CN111030528A - 一种用于三级式无刷同步电机的多环调压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于三级式无刷同步电机的多环调压控制方法，涉及同步电机技术领域，实现了不需要对电机进行精确建模，不需要增加额外的DC‑DC变换器。本发明包括：利用三级式无刷同步电机的转速信号，更新电压环的模糊PI控制器的Kp值初始增益；利用模糊PI控制器输出的电流信号与负载电流前馈的电流信号的和，作为励磁电流环的参考值，并进一步获取交流励磁机励磁电流的误差；将误差输入到励磁电流环的PI控制器中，在数字发电机控制器(GCU)中输出PWM信号，来控制三级式无刷同步电机的励磁功率电路中MOSFET的开通或关断，从而控制交流励磁机励磁电流的大小，来维持电压稳定。本发明适用于飞机变频交流发电系统。

Description

一种用于三级式无刷同步电机的多环调压控制方法

技术领域

本发明涉及同步电机技术领域，尤其涉及一种用于三级式无刷同步电机的多环调压控制方法。

背景技术

三级式无刷同步电机由永磁发电机、交流励磁机、旋转整流器和主电机构成，相比于传统的有刷电机取消了电刷和滑环，结构更加安全可靠，是目前飞机变频交流发电系统中应用最广泛的主发电机。飞机变频交流发电系统相比于恒频发电系统结构简单，安全可靠，但是同样为数字电压调节带来了很多问题：一个是永磁发电机在宽转速范围内切换大功率负载时动态特性差的问题；另一个是转速越高，永磁发电机输出电压越高，而此时相同负载下需要的交流励磁机励磁电流越小，因此传统的定PI参数很难满足维持调压系统前向通道的开环增益，维持系统稳定。

针对上述的第一个问题，目前已经有的解决措施，主要是根据三级式无刷同步电机的数学模型来理论推导交流励磁机励磁电流和主电机输出的d轴电流的关系，从而引入d轴电流前馈，来加快动态响应。但是这种解决措施中需要知道转子位置信息，因此需要在发电机控制器中安装位置解码芯片或者采用无位置算法，这就又会使发电机控制器结构或者算法变复杂，大量消耗数字处理器(DSP)的计算资源。并且由于十分依赖于电机精确的模型，而三级式无刷同步电机结构复杂，很难对电机进行精确建模，就算是根据各不同的电机分别花费了大量成本设计关系模型，不同电机在不同工况下的模型也存在比较大的差异，通用性很差。

针对第二个问题也存在一些解决方案，比如：公开号CN103441724的专利在永磁副励磁机和交流励磁机之间加一级DC-DC变换器，设计DC-DC变换器的输入输出特性曲线，使得发电机在任何转速下发电机空载端电压为基准电压时，励磁主功率管的占空比均恒定。但是需要增加额外的DC-DC变换器，会使发电机控制器结构变复杂，并且增加了发电机控制器的重量，不适用于重量限制要求高的航空器。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于三级式无刷同步电机的多环调压控制方法，不需要对电机进行精确建模，通过调节特性来设计三级式无刷同步电机的负载电流前馈，能够很好地适应电机，改善电机在不同转速下切换大功率负载的动态特性；且通过转速反馈就可以保证调压系统前向通道的开环增益不变，从而维持系统稳定性，不需要增加额外的DC-DC变换器。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，提供一种用于三级式无刷同步电机的多环调压控制方法，包括：

利用所述三级式无刷同步电机的转速信号n，更新电压环的模糊PI(比例积分)控制器的Kp值初始增益,其中，Kp值为所述模糊PI控制器中比例控制的系数；

利用所述模糊PI控制器输出的电流信号I_ef1 ^*与负载电流前馈的电流信号I_ef2 ^*的和I_ef ^*，作为励磁电流环的参考值，利用I_ef ^*和三级式无刷同步电机的交流励磁机励磁电流实际反馈值I_ef，获取交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}；

将I_{ef_err}输入到励磁电流环的PI控制器中，在数字发电机控制器(GCU)中输出脉冲宽度调制信号(PWM信号)所述PWM信号用于控制所述三级式无刷同步电机的励磁功率电路中金属氧化物半导体器件(MOSFET)的开通或关断，从而控制交流励磁机励磁电流的大小，来维持电压稳定。

