CN104868808B - 两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁控制方法，在电机静止时确定励磁机静态最优励磁方式，获取交直流励磁切换转速。起动阶段，当电机转速小于切换转速时，励磁机采用两相交流励磁，通过转速参考获取励磁频率，并以此计算调制电压矢量相位角；当电机转速等于切换转速时，进行交流励磁向直流励磁切换，通过判断上一个控制周期电压矢量相位角的位置获取当前电压矢量相位角；当电机转速大于切换转速时，励磁机采用直流励磁，调制电压矢量相位角保持不变。本发明减小主发电机变频起动控制的复杂性；可以保证励磁机两相交流励磁向直流励磁切换平稳，且在切换成直流励磁后励磁机两相直流励磁电流大小相等。

Description

两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法

技术领域

本发明属于航空交流电机技术领域，具体涉及一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁控制方法，是一种通过两相励磁机励磁电流闭环控制及转速参考调制来实现主发电机励磁电流在励磁机交流励磁时保持恒定的励磁控制方法，同时包括励磁机两相交流励磁向直流励磁切换的控制方法

背景技术

起动/发电一体化是未来航空交流电源系统的一个重要发展方向。目前我国飞机交流电源系统大都采用三级式无刷同步电机作为发电机，发动机由独立的专用起动机进行起动。一种简单可行的起动/发电一体化实现办法是直接省去专用的起动机，将三级式无刷同步发电机运行在电动状态来带动航空发动机起动。采用此方法实现起动/发电一体化时需要解决电机静止和低速时主发电机的励磁问题。

基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统如图1所示，励磁机励磁绕组为相差90°的两相绕组。电机在静止和低速阶段，两相励磁机采用两相交流励磁方式；电机在高速及发电状态时，两相励磁机采用直流励磁方式。因为励磁机两相绕组在两相交流励磁方式下产生旋转磁场，故励磁机在电机静止和低速时励磁效率高，可以为主发电机提供足够的励磁电流；电机处于发电状态时，励磁机采用控制方法简单、技术成熟的直流励磁。所以基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统具有一定的优势。

但是，励磁机在采用两相交流励磁策略时仍面临如下问题：1)交流励磁时励磁控制问题。如果在励磁机采用两相交流励磁整个过程中励磁方式(励磁电压和励磁频率)不变，则随着电机转速的升高，主发电机励磁电流会发生变化。这样会导致主发电机励磁磁场在电机起动过程中无法保持恒定，增加主发电机变频交流起动控制的复杂性。所以在励磁机交流励磁时，应根据电机转速实施调节励磁机励磁方式，使得主发电机励磁电流基本保持恒定。2)两相交流励磁向直流励磁切换。随着电机转速的升高，励磁机直流励磁就可以满足主发电机带载起动时最励磁电流的需求，且直流励磁控制简单。所以电机达到一定转速时，应进行两相交流励磁向直流励磁的切换。切换过程应保持平稳，减小因切换而引起的电流突变。并且切换成直流励磁后，两相直流励磁电流大小应相等，这样可以保证励磁机在直流励磁时的发热平衡。

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两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁控制方法，解决的技术问题主要包括：1)在电机起动过程中对两相励磁机进行励磁控制，使得主发电机励磁电流在励磁机两相交流励磁时基本保持恒定；2)电机达到一定转速时进行励磁机两相交流励磁向直流励磁的切换，保证切换过程平稳，且切换成直流励磁后两相直流励磁电流大小相等。

技术方案

一种两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：电机静止时，对两相励磁机励磁绕组施加不同频率不同幅值的两相交流电压，测量各种情况下主发电机励磁电流的大小；所述频率取值为从20Hz到500Hz每隔20Hz取一个值；所述幅值取值为从10V到最大值每隔10V取一个值，其中最大值为两相逆变器在系统直流母线电压下所能逆变出的最大两相交流电压幅值；

选取主发电机励磁电流最大时的励磁机励磁方式作为静态最佳励磁方式，记此最佳励磁方式的励磁频率为f₀，电流幅值为i_ref作为电流闭环控制的参考值；

通过公式计算出切换转速n_s，其中p_n为两相励磁机极对数；

步骤2：电机起动阶段，通过两相励磁机励磁电流闭环控制确定励磁机励磁电压矢量幅值，具体如下：

计算当前励磁电流矢量的幅值i_α和i_β励磁机两相励磁电流的瞬时值；

励磁电流参考值i_ref与当前励磁电流值i_s的差作为电流误差e_i＝i_ref-i_s；

对电流误差e_i进行PI调节，得到两相励磁机当前调制电压矢量幅值U，U＝K_p·e_i+K_i∫e_idt，其中，K_p、K_i分别为励磁电流闭环PI控制器的比例、积分系数，且K_p＞0，K_i＞0；

步骤3：将电机当前转速n_r与切换转速n_s进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角：

3.1：当前转速n_r小于切换转速n_s(n_r<n_s)时，两相励磁机采用两相交流励磁方式，且两相交流励磁产生的旋转磁场与电机旋转方向相反；使用公式计算两相励磁机当前励磁频率f_e；通过角度积分器获得当前调制电压矢量相位角θ，θ＝∫2πf_edt；

