CN105471350B

CN105471350B - 基于二阶线性adrc的航空交流起动/发电机动态起动控制方法

Info

Publication number: CN105471350B
Application number: CN201510996052.3A
Authority: CN
Inventors: 孟涛; 刘卫国; 彭纪昌; 庞基; 孙承浩; 姜宇
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-12-12
Anticipated expiration: 2035-12-28
Also published as: CN105471350A

Abstract

本发明涉及一种基于二阶线性ADRC的航空交流起动/发电机动态起动控制方法，针对不同的起动转速，选择合理参数，实现了电机的带转速平稳起动功能，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；取消了经典PID调节器的使用，避免了由于误差积分反馈带来的闭环系统反应迟钝、容易产生震荡和控制量饱和等副作用。

Description

基于二阶线性ADRC的航空交流起动/发电机动态起动控制方法

技术领域

本发明属于交流电机传动控制技术领域，具体涉及一种基于二阶线性ADRC的航空交流起动/发电机动态起动控制方法，是在航空交流起动/发电机在转速不为零时进行起动的控制方法，采用二阶线性自抗扰控制器(ADRC)实现系统调节的控制方法，

背景技术

在航空大功率交流电源系统中，起动/发电一体化技术不仅能省去专门的起动机构，有效减小飞机重量、提高可靠性，还有利于将发电机与发动机集成，具有明显的优点，一体化已成为飞机电源系统的必然趋势。

国内已开展航空交流电机起动控制策略的相关研究工作，其控制策略主要是传统的矢量控制和直接转矩控制，基于实验条件等原因的限制，大多研究还未进入实验阶段。西北工业大学提出一种通过直接控制电压矢量模值及电压矢量与主发电机转子夹角的方法，实现了系统起动/发电一体化功能，采用一台三级式电励磁同步电机及MAGTROL公司的加载台完成了起动实验，但未考虑到电机在高转速情况下进行起动的情况。

航空发动机在起动过程中，由于干扰导致系统起动失败的情况在所难免。起动失败后，发动机油管中会存留大量的高温航空燃油，若不及时将油管中的燃油甩出，很可能会因燃油复燃损坏发动机，更严重者会发生爆炸，造成重大事故。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，出于对发动机安全性的考虑，需要在转速降为零之前就将电机再次起动排出燃油并冷却航空发动机。这种电机在转速较高情况下再次起动的状态称为电机动态起动。

航空交流起动/发电系统原理如图1所示，目前动态起动时还面临如下问题：基于参数整定方便等原因，控制系统所用调节器皆为经典的PID调节器，由于误差积分反馈的应用，常常使闭环系统的反应迟钝、容易产生震荡和控制量饱和等副作用；该起动系统负载惯量及摩擦阻力较大，动态起动前电机以较大加速度减速运行，若此时仍使用经典PID调节器进行调节，容易出现积分饱和、反应滞后现象，这就增大了电机实际运行状态与给定工作状态之间的误差，使得动态起动过程出现电流震荡现象，严重时则导致起动失败。

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，本发明提出一种基于二阶线性ADRC的航空交流起动/发电机动态起动控制方法，实现发动机在高转速下动态起动时平稳起动的功能，提高系统的快速响应能力及抗干扰性能。

技术方案

一种基于二阶线性ADRC的航空交流起动/发电机动态起动控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据获取的转子位置信息，计算得到电机当前转速；

步骤2：采集主发电机定子A相和C相电流i_A、i_C，计算B相电流i_B＝-(i_A+i_C)，在三相坐标系ABC下定子电流矢量i_s表示为i_s＝i_A+ai_B+a²i_C，式中，为复数运算符号，其作用是使一个向量沿逆时针方向旋转120°；

步骤3：通过Clarke变换将ABC坐标系变换到两相静止坐标系αβ0，得在αβ0坐标系下沿α轴的分量沿β轴的分量定子三相电流在dq0坐标系下沿d、q轴的分量为i_d、i_q，采用Park变换将αβ0坐标系变换到dq0坐标系，得式中为d轴与α轴的夹角；