在一方面的第一种可能的实现方式中，所述利用所述三级式无刷同步电机的转速信号n，更新电压环的模糊PI(比例积分)控制器的Kp值初始增益,其中，Kp值为所述模糊PI控制器中比例控制的系数，包括：

获取所述三级式无刷同步电机的电压环的Kp值与所述三级式无刷同步电机的转速信号n的关系曲线，将所述关系曲线拟合为一阶函数关系Kp＝g(n)，其中，

f为永磁发电机输出三相电压的频率信号，p为所述三级式无刷同步电机中永磁发电机的极对数；

根据Kp＝g(n)和所述三级式无刷同步电机当前的转速变化，更新电压环的模糊PI控制器的Kp初始增益。

在一方面的第二种可能的实现方式中，还包括：

获取所述三级式无刷同步电机的调节特性，所述三级式无刷同步电机的调节特性包括：三级式无刷同步电机输出电压不变情况下的三相负载侧交流电流有效值与交流励磁机励磁电流大小的关系；

将三级式无刷同步电机的调节特性拟合为一阶函数关系I_ef1＝f(I_L)，其中I_ef1为利用负载电流有效值根据函数关系推算的当前工况下励磁电流值；

将所述三级式无刷同步电机的电压给定值U_ref减去电压反馈的数字量U_rms，得到电压误差U_err，将U_err输入到模糊PI控制器得到电流信号I_ef1 ^*。

具体的，负载电流的前馈值为

I_ef0为空载状态下三级式无刷同步电机输出额定电压时的交流励磁机励磁电流。

具体的，所述调节特性为：当前需要的交流励磁机励磁电流I_ef，与所述三级式无刷同步电机输出的三相负载侧交流电流有效值I_L的关系曲线。

在一方面的第三种可能的实现方式中，所述获取交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}，包括：

通过I_ef1＝f(I_L)，根据所述三级式无刷同步电机的当前的负载电流，获得的当前需要的励磁电流I_ef1，将I_ef1减去空载状态下的励磁电流I_ef0在乘以3/4得到I_ef2 ^*作为负载电流环的前馈值，之后获取交流励磁机励磁电流的给定量I_ef ^*＝I_ef1 ^*+I_ef2 ^*；

I_{ef_err}等于I_ef ^*减去I_ef。

在一方面的第四种可能的实现方式中，所述三级式无刷同步电机空载时处于电压电流双环控制中；

当所述三级式无刷同步电机的负载电流大于预设值时切入模糊PI多环调压控制。

在一方面的第五种可能的实现方式中，检测永磁发电机输出三相正弦电压信号，并通过过零点比较电路将所述三相正弦电压信号转换为与所述电压信号同频率的方波信号，再根据所述方波信号利用现场可编程门阵列(FPGA)获取所述方波信号的频率，根据所述方波信号的频率计算所述三级式无刷同步电机的转速信息。

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了适用于飞机变频交流发电系统的数字电压调节方法，即三级式无刷同步电机模糊PI多环调压方法，不依赖与电机本身的参数，不需要对电机进行精确建模，只是需要通过实验方法来确定电机的调节特性，通过调节特性来设计三级式无刷同步电机的负载电流前馈，能够很好地适应该电机，能够极大地改善电机在不同转速下切换大功率负载的动态特性，并且不需要增加额外的DC-DC变换器，只需要确定电压环K_p的值与转速的关系，通过转速反馈就可以保证调压系统前向通道的开环增益不变，能很好地维持系统稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1本发明实施例提供的,采用模糊PI多环控制方法的三级式无刷同步电机变频交流发电系统的系统调压框图；

