CN111371225A - 一种双绕组永磁电机发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的双绕组永磁电机发电系统，主要包括：双绕组永磁电机，所述双绕组永磁电机定子绕组采用星型连接方式，具有两个独立的中性点，且所述中性点相互解耦；所述电气负载吸收永磁电机输出的电能；二合一变换器，二合一变换器的交流侧分别和双绕组永磁电机的两套绕组输出端相连，二合一变换器直流侧正极连接至电气负载的正极，二合一变换器直流侧负极连接至电气负载的负极；上位机，通过CAN总线将母线电压指令值发送给二合一变换器，同时通过CAN总线接收二合一变换器生成的电机状态信息。有益效果：将原先的对销轴安装孔的钻孔加工工序分割成若干工位分别进行钻孔加工，每个工位对安装孔的一段内壁进行加工，降低了钻孔时产生的切削量，提高了加工精度，进而保证了产品的质量。

Description

一种双绕组永磁电机发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种双绕组永磁电机发电系统及其控制方法。

背景技术

与传统飞机相比，多电飞机在发电、配电和用电方面将更高效，更加可靠。然而，随着多电飞机用电容量的增加，对电力系统提出了非常严格的要求，如发电容量、电能质量、可靠性和系统稳定性有关的问题。因此，发电机将对飞机的电力系统产生重大影响。永磁发电机(PMG)以其功率密度高、效率高、动态响应快、无刷运行等优点，在多电飞机中的应用具有一定的优势。

飞机发电系统的一个关键要求是一定程度的容错能力，例如在发电机或其相应变换器发生单点故障时，发电系统能够在额定功率或接近额定功率的情况下继续运行。容错型永磁发电机，具有大的气隙，能够适应热膨胀和高速运行，在提高可靠性的同时输出性能基本保持不变。因此，容错型永磁发电机，特别是多相永磁发电机，得到了广泛的研究和应用。

双绕组永磁电机比普通的永磁电机多一套电枢绕组，两套电枢绕组可以采用同相位设计或者移相30度电角度设计，两套电枢绕组可以由两套变换器独立的控制，也可以由二合一变换器控制，该二合一变换器集成了两套主功率电路，在母线侧并联，并且采用一个主控芯片，能够减小发电系统的体积和重量。双绕组的设计使得每套绕组需要输出的功率相对减小，减轻了变换器的电流应力；当其中一套绕组或者主功率电路出现故障时，另一套正常的绕组和主功率电路仍能输出一定的功率，因此，双绕组永磁发电机具有控制灵活、可靠性高、容错能力强的优点，在航空主电源、车载发电以及船舰发电领域具有很好的应用前景。

目前，对双绕组永磁电机的研究主要还是集中在本体设计，电动以及容错控制上，包括电机绕组开路、短路的容错控制。然而，对于双绕组永磁电机发电系统，相应的发电控制策略以及容错控制策略研究较少。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种双绕组永磁电机发电系统及其控制方法，具体由以下技术方案实现：

所述双绕组永磁电机发电系统，主要包括：

双绕组永磁电机，所述双绕组永磁电机定子绕组采用星型连接方式，具有两个独立的中性点，且所述中性点相互解耦；所述电气负载吸收永磁电机输出的电能；二合一变换器，二合一变换器的交流侧分别和双绕组永磁电机的两套绕组输出端相连，二合一变换器直流侧正极连接至电气负载的正极，二合一变换器直流侧负极连接至电气负载的负极；

上位机，通过CAN总线将母线电压指令值发送给二合一变换器，同时通过CAN总线接收二合一变换器生成的电机状态信息。

所述双绕组永磁电机发电系统的进一步设计在于，还包括，

旋转变压器，用于反馈电机转子位置信号；

电流传感器，用于实时检测两套绕组中的电流；

电压传感器，用于实时检测电气负载两端电压；

热敏电阻，用于实时检测电机电枢绕组温度；

所述双绕组永磁电机发电系统的进一步设计在于，所述二合一变换器包括：两套三相桥臂、两直流滤波电容、两套采样调理电路、两套解码电路、两套驱动放大隔离电路以及数字信号处理单元，所述每套采样调理电路、解码电路分别与所述数字信号处理单元通信连接，数字信号处理单元分别通过一套驱动放大隔离电路与相应的三相桥臂通信连接，每个三相桥臂与一个对应的直流滤波电容并联；数字信号处理单元根据检测到的电流信号、母线电压信号、电机转子位置角以及上位机发送的母线电压指令进行矢量控制运算，并将计算出的PWM信号通过驱动放大隔离电路输出至三相桥臂，控制开关管动作，使永磁电机按照控制指令运行。

