CN112653365B - 三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法 - Google Patents

三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，三级式无刷同步电机的主励磁机采用三相励磁绕组，起动初期采用三相交流励磁，使励磁绕组产生旋转方向与电机转向相反的圆形旋转磁场，并且控制电机起动转速与励磁磁势转速的转速差保持恒定，使得主发电机励磁电流保持稳定。当起动转速超过设定值后，主励磁机控制器采用励磁切换点寻找控制方法，当主励磁机的三相交流励磁电流的磁场方向与三相直流励磁的六个固定方向的其中一个重合时，切换到直流励磁，保证交直流励磁切换前后的主发电机励磁磁场方向与大小保持不变，使得三级式同步电机起动过程在交直流励磁切换过程中不会出现输出转矩明显波动，满足起动控制过程的转矩需求。

Description

三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法
技术领域
本发明涉及三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
现代飞机电源系统的一个重要特点就是具有起动和发电两种功能，能够有效的提升飞机的整体性能。利用电机的可逆性原理，使同一台电机具有起动和发电两种功能，可以去除发动机的起动装置，从而减轻飞机的重量，提高飞机运行效率。三级式同步电机是目前航空电源系统中应用最多的发电机，因此可以对旧系统进行改造，采用三级式同步电机实现起动发电一体化功能。三级式同步电机发电技术已经发展得十分成熟，因此国内外近年来主要针对其起动控制技术进行研究。
三级式同步电机实现发电功能时，永磁副励磁机对主励磁机励磁绕组进行直流励磁，在主励磁机电枢绕组中感应出的三相交流电压经过旋转整流器整流后为主发电机提供直流励磁。当三级式同步电机作为起动机工作时，电机在起动初期处于零速或低速状态下，如果给主励磁机提供直流励磁，主励磁机的电枢绕组中的感应电动势为零或者很小，不能给主电机提供足够的励磁，导致电机无法正常起动。针对该问题，主要有两种解决方案：单相交流励磁起动和三相交流励磁起动。但单相交流励磁受限于励磁功率等级，不能应用于大功率系统。因此在航空系统中大多采用三相交流励磁起动。由于转速升高后直流励磁的励磁效果优于交流励磁，所以当电机到达一定转速后，主励磁机还需要从交流励磁切换成直流励磁。因此，三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法具有很大的研究意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，能够在所有转速阶段内为主励磁机提供励磁，并采用切换点寻找的方法保证在交直流励磁切换前后主励磁机励磁绕组电流产生的磁场大小与方向不变，保证主发电机励磁绕组的电流恒定，消除励磁切换产生的转矩脉动，实现平滑切换。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，所述三级式无刷同步电机的主励磁机采用三相励磁绕组，在起动过程初始阶段采用三相交流励磁控制方式，使得转子侧电枢绕组感应输出交流电压恒定，经过旋转整流器之后为主发电机励磁绕组提供恒定直流励磁，在起动转速超过切换点后，实现三相交流励磁控制到直流励磁控制的平滑切换，为起动过程的主发电机提供恒定励磁电流，满足三级式同步电机起动过程的转矩控制需求。
所述起动过程初始阶段的三相交流励磁控制方式，控制主励磁机三相交流励磁绕组产生的圆形旋转磁场旋转方向与三级式无刷交流同步电机的起动转向相反，主励磁机的转子电枢绕组切割该磁场感应出的三相交流电幅值为：
Figure BDA0002816824230000021
其中，Rs和Ls分别为主励磁机励磁绕组的电阻和电感，Lm为主励磁机定转子绕组间的互感，Um和ω1分别为主励磁机交流励磁电压的幅值和频率，ωr为主励磁机转子角频率。主励磁机输出电压幅值与ω1和ωr相关联，控制主励磁三相交流励磁电压的频率ω1随着ωr变化，实现对主励磁机转子电枢绕组输出电压的稳定控制。
所述主励磁机的励磁频率控制需要根据检测到的起动过程中的电机转子位置，结合主励磁机的极对数，计算出主励磁机的转子角频率，通过主励磁机三相交流励磁的频率控制，随着转速的增加，励磁电流频率不断减小，使得转子以恒定速度切割磁场，转子侧感应出恒定幅值电压，经过旋转整流器之后为主发电机的励磁绕组提供恒定励磁电流。定义转子旋转方向为正方向，则初始交流励磁频率为负值，并随转速升高而增大。
