CN103647484A - 一种用于航空起动发电系统的全速度无位置传感器技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于永磁电机和起动发电机同轴运行的航空起动发电系统全速度无位置传感器技术，主电机作为起动发电机时与永磁电机同轴相连，起动时永磁电机不接入系统而处于空载发电运行，反电势不易受到干扰，在确定永磁机和起动发电机定转子极数后，通过仿真永磁电机定转子位置变化与各相线电势之间的关系以及起动发电机的0°机械角度位置确定同轴相连的起动发电机和永磁电机定转子的位置关系，通过注入脉冲判断起动发电机初始位置，通过电流响应法起动电机，待转速达到阈值时检测永磁电机参考相线电势过零点确定起动发电机的换相点。该方法克服了起动发电机电动运行时电磁特性检测易受干扰等弊端，是一种简便的全速度无位置控制策略。

Description

一种用于航空起动发电系统的全速度无位置传感器技术

技术领域

本发明涉及一种航空起动发电机无位置传感器控制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

在航空机电系统中，采用起动/发电一体化技术不仅能够有效减小飞机重量、提高功率密度、提高可靠性，还有利于将发电机与发动机集成，改善发动机的喘振裕度和减少燃油消耗等，具有明显的优点。然而起动发电机需要完成从静止起动到高速运行至发动机点火的整个过程，为保证系统可靠运行，实现电机的高性能控制，位置传感器必不可少。常用的位置传感器有电磁式位置传感器(如开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等)、光电式位置传感器(如遮光板)、磁敏式位置传感器(如霍尔位置传感器)等。机械式传感器的引入限制了起动发电机的应用范围，尤其是在易受电磁干扰、工作环境恶劣的飞机发动机起动发电系统中，更需要解决位置传感器局限性的问题。因此，研究无位置传感器技术对于充分发挥起动发电机在特殊环境下的运行能力具有重要的意义。

在现有的起动发电机无位置方法中，注入脉冲法在初始位置检测中的应用最广泛，也最简便直接，本专利在静止位置检测上依旧使用脉冲注入法。在低速运行时，高频脉冲注入检测法、调制解调法、互感检测法、磁链/电流检测法、电流梯度检测法、电感模型拟合法、智能观测器法等方法是现有文献提出的用于起动发电机的无位置方法，它们都有各自的特点，但是现有的方法都存在着电磁特性检测易受干扰，易受励磁电流和负载变化的影响，同时在检测时若处理不当会造成电机失步。中、高速运行时，磁链/电流法、电感模型法、电流梯度法、神经网络法和观测器法等无位置传感器方法的研究较多。然而现有的方法都有各自的转速适用范围，没有一种方法可以完成低速到中、高速范围的无位置控制，它们需要低速到中、高速的算法切换。

有如下几种电机能够在飞机电源系统中用做起动/发电机，它们是：三级式电励磁同步电机、双凸极电机等。

三级式电励磁同步电机和电励磁双凸极电机等起动发电机在航空中应用时，起动时采用地面电源或蓄电池给起动发电机提供励磁电流，与起动发电机同轴运行的永磁电机不接入系统，且可处于空载发电状态，此时其反电势不受干扰，波形失真度小。待转速增加至发动机点火后，由发动机带动起动发电机发电运行，起动发电机的励磁电流由与其同轴相连的永磁电机发电整流后通过调压器提供。因此这一独特的运行原理和结构为三级式电励磁同步电机和电励磁双凸极电机等起动发电机电动运行时实现全速度范围无位置传感器技术提供了基础。因此本专利提出一种利用与起动发电机同轴旋转的永磁电机发电运行时的线电势过零点作为换相信号，确保电机全速度范围无位置传感器平稳运行。

