CN102882455A - 航空三级无刷交流同步电机起动过程中的励磁控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法及装置，在电机静止时，控制器以能够输出的最大交流励磁量给励磁机励磁，当电机达到一定转速时，交流励磁量开始线性减小，同时直流励磁量采用PI调节器调节介入，其调节上限由交流励磁分量的大小及控制器母线电压综合决定，当交流分量减小至0时，励磁机进入直流励磁方式。本发明该方法应用于三级无刷交流同步电机的起动功能时，避免了励磁机在直接切换励磁方式时造成的主发电机转子磁链波动，可有效提高机组在起动过程中进行励磁切换时的运行平稳性。

Description

航空三级无刷交流同步电机起动过程中的励磁控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种航空三级无刷交流同步电机起动过程中的励磁控制方法及装置，是一种利用单相空间矢量调制解决航空三级无刷交流同步电机在起动过程中的励磁问题的控制方法，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系统的一个重要发展方向。目前，在航空大功率交流电源系统中，广泛采用三级无刷交流同步电机（原理框图见图1）作为发电机，当采用该电机实现航空发动机的起动功能时，主发电机将以电动方式运行，由于该电机为无刷化结构，因此当电机静止时，若励磁机仍然采用发电状态时的直流励磁方式，将无法实现主发电机的转子励磁，导致电机无法起动。在《电工技术杂志》2001年第1期3～8页刊登的“飞机起动/发电双功能系统电动状态单相交流励磁的研究”一文（作者陈宝林等）中，提出在励磁机定子绕组中通入单相交流电，解决机组处于静止状态时主发电机的励磁问题，该方法的优点在于无需改动电机结构。实验表明，选用合适的励磁频率及控制方法时，励磁机输出的励磁电流能够保证机组在一定堵转矩情况下顺利起动，此处提到的合适励磁频率是指在励磁电压相等的前提下，采用该频率的单相交流励磁时主发电机能够获得最大的励磁电流。

但是，励磁机在采用单相交流励磁方式时，仍然面临如下问题：1）在合适的励磁频率下，由于励磁机感抗较大，励磁机的定子励磁电流远小于其额定值，无法有效发挥励磁机的励磁输出能力，致使主发电机的转子励磁较弱，影响了主发电机在电动状态时的带载能力；2）相比直流励磁方式，采用单相交流励磁方式时主发电机转子磁链脉动较大，影响主发电机电动状态时的运行平稳性；3）当机组达到一定转速后，励磁机采用直流励磁方式的励磁输出能力将优于采用单相交流励磁方式的励磁输出能力，此时采用直流励磁方式时能够有效提高主发电机的带载运行性能。基于上述原因，当机组达到一定转速后，需要将励磁机由交流励磁方式切换为直流励磁方式，但是由于两种励磁方式的PWM调制方法差异较大，如果采用直接切换的方式，在切换瞬间主发电机转子磁链波动较大，产生的转矩脉动易导致机组起动失败。

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，本发明提出一种航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法及装置，有效提高三级无刷交流同步电机在起动过程中的带载性能以及机组运行的平稳性。

技术方案

一种航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据测得的电机当前转速值ω_r以及设定的交流励磁量随转速变化的曲线，得到当前输出交流励磁分量的调制度M_A，同然后得出直流励磁分量调制度的调制上限M_DMAX＝1-M_A；

步骤2：将励磁机的额定电流i^*以及当前励磁机的励磁电流值i之差e_i＝i^*-i进行PI调节，得出直流励磁控制量的调制度

其中，K_ps为励磁电流PI控制器的比例系数，K_ps＞0；K_is为励磁电流PI控制器的积分系数，K_is＞0；经限幅处理后输出当前转速下励磁机的直流励磁量的调制度M_D；

