CN105763125B - 基于电流/转速分时段闭环的三级式同步起动/发电机起动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电流/转速分时段闭环的三级式同步起动/发电机起动控制方法，针对目前方法初始起动时存在转矩冲击且无法实现电机动态起动的问题，通过主发电机电枢电流闭环调节电压矢量来完成电机初始起动，通过转速闭环调节电压矢量完成电机后续起动过程，以实现电机在整个起动过程中的平稳起动及动态起动功能。本发明的三级式同步起动/发电机起动控制方法具有以下优点：1)减小了电机静态初始起动时的转矩冲击，延长了电机转轴的使用寿命，提高了电机起动过程的平稳性；2)实现了电机动态起动功能，减小了起动失败时因发动机油管中大量高温航空煤油无法及时导出给航空发动机带来的危害。

Description

基于电流/转速分时段闭环的三级式同步起动/发电机起动控 制方法

技术领域

本发明属于交流电机传动控制技术领域，涉及三级式同步起动/发电机起动控制方法，具体涉及一种基于电流/转速分时段闭环的三级式同步起动/发电机起动控制方法。

背景技术

起动/发电一体化***能省去专门的起动机构，有效减小飞机重量，提高飞机电源***的可靠性。三级式同步电机作为目前飞机交流电源***中常用的发电机，由于结构成熟、可靠性高，受到起动/发电一体化技术研究人员的青睐。

三级式同步起动/发电***如图1所示。国内有关三级式同步起动/发电机起动控制策略的研究起步较晚，大多研究还处于实验室阶段，其控制策略主要集中在传统的矢量控制和直接转矩控制。西北工业大学提出了一种直接控制电压矢量模值及电压矢量与主发电机转子d轴夹角(以下简称电压矢量角)的起动控制方法。该方法通过转速闭环直接调节电压矢量模值、转矩角闭环调节电压矢量角，并采用三级式同步起动/发电机及MAGTROL公司的加载台完成了起动实验，实现了飞机交流电源***起动/发电一体化功能。该方法还存在以下不足之处：电机刚起动时会有一定的转矩冲击；未考虑到电机动态起动的情况。

所谓动态起动是指电机在带转速的状态下进行再次起动。航空发动机在起动过程中，外界干扰可能导致***起动失败。起动失败后，发动机油管中会存留大量的高温航空燃油，出于对发动机安全性的考虑，需要及时将电机再次起动排出燃油并冷却航空发动机。由于惯性和摩擦阻力的综合作用，发动机及起动/发电机转速不会突降为零，所以需要进行动态起动。

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，本发明提出一种基于电流/转速分时段闭环的三级式同步起动/发电机起动控制方法。

技术方案

一种基于电流/转速分时段闭环的三级式同步起动/发电机起动控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在电机启动之前，首先设置静态起动时t₀＝t₀₁、t₁＝t₁₁；设置动态起动时t₀＝t₀₂、t₁＝t₁₂；所述t₀为电流环作用时间；t₁为给定电压矢量角作用时间；

步骤2：读取任意两个不同时刻的转子位置，以两个转子位置的差值除以对应的时间差得到电机当前转速Ω；

当前转速为零时判断电机为静态起动，则t₀＝t₀₁、t₁＝t₁₁；

否则为动态起动，则t₀＝t₀₂、t₁＝t₁₂；

步骤3：采集主发电机定子A相、C相电流i_A、i_C，计算出B相电流i_B＝-(i_A+i_C)，依次通过Clark变换和Park变换得到主发电机定子电流在同步旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤4：对i_d、i_q进行反正切运算得到当前电机转矩角θ_is＝tan^-1(i_q/i_d)；对i_d、i_q进行矢量合成得到主发电机定子电流矢量i_s＝i_d+ji_q，对i_s进行取模运算得到电流矢量幅值

步骤5：构造函数

其中：u_s1*为速度闭环调节输出电压矢量幅值；u_s2*为电流闭环调节输出电压矢量幅值；θ_us1*为转矩角闭环调节输出电压矢量角；con为给定电压矢量角；t为***运行时间；

步骤6：依据步骤5计算出的θ_us*和u_s*得u_d*＝u_s*cosθ_us*、u_q*＝u_s*sinθ_us*，对u_d*、u_q*进行Park^-1变换得到定子电压两相静止坐标系下的分量：

其中为两相静止坐标系α轴与同步旋转坐标系d轴的夹角；

步骤7：对u_α*、u_β*进行矢量合成运算得到当前电压矢量u_s*＝u_α*+ju_β*根据空间矢量调制方法(SVPWM)对电压矢量u_s*进行矢量合成，得到三相逆变器所需要的开关控制信号。

