组匝数，

为绕组系数，φ_m为励磁机脉振磁势产生的每极磁通的幅值；

(3.2).由于主发电机通过励磁机经旋转变压器三相全桥整流实现转子励磁，因此主发励磁电流i_f可近似表示为：

i_f＝K_UC*e_A /R_zr

其中，K_UC为励磁机输出电压与主发电机转子端电压的对应系数，R_zr为主发转子电阻。

(3.3).计算主发电机d轴电流的理想控制目标量为：

$i_d^{*}=\sqrt{\frac{I^2}{2}+{\left[\frac{M_{\mathrm{sf}}{i}_f}{4(L_d-L_q)}\right]}^2}-\frac{M_{\mathrm{sf}}{i}_f}{4(L_d-L_q)}$

其中：I为主发电机线电流，M_sf为主发电机定子、转子间的互感，L_d为主发电机d轴电感，L_q为主发电机q轴电感。

4．通过以下步骤实施主发电机的电动运行控制：

(4.1).设定速度环PI调节器的调节参数分别为K_ps＝0.3，K_is＝0.25；设定电流环PI调节器的调节参数K_pc＝0.2，K_ic＝0.15；

(4.2).由以下步骤获得主发电机控制器的输出电压矢量的模值U：

(4.2.1). $e_{\mathrm{\ω}}={\mathrm{\ω}}_r^{*}-\mathrm{\ω}$

(4.2.2).U＝K_ps·e_ω+K_is∫e_ωdt

(4.3).由以下步骤获得电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ：

(4.3.1). $e_{\mathrm{id}}=i_d^{*}-i_d$

(4.3.2).Δθ＝K_pc·e_id+K_ic∫e_iddt

(4.4).根据主发电机的转子位置θ和(4.3)得出的电压矢量与主发电机转子的相对位置Δθ得出电压矢量在静止坐标系中的位置

结合步骤（4.2）中得到的电压矢量模值U，可唯一确立电压矢量U^*，由下式计算电压矢量在静止两相坐标系αβ轴下的分量：

(4.5).根据空间矢量调制(SVM)来进行电压矢量合成（图4），计算逆变器所需要的三相开关控制信号S_A、S_B、S_C：

(4.5.1).通过

确定合成参考定子电压的两个相邻基本电压矢量：

定子电压矢量在第I扇区，采用U₁和U₂

定子电压矢量在第II扇区，采用U₂和U₃

定子电压矢量在第III扇区，采用U₃和U₄

定子电压矢量在第IV扇区，采用U₄和U₅

定子电压矢量在第V扇区，采用U₅和U₆

定子电压矢量在第VI扇区，采用U₆和U₁

(4.5.2).采用由下式计算定子电压矢量相邻的有效电压矢量U_N和U_N+1和零矢量U₇和U₈作用的时间：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=\frac{T_s}{2U_{\mathrm{dc}}}(3U_{\mathrm{s\α}}-\sqrt{3}{U}_{\mathrm{s\β}})\\ T_2=\sqrt{3}\frac{T_s}{U_{\mathrm{dc}}}{U}_{\mathrm{s\β}}\\ T_0=T_s-T_1-T_2\end{array}\right.$

(4.5.3).随着U的增加，输出电压的基波电压幅值也线性增加，零矢量作用的时间T₀逐渐减小，但应满足以下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1+T_2\≤T_s\\ T_0\≥0\end{array}\right.$

(4.5.4).根据基本电压矢量和零矢量以及各自作用的时间确定逆变器三相开关控制信号S_A、S_B、S_C：

逆变器产生的有效电压矢量和零矢量所对应的三相开关信号分别为U_i(S_A S_B S_C)：U₁(100)、U₂(110)、U₃(010)、U₄(011)、U₅(001)、U₆(101)和两个零电压矢量U₇(000)、U₈(111)；在一个SVM周期T_s内基本电压矢量U_N和U_N+1和零矢量U₇和U₈作用顺序如下：