图2本发明实施例提供的,三级式无刷同步电机电压电流环控制的传递函数框图；

图3本发明实施例提供的,电压环PI调节器中Kp与转速n的关系；

图4本发明实施例提供的,8000rpm(rpm表示转/分钟)下交流励磁机励磁电流I_ef与发电机输出三相负载电流有效值I_L的实验曲线；

图5本发明实施例提供的,模糊PI控制器中输入输出变量的隶属度函数；

图6本发明实施例提供的,模糊PI控制器中ΔK_p的规则表；

图7本发明实施例提供的,模糊PI控制器中ΔK_i的规则表；

图8本发明实施例提供的,电机在8000rpm下采用传统的电压电流环控制和采用模糊PI多环控制的输出电压有效值仿真波形；

图9本发明实施例提供的,电机在10000rpm下采用传统的电压电流环控制和采用模糊PI多环控制的输出电压有效值仿真波形；

图10本发明实施例提供的,电机在12000rpm下采用传统的电压电流环控制和采用模糊PI多环控制的输出电压有效值仿真波形。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实施例的设计思路在于：在电压和励磁电流双环控制的基础上加入了负载电流前馈、转速反馈、模糊PI算法，将电压与励磁电流作为被控量，控制量为励磁功率电路的PWM信号。其控制原理为：模糊PI算法加入到电压环实时修正PI参数，电压外环的输出和负载电流前馈量之和作为励磁电流的给定值，转速反馈通过检测发电机输出电压频率来得到转速信息从而实时调整电压环模糊PI的初始增益，提高系统稳定性，励磁电流环根据采集的励磁电流信号和给定值进行比较，对励磁电流进行闭环控制，从而维持电压稳定。

本实施例提供的用于三级式无刷同步电机的多环调压控制方法，包括：

S101，利用所述三级式无刷同步电机的电压环的Kp值，与所述三级式无刷同步电机的转速信号n的近似一阶函数关系Kp＝g(n)，更新电压环的模糊PI控制器的Kp初始增益。

其中，根据三级式无刷同步电机建立的电压电流双环控制框图，为了维持系统前向通道的开环传递函数的开环增益不变，电压环的Kp值需要与转速成反比，可以利用实验找到电压环的Kp值与转速的这一线性函数关系，通过转速反馈实现系统的前向通道开环增益不变，并且不需要额外的电力电子器件。

在本实施例中，设计的模糊控制为Mamdani(曼达尼)型控制器，在电压环中加入模糊PI控制可以根据误差实时改变电压环K_p值与K_I值(K_p为比例控制的系数，K_I为积分控制的系数)，能够很好的与转速反馈相结合，改变模糊PI控制器的初始增益，同时与负载电流前馈相结合，能够更好的控制交流励磁机励磁电流，提高系统的稳态和动态性能。

S102，所述获取所述三级式无刷同步发电机的负载电流的前馈值I_ef2 ^*，和所述模糊PI控制器输出的电流信号I_ef1 ^*。

由于相同的负载电流有效值I_L情况下，转速越高I_ef越小，因此主要考虑在最高转速下的I_ef与I_L曲线设计函数关系，就能够保证负载电流前馈值在所有转速和负载情况下，反馈的励磁电流值都小于实际需要的励磁电流值，使系统维持稳定。

S103，将I_{ef_err}输入到励磁电流环的PI控制器中，在数字发电机控制器中输出PWM信号来控制所述三级式无刷同步电机的励磁功率电路中MOSFET的开通或关断来控制交流励磁机励磁电流的大小从而维持电压稳定。