步骤3：根据励磁机交流励磁分量的角度积分器得出当前交流励磁分量的电压相角θ＝∫ωdt，其中，ω＝2πf，f为交流励磁分量的频率；

步骤4：计算有效矢量和零矢量的作用时间，具体步骤如下：

步骤a：计算逆变器输出参考电压为V_ref＝M_DV_DC+M_AV_DCcosθ，其中，V_DC为励磁机控制器母线电压；

步骤b：根据伏秒平衡原则，设逆变器开关周期为T_s，有效矢量的作用时间为T₁，有：V_refT_s＝V_DCT₁；则一个开关周期内，有效矢量和零矢量的作用时间分别为： $\left\{\begin{array}{c}{T}_1=M_D{T}_s+M_A{T}_s\cos \mathrm{\ωt}\\ T_0=T_s-T_1\end{array}\right.;$

步骤5：计算H桥逆变器的控制量，并以此控制量控制H桥逆变器驱动励磁机：

当采用一个零矢量且V_ref＞0，H桥逆变器的控制量 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{CMP}\_a=T_0/2\\ \mathrm{CMP}\_b=T_s/2\end{array}\right.;$

当采用一个零矢量且V_ref＜0，H桥逆变器的控制量 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{CMP}\_a=T_s/2\\ \mathrm{CMP}\_b=T_0/2\end{array}\right.;$

当采用两个零矢量且V_ref＞0，H桥逆变器的控制量 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{CMP}\_a=T_0/4\\ \mathrm{CMP}\_b=T_0/4+T_1/2\end{array}\right.;$

当采用两个零矢量且V_ref＜0，H桥逆变器的控制量 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{CMP}\_a=T_0/4+T_1/2\\ \mathrm{CMP}\_b=T_0/4\end{array}\right..$

所述当前时刻直流励磁分量的调制度M_D由以下步骤获得：

e_i＝i^*-i；

$M_D^{*}=K_{\mathrm{ps}}\·e_i+K_{\mathrm{is}}\∫e_i\mathrm{dt}$

$M_D=\left\{\begin{array}{cc}{M}_D^{*}& M_D^{*}<1-M_A\\ 1-M_A& M_D^{*}\&GreaterEqual;1-M_A\end{array}\right..$

所述的交流励磁分量调制度M_A满足：1≥M_A≥0。

所述的直流励磁分量调制度M_D满足：1-M_A≥M_D≥0。

所述的交流励磁量角速度ω满足：ω＝200π。

所述的根据三级无刷交流同步电机的励磁机本身特性和系统性能要求设定K_ps、K_is，并满足K_ps＞0、K_is＞0。

一种实现所述航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法的装置，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、位置传感器、中央控制器、隔离驱动器和电流采集电路；整流电路将输入的三相交流电进行整流后输出至与其连接的滤波电路，滤波电路分别连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器；单相H桥逆变器连接励磁机的定子绕组，驱动励磁机实现主发电机励磁；三相全桥逆变器连接主发电机，控制主发电机的起动运行；位置传感器设置在检测电机转子位置之处，其输出端连接中央控制器；电流采集电路连接在单相H桥逆变器和三相全桥逆变器的输出端，其输出端连接中央控制器；中央控制器的输出端连接隔离驱动器，隔离驱动器的输出端分别连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器。

所述位置传感器采用旋转变压器。

有益效果

本发明提出的一种航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法及装置，在电机静止时，控制器以能够输出的最大交流励磁量给励磁机励磁，当电机达到一定转速时，交流励磁量开始线性减小，同时直流励磁量采用PI调节器调节介入，其调节上限由交流励磁分量的大小及控制器母线电压综合决定，当交流分量减小至0时，励磁机进入直流励磁方式。本发明该方法应用于三级无刷交流同步电机的起动功能时，避免了励磁机在直接切换励磁方式时造成的主发电机转子磁链波动，可有效提高机组在起动过程中进行励磁切换时的运行平稳性。