U₇作用T₀/4→U_N作用T_N/2→U_N+1作用T_N+1/2→U₈作用T₀/2→U_N+1作用Y_N+1/2→U_N作用T_N/2→U₇作用T₀/4；

(4.6).三相开关信号S_A、S_B、S_C经相应的隔离以及信号处理、放大电路后，控制三相全桥逆变器动作，驱动主发电机，实现三级电励磁式同步电机的起动功能。

所述的一种航空起动控制方法的实施例中，图5所示的硬件***中的单相H桥逆变器的输出端接入三级电励磁式同步电机的定子单相绕组，以控制三级电励磁式同步电机实现主发电机的转子励磁，三相全桥逆变器输出端接入主发电机定子三相绕组，在主发电机转子实现励磁后，控制主发电机实现三级电励磁式同步电机的电动运行。

图6至图9即为电机在图5所示硬件***的控制下，在不同负载、转速情况下的电动运行实验波形，图中由上至下分别为励磁机励磁电流（由单相H桥逆变器控制输出）、主发电机A相电流（由三相全桥逆变器控制输出）、控制器的A相输入电流以及母线电压的波形。

Claims (4)

1.一种航空三级电励磁式同步电机的起动控制方法，其特征在于通过直接控制电压矢量的模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方式确定控制器输出电压矢量，再以空间矢量调制SVM的方式发出三相全桥逆变器的开关信号，控制逆变器驱动主发电机，实现三级电励磁式同步电机起动功能的方法；依次含有以下步骤：

步骤1：计算当前励磁机转子感应电势，得到A相感应电势：

$e_A=N_2{k}_{N_2}{\mathrm{\Φ}}_m({\mathrm{\ω}}_1\sin {\mathrm{\ω}}_{1}t\cos \mathrm{\ωt}+\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t\sin \mathrm{\ωt})$

其中：ω₁＝2πf₁，f₁为励磁机定子励磁频率；N₂为励磁机转子每相串联绕组匝数；

为绕组系数；φ_m为脉振磁势产生的每极磁通的幅值；

步骤2：计算主发电机励磁电流i_f：i_f＝K_UC*e_A/R_zr，其中：K_UC为励磁机输出电压与主发电机转子端电压的对应系数，R_sr为主发电机转子电阻；

步骤3：计算主发电机d轴电流的理想控制目标量为：

其中：I为主发电机线电流，M_sf为主发电机定子、转子间的互感，L_d为主发电机d轴电感，L_q为主发电机q轴电感；

步骤4：将主发电机d轴电流的理想控制目标量

与实际i_d之差进行PI调节，得到电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ：Δθ＝K_pc·e_id+K_ic∫e_iddt，其中：K_pc为电流环PI调节器的比例系数、且K_pc＞0；K_ic为电流环PI调节器的积分系数、且K_ic＞0； $e_{\mathrm{id}}=i_d^{*}-i_d;$

根据设定的电机转速参考值

和电机转速反馈值ω之差进行PI调节，得到当前调制电压矢量的模值U：U＝K_ps·e_ω+K_is∫e_ωdt；其中：K_ps为速度环PI调节器的比例系数、且K_ps＞0，K_is为速度环PI调节器的积分系数，且K_is＞0；

由当前主发电机转子的位置θ以及电压矢量与主发电机转子d轴的夹角Δθ，唯一确立模值为U的电压矢量U^*，其位置

步骤5：根据空间矢量调制方法SVM对电压矢量U^*进行矢量合成，得到逆变器所需要的三相开关控制信号。

2.根据权利要求1所述航空三级电励磁式同步电机的起动控制方法，其特征在于：

所述的电机转速给定值

3.根据权利要求1所述航空三级电励磁式同步电机的起动控制方法，其特征在于：

所述的电压矢量与主发电机转子d轴夹角Δθ满足：

4.一种实现权利要求1~3任一项所述航空三级电励磁式同步电机的起动控制方法的装置，其特征在于包括整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、单相H桥逆变器、中央控制器、隔离驱动电路、电流采集电路和位置传感器；位置传感器与三级电励磁式同步电机连接，位置传感器测得当前主发电机的转子位置θ和转速ω；电流采集电路从交流供电的逆变器电路中测得主发电机三相电流i_A、i_B、i_C；整流电路的输入端连接三相交流供电，其输出端连接滤波电路，滤波电路的输出连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器；单相H桥逆变器的输出端接入励磁机的定子单相绕组，控制三级电励磁式同步电机以实现主发电机的转子励磁，三相全桥逆变器输出端接入三级电励磁式同步电机的主发电机定子三相绕组，在主发电机转子实现励磁后，控制主发电机实现三级电励磁式同步电机的电动运行。

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