具体的，S101中，所述利用所述三级式无刷同步电机的电压环的Kp值，与所述三级式无刷同步电机的转速信号n，更新电压环的模糊PI控制器的Kp初始增益，包括：

获取所述三级式无刷同步电机的电压环的Kp值，并得到Kp值与所述三级式无刷同步电机的转速信号n的近似一阶函数关系Kp＝g(n)，其中，

f为永磁发电机输出三相电压的频率信号，p为所述三级式无刷同步电机中永磁发电机的极对数。

根据Kp＝g(n)和当前的转速变化，更新电压环的模糊PI控制器的Kp初始增益。

S102中，所述获取所述三级式无刷同步发电机的负载电流的前馈值I_ef2 ^*，和所述模糊PI控制器输出的电流信号I_ef1 ^*，包括：

获取所述三级式无刷同步发电机的调节特性即输出电压不变情况下，交流励磁机励磁电流I_ef与所述三级式无刷同步电机输出的三相负载侧交流电流有效值I_L的关系曲线；

将三级式无刷同步发电机的调节特性拟合成为一阶函数关系I_ef1＝f(I_L)，其中I_ef1为利用负载电流有效值根据函数关系推算的当前工况下励磁电流值；

将所述三级式无刷同步电机的电压给定值U_ref减去电压反馈的数字量U_rms得到电压误差U_err，将U_err输入模糊PI控制器得到电流信号I_ef1 ^*。

在本实施例的优选方案中，所述三级式无刷同步电机的负载电流的前馈值为

当负载电流的前馈值为

励磁电流环的给定值为

即令I_ef2 ^*从I_ef2 ^*＝I_ef1-I_ef0＝K_pe+K_I∫e(e为电压误差)变为

(K_p为比例控制的系数，K_I为积分控制的系数)因为负载电流的变化速度远远超过电压波动，加入负载电流前馈可以大大缩减PI控制器积分的时间，提高励磁电流的动态速度。(I_ef0为空载状态下三级式无刷同步电机输出额定电压时的交流励磁机励磁电流)

进一步的，所述获取交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}，包括：

通过I_ef1＝f(I_L)，根据所述三级式无刷同步电机的当前的负载电流，获得的当前的励磁电流I_ef1，将I_ef1减去空载状态下的励磁电流I_ef0在乘以3/4得到I_ef2 ^*作为负载电流环的前馈值，之后获取交流励磁机励磁电流的给定量I_ef ^*＝I_ef1 ^*+I_ef2 ^*。I_{ef_err}等于I_ef ^*减去I_ef。

在本实施例中，所述三级式无刷同步电机空载时处于电压电流双环控制中。

当所述三级式无刷同步电机的负载电流有效值大于预设值时切入模糊PI多环调压控制。

具体在本实施例还包括：通过硬件检测永磁发电机输出三相正弦电压信号，并通过过零点比较电路将之转换为与所述电压信号同频率的方波信号，再根据所述方波信号利用FPGA(现场可编程门阵列)获取方波的频率，从而推算出电机的转速信息。其中，电机的转速信息是通过FPGA硬件测频得到的，即FPGA检测永磁发电机输出电压信号转为同频率的方波信号获得的，能够及时快速的检测转速信号。

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了适用于飞机变频交流发电系统的数字电压调节方法，即三级式无刷同步发电机模糊PI多环调压方法，不依赖与电机本身的参数，不需要对电机进行精确建模，只是需要通过实验方法来确定电机的调节特性，通过调节特性来设计三级式无刷同步电机的负载电流前馈，能够很好地适应该电机，能够极大地改善电机在不同转速下切换大功率负载的动态特性，并且不需要增加额外的DC-DC变换器，只需要确定电压环K_p的值与转速的关系，通过转速反馈就可以保证调压系统前向通道的开环增益不变，能很好地维持系统稳定性。

具体举例来说，如图1采用模糊PI多环调压控制方法的三级式无刷同步发电机变频交流发电系统的系统调压框图中：

(1)电压环的Kp值与转速n的关系确定：对三级式无刷同步电机进行电压电流双闭环的发电实验，得到不同转速下发电机电压环的Kp值，建立电压环的Kp值与转速n的关系曲线,得出Kp＝g(n)的近似一阶函数关系。

(2)通过检测永磁发电机(PMG)输出三相电压的频率信号f，可以推算得到发电机的转速信号

p为永磁发电机的极对数。

具体的，获取三级式无刷同步发电机转速信息的方式包括：通过电压比较电路把永磁发电机输出的交流电压信号转为方波信号，光耦隔离后送入FPGA中，利用FPGA测得方波信号的频率为f，可以推算得到发电机的转速信号

p为永磁发电机的极对数。

(3)利用转速信号设计转速反馈，根据电压环的Kp值与转速n的关系Kp＝g(n)，根据转速变化动态改变电压环模糊PI控制器的Kp初始增益，维持系统前向通道总的开环增益不变，提高系统稳定性。

