CN107425763B - 一种航空多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法，将电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*叠加到励磁机平均电磁转矩的参考值上，得到励磁机电磁转矩的参考值以励磁机电磁转矩参考值与反馈值T_e作差，得到励磁机定子交轴电流参考值i_sq ^*。将励磁机交轴电流参考值i_sq ^*与反馈值i_sq作差，得到励磁机定子交轴电压参考值u_sq ^*。由直交轴电压分量的给定值u_sd ^*、u_sq ^*以及励磁机的转子磁链位置θ_m得到空间电压矢量的参考值，根据空间矢量脉宽调制方法进行矢量合成，得到逆变器所需要的控制信号。有益效果：实现同时对多级式电机主电机励磁电流和励磁机电磁转矩的控制；降低了多级式电机转矩输出轴上起动转矩的波动，提高安全性和可靠性。

Description

一种航空多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法

技术领域

本发明属于交流电机传动控制技术领域，涉及一种航空多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法。

背景技术

航空发动机是飞机的核心组成部分，其性能优劣对飞机的性能起着至关重要的作用。多电发动机作为先进多电/全电飞机的动力核心，目前已被广泛确立为航空发动机的主要发展方向。起动/发电功能一体化是先进多电发动机的重要特征之一，不但优化了发动机传动链，而且有效缩减了系统体积重量，降低了系统复杂度，提高了系统可靠性。考虑到对现有航空发电机技术的延续与接轨，目前在中、大型飞机上最常用也是国外已经实现装机的是基于多级式(两级式或三级式)电励磁同步电机(以下简称多级式电机)的起/发系统，其主要结构特点是包括定、转子分别一体化组装的励磁机、旋转整流器和主电机等部件，其中，励磁机为电枢旋转式发电机，其定子绕组有多种结构形式；主电机为带有阻尼绕组的电励磁同步电机，旋转整流器与励磁机及主电机同轴安装；副励磁机为磁极旋转式永磁同步电机。由于多级式电机的发电技术已经成熟，目前的研究主要集中在起动控制上。

多级式电机在起动过程中的无位置传感器技术是目前研究的热点问题，而高频信号注入法是无位置传感器技术中经常采用的方法。但是，由于注入的高频信号对于多级式电机的驱动控制来说属于干扰信号，使得电机轴上输出的起动转矩存在较为明显的波动。寄生在稳态起动转矩之上的波动转矩分量，会导致传动链上相关部件的高频谐振，在经历多次反复的起动后，导致部件应力疲劳、寿命缩短乃至失效，从而对发动机系统的安全性造成威胁。因此，抑制高频注入信号引起的起动转矩波动，对于提高系统的安全性和可靠性非常关键。

在高频信号注入引起的电磁转矩波动抑制方面，目前的方法多数都是从高频信号的注入方式方面进行考虑，通常方法较为复杂，需要在注入信号的大小和转矩波动的大小两方面进行折中考虑，有可能影响到高频注入的效果，进一步影响无位置传感器控制的结果。因此，结合多级式电机的结构特点，对高频注入信号的引起的起动转矩波动进行抑制具有重要意义。

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多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法，解决航空多级式电励磁同步电机起动过程中高频注入信号带来的起动转矩波动问题。

技术方案

一种航空多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据主电机电磁转矩波动的大小以及主电机电磁转矩和励磁机电磁转矩的方向关系，确定电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*，具体步骤如下：

(a)计算主电机的电磁转矩，通过高通滤波器得到主电机的电磁转矩波动；

(b)如果主电机电磁转矩和励磁机电磁转矩的方向相同，那么电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*的波动方向应与主电机电磁转矩波动的方向相反；如果主电机电磁转矩和励磁机电磁转矩的方向相反，那么电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*的波动方向应与主电机电磁转矩波动的方向相同；

(c)将ΔT_e ^*叠加到励磁机平均电磁转矩的参考值上，得到励磁机电磁转矩的参考值

所述电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*的幅值大小和主电机的电磁转矩波动的幅值大小相同；

步骤2：采集励磁机定子的三相电流i_ABC、电压u_ABC和转速ω_r，通过坐标变换式1和式2、励磁机定子电压方程式3以及电磁转矩方程式4建立观测器，得到励磁机的转子磁链位置θ_m式5、定子交轴电流i_sq式6：

所述坐标变换为：

所述励磁机定子电压方程式：

所述转矩方程式：

所述励磁机的转子磁链位置θ_m：

所述定子交轴电流i_sq：

i_sq＝-i_sαsinθ_m+i_sβcosθ_m (6)

步骤3：将励磁机电磁转矩参考值与反馈值T_e作差，差值通过PI调节器得到励磁机定子交轴电流参考值i_sq ^*；

步骤4：将励磁机交轴电流参考值i_sq ^*与反馈值i_sq作差，差值通过PI调节器得到励磁机定子交轴电压参考值u_sq ^*；

步骤5：由直交轴电压分量的给定值u_sd ^*、u_sq ^*以及励磁机的转子磁链位置θ_m得到空间电压矢量的参考值，根据空间矢量脉宽调制方法进行矢量合成，得到逆变器所需要的控制信号。