所述直流励磁控制方式中，主励磁机定子三相绕组的结构形式不发生改变，在励磁切换点，分别给主励磁机定子三相绕组通入恒定的直流电压，使得定子三相励磁绕组产生恒定的合成磁场，转子侧电枢绕组感应出三相交流电后经旋转整流器为主发电机励磁绕组提供励磁。
所述三相交流励磁控制到直流励磁控制的平滑切换中，三级式无刷交流同步电机在三相交流励磁放下起动到励磁切换点之后，采用励磁切换点选择的控制方法，将交流励磁切换到直流励磁，保证切换前后的励磁磁场方向与大小不改变，保证主发电机励磁绕组的电流恒定，消除励磁切换产生的转矩脉动。
主励磁机励磁控制逆变器分别给三相励磁绕组恒定电压可以产生六个恒定励磁电压矢量，相邻两个恒定励磁电压矢量间相差π/3。交流励磁频率fs增大到设定值f0后开始进行切换点的寻找，当三相交流励磁产生的旋转电压矢量旋转至与恒定励磁电压矢量重合时，切换到该恒定励磁电压矢量，实现交、直流励磁切换。
fs从f0增大到0的过程中，旋转电压矢量停留位置有两个相邻的恒定励磁电压矢量，并且两者相差π/3。若旋转电压矢量在开始进行切换点寻找时更靠近下一个恒定励磁电压矢量，则其距离下一个恒定励磁电压矢量的角度小于π/6，旋转电压矢量将在励磁频率增大到0之前旋转到该恒定励磁电压矢量；若旋转电压矢量更靠近上一个恒定励磁电压矢量，则其在开始进行切换点寻找时距离下一个恒定励磁电压矢量的角度大于π/6，由于旋转电压矢量在励磁频率增大到0时角度减小π/6，旋转电压矢量不能在励磁频率增大到0之前旋转到下一个恒定励磁电压矢量，因此会在增大到0后反向旋转到上一个恒定励磁电压矢量。保证在进行切换点寻找后，旋转电压矢量第一次与恒定励磁电压矢量重合时，所重合的电压矢量为开始进行切换点寻找时最接近的恒定励磁电压矢量。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明给出的交流励磁方案使得主发电机在起动过程中的励磁电压恒定，为主发电机的励磁绕组提供恒定励磁电流，从而使主发电机输出恒定转矩。
2、本发明给出的交直流励磁切换方案能够保证交直流励磁切换前后励磁机励磁磁场方向与大小不变，避免主发电机励磁绕组内的电流产生大的脉动，从而引起转矩脉动。
3、本发明给出的交直流励磁切换方案能够使交直流励磁切换时切换到距离最近的恒定励磁电压矢量，励磁切换速度快。
附图说明
图1是本发明适用的主励磁机采用三相励磁绕组的三级式无刷同步电机结构示意图。
图2是本发明提出的三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法控制框图。
图3是主励磁机励磁控制逆变器分别给三相励磁绕组恒定电压时可以产生的六个磁场矢量图。
图4是本发明通过MATLAB仿真得到的起动过程中主励磁机定子电流波形。
图5是本发明通过MATLAB仿真得到的主励磁机转子电流波形。
图6是本发明通过MATLAB仿真得到的起动过程中主发电机励磁绕组电流波形。
图7是本发明通过MATLAB仿真得到的起动过程中电机输出转矩波形。
具体实施方式
下面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。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。
如图1所示是本发明适用的三级式无刷交流同步电机的结构示意图，其中，主发电机、旋转整流器、主励磁机、永磁副励磁机同轴相连。当三级式无刷交流同步电机在起动初期处于零速或低速状态下，给主励磁机提供直流励磁，主励磁机的电枢绕组中的感应电动势为零或者很小，不能给主电机提供足够的励磁，因此采用三相交流励磁起动。当转速升高达到切换点后，主励磁机从三相交流励磁切换成三相直流励磁。
如图2所示，本发明提供了一种三级式无刷交流同步电机起动过程的交直流励磁平滑切换控制框图，由于起动阶段副励磁机不起作用，因此略去了副励磁机部分。起动阶段的交直流励磁包括如下三个步骤：
1、三相交流励磁控制阶段
在三级式无刷交流同步电机从静止起动时，励磁机采用三相交流励磁，图2中将测到的主励磁机定子三相绕组的电流经Clark变换和Park变换后分别与dq轴下的给定电流作比较，经PI控制后得到ud与uq，使得主励磁机定dq轴下的给定电流保持恒定。交流励磁模块根据ud与uq采用逆变器空间矢量调制方式输出PWM信号。信号选择模块选择交流励磁控制模块产生的PWM信号驱动三相逆变器给主励磁机提供交流励磁。逆变器空间矢量调制控制模块使空间矢量的旋转方向与电机的旋转方向相反。定义电机的转速方向为正方向，根据位置传感器检测出的电机转子位置计算出电机转速，控制空间矢量旋转的频率为：