本发明具有以下优点：1）在交流励磁方式和直流励磁方式间切换时，交流励磁分量和直流励磁分量均采用渐入渐出的方式实现，切换时无冲击；2）调制算法融合了交流调制和直流调制的特点，在整个励磁过程中无调制算法上的改变；3）采用PI调节器调节直流励磁输出，同时利用交流励磁输出限制直流励磁输出的最大值，可在切换过程中有效利用母线电压，同时有效避免高转速时由于转速变化对励磁机的影响。

附图说明

图1：三级无刷交流同步电机原理框图

图2：本发明方法原理框图

图3：本发明实施例的系统硬件原理图

图4：H桥逆变器原理图

图5：H桥逆变器的输出电压矢量图

图6：H桥逆变器单相交流调制的矢量图

图7：H桥逆变器直流调制的矢量图

图8：H桥逆变器带有直流偏置的交流调制矢量图

图9：H桥逆变器带有交流成分的直流调制矢量图

图10：V_ref＞0时，采用两种零矢量调制时的PWM示意图

图11：V_ref＞0时，采用单一零矢量调制时的PWM示意图

图12：纯交流励磁方式励磁电流波形

图13：带直流偏置的交流励磁方式励磁电流波形

图14：带交流成分的交流励磁方式励磁电流波形

图15：直流励磁方式励磁电流波形

图16：采用本发明方法时电机的带载起动加速曲线图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例的航空三级无刷交流同步电机起动过程的励磁控制方法（图2）：

本发明方法的原理框图如图2所示，交流励磁分量的调制度大小由电机转速ω_r决定，直流励磁分量的调制度由励磁机额定励磁电流i^*和实际的励磁电流i经PI调节器调节得到，其调节上限M_Dmax由交流励磁分量的调制度M_A决定，最终将得到的交/直流励磁输出量按本发明提出的调制算法合成后，得出控制H桥逆变器的变量值，实现励磁机的励磁控制。其中，交流励磁分量的励磁频率满足：ω＝2πf。

本发明实施例的系统硬件结构如图3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（图4），隔离驱动电路、电流和电压检测电路、中央控制器和人机接口电路以及位置传感器，本系统中采用旋转变压器来检测电机转子位置及转速。其中，单相H桥逆变器接励磁机定子绕组，驱动励磁机实现主发电机励磁，三相全桥逆变器接主发电机，通过控制主发电机的起动运行效果观察本发明方法的励磁控制性能。

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，利用一台三级无刷交流同步电机搭建了验证平台。

本实施例方法通过分别控制励磁机励磁信号中交流分量和直流分量大小，利用本发明提出的融合了单相交流调制和直流调制的新调制方法，计算得出H桥逆变器的开关信号，驱动H桥逆变器动作，实现三级无刷交流同步电机在起动过程中的励磁机控制，依次含有以下步骤：

1．通过转子位置传感器及信号处理电路测得当前电机的转速ω_r；

2．根据当前电机转速查表得出交流励磁分量调制度M_A的大小，设输出交流励磁分量幅值为V_A，控制器母线电压为V_DC，M_A满足M_A＝V_A/V_DC；

3．由励磁机交流励磁分量的角度积分器得出当前交流励磁分量的电压相角θ，即：

θ＝∫ωdt

其中，ω＝2πf，f为交流励磁分量的频率；

4．根据当前控制器输出的交流励磁分量的调制度大小计算直流励磁分量调制度的调节上限M_DMAX；

5．通过以下步骤计算直流励磁分量的调制度：

(5.1).设定励磁机控制器的直流励磁分量PI调节器的调节参数分别为K_ps＝0.1，K_is＝0.05；

(5.2).由以下步骤获得励磁机控制器输出直流励磁分量的调制度：

(5.2.1).e_i＝i^*-i

(5.2.2). $M_D^{*}=K_{\mathrm{ps}}\&CenterDot;e_i+K_{\mathrm{is}}{\&Integral;e}_i\mathrm{dt}$