有益效果

本发明提出的一种基于电流/转速分时段闭环的三级式同步起动/发电机起动控制方法，针对目前方法初始起动时存在转矩冲击且无法实现电机动态起动的问题，通过主发电机电枢电流闭环调节电压矢量来完成电机初始起动，通过转速闭环调节电压矢量完成电机后续起动过程，以实现电机在整个起动过程中的平稳起动及动态起动功能。

本发明所述的三级式同步起动/发电机起动控制方法具有以下优点：1)减小了电机静态初始起动时的转矩冲击，延长了电机转轴的使用寿命，提高了电机起动过程的平稳性；2)实现了电机动态起动功能，减小了起动失败时因发动机油管中大量高温航空煤油无法及时导出给航空发动机带来的危害。

附图说明

图1：三级式同步起动/发电***结构框图

图2：起动***控制原理图

图3：坐标变换关系图

图4：空间电压矢量u_s*合成图

图5：静态起动时电机转速、转矩曲线

图6：起动转速为1000(r/min)时电机动态起动转速曲线

图7：连续两次动态起动时电机转速曲线

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

采用MAGTROL公司的2PT115-T/2PT115-P加载台模拟航空发动机负载，利用一台三级式同步起动/发电机搭建了实验平台。

实施例包含的具体步骤如下：

构造函数f₁(t)、f₂(t)如下：

式中各变量定义如下：

u_s1*为电流闭环调节输出电压矢量幅值；

u_s2*为速度闭环调节输出电压矢量幅值；

θ_us1*为转矩角闭环调节输出电压矢量角；

t为***运行时间；

t₀为电流环作用时间；

t₁为给定电压矢量角作用时间。

步骤1：电机进行静态起动，具体如下：

1.1)设置t₀、t₁的值为t₀＝1s、t₁＝0.1s；

1.2)读取任意两个不同时刻的转子位置，以两个转子位置的差值除以对应的时间差得到电机当前转速Ω；

1.3)采集主发电机定子A相、C相电流i_A、i_C，并依此计算出B相电流i_B＝-(i_A+i_C)，依次通过Clark变换和Park变换得到主发电机定子电流在同步旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q。

1.4)对i_d、i_q进行反正切运算得到当前电机转矩角θ_is＝tan^-1(i_q/i_d)；对i_d、i_q进行矢量合成得到主发电机定子电流矢量i_s＝i_d+ji_q(图3)，对i_s进行取模运算得到电流矢量幅值

1.5)设定转矩角环PI调节器参数分别为K_p＝4，K_i＝3，限幅范围为(0,150°)。当电机运行时间t≤0.1s时，下一刻电压矢量角给定值θ_us*＝90°；当电机运行时间t＞0.1s时，依据转矩角参考值θ_is*和由2.4得到的转矩角反馈值θ_is进行转矩角环限幅PI调节，PI调节器输出即为下一刻电压矢量角给定值θ_us*。

1.6)设定电流环PI调节器参数分别为K_p＝0.02，K_i＝0.01，限幅(调制度)范围为(0,1)。当电机运行时间t≤1s时，依据主发电机电枢电流参考值和由1.4得到的电流反馈值i_s进行电流环限幅PI调节，PI调节器输出为电压矢量幅值u_s2*，下一刻调制电压矢量给定幅值u_s*＝u_s2*；当电机运行时间t＞1s时，依据电机转速参考值Ω*和由1.2得到的转速反馈值Ω进行转速环限幅PI调节，PI调节器输出为电压矢量幅值u_s1*，下一刻调制电压矢量给定幅值u_s*＝u_s1*。

1.7)依据1.5和1.6得到的θ_us*和u_s*可求出u_d*＝u_s*cosθ_us*、u_q*＝u_s*sinθ_us*，对u_d*、u_q*进行Park^-1变换得到定子电压两相静止坐标系下的分量：

(图3)，

其中为两相静止坐标系α轴与同步旋转坐标系d轴的夹角。

1.8)对u_α*、u_β*进行矢量合成运算得到当前电压矢量u_s*＝u_α*+ju_β*，根据空间矢量调制方法(SVPWM)对电压矢量u_s*进行矢量合成(图4)，得到三相逆变器所需要的开关控制信号。三相开关信号控制三相全桥逆变器动作，驱动主发电机，实现三级式同步起动/发电机的静态起动。

步骤2：电机进行动态起动，具体过程如下：

2.1)设置t₀、t₁的值为t₀＝3s、t₁＝3s；

2.2)读取转子位置信息，计算电机当前转速为Ω；

2.3)采集主发电机定子A相、C相电流i_A、i_C，并依此计算出B相电流i_B＝-(i_A+i_C)，依次通过Clark变换和Park变换得到主发电机定子电流在同步旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q。