发明内容

本发明在已经提出的一种基于换相点电流响应的电励磁双凸极电机起动加速无位置传感器方法基础上，利用三级式电励磁同步电机和电励磁双凸极电机等起动发电机电动运行时与其同轴运行的永磁电机不接入系统，可处于空载发电状态，起动发电机发电运行时才需要同轴运行的永磁电机发电后整流提供励磁电流的特点，结合起动发电机的驱动电路和电磁特性以及永磁电机发电运行时的电势特性，提出了一种新颖的用于航空起动发电系统的永磁电机和起动发电机同轴相连的全速度无位置传感器技术，该方法需要解决的问题是：克服了起动发电机低速运行时反电势无法检测，电流斩波检测易受干扰的弱点，克服了起动发电机高速运行时端电压易受干扰，检测复杂的缺点，避免了起动发电机全速度范围内运行时电磁特性易受励磁电流和负载变化干扰的问题，充分考虑了永磁电机发电运行的线电势变化规律以及与起动发电机换相点之间的关系，同时利用了永磁电机空载发电运行时不易受到干扰的优点，得到一种用于起动发电机运行的可靠且容易实现的无位置传感器控制策略，该方法为起动发电机在全速度条件下的无位置传感器平稳运行奠定了基础。

本发明为实现上述解决方案，采用如下技术策略：

1)首先计算确定永磁电机和起动发电机的定转子极数，再通过仿真确定永磁电机定转子位置变化与各相线电势之间的关系，同时确定起动发电机的0°机械角度位置以及0°机械角度位置的参考相定转子位置，根据已有的永磁电机定转子位置变化与各相线电势之间的关系确定同轴相连的永磁电机和起动发电机定转子位置的关系，并确定永磁电机的参考检测相；

2)通过注入脉冲法确定静止时起动发电机转子位置区域，即高频开关不同组合的起动发电机驱动电路开关，在高频开关时采样直流母线上的电流，比较电流响应的幅值，确定初始位置转子所在的区域范围，然后确定初始导通开关管组合及初始开通时间，给定开通信号，电机开始旋转；

3)通过基于换相点电流响应法进行起动无位置控制，即给当前导通相固定脉宽信号结束后，经过死区时间，分别给关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测并比较母线电流响应的大小确定换相点，起动时还可以利用不间断地检测斩波电流值，实时计算当前导通相的串联电感值，判断换相点，同时根据换相点间隔不停检测计算电机转速；

4)将步骤3)中检测到的电机转速与设定的转速阈值进行比较，当电机转速小于阈值转速时，继续执行步骤3)，当电机转速大于阈值转速时，开始检测步骤1)中确定的永磁电机的参考相线电势；

5)不停的检测步骤1)中永磁电机的参考相线电势的过零点，当检测到参考相线电势第m个过零点时，起动发电机开始换相，同时清零过零点值，然后继续检测永磁电机参考相线电势的过零点，检测到第m个过零点时换相，并清零，依次循环，其中m是起动发电机换相点间的时间间隔与永磁电机参考相线电势两个过零点间的时间间隔比。

根据以上步骤可以完成电励磁双凸极电机的全速度范围内转子位置的判断，实现电机全速度范围无反转带载稳定运行，算法简单，无需任何额外硬件，实现方便，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是三相电励磁双凸极电机与永磁同步电机同轴运行框图；