(5.2.3).经直流励磁分量的调制度上限M_DMAX做限幅处理，得到励磁机控制器输出的直流励磁分量调制度M_D，处理方式如下：

$M_D=\left\{\begin{array}{cc}{M}_D^{*}& M_D^{*}<1{-M}_A\\ 1-M_A& M_D^{*}\&GreaterEqual;1-M_A\end{array}\right.$

其中M_D＝V_D/V_DC，V_D为当前输出直流励磁分量的电压。

(5.3).由下式计算当前状态下的输出参考电压：

V_ref＝V_D+V_Acosωt＝M_DV_DC+M_AV_DCcosωt

当V_D＝0，即励磁机为交流励磁方式时，控制器输出的矢量图如图6所示；

当V_A＝0，即励磁机为直流励磁方式时，控制器输出的矢量图如图7所示；

当V_D＜V_A，即励磁机为带有直流偏置的交流励磁方式时，控制器输出的矢量图如图8所示，此时励磁机已开始由交流励磁方式向直流励磁方式切换；

当V_D＞V_A，即励磁机为带有交流分量的直流励磁方式时，控制器输出的矢量图如图9所示，此时励磁机即将完成由交流励磁方式向直流励磁方式的切换；

(5.4).设PWM开关周期为T_s，有效矢量的作用时间为T₁，根据伏秒平衡原则，有：

V_refT_s＝V_DCT₁

则有效矢量和零矢量的作用时间分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=M_D{T}_s+M_A{T}_s\cos \mathrm{\&omega;t}\\ T_0=T_s-T_1\end{array}\right.$

其中，T₁满足以下关系式：

T₁≤T_s

(5.5).根据基本电压矢量和零矢量以及各自作用的时间确定H桥逆变器两相开关控制信号S_A、S_B，规定“1”表示同一桥臂的上开关管导通，下开关管关闭，“0”表示同一桥臂的下开关管导通，上开关管关闭：

逆变器产生的有效电压矢量和零矢量所对应的两相开关信号分别为v_i(S_A,S_B)：v₁(1,0)、v₂(0,1)和两个零电压矢量v₀(0,0)、v₃(1,1)，见图5；在一个开关周期T_s内基本电压矢量和零矢量作用顺序见图10、图11。其中，图10所示开关顺序为v₀(0,0)、v₃(1,1)两个零矢量均作用时的情况，此时的开关顺序为：

v₀(0,0)作用T₀/4→v₁(1,0)作用T₁/2→v₃(1,1)作用T₀/2→v₁(1,0)作用T₁/2→v₀(0,0)作用T₀/4；

图11为只采用v₀(0,0)矢量的情况，此时的开关顺序为：

v₀(0,0)作用T₀/2→v₁(1,0)作用T₁→v₀(0,0)作用T₀/2；

(5.6).两相开关信号S_A、S_B经相应的隔离以及信号处理、放大电路后，控制单相H桥逆变器动作，驱动励磁机，实现三级无刷交流同步电机的励磁功能。

图12-图15为采用本发明所提出的调制算法时，励磁机在各个励磁阶段的励磁电流波形，其中，图12为纯交流励磁方式，图13为带直流偏置的交流励磁方式，图14为含交流成分的直流励磁方式，图15为直流励磁方式。

图16为采用本发明方法时机组的带载起动加速曲线图。

Claims (8)

1.一种航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据测得的电机当前转速值ω_r以及设定的交流励磁量随转速变化的曲线，得到当前输出交流励磁分量的调制度M_A，同然后得出直流励磁分量调制度的调制上限M_DMAX＝1-M_A；