3.2：当前转速n_r等于切换转速n_s(n_r＝n_s)时，进行交直流励磁切换；记上一个控制周期中调制电压矢量相位角为θ_k-1，根据θ_k-1所处的象限获取当前调制电压矢量相位角θ；具体如下：

当θ_k-1处于第一象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第二象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第三象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第四象限时，当前调制电压矢量相位角

3.3：当前转速n_r大于切换转速n_s(n_r>n_s)时，两相励磁机采用直流励磁方式，调制电压矢量相位角保持不变，即θ＝θ_k-1；

步骤4：结合步骤2所得当前调制电压矢量幅值和步骤3所得当前调制电压矢量相位角，通过电压调制方法获取逆变器所需功率管开关控制信号，并以此信号驱动两相逆变器来控制两相励磁机。

所述的两相逆变器为双单桥两相逆变器、三相全桥逆变器和或双全桥两相逆变器。

所述的电压调制方法为空间矢量脉宽调制方法SVPWM或正弦波脉宽调制方法SPWM。

所述的转速传感器为旋转变压器、光电编码器或霍尔传感器。

有益效果

本发明提出的一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁控制方法，在电机静止时确定励磁机静态最优励磁方式，并以此获取交直流励磁切换转速。起动阶段，通过励磁机两相励磁电流闭环控制确定调制电压矢量幅值。当电机转速小于切换转速时，励磁机采用两相交流励磁，通过转速参考获取励磁频率，并以此计算调制电压矢量相位角；当电机转速等于切换转速时，进行交流励磁向直流励磁切换，通过判断上一个控制周期电压矢量相位角的位置获取当前电压矢量相位角；当电机转速大于切换转速时，励磁机采用直流励磁，调制电压矢量相位角保持不变。本发明方法应用于三级式无刷同步起动发电系统起动阶段时，一方面可以使得主发电机励磁电流在励磁机两相交流励磁时基本保持恒定，以此减小主发电机变频起动控制的复杂性；另一方面，可以保证励磁机两相交流励磁向直流励磁切换平稳，且在切换成直流励磁后励磁机两相直流励磁电流大小相等。

附图说明

图1：基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统结构示意图

图2：本发明方法原理框图

图3：双全桥两相逆变器拓扑图

图4：本发明实施例的系统硬件结构示意图

图5：主发电机反电势有效值随电机转速变化的趋势

图6：主发电机反电势有效值与电机转速的商随电机转速变化的趋势

图7：励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程(情况一)

图8：励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程(情况二)

图9：励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程(情况三)

图10：励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程(情况四)

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明方法的原理框图如图2所示，励磁机两相电流经过采样、计算、滤波处理得到当前电流矢量幅值，与电流参考值求差后通过PI控制获得当前调制电压矢量幅值，调制电压矢量相位角通过转速参考获得。调制电压矢量经过PWM调制方法驱动两相逆变器给两相励磁机供电。本实施例中两相逆变器采用双全桥两相逆变器(如图3所示)，电压调制方法采用SVPWM，转速传感器采用旋转变压器。

本发明实施例的系统硬件结构如图4所示，包括：整流电路、滤波电路、双全桥两相逆变器、隔离驱动电路、电流采集电路、速度传感器、电压测量仪器、中央控制器和人机接口电路。其中两相逆变器与三级式无刷同步起动发电系统中的两相励磁机励磁绕组相连。为验证本发明方法的可行性和有效性，利用另外一台原动机拖动此三级式无刷起动发电机从静止加速到一定转速，模拟电机起动过程；利用电压测量仪器测量不同转速下主发电机的反电势大小，进而可以获得主发电机励磁电流随电机转速的变化趋势。另外，实时监测励磁机两相励磁电流，用于验证电流闭环控制的有效性并观测交流励磁向直流励磁切换过程。

实施例包含的具体步骤如下：

1.电机静止时，对两相励磁机励磁绕组施加不同频率不同幅值的两相交流电压，测量不同励磁情况下主发电机励磁电流的大小。由于供电电源的限制，两相逆变器能够逆变的交流电最大有效值为50V。通过比较主发电机励磁电流的大小得到，励磁方式为50V/100Hz时主发电机励磁电流最大且励磁机励磁电流满足要求。所以选择50V/100Hz为两相励磁机静态最佳励磁方式，此时励磁电流矢量幅值为2.3A，即f₀＝100Hz，i_ref＝1.91A。本实施例中两相励磁机极对数p_n＝6，通过公式计算出切换转速n_s＝1000rpm。

2.利用原动机拖动三级式无刷同步起动发电机加速至1200rpm，模拟电机起动过程。在此过程中对两相励磁机进行控制，并观测励磁机两相励磁电流和主发电机反电势。具体如下：