2.4)对i_d、i_q进行反正切运算得到当前电机转矩角θ_is＝tan^-1(i_q/i_d)；对i_d、i_q进行矢量合成得到主发电机定子电流矢量i_s＝i_d+ji_q(图3)，对i_s进行取模运算得到电流矢量幅值

2.5)设定转矩角环PI调节器参数分别为K_p＝2，K_i＝1，限幅范围为(0,150°)。当电机运行时间t≤3s时，下一刻电压矢量角给定值θ_us*＝90°；当电机运行时间t＞3s时，依据转矩角参考值θ_is*和经步骤2.4得到的转矩角反馈值θ_is进行转矩角环限幅PI调节，PI调节器输出即为下一刻电压矢量角给定值θ_us*。

2.6)设定电流环PI调节器参数分别为K_p＝0.2，K_i＝0.15，限幅(调制度)范围为(0,1)。当电机运行时间t≤3s时，依据主发电机电枢电流参考值i_s*和由2.4得到的电流反馈值i_s进行电流环限幅PI调节，PI调节器输出为电压矢量幅值u_s2*，下一刻调制电压矢量给定幅值u_s*＝u_s2*；当电机运行时间t＞3s时，依据电机转速参考值Ω*和由2.2得到的转速反馈值Ω进行转速环限幅PI调节，PI调节器输出为电压矢量幅值u_s1*，下一刻调制电压矢量给定幅值u_s*＝u_s1*。

2.7)依据2.5和2.6得到的θ_us*和u_s*可求出u_d*＝u_s*cosθ_us*、u_q*＝u_s*sinθ_us*，对u_d*、u_q*进行Park-¹变换得到定子电压两相静止坐标系下的分量：

(图3)，

其中为两相静止坐标系α轴与同步旋转坐标系d轴的夹角。

2.8)对u_α*、u_β*进行矢量合成运算得到当前电压矢量u_s*＝u_α*+ju_β*，根据空间矢量调制方法(SVPWM)对电压矢量u_s*进行矢量合成(图4)，得到三相逆变器所需要的开关控制信号。三相开关信号控制三相全桥逆变器动作，驱动主发电机，实现三级式同步起动/发电机的动态起动。

图5为本实例中静态起动目标转速为2800rpm时三级式同步起动/发电机转速、转矩曲线，从图中可以看出起动过程电机转速和转矩都比较平稳。

图6为本实例中动态起动转速为1000rpm时三级式同步起动/发电机转速曲线；图7为本实例中连续两次动态起动时三级式同步起动/发电机转速曲线。从图中可以看出动态起动过程中电机转速比较平稳。

Claims (1)

1.一种基于电流/转速分时段闭环的三级式同步起动/发电机起动控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在电机启动之前，首先设置静态起动时t₀＝t₀₁、t₁＝t₁₁；设置动态起动时t₀＝t₀₂、t₁＝t₁₂；所述t₀为电流环作用时间；t₁为给定电压矢量角作用时间；

步骤2：读取任意两个不同时刻的转子位置，以两个转子位置的差值除以对应的时间差得到电机当前转速Ω；

当前转速为零时判断电机为静态起动，则t₀＝t₀₁、t₁＝t₁₁；

否则为动态起动，则t₀＝t₀₂、t₁＝t₁₂；

步骤3：采集主发电机定子A相、C相电流i_A、i_C，计算出B相电流i_B＝-(i_A+i_C)，依次通过Clark变换和Park变换得到主发电机定子电流在同步旋转坐标系下的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤4：对i_d、i_q进行反正切运算得到当前电机转矩角θ_is＝tan^-1(i_q/i_d)；对i_d、i_q进行矢量合成得到主发电机定子电流矢量i_s＝i_d+ji_q，对i_s进行取模运算得到电流矢量幅值

步骤5：构造函数

其中：u_s1*为速度闭环调节输出电压矢量幅值；u_s2*为电流闭环调节输出电压矢量幅值；θ_us1*为转矩角闭环调节输出电压矢量角；con为给定电压矢量角；t为***运行时间；

步骤6：依据步骤5计算出的θ_us*和u_s*得u_d*＝u_s*cosθ_us*、u_q*＝u_s*sinθ_us*，对u_d*、u_q*进行Park^-1变换得到定子电压两相静止坐标系下的分量：

其中：为两相静止坐标系α轴与同步旋转坐标系d轴的夹角；

步骤7：对u_α*、u_β*进行矢量合成运算得到当前电压矢量u_s*＝u_α*+ju_β*根据空间矢量调制方法(SVPWM)对电压矢量u_s*进行矢量合成，得到三相逆变器所需要的开关控制信号。