步骤2：将励磁机的额定电流i^*以及当前励磁机的励磁电流值i之差e_i＝i^*-i进行PI调节，得出直流励磁控制量的调制度

其中，K_ps为励磁电流PI控制器的比例系数，K_ps＞0；K_is为励磁电流PI控制器的积分系数，K_is＞0；

经限幅处理后输出当前转速下励磁机的直流励磁量的调制度M_D；

步骤3：根据励磁机交流励磁分量的角度积分器得出当前交流励磁分量的电压相角θ＝∫ωdt，其中，ω＝2πf，f为交流励磁分量的频率；

步骤4：计算有效矢量和零矢量的作用时间，具体步骤如下：

步骤a：计算逆变器输出参考电压为V_ref＝M_DV_DC+M_AV_DCcosθ，其中，V_DC为励磁机控制器母线电压；

步骤b：根据伏秒平衡原则，设逆变器开关周期为T_s，有效矢量的作用时间为T₁，有：V_refT_s＝V_DCT₁；则一个开关周期内，有效矢量和零矢量的作用时间分别为： $\left\{\begin{array}{c}{T}_1=M_D{T}_s+M_A{T}_s\cos \mathrm{\&omega;t}\\ T_0=T_s-T_1\end{array}\right.;$

步骤5：计算H桥逆变器的控制量，并以此控制量控制H桥逆变器驱动励磁机：

当采用一个零矢量且V_ref＞0，H桥逆变器的控制量 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{CMP}\_a=T_0/2\\ \mathrm{CMP}\_b=T_s/2\end{array}\right.;$

当采用一个零矢量且V_ref＜0，H桥逆变器的控制量 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{CMP}\_a=T_s/2\\ \mathrm{CMP}\_b=T_0/2\end{array}\right.;$

当采用两个零矢量且V_ref＞0，H桥逆变器的控制量 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{CMP}\_a=T_0/4\\ \mathrm{CMP}\_b=T_0/4+T_1/2\end{array}\right.;$

当采用两个零矢量且V_ref＜0，H桥逆变器的控制量 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{CMP}\_a=T_0/4+T_1/2\\ \mathrm{CMP}\_b=T_0/4\end{array}\right..$

2.根据权利要求1所述航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法，其特征在于：所述当前时刻直流励磁分量的调制度M_D由以下步骤获得：

e_i＝i^*-i；

$M_D^{*}=K_{\mathrm{ps}}\&CenterDot;e_i+K_{\mathrm{is}}\&Integral;e_i\mathrm{dt}$

$M_D=\left\{\begin{array}{cc}{M}_D^{*}& M_D^{*}<1-M_A\\ 1-M_A& M_D^{*}\&GreaterEqual;1-M_A\end{array}\right..$

3.根据权利要求1或2所述航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法，其特征在于：所述的交流励磁分量调制度M_A满足：1≥M_A≥0。

4.根据权利要求1所述航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法，其特征在于：所述的直流励磁分量调制度M_D满足：1-M_A≥M_D≥0。

5.根据权利要求1所述航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法，其特征在于：所述的交流励磁量角速度ω满足：ω＝200π。

6.根据权利要求1所述航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法，其特征在于：所述的根据三级无刷交流同步电机的励磁机本身特性和系统性能要求设定K_ps、K_is，并满足K_ps＞0、K_is＞0。

7.一种实现权利要求1~6任一项所述航空三级无刷交流同步电机起动过程励磁控制方法的装置，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、位置传感器、中央控制器、隔离驱动器和电流采集电路；整流电路将输入的三相交流电进行整流后输出至与其连接的滤波电路，滤波电路分别连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器；单相H桥逆变器连接励磁机的定子绕组，驱动励磁机实现主发电机励磁；三相全桥逆变器连接主发电机，控制主发电机的起动运行；位置传感器设置在检测电机转子位置之处，其输出端连接中央控制器；电流采集电路连接在单相H桥逆变器和三相全桥逆变器的输出端，其输出端连接中央控制器；中央控制器的输出端连接隔离驱动器，隔离驱动器的输出端分别连接三相全桥逆变器和单相H桥逆变器。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述位置传感器采用旋转变压器。

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