(2.1)通过电流采样模块获取励磁机两相励磁电流的瞬时值，分别记为i_α和i_β。使用公式计算当前励磁电流矢量的幅值，经过直流滤波后记为i_s。

(2.2)计算励磁电流参考值(1.91A)与当前励磁电流值i_s的差，记为电流误差e_i，即e_i＝i_ref-i_s。

(2.3)设置电流闭环PI控制的比例积分系数：K_p＝0.2，K_i＝0.1。对电流误差e_i进行PI调节，计算得到两相励磁机当前调制电压矢量幅值U，即U＝K_p·e_i+K_i∫e_idt。

(2.4)通过转速传感器获取当前电机转速，记为n_r(单位为转/分钟)。

(2.5)将电机当前转速n_r与切换转速1000rpm进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角：

(2.5.1)当n_r<1000时，两相励磁机采用两相交流励磁方式。使用公式计算两相励磁机当前励磁频率f_e。通过角度积分器获得当前调制电压矢量相位角θ，即θ＝∫2πf_edt。

(2.5.2)当n_r＝1000时，进行交直流励磁切换。记上一个控制周期中调制电压矢量相位角为θ_k-1，根据θ_k-1所处的象限获取当前调制电压矢量相位角θ。具体如下：

当θ_k-1处于第一象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第二象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第三象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第四象限时，当前调制电压矢量相位角

(2.5.3)当n_r>1000时，两相励磁机采用直流励磁方式，调制电压矢量相位角保持不变，即θ＝θ_k-1。

(2.6)结合已经得到的当前调制电压矢量幅值和相位角信息，使用SVPWM调制方法获取逆变器所需功率管开关控制信号，并以此信号控制两相逆变器驱动两相励磁机，实现三级式无刷同步起动发电机的励磁功能。

图5为本实施例中主发电机反电势有效值在交流励磁时随电机转速变化的趋势。图6为本实施例中主发电机反电势有效值与电机转速的商(反映主发电机励磁情况，与主发电机励磁电流成正比)在交流励磁时随电机转速变化的趋势。从图中可以看出，随着电机转速的升高，主发电机励磁电流基本保持不变。

图7至图10为励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程的四种情况。从图中可以看出，切换过程很平稳，且切换成直流励磁后，两相直流电大小相等。

Claims (4)

1.一种两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：电机静止时，对两相励磁机励磁绕组施加不同频率不同幅值的两相交流电压，测量各种情况下主发电机励磁电流的大小；所述频率取值为从20Hz到500Hz每隔20Hz取一个值；所述幅值取值为从10V到最大值每隔10V取一个值，其中最大值为两相逆变器在系统直流母线电压下所能逆变出的最大两相交流电压幅值；

选取主发电机励磁电流最大时的励磁机励磁方式作为静态最佳励磁方式，记此最佳励磁方式的励磁频率为f₀，电流幅值为i_ref作为电流闭环控制的参考值；

通过公式计算出切换转速n_s，其中p_n为两相励磁机极对数；

步骤2：电机起动阶段，通过两相励磁机励磁电流闭环控制确定励磁机励磁电压矢量幅值，具体如下：

计算当前励磁电流矢量的幅值i_α和i_β励磁机两相励磁电流的瞬时值；

励磁电流参考值i_ref与当前励磁电流值i_s的差作为电流误差e_i＝i_ref-i_s；

对电流误差e_i进行PI调节，得到两相励磁机当前调制电压矢量幅值U，U＝K_p·e_i+K_i∫e_idt，其中，K_p、K_i分别为励磁电流闭环PI控制器的比例、积分系数，且K_p＞0，K_i＞0；

步骤3：将电机当前转速n_r与切换转速n_s进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角：

当前转速n_r小于切换转速n_s时，两相励磁机采用两相交流励磁方式，且两相交流励磁产生的旋转磁场与电机旋转方向相反；使用公式计算两相励磁机当前励磁频率f_e；通过角度积分器获得当前调制电压矢量相位角θ，θ＝∫2πf_edt；

当前转速n_r等于切换转速n_s时，进行交直流励磁切换；记上一个控制周期中调制电压矢量相位角为θ_k-1，根据θ_k-1所处的象限获取当前调制电压矢量相位角θ；具体如下：

当θ_k-1处于第一象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第二象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第三象限时，当前调制电压矢量相位角

当θ_k-1处于第四象限时，当前调制电压矢量相位角

当前转速n_r大于切换转速n_s时，两相励磁机采用直流励磁方式，调制电压矢量相位角保持不变，即θ＝θ_k-1；

步骤4：结合步骤2所得当前调制电压矢量幅值和步骤3所得当前调制电压矢量相位角，通过电压调制方法获取逆变器所需功率管开关控制信号，并以此信号驱动两相逆变器来控制两相励磁机。

2.根据权利要求1所述两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法，其特征在于：所述的两相逆变器为双单桥两相逆变器、三相全桥逆变器或双全桥两相逆变器。

3.根据权利要求1所述两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法，其特征在于：所述的电压调制方法为空间矢量脉宽调制方法SVPWM或正弦波脉宽调制方法SPWM。

4.根据权利要求1所述两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法，其特征在于：所述的转速传感器为旋转变压器、光电编码器或霍尔传感器。