所述双绕组永磁电机发电系统的进一步设计在于，所述三相桥臂由六个带反并联二极管的开关管两两并联而成。

所述双绕组永磁电机发电系统的进一步设计在于，旋转变压器输出电机转子位置信息，通过解码电路计算得到永磁电机转子位置角，并将转子位置角发送给数字信号处理单元；将检测到的电流信号、电压信号以及温度信号通过采样调理电路发送至数字信号处理单元。数字信号处理单元采用DSP加FPGA的架构，DSP中实现矢量控制算法，电机温度采样，故障保护以及和上位机通信，FPGA中实现电机绕组电流采样，母线电压采样，电机位置信号读取以及PWM波形的输出。

所述双绕组永磁电机发电系统的进一步设计在于，所述电流传感器采用霍尔电流传感器检测两套绕组中的电流；所述热敏电阻采用PT100热敏电阻分别检测电机两套绕组温度。

所述双绕组永磁电机发电系统的进一步设计在于，并且两套绕组采用同相位设计。

根据所述双绕组永磁电机发电系统提供一种双绕组永磁电机发电控制方法和容错控制方法，该方法基于所述双绕组永磁电机发电系统，包括如下步骤：

步骤1)发电过程中，二合一变换器通过CAN总线接收来自上位机的母线电压指令，根据反馈的母线电压，得到母线电压指令和反馈值的差值，该差值经过电压环PI调节器得到一套绕组的转矩电流指令值，另一套绕组的转矩电流指令值同样由母线电压指令和反馈值的差值经过电压环PI调节器得到；再将得到的转矩电流指令值相加，并乘以系数k，得到两套绕组的实际转矩电流指令值；最后通过电流闭环控制，使得两套绕组中的电流测量值跟随电流指令值，实现两套绕组输出相同的功率；

步骤2)当检测到一套绕组或者其对应的主功率电路出现故障时，如过流故障或IGBT过温故障，相应电压环PI调节器的输出为零，即该套绕组的转矩电流指令值为零，并封锁PWM输出；对于正常的另一套绕组，电压环PI调节器仍正常进行计算，其输出即为实际的转矩电流指令值；

步骤3)当绕组或者对应主功率电路的故障清除后，分两个阶段将故障绕组重新投入发电系统：阶段一，当母线电压指令小于最终值的95％时，两套绕组均进行电压环PI调节器的计算，将正常绕组电压环PI调节器的输出乘以系数k，得到两套绕组的实际转矩电流指令值；阶段二，当母线电压指令大于最终值的95％时，将两套绕组电压环PI调节器的输出值相加，并乘以系数k，得到两套绕组的实际转矩电流指令值。

所述双绕组永磁电机发电控制方法和容错控制方法的进一步设计在于，所述步骤1)与步骤3)中的系数α的取值范围设定为(0.2，1.2)。

本发明的优点如下：

1、本发明的双绕组永磁电机发电系统，双绕组采用同相位设计以及采用二合一变换器进行驱动，能够减小发电系统的体积和重量。

2、本发明的双绕组永磁电机发电系统，双电压环控制策略能够实现正常状态下两套绕组输出相同的功率，直流侧能够很好的实现均流。故障状态下，故障绕组切除后，正常绕组能够继续输出功率。当故障绕组侧的故障清除后，该绕组能够重新投入发电系统，实现了发电系统的冗余功能。

附图说明

图1为本发明的双绕组永磁电机发电系统框图。(摘要附图)

图2为二合一变换器原理框图。

图3为正常状态下双电压环双绕组发电控制原理图。

图4为正常状态下双电压环双绕组发电控制流程图。

图5为单绕组发电控制原理图。

图6为故障绕组重新投入系统阶段一控制原理图。

图中标号说明：T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆为带有反并联二极管的开关管，C₁、C₂分别为两套主功率电路的母线侧滤波电容，PWM_abc和PWM_def分别为两套主功率电路的开关管驱动信号，H_1～3为第一套绕组的三个电流霍尔传感器，H_4～6为第二套绕组的三个电流霍尔传感器，θ为解码计算得到的电机转子位置角，i_abc为第一套绕组的三相电流，i_def为第二套绕组的三相电流，u_dc为变换器实际测量的母线电压,T_emp1和T_emp2分别为两套绕组的温度,ω为电机电角速度。u_dc ^*为母线电压指令值，i_qref1和i_qref2分别为两套绕组电压环PI调节器的输出，i_qref为两套绕组实际转矩电流指令值，i_dref1和i_dref2分别为两套绕组励磁电流指令值，i_q1和i_q2分别为两套绕组反馈的转矩电流，i_d1和i_d2分别为两套绕组反馈的励磁电流，u_d1和u_d2分别为两套绕组的d轴电压指令，u_q1和u_q2分别为两套绕组的q轴电压指令。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1，本发明的发电系统的一个优选实例，，该系统主要包括：双绕组永磁电机、二合一变换器和电气负载。