所述励磁机定子直轴电压参考值u_sd ^*以及平均电磁转矩参考值通过查表法获得，具体步骤如下：

(a)在励磁机转速给定以及转差频率固定的情况下，在励磁机的定子绕组上以给定的步长施加不同幅值的三相对称电压，得到稳态时励磁机定子直轴电压u_sd以及平均电磁转矩进一步得到以三维坐标(i_f,ω_r,u_sd)、进行表示的数据表；以给定的步长改变励磁机的转速给定，重复上述过程；

(b)对数据表进行曲面拟合，得到查找表；

(c)根据主电机励磁电流参考值i_f ^*以及励磁机转速ω_r，在查找表中找到对应的励磁机定子直轴电压参考值u_sd ^*以及平均电磁转矩参考值

所述的2个PI调节器的参数，需要根据系统的性能要求进行调节。

有益效果

本发明提出的一种航空多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法，将电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*叠加到励磁机平均电磁转矩的参考值上，得到励磁机电磁转矩的参考值以励磁机电磁转矩参考值与反馈值T_e作差，得到励磁机定子交轴电流参考值i_sq ^*。将励磁机交轴电流参考值i_sq ^*与反馈值i_sq作差，得到励磁机定子交轴电压参考值u_sq ^*。由直交轴电压分量的给定值u_sd ^*、u_sq ^*以及励磁机的转子磁链位置θ_m得到空间电压矢量的参考值，根据空间矢量脉宽调制方法进行矢量合成，得到逆变器所需要的控制信号。

本发明方法具有以下有益效果：

(1)实现了同时对多级式电机主电机励磁电流和励磁机电磁转矩的控制；

(2)降低了多级式电机转矩输出轴上起动转矩的波动，提高了系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1：控制原理框图

图2：三级式电机结构图

图3：励磁机直轴电压拟合曲面

图4：励磁机电磁转矩拟合曲面

图5：高频信号注入时主电机的电磁转矩

图6：仿真结果

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

为验证本发明方法，采用Matlab/Simulink进行仿真验证，多级式电机的结构如图2所示，其中励磁机的定子绕组是三相结构，其他结构的励磁机也可采用类似的思路进行起动转矩波动的抑制。仿真中采用Simscape语言搭建了多级式电机主电机与励磁机的仿真模型，利用Simulink自带的二极管搭建了旋转整流器，励磁机的转子绕组通过旋转整流器和主电机的励磁绕组相连接。由于副励磁机在本方法中不起作用，所以在仿真模型中不进行考虑。仿真模型中包含有两个控制模块，一个为主电机的起动控制模块，控制策略为矢量控制；另一个为励磁机的控制模块，控制策略如图1所示。设定主电机的负载转矩为50Nm，励磁机的电磁转矩方向与主电机的电磁转矩方向相反。当在主电机的直轴上注入一个幅值为6V，频率为500Hz的高频信号时，其电磁转矩如图5所示，可以看出，50Nm的输出转矩上叠加了一个幅值为5Nm，频率为500Hz的高频波动转矩。下面介绍实施例包含的具体步骤：

1.根据主电机励磁电流参考值i_f ^*以及励磁机转速ω_r，通过查表法得到励磁机定子直轴电压参考值u_sd ^*以及平均电磁转矩参考值具体步骤如下：

(1.1).设定励磁机的转差频率为100Hz，励磁机给定转速分别为0rpm，200rpm，400rpm，600rpm，800rpm，1000rpm，在每个转速下施加幅值分别为50V，60V，70V，80V，90V，100V的三相对称电压。通过仿真，得到每一个仿真条件下稳态时的定子直轴电压u_sd以及平均电磁转矩并以三维坐标(i_f,ω_r,u_sd)、的形式进行表示。

(1.2).对数据表进行曲面拟合，得到查找表，如图3、图4所示。

(1.3).根据主电机励磁电流参考值i_f ^*以及励磁机转速ω_r，在查找表中找到对应的励磁机定子直轴电压参考值u_sd ^*以及平均电磁转矩参考值

2.得到励磁机电磁转矩的参考值具体步骤如下：

(2.1).检测主电机电磁转矩波动的大小。

(2.2).仿真中，由于设定了主电机电磁转矩和励磁机电磁转矩的方向相反，所以电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*的波动方向应与主电机电磁转矩波动的方向相同。

(2.3).通过得到励磁机电磁转矩的参考值。

3.观测励磁机的定子交轴电流i_sq、转子磁链位置θ_m和电磁转矩T_e，具体步骤如下：

(3.1).通过式(7)、(8)所示的坐标变换公式，将采样得到的励磁机定子的三相电流i_ABC、电压u_ABC，变换为αβ0坐标系中的i_sα、i_sβ，u_sα、u_sβ。

(3.2).通过式(9)，得到励磁机的αβ0坐标系中的磁链分量ψ_sα、ψ_sβ，磁链的观测除了使用式(9)使用的电压模型，也可以根据需要选择其他的观测模型。

(3.3).通过式(10)-(11)，得到励磁机的电磁转矩T_e和励磁机的转子磁链位置θ_m。

(3.4).通过式(12)，得到励磁机的定子交轴电流i_sq。

i_sq＝-i_sαsinθ_m+i_sβcosθ_m (12)

4.将励磁机电磁转矩参考值与反馈值T_e作差，差值通过PI调节器得到励磁机定子交轴电流参考值i_sq ^*。

(4.1).设定转矩环PI调节器的调节参数

(4.2).由以下步骤获得交轴电流的给定值i_sq ^*：

(4.2.1).