步骤4：设定动态起动转速ω_r0，

当0<ω_r0≤ω_r1＝500r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组1中的参数值；

当ω_r1<ω_r0≤ω_r2＝1000r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组2中的参数值；

当ω_r2<ω_r0≤ω_r3＝1500r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组3中的参数值；

当ω_r3<ω_r0≤ω_r4＝2000r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组4中的参数值；

当ω_r4<ω_r0≤ω_r5＝2500r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组5中的参数值；

当ω_r5<ω_r0≤ω_r6＝3000r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组6中的参数值；

所述参数组1～参数组6的参数值由以下方式得到：

将电机动态起动转速范围区间(0，3000rpm]等间隔划分为六个小范围区间：(0，500rpm]、(500rpm，1000rpm]、(1000rpm，1500rpm]、(1500rpm，2000rpm]、(2000，2500rpm]、(2500rpm，3000rpm]，在不同转速区间下，整定速度环ADRC调节器参数，使在该参数组下的系统输出转矩波动最小、响应最快，依次记录从小到大各转速区间对应参数组为参数组1、参数组2、参数组3、参数组4、参数组5、参数组6；

步骤5：将电机转速参考值和电机转速反馈值ω_r作差，然后输入速度环ADRC进行调节，二阶线性ADRC调节器输出值即为下一时刻定子三相电流在dq0坐标系下沿q轴方向的电流分量参考值i_q*；

步骤6：设定q轴电流环二阶线性ADRC调节器的调节参数，将q轴方向电流分量参考值i_q*和解算出的当前主发电机定子电流在q轴方向的电流分量i_q作差输入q轴电流环ADRC进行调节，二阶线性ADRC调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿q轴方向的电压分量参考值u_q*；

设定d轴电流环二阶线性ADRC调节器的调节参数，将d轴方向电流分量参考值i_d*和解算出的当前主发电机定子电流在d轴的电流分量i_d作差输入d轴电流环ADRC进行调节，二阶线性ADRC调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿d轴方向的电压分量参考值u_d*；

步骤7：u_d*、u_q*通过dq0坐标系到αβ0坐标系的变换得到定子电压在α轴、β轴的坐标分量根据空间矢量调制方法(SVPWM)对电压矢量u_s*＝u_α*+u_β*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二阶线性ADRC的航空交流起动/发电机动态起动控制方法，具有以下优点：1)针对不同的起动转速，选择合理参数，实现了电机的带转速平稳起动功能，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；2)取消了经典PID调节器的使用，避免了由于误差积分反馈带来的闭环系统反应迟钝、容易产生震荡和控制量饱和等副作用。

附图说明

图1：航空交流起动/发电系统结构示意图

图2：动态起动系统控制原理图

图3：坐标系变换关系图

图4：空间电压矢量u_s*合成图

图5：二阶线性ADRC调节器

图6：航空交流电机起动系统仿真模型

图7：起动转速为300(r/min)的动态起动速度转矩图

图8：起动转速为800(r/min)的动态起动速度转矩图

图9：起动转速为1300(r/min)的动态起动速度转矩图

图10：起动转速为1800(r/min)的动态起动速度转矩图

图11：起动转速为2300(r/min)的动态起动速度转矩图

图12：起动转速为2800(r/min)的动态起动速度转矩图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

搭建基于MATLAB(2013b)模块的仿真模型如图5所示，仿真中电机参数如下。励磁机参数：极对数n_p1＝6，转子相绕组电阻R_r1＝0.1Ω，定子绕组R_s1＝3Ω，直轴同步电感L_d1＝2mH，交轴同步电感L_q1＝0.1mH，等效励磁电感L_mf1＝70mH；主发电机参数：极对数n_p2＝3，定子相绕组电阻R_s2＝0.01Ω，转子绕组R_r2＝0.6Ω，直轴同步电感L_d2＝0.4mH，交轴同步电感L_q2＝0.2mH，等效励磁电感L_mf2＝5mH。