例如图2所示的三级式无刷同步电机电压电流环控制的传递函数控制框图。图2中U_ref为电压给定参考值，U_rms为输出电压有效值，K_P1为电压环的K_P系数，τ₁为电压环PI调节器的时间常数，s指积分符号，i_ef ^*为电压环PI调节器输出的励磁电流给定值，i_ef为实际的励磁电流反馈值，K_P2为电压环的K_P系数，τ₂为电压环PI调节器的时间常数，K_ef为交流励磁机励磁绕组增益，T_ef为交流励磁机励磁绕组时间常数，K_G为交流励磁机到主电机的输出增益，T_g为交流励磁机到主电机的输出时间常数。图2所示的传递函数控制框图推导的系统的开环传递函数可以近似为

(其中

)，因为K_G∝n，为了维持前向通道的开环增益不变，所以

(∝为正比于的意思，n为电机转速)。

转速反馈的方式包括：在计算出转速信号后，根据电压环的Kp值与转速n的关系Kp＝g(n)，动态改变电压环模糊PI控制器的Kp初始增益，维持系统前向通道总的开环增益不变，提高系统稳定性。例如图3所示的转速与发电机电压环Kp的仿真关系曲线。在MATLAB里面建立了三级式无刷同步电机变频交流发电系统模型，来验证转速与电压环Kp的关系，从图3可以看到为了维持输出电压稳定，不产生很大的超调，随着转速的升高，电压环Kp是逐渐减小的，从图3可以看出转速与电压环Kp可以满足一阶函数关系。

(4)交流励磁机励磁电流I_ef和三相负载侧交流电流有效值I_L关系的确定：对三级式无刷同步电机进行不带发电机控制器的开环发电试验，得到三级式无刷同步电机在不同转速、不同负载下输出额定电压115V情况下的交流励磁机励磁电流I_ef和发电机输出的三相负载侧交流电流有效值I_L的关系曲线(三级式无刷同步发电机的调节特性)

(5)根据最高转速下的I_ef与I_L的关系曲线拟合得出一阶函数关系I_ef1＝f(I_L),(其中I_ef1为函数关系推导的利用负载电流前馈算出的当前工况下需要的交流励磁电流值)。例如图4所示的，发电机在8000rpm下，通过开环实验得到的交流励磁机励磁电流I_ef与发电机三相交流侧负载电流有效值I_L的实验关系曲线，从图4中可以看到I_ef与I_L的关系可以近似看做一阶线性的关系，在其它转速下也是近似线性的关系，从中可以拟合出I_ef1＝f(I_L)的函数关系。

(6)负载电流前馈值的确定：在空载时负载电流前馈值为零，当负载电流有效值大于电机功率为10kVA时对应的负载电流有效值时，通过I_ef与I_L的关系曲线得到的函数关系I_ef1＝f(I_L)，利用负载电流来获得的电流信号I_ef1，把I_ef1减去空载状态下的励磁电流I_ef0在乘以3/4得到I_ef2 ^*作为负载电流环的前馈值。

具体的，计算负载电流前馈值的方式包括：在空载时负载电流前馈值为零，当负载电流有效值大于电机功率为10kVA时对应的负载电流有效值时，通过I_ef1＝f(I_L)这一关系利用负载电流来获得的励磁电流I_ef1，把I_ef1减去空载状态下的励磁电流I_ef0在乘以3/4得到

作为负载电流环的前馈值。

具体的，在这其中采集主电机输出三相电流的方式包括：采集发电机输出的三相电流信号i_a、i_b、i_c通过采样电阻转换为电压信号后经过二阶低通滤波器滤波后送入A/D转换芯片转换为数字信号I_A、I_B、I_C，然后将A/D转换芯片输出的数字信号送入微处理器,通过有效值算法算的三相电流有效值I_L。