(4.2.2).

5.将励磁机交轴电流参考值i_sq ^*与反馈值i_sq作差，差值通过PI调节器得到励磁机定子交轴电压参考值u_sq ^*。

(5.1).设定电流环PI调节器的调节参数K_pi、K_ii。

(5.2).由以下步骤获得交轴电压的给定值u_sq ^*：

(5.2.1).

(5.2.2).

6.由直交轴电压分量的给定值u_sd ^*、u_sq ^*，得到给定的空间电压矢量，根据空间矢量脉宽调制方法进行矢量合成，得到逆变器所需要的控制信号，具体步骤如下：

(6.1).根据励磁机转子磁链位置θ_m、查表得出的直轴电压给定值u_sd ^*以及由(5.2)得出的励磁机交轴电压给定值u_sq ^*，由式(13)计算电压矢量在αβ坐标系下的分量：

(6.2).根据空间矢量脉宽调制方法来进行电压矢量合成，通过变器所驱动电机，实现控制功能。

最终获得仿真结果如图6所示，可以看出励磁机的电磁转矩上也叠加了一个幅值为5Nm，频率为500Hz的高频转矩波动。当励磁机的电磁转矩对主电机的电磁转矩波动进行补偿后，在多级式电机的转矩输出轴上的转矩波动明显降低。

Claims (2)

1.一种航空多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据主电机电磁转矩波动的大小以及主电机电磁转矩和励磁机电磁转矩的方向关系，确定电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*，具体步骤如下：

(a)计算主电机的电磁转矩，通过高通滤波器得到主电机的电磁转矩波动；

(b)如果主电机电磁转矩和励磁机电磁转矩的方向相同，那么电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*的波动方向应与主电机电磁转矩波动的方向相反；如果主电机电磁转矩和励磁机电磁转矩的方向相反，那么电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*的波动方向应与主电机电磁转矩波动的方向相同；

(c)将ΔT_e ^*叠加到励磁机平均电磁转矩的参考值上，得到励磁机电磁转矩的参考值

所述电磁转矩波动补偿的参考值ΔT_e ^*的幅值大小和主电机的电磁转矩波动的幅值大小相同；

步骤2：采集励磁机定子的三相电流i_ABC、电压u_ABC和转速ω_r，通过坐标变换式(1)和式(2)、励磁机定子电压方程式(3)以及电磁转矩方程式(4)建立观测器，得到励磁机的转子磁链位置θ_m式(5)、定子交轴电流i_sq式(6)：

所述坐标变换为：

所述励磁机定子电压方程式：

所述转矩方程式：

所述励磁机的转子磁链位置θ_m：

所述定子交轴电流i_sq：

i_sq＝-i_sαsinθ_m+i_sβcosθ_m (6)

步骤3：将励磁机电磁转矩参考值与反馈值T_e作差，差值通过PI调节器得到励磁机定子交轴电流参考值i_sq ^*；

步骤4：将励磁机交轴电流参考值i_sq ^*与反馈值i_sq作差，差值通过PI调节器得到励磁机定子交轴电压参考值u_sq ^*；

步骤5：由直交轴电压分量的给定值u_sd ^*、u_sq ^*以及励磁机的转子磁链位置θ_m得到空间电压矢量的参考值，根据空间矢量脉宽调制方法进行矢量合成，得到逆变器所需要的控制信号。

2.根据权利要求1所述航空多级式电励磁同步电机转矩波动抑制方法，其特征在于：

所述励磁机定子直轴电压参考值u_sd ^*以及平均电磁转矩参考值通过查表法获得，

具体步骤如下：

(a)在励磁机转速给定以及转差频率固定的情况下，在励磁机的定子绕组上以给定的步长施加不同幅值的三相对称电压，得到稳态时励磁机定子直轴电压u_sd以及平均电磁转矩进一步得到一组三维坐标(i_f,ω_r,u_sd)、以给定步长改变励磁机定子绕组的三相对称电压幅值以及励磁机的转速，重复上述过程，进而得到多组三维坐标(i_f,ω_r,u_sd)、

(b)对获得的多组三维坐标进行曲面拟合，得到查找表；

(c)根据主电机励磁电流参考值i_f ^*以及励磁机转速ω_r，在查找表中找到对应的励磁机定子直轴电压参考值u_sd ^*以及平均电磁转矩参考值