实施例包含的具体步骤如下：

(1)根据转子位置信息，计算电机当前转速；

(2)采集主发电机定子A相和C相电流i_A、i_C，并由此计算出B相电流及定子电流矢量i_s；

(3)主发电机定子通过Clarke变换得到i_α、i_β，i_α、i_β通过Park变换得到i_d、i_q；

(4)设定动态起动转速ω_r0，当0<ω_r0≤ω_r1＝500r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组1中的参数值，当ω_r1<ω_r0≤ω_r2＝1000r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组2中的参数值，当ω_r2<ω_r0≤ω_r3＝1500r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组3中的参数值，当ω_r3<ω_r0≤ω_r4＝2000r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组4中的参数值，当ω_r4<ω_r0≤ω_r5＝2500r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组5中的参数值，当ω_r5<ω_r0≤ω_r6＝3000r/min时，速度环ADRC调节器选用离线整定得到的参数组6中的参数值；

所述参数组1～参数组6的参数值由以下方式得到：

将电机动态起动转速范围区间(0，3000rpm]等间隔划分为六个小范围区间：(0，500rpm]、(500rpm，1000rpm]、(1000rpm，1500rpm]、(1500rpm，2000rpm]、(2000，2500rpm]、(2500rpm，3000rpm]，在不同转速区间下，整定速度环ADRC调节器参数，使在该参数组下的系统输出转矩波动最小、响应最快，依次记录从小到大各转速区间对应参数组为参数组1、参数组2、参数组3、参数组4、参数组5、参数组6，具体参数如表格1所示；

(5)依据表格1中的参数，对电机转速参考值和电机转速反馈值ω_r进行速度环ADRC调节，二阶线性ADRC调节器输出值即为下一时刻定子三相电流在dq0坐标系下沿q轴方向的电流分量参考值i_q*；

(6)设定q轴电流环二阶线性ADRC调节器的调节参数分别为ADRC_U_q_k1＝4000，ADRC_U_q_k2＝100，ADRC_U_q_bet1＝2，ADRC_U_q_bet2＝0.005，ADRC_U_q_bet01＝30，ADRC_U_q_bet02＝10，ADRC_U_q_bet03＝0.01,ADRC_U_q_b01＝0.1，ADRC_U_q_b0＝10，限幅范围为(0，400A)，依据q轴方向电流分量参考值i_q*和解算出的当前主发电机定子电流在q轴方向的电流分量i_q进行q轴电流环ADRC调节，二阶线性ADRC调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿q轴方向的电压分量参考值u_q*；

(7)设定d轴电流环二阶线性ADRC调节器的调节参数分别为ADRC_U_d_k1＝4000，ADRC_U_d_k2＝10，ADRC_U_d_bet1＝5，ADRC_U_d_bet2＝0.005，ADRC_U_d_bet01＝50，ADRC_U_d_bet02＝5，ADRC_U_d_bet03＝0.01,ADRC_U_d_b01＝0.1，ADRC_U_d_b0＝10，限幅范围为(0，400A)，依据d轴方向电流分量参考值i_d*和解算出的当前主发电机定子电流在d轴的电流分量i_d进行d轴电流环ADRC调节，二阶线性ADRC调节器输出值即为下一时刻定子三相电压在dq0坐标系下沿d轴方向的电压分量参考值u_d*；

(8)将幅值为u_f*＝210V、频率为200Hz单向交流电经单向全桥逆变后施加到励磁机上，电压矢量u_s*则通过三相逆变施加到主发电机上，系统运行原理如图2所示。

(9)最终得到动态起动结果如图7～图12所示。

表格1离线整定参数组1～参数组6的参数值

Claims

1.一种基于二阶线性ADRC的航空交流起动/发电机动态起动控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据获取的转子位置信息，计算得到电机当前转速；

步骤4：设定动态起动转速ω_r0，

所述参数组1～参数组6的参数值由以下方式得到：

步骤7：u_d*、u_q*通过dq0坐标系到αβ0坐标系的变换得到定子电压在α轴、β轴的坐标分量根据空间矢量调制方法SVPWM对电压矢量u_s*＝u_α*+u_β*进行矢量合成，得到三相逆变器所需要的开关控制信号。