(7)电压给定值U_ref减去电压反馈的数字量U_rms得到电压误差U_err，电压误差通过模糊PI控制器得到励磁电流I_ef1 ^*。电压环模糊PI控制器K_p和K_I(K_p为比例控制的系数，K_I为积分控制的系数)的变化按照电压误差e和e的导数Δe的变化大小根据规则来改变。图5所示为模糊PI控制器的输入变量(e、Δe)和输出变量(ΔK_p，ΔK_i)的隶属度函数，图5中NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZO为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大。图6为设计的模糊PI控制器ΔK_p(电压环模糊PI控制器K_p的变化量)的规则表的函数，ΔK_p根据电压误差e和e的导数Δe的变化大小通过规则表来变化，从而改变K_P的值。图6中e为电压给定值与反馈值相减得到的误差，Δe为误差e的导数，NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZO为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大。图7为设计的模糊PI控制器ΔK_i(电压环模糊PI控制器K_i的变化量)的规则表的函数，ΔK_i根据电压误差e和e的导数Δe的变化大小通过规则表来变化，从而改变K_i的值。图7中e为电压给定值与反馈值相减得到的误差，Δe为误差e的导数，NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZO为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大。

具体的，采集主电机输出三相电压的方式包括：采集调压点的电压信号u_a、u_b、u_c经过电阻分压后通过变压器隔离后送入A/D转换芯片转换为数字信号U_A、U_B、U_C，然后将A/D转换芯片输出的数字信号送入微处理器,通过有效值算法算的三相电压有效值U_rms

(8)把I_ef ^*＝I_ef1 ^*+I_ef2 ^*作为励磁电流的给定量，交流励磁机励磁电流给定值I_ef ^*减去励磁电流的反馈值I_ef，得到交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}。

具体的：采集交流励磁机励磁电流i_ef的方式包括：采集交流励磁机的励磁电流信号i_ef通过采样电阻转换为电压信号后经过二阶低通滤波器滤波后送入A/D转换芯片转换为数字信号I_ef，然后将A/D转换芯片输出的数字信号送入微处理器,通过有效值算法算的三相电流有效值I_L。

(9)交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}输入到励磁电流环的PI控制器中，输出PWM信号。

具体的，励磁电流环输出的方式包括：交流励磁机励磁电流给定值I_ef ^*减去励磁电流的反馈值I_ef，得到交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}，交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}输入到励磁电流环的PI控制器中，输出PWM信号。

(10)数字发电机控制器通过PWM信号来控制励磁功率电路中MOSFET的开通与关断，从而控制交流励磁机励磁电流的大小，实现电压的闭环控制，来维持电压稳定。

进一步验证的，如图8、图9和图10所示的，分别为电机在8000rpm、10000rpm和12000rpm下采用传统的电压电流环控制和采用模糊PI多环控制的输出电压有效值仿真波形，在0.3s(秒)时突加负载,0.7s(秒)时突卸负载，可以看到采用模糊PI多环调压控制的三级式无刷同步电机在不同转速下变负载都能极大地提高电压调节的动态性能，并且在系统建压时，系统基本做到没有超调，能够更好地维持系统的稳定。

本发明公开了一种三级式无刷同步电机变频交流发电系统控制方法即三级式无刷同步电机模糊PI多环调压控制方法，属于三级式无刷同步发电机变频交流发电系统数字电压调节技术领域。该控制方法在传统的电压和励磁电流双环的基础上，加入了负载电流前馈、转速反馈和模糊PI算法。

该控制方法主要根据三级式无刷同步电机在不同转速和不同负载下交流励磁机励磁电流和主电机负载电流的函数关系，加入了负载电流前馈，并在两环控制系统的传递函数框图上分析了转速对电压环PI调节器的影响，引入了转速反馈,保证了系统在全转速范围内开环增益不变，提高了系统的稳定性，同时根据模糊PI算法适应性强、不依赖模型参数，能够很好地适应变频交流发电系统中发电机参数变化大的特点，加入了模糊PI控制。

总结来说，本发明提供的三级式无刷同步发电机模糊PI多环调压方法具有的有益效果是：

1.本发明不需要增加位置解码芯片或者无位置算法，不占用数字处理器(DSP)的计算资源，不依赖模型参数，不需要对三级式无刷同步发电机进行精确建模，只需要知道三级式无刷同步发电机的调节特性即可，加入负载电流前馈，可以大大加快励磁电流响应速度，从而提高三级式无刷同步发电机在变转速和变负载情况下切换大功率负载的动态性能。