永磁电机采用双绕组同相位结构，每套绕组采用星型连接方式，具有两个独立的中性点。两套电枢绕组输出端分别连接至两套主功率电路的桥臂中点，二合一变换器的直流侧正极连接至电气负载的正极，直流侧的负极连接至电气负载的负极。

上位机通过CAN总线向二合一变换器发送母线电压指令，同时变换器将电机和自身状态通过CAN发送给上位机。

该双绕组永磁电机发电系统还包括旋转变压器、电流传感器电压传感器以及热敏电阻组成。旋转变压器，用于反馈电机转子位置信号。电流传感器，用于实时检测两套绕组中的三相电流。电压传感器，用于实时检测电气负载两端两端电压。热敏电阻，用于实时检测电机电枢绕组温度

本实施例的二合一变换器由两套三相桥臂、两只直流滤波电容、两套采样调理电路、两套解码电路、两套驱动放大隔离电路以及一套数字信号处理单元组成，其中三相桥臂由六个带反并联二极管的开关管两两并联而成，两只直流滤波电容并联。

旋转变压器输出电机转子位置信息，通过解码电路计算得到永磁电机转子位置角，并将转子位置角发送给数字信号处理单元；检测到的电流信号、电压信号、以及温度信号通过采样调理电路发送至数字信号处理单元，数字信号处理单元根据检测到的电流信号、母线电压信号、电机转子位置角以及上位机发送的母线电压指令进行矢量控制运算，并将计算出的PWM信号通过驱动放大隔离电路输出至三相桥臂，控制开关管动作，使永磁电机按照控制指令运行。

数字信号处理单元采用DSP加FPGA的架构，DSP中实现矢量控制算法，电机温度采样，故障保护以及和上位机通信，FPGA中实现电机绕组电流采样，母线电压采样，电机位置信号读取以及PWM波形的输出。

电流传感器采用霍尔电流传感器检测两套绕组中的电流；热敏电阻采用PT100热敏电阻检测电机绕组温度。

如图3，正常状态下双电压环双绕组发电控制原理主要包括电压环PI调节，电流环PI调节以及空间电压矢量调制(SVPWM)。母线电压指令u_dc ^*来自于上位机，通过电压传感器检测电气负载两端电压u_dc，u_dc ^*和u_dc的差值作为电压环PI调节器的输入，电压环调节器分别输出两套绕组的转矩电流指令i_qref1和i_qref2，将i_qref1和i_qref2相加并乘以系数k得到两套绕组的实际转矩电流指令i_qref，此时k等于0.25，参见下式：

i_qref＝(i_qref1+i_qref2)*0.25

将i_qref和两套绕组反馈的转矩电流i_q1、i_q2分别作差，并将差值作为电流环PI调节器的输入，得到q轴电压指令值，分别为u_q1和u_q2。两套绕组励磁电流指令均采用i_dref＝0的控制，励磁电流反馈值分别为i_d1和i_d2，励磁电流指令和反馈值的差值作为电流环PI调节器的输入，得到d轴电压指令值，分别为u_d1和u_d2。两套绕组d,q轴电压指令分别经过SVPWM得到主功率电路开关管的开关信号，实现两套绕组实际电流跟随指令电流，从而完成测量的母线电压跟随母线电压指令值。

如图4，正常状态下双电压环双绕组发电控制流程如下：

步骤1)接收上位机母线电压指令。

步骤2)对母线电压，绕组电流，绕组温度进行采样。

步骤3)将采样得到的值和阈值相比较，判断是否有过压、过流和过温故障。

步骤4)若有故障，则相应绕组对应的电流环、电压环PI调节器的输出清零，并封锁PWM波形的输出。

步骤5)若无故障，则母线电压指令值减去反馈值。

步骤6)将上一步的差值分别进行PI运算，得到两套绕组的转矩电流指令值。

步骤7)计算实际的转矩电流指令值。

步骤8)根据转矩电流指令值分别进行电流闭环控制以及空间电压矢量调制，输出开关管的驱动信号。

如图5，在该状态下，故障绕组的转矩电流指令值i_qref1为零，并封锁PWM输出。对于正常的另一套绕组，电压环PI调节器仍正常进行计算，其输出即为实际的转矩电流指令值，参见下式：

i_qref＝i_qref2

如图6，在阶段一，母线电压指令小于最终值的95％。该状态下，两套绕组均进行电压环PI调节器的计算，将正常绕组电压环PI调节器的输出乘以系数系数0.5，得到两套绕组的实际转矩电流指令值，参见下式：

i_qref＝i_qref2*0.5

当母线电压指令大于最终值的95％后，双绕组发电控制如图3所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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 (9)