图2是三相12/8结构电励磁双凸极电机二维结构图；

图3是三相电励磁双凸极电机驱动电路图；

图4是基于航空起动发电系统的全速度无位置传感器技术的流程图；

图5是同轴相连的电励磁双凸极电机和永磁同步电机三维结构图；

图6是电励磁双凸极电机三相三状态运行时相电流仿真波形图；

图7是永磁同步电机发电运行时三相线电势仿真波形图；

图8是电励磁双凸极电机三相六状态运行时相电流仿真波形图。

图2、图3、图5、图6、图7和图8中的主要符号名称：(1)A、B、C——12/8电励磁双凸极电机的三相电枢绕组；(2)S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆——三相12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路的开关管；(3)D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆——与三相12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路开关管并联的二极管；(4)U_dc——三相12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路的直流端电压源；(5)C₁——三相12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路的直流端电容；(6)N——12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路三相电枢绕组的中性点；(7)Ds——电励磁双凸极电机的定子；(8)Dr——电励磁双凸极电机的转子；(9)Ps——永磁同步电机的定子；(10)Pr——永磁同步电机的转子；(11)D——电机转动轴；(12)a——永磁同步电机的A相；(13)i_b——电励磁双凸极电机三相三状态运行时B相电流仿真波形；(14)i_c——电励磁双凸极电机三相三状态运行时C相电流仿真波形；(15)i_a——电励磁双凸极电机三相三状态运行时A相电流仿真波形；(16)U_AB——永磁同步电机A相和B相的线电势仿真波形；(17)U_BC——永磁同步电机B相和C相的线电势仿真波形；(18)U_CA——永磁同步电机C相和A相的线电势仿真波形；(19)i_B——电励磁双凸极电机三相六状态运行时B相电流仿真波形；(20)i_C——电励磁双凸极电机三相六状态运行时C相电流仿真波形；(21)i_A——电励磁双凸极电机三相六状态运行时A相电流仿真波形。

具体实施方式

本发明通过利用起动发电机在发电运行时需要同轴相连的永磁电机提供励磁电流，电动运行时永磁电机可空载运行这一特点，通过计算设计永磁同步电机的定转子与起动发电机的定转子间的关系，得到永磁同步电机线电势过零点与起动发电机换相点的重合关系，通过在电机运行时，检测永磁同步电机参考相线电势过零点来实时判断电励磁双凸极电机的换相点，确保电机全速度范围稳定运行的无位置控制策略。

该方法只关注于起动发电机换相点间的时间间隔与永磁电机参考相线电势两个过零点间的时间间隔的关系，因此对于永磁电机和发电时需要永磁电机提供励磁电流的三级式电励磁同步电机和电励磁双凸极电机等起动发电机而言，本发明对内转子或外转子、集中绕组或分布式绕组、各种相数的结构均适用。

下面结合附图对发明技术方案进行详细说明：

本方法适用于各种相数的发电时需要永磁电机提供励磁电流的三级式电励磁同步电机和电励磁双凸极电机等起动发电机以及各种相数的永磁同步电机，本发明以三相12/8结构的电励磁双凸极电机为例来进行详细说明，其他结构的电励磁双凸极电机以及三级式电励磁同步电机也可用类似的分析方法。12/8结构电励磁双凸极电机的发电运行框图如图1所示，可见在发电运行时与电励磁双凸极电机同轴相连的永磁电机发电整流后经过调压器给电励磁双凸极电机提供励磁电流，并可以随时进行调节。三相12/8结构的电励磁双凸极电机的平面结构如图2所示，驱动电路采用三相桥式结构，如图3所示。两相同时导通时有两个开关管开关，本专利以单独上管斩波为例进行说明。图4是基于航空起动发电系统的全速度无位置传感器技术的流程图，主要分为八个步骤：

1、电励磁双凸极电机一个电周期是

$T_1=\frac{60}{{\mathrm{np}}_{\mathrm{dr}}}---\left(1\right)$

其中n是电机转速，p_dr是转子极数。

电励磁双凸极电机三相三状态运行时一个电周期内换相点的时间间隔是

t₁＝T₁/N_d                  (2)

其中N_d是电机相数

电励磁双凸极电机三相六状态运行时一个电周期内换相点的时间间隔是

t₂＝T₁/2N_d             (3)

永磁同步电机一个电周期是

$T_2=\frac{60}{{\mathrm{np}}_{\mathrm{sr}}}---\left(4\right)$

其中p_sr是电机极对数。

永磁同步电机任意两相线电势两个过零点之间的时间间隔是

t₃＝T₂/2               (5)