2.本发明不需要增加DC-DC变换器，不增加发电机控制器的重量和体积。只需要知道转速和电压环K_p的关系，设计转速反馈就可以维持调压系统前向通道开环增益不变，提高系统的稳定性。

3.本发明在电压环中加入了模糊PI调节器，模糊PI算法具有不依赖模型参数，自适应型强并且易于实现的特点，能够很好地与负载电流前馈和转速反馈相结合，提高飞机变频交流发电系统的稳态和动态性能。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于三级式无刷同步电机的多环调压控制方法，其特征在于，包括：

利用所述三级式无刷同步电机的转速信号n，更新电压环的模糊PI(比例积分)控制器的Kp值初始增益,其中，Kp值为所述模糊PI控制器中比例控制的系数；

利用所述模糊PI控制器输出的电流信号I_ef1 ^*与负载电流前馈的电流信号I_ef2 ^*的和I_ef ^*，作为励磁电流环的参考值，利用I_ef ^*和三级式无刷同步电机的交流励磁机励磁电流实际反馈值I_ef，获取交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}；

将I_{ef_err}输入到励磁电流环的PI控制器中，在数字发电机控制器(GCU)中输出脉冲宽度调制信号(PWM信号)所述PWM信号用于控制所述三级式无刷同步电机的励磁功率电路中金属氧化物半导体器件(MOSFET)的开通或关断。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述三级式无刷同步电机的转速信号n，更新电压环的模糊PI(比例积分)控制器的Kp值初始增益,其中，Kp值为所述模糊PI控制器中比例控制的系数，包括：

获取所述三级式无刷同步电机的电压环的Kp值与所述三级式无刷同步电机的转速信号n的关系曲线，将所述关系曲线拟合为一阶函数关系Kp＝g(n)，其中，

f为永磁发电机输出三相电压的频率信号，p为所述三级式无刷同步电机中永磁发电机的极对数；

根据Kp＝g(n)和所述三级式无刷同步电机当前的转速变化，更新电压环的模糊PI控制器的Kp初始增益。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

获取所述三级式无刷同步电机的调节特性，所述三级式无刷同步电机的调节特性包括：三级式无刷同步电机输出电压不变情况下的三相负载侧交流电流有效值与交流励磁机励磁电流大小的关系；

将三级式无刷同步电机的调节特性拟合为一阶函数关系I_ef1＝f(I_L)，其中I_ef1为利用负载电流有效值根据函数关系推算的当前工况下励磁电流值；

将所述三级式无刷同步电机的电压给定值U_ref减去电压反馈的数字量U_rms，得到电压误差U_err，将U_err输入到模糊PI控制器得到电流信号I_ef1 ^*。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，负载电流的前馈值为

I_ef0为空载状态下三级式无刷同步电机输出额定电压时的交流励磁机励磁电流。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述调节特性为：当前需要的交流励磁机励磁电流I_ef，与所述三级式无刷同步电机输出的三相负载侧交流电流有效值I_L的关系曲线。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取交流励磁机励磁电流的误差I_{ef_err}，包括：

通过I_ef1＝f(I_L)，根据所述三级式无刷同步电机的当前的负载电流，获得的当前需要的励磁电流I_ef1，将I_ef1减去空载状态下的励磁电流I_ef0在乘以3/4得到I_ef2 ^*作为负载电流环的前馈值，之后获取交流励磁机励磁电流的给定量I_ef ^*＝I_ef1 ^*+I_ef2 ^*；

I_{ef_err}等于I_ef ^*减去I_ef。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三级式无刷同步电机空载时处于电压电流双环控制中；

当所述三级式无刷同步电机的负载电流大于预设值时切入模糊PI多环调压控制。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测永磁发电机输出三相正弦电压信号，并通过过零点比较电路将所述三相正弦电压信号转换为与所述电压信号同频率的方波信号，再根据所述方波信号利用现场可编程门阵列(FPGA)获取所述方波信号的频率，根据所述方波信号的频率计算所述三级式无刷同步电机的转速信息。

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