1.一种双绕组永磁电机发电系统，其特征在于，主要包括：

双绕组永磁电机，所述双绕组永磁电机定子绕组采用星型连接方式，具有两个独立的中性点，且所述中性点相互解耦；所述电气负载吸收永磁电机输出的电能；二合一变换器，二合一变换器的交流侧分别和双绕组永磁电机的两套绕组输出端相连，二合一变换器直流侧正极连接至电气负载的正极，二合一变换器直流侧负极连接至电气负载的负极；

上位机，通过CAN总线将母线电压指令值发送给二合一变换器，同时通过CAN总线接收二合一变换器生成的电机状态信息。

2.根据权利要求1所述双绕组永磁电机发电系统，其特征在于，还包括，

旋转变压器，用于反馈电机转子位置信号；

电流传感器，用于实时检测两套绕组中的电流；

电压传感器，用于实时检测电气负载两端电压；

热敏电阻，用于实时检测电机电枢绕组温度。

3.根据权利要求1所述双绕组永磁电机发电系统，其特征在于，所述二合一变换器包括：两套三相桥臂、两直流滤波电容、两套采样调理电路、两套解码电路、两套驱动放大隔离电路以及数字信号处理单元，所述每套采样调理电路、解码电路分别与所述数字信号处理单元通信连接，数字信号处理单元分别通过一套驱动放大隔离电路与相应的三相桥臂通信连接，每个三相桥臂与一个对应的直流滤波电容并联；数字信号处理单元根据检测到的电流信号、母线电压信号、电机转子位置角以及上位机发送的母线电压指令进行矢量控制运算，并将计算出的PWM信号通过驱动放大隔离电路输出至三相桥臂，控制开关管动作，使永磁电机按照控制指令运行。

4.根据权利要求3所述双绕组永磁电机发电系统，其特征在于，所述三相桥臂由六个带反并联二极管的开关管两两并联而成。

5.根据权利要求3所述双绕组永磁电机发电系统，其特征在于，旋转变压器输出电机转子位置信息，通过解码电路计算得到永磁电机转子位置角，并将转子位置角发送给数字信号处理单元；将检测到的电流信号、电压信号以及温度信号通过采样调理电路发送至数字信号处理单元，数字信号处理单元采用DSP加FPGA的架构，DSP中实现矢量控制算法，电机温度采样，故障保护以及和上位机通信，FPGA中实现电机绕组电流采样，母线电压采样，电机位置信号读取以及PWM波形的输出。

6.根据权利要求2所述双绕组永磁电机发电系统，其特征在于，所述电流传感器采用霍尔电流传感器检测两套绕组中的电流；所述热敏电阻采用PT100热敏电阻分别检测电机两套绕组温度。

7.根据权利要求1所述双绕组永磁电机发电系统，其特征在于，并且两套绕组采用同相位设计。

8.一种双绕组永磁电机发电控制方法和容错控制方法，其特征在于基于所述双绕组永磁电机发电系统，包括如下步骤：

步骤1)发电过程中，二合一变换器通过CAN总线接收来自上位机的母线电压指令，根据反馈的母线电压，得到母线电压指令和反馈值的差值，该差值经过电压环PI调节器得到一套绕组的转矩电流指令值，另一套绕组的转矩电流指令值同样由母线电压指令和反馈值的差值经过电压环PI调节器得到；再将得到的转矩电流指令值相加，并乘以系数k，得到两套绕组的实际转矩电流指令值；最后通过电流闭环控制，使得两套绕组中的电流测量值跟随电流指令值，实现两套绕组输出相同的功率；

步骤2)当检测到一套绕组或者其对应的主功率电路出现故障时，如过流故障或IGBT过温故障，相应电压环PI调节器的输出为零，即该套绕组的转矩电流指令值为零，并封锁PWM输出；对于正常的另一套绕组，电压环PI调节器仍正常进行计算，其输出即为实际的转矩电流指令值；

步骤3)当绕组或者对应主功率电路的故障清除后，分两个阶段将故障绕组重新投入发电系统：阶段一，当母线电压指令小于最终值的95％时，两套绕组均进行电压环PI调节器的计算，将正常绕组电压环PI调节器的输出乘以系数k，得到两套绕组的实际转矩电流指令值；阶段二，当母线电压指令大于最终值的95％时，将两套绕组电压环PI调节器的输出值相加，并乘以系数k，得到两套绕组的实际转矩电流指令值。

9.根据权利要求8所述的双绕组永磁电机发电控制方法和容错控制方法，其特征在于所述步骤1)与步骤3)中的系数k的取值范围设定为(0.2，1.2)。

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