电励磁双凸极电机三相三状态运行时的电励磁双凸极电机换相点间的时间间隔与永磁同步电机任意两相线电势两个过零点间的时间间隔比是

$m_1=t_1/t_3=\frac{60}{{\mathrm{np}}_{\mathrm{dr}}\·N_d}/\frac{60}{{\mathrm{np}}_{\mathrm{sr}}\·2}=2\·p_{\mathrm{sr}}/p_{\mathrm{dr}}\·N_d---\left(6\right)$

三相六状态运行时的电励磁双凸极电机换相点间的时间间隔与永磁同步电机任意两相线电势两个过零点间的时间间隔比是

$m_2=t_2/t_3=\frac{60}{{\mathrm{np}}_{\mathrm{dr}}\·2N_d}/\frac{60}{{\mathrm{np}}_{\mathrm{sr}}\·2}=p_{\mathrm{sr}}/p_{\mathrm{dr}}\·N_d---\left(7\right)$

当比值m₁和m₂是整数时，则永磁同步电机的任意两相线电势的过零点时间间隔与电励磁双凸极电机的换相点时间间隔成整数比例，根据整数比例的不同，设计两个电机不同的定转子极数结构。

2、根据仿真确定的永磁同步电机定转子位置变化与各相线电势之间的关系，同时确定起动发电机的0°机械角度位置以及0°机械角度位置的参考相定转子位置，根据已有的永磁同步电机定转子位置变化与各相线电势之间的关系确定同轴相连的永磁同步电机和起动发电机定转子位置的关系，并确定永磁同步电机的参考检测相，设计时要求将电励磁双凸极电机转子齿与A相定子齿将要重合的位置确定为0°机械角度，永磁同步电机的任意一个A相齿与电励磁双凸极电机的任意一个A相齿在空间上重合，其三维结构图如图5所示，永磁同步电机AB相线电势作为检测参考线电势，经过仿真确定永磁机的转子初始位置是确保永磁同步电机AB相线电势过零点与电励磁双凸极电机换相点一致的位置。本发明结构示意图是三相12/8结构的电励磁双凸极电机和三相52/24结构的永磁同步电机的连接。

3、利用静止时脉冲注入法和起动运行时基于电流响应的电励磁双凸极电机起动加速无位置传感器方法，高频开关三种开关组合，即分别高频开关A相桥臂上管S1和B相桥臂下管S6、B相桥臂上管S3和C相桥臂下管S2、C相桥臂上管S5和A相桥臂下管S4，在高频开关时采样直流母线上的电流，分别得到S1和S6开关时的响应电流i1，S3和S2开关时的响应电流i2，S5和S4开关时的响应电流i3，比较三个电流响应的幅值，确定初始位置转子所在的60°电角度范围区间，确定初始导通开关管组合及脉冲时间，给定开通信号，电机开始旋转，固定脉宽信号结束后，经过死区时间，分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测母线电流的大小，得到检测值i11和i22；

4、将步骤3中检测到的母线电流进行比较，若i11小于i22，即高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值小于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值，则继续给当前相固定脉宽信号，固定脉宽信号结束后，经过死区时间，再分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测母线电流的大小，直到高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值大于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值；

5、若i11大于i22，即步骤4判断时高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值大于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值，则开始换相，给下一组开关管固定脉宽信号，导通下一组开关管，完成换相，起动算法还可以通过不停检测斩波电流值，实时计算当前导通相的串联电感值，判断换相点；

6、根据步骤3——5中检测到的换相点间的时间判断电机转速，当电机转速小于阈值转速时，继续执行步骤3——5，当电机转速大于阈值转速时，根据起动前确定的电机控制策略选择不同的检测方式，检测永磁同步电机参考相线电势过零点，本文的阈值转速是100转/分；

7、本专利以52/24结构的永磁同步电机为例进行详细说明，根据步骤2确定的永磁同步电机和电励磁双凸极电机定转子参考位置以及永磁同步电机的检测参考线电势，根据起动前确定的电机控制策略选择不同的检测方式，若电机运行于三相三状态的控制方式下，其相电流波形如图6所示，每间隔15°机械角度进行换相，换相点与永磁同步电机的AB相线电势的第m₁个过零点一致，根据公式(6)可知m₁等于2。永磁同步电机三相线电势波形如图7所示。不停的检测永磁同步电机的AB相线电势的过零点，当检测到AB相线电势第m₁个过零点时，电机开始换相，同时清零过零点值，然后继续检测永磁同步电机AB相线电势的过零点，到第m₁个时换相，并清零，依次循环；

8、若电机运行于三相六状态的控制方式下，其相电流波形如图8所示，每间隔7.5°机械角度进行换相，换相点与永磁同步电机的AB相线电势的第m₂个过零点一致，根据公式(7)可知m₂等于1。不停的检测永磁同步电机的AB相线电势的过零点，当检测到AB相线电势第m₂个过零点时，电机开始换相，同时清零过零点值，然后继续检测永磁同步电机AB相线电势的过零点，到第m₂个时换相，并清零，依次循环。

根据以上步骤可以完成电励磁双凸极电机的全速度范围内转子位置的判断，实现电机全速度范围无反转带载稳定运行，算法简单，无需任何额外硬件，实现方便，具有良好的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于永磁电机和起动发电机同轴运行的航空起动发电系统全速度无位置传感器技术，该方法只关注于起动发电机换相点间的时间间隔与永磁电机参考相线电势过零点间的时间间隔的关系，因此对于永磁电机和发电时需要永磁电机提供励磁电流的三级式电励磁同步电机和电励磁双凸极电机等起动发电机而言，本发明对内转子或外转子、集中绕组或分布式绕组及各种相数的结构均适用；

其特征包括以下步骤：

1)首先计算确定永磁电机和起动发电机的定转子极数，再通过仿真确定永磁电机定转子位置变化与各相线电势之间的关系，同时确定起动发电机的0°机械角度位置以及0°机械角度位置的参考相定转子位置，根据已有的永磁电机定转子位置变化与各相线电势之间的关系确定同轴相连的永磁电机和起动发电机定转子位置的关系，并确定永磁电机的参考检测相；

2)通过注入脉冲法确定静止时起动发电机转子位置区域，即高频开关不同组合的起动发电机驱动电路开关，在高频开关时采样直流母线上的电流，比较电流响应的幅值，确定初始位置转子所在的区域范围，然后确定初始导通开关管组合及初始开通时间，给定开通信号，电机开始旋转；

3)通过基于换相点电流响应法进行起动无位置控制，即给当前导通相固定脉宽信号结束后，经过死区时间，分别给关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测并比较母线电流响应的大小确定换相点，起动时还可以利用不间断地检测斩波电流值，实时计算当前导通相的串联电感值，判断换相点，同时根据换相点间隔不停检测计算电机转速；

4)将步骤3)中检测到的电机转速与设定的转速阈值进行比较，当电机转速小于阈值转速时，继续执行步骤3)，当电机转速大于阈值转速时，开始检测步骤1)中确定的永磁电机的参考相线电势；

5)不停的检测步骤1)中永磁电机的参考相线电势的过零点，当检测到参考相线电势第m个过零点时，起动发电机开始换相，同时清零过零点值，然后继续检测永磁电机参考相线电势的过零点，检测到第m个过零点时换相，并清零，依次循环，其中m是起动发电机换相点间的时间间隔与永磁电机参考相线电势两个过零点间的时间间隔比。

根据以上步骤可以完成电励磁双凸极电机的全速度范围内转子位置的判断，实现电机全速度范围无反转带载稳定运行，算法简单，无需任何额外硬件，实现方便，具有良好的应用前景。

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