fs＝fref+nrp/60
其中，nr为转子转速，p为主励磁机的极对数，fref为转差频率。这样就可以让励磁电压矢量旋转频率与电机转速频率的频率差保持恒定，使得转子以恒定速度切割磁场，以保证交流励磁阶段主发电机的励磁电流稳定，输出起动转矩稳定。对频率fs进行积分计算得到需要输出的电压空间矢量的角度θ，输入逆变器空间矢量调制模块从而控制器产生相应的电压空间矢量。
2、切换点寻找阶段
随着转速的上升，励磁频率逐渐增大，当逆变器输出的电压矢量旋转的频率fs大于设定值f0时，进入切换点寻找阶段。在此过程中，信号选择模块仍然选择交流励磁控制模块产生的PWM信号驱动三相逆变器，主励磁机定子绕组通三相交流电。
当主励磁机定子绕组上的旋转电压矢量旋转至与六个恒定励磁电压矢量其中一个重合，也就是旋转电压矢量角度θ＝n*π/3(n＝1～6)时，进行交直流励磁切换。信号选择模块转为选择直流励磁控制模块输出的PWM信号驱动三相逆变器给主励磁机提供直流励磁。
为了保证在进行切换点寻找后，第一个旋转到的恒定励磁电压矢量为f0处最接近的恒定励磁电压矢量，需要设置fs的值使得fs从f0增大到0的过程中，主励磁机定子绕组上的旋转电压停止位置与相邻恒定励磁电压矢量相差角度小于π/6。因为起动初始为恒转矩起动，所以电机是恒加速度起动，所以有nr＝kt(r/s)；k为加速度。则可写出如下公式：
Figure BDA0002816824230000061
其中nr＝kt；kpt1+fref＝f0；kpt2+fref＝0。可以把公式简化为：
Figure BDA0002816824230000062
所以，可以计算得到设定值f0为：
Figure BDA0002816824230000063
3、直流励磁控制阶段
随着电机转速上升，切换为直流励磁后，图2中将测到的主励磁机定子三相绕组的电流经Clark变换后分别与α、β、0轴下的给定电流作比较，经PI控制后得到uα、uβ与u0,使得主励磁机定子α、β、0轴下的给定电流保持恒定。将测到的主励磁机定子三相绕组的电流经Clark变换后分别与α、β、0轴下的给定电流作比较，经PI控制后得到uα、uβ与u0，直流励磁模块根据uα、uβ与u0采用逆变器空间矢量调制方式输出PWM信号。
图3是主励磁机励磁控制逆变器分别给三相励磁绕组恒定电压时可以产生的六个磁场的矢量图，α、β、0轴下的给定电流根据交直流励磁切换时的励磁磁场大小与方向确定，如下表所示，使得切换前后的励磁磁场方向与大小不改变。
Figure BDA0002816824230000064
需要注意的是以上为坐标变换为等幅值变换下的设置方式。若采用等功率变换，则
Figure BDA0002816824230000065
与
Figure BDA0002816824230000066
变为表中值的
Figure BDA0002816824230000067
倍，
Figure BDA0002816824230000068
变为表中值的
Figure BDA0002816824230000069
倍。其中，等幅值变换下，
Figure BDA00028168242300000610
等功率变换下，
Figure BDA00028168242300000611
Figure BDA00028168242300000612
与
Figure BDA00028168242300000613
为交流励磁阶段的dq轴电流给定值。
为了验证所述述励磁切换方案，对该方案进行了MATLAB仿真。其工况为：参考频率fref＝-10Hz，频率设定值f0＝-1.82Hz。
图4是本发明通过MATLAB仿真得到的起动过程中主励磁机定子电流波形，在0.53s时励磁机的励磁频率增大到零，由于在励磁频率从设定值增大到0的过程中，主励磁机三相定子绕组上的旋转电压矢量都没有与六个恒定励磁电压矢量中的一个重合，所以励磁频率从负变成正，旋转电压矢量运动方向(相对于定子)与转子转速方向相同。在0.65s时，旋转电压矢量与六个恒定励磁电压矢量中的一个重合，励磁机切换成直流励磁。
图5是主励磁机转子电流仿真波形，图6是主发电机励磁绕组电流波形，在交直流励磁切换时转子电流下降很小，主发电机励磁绕组电流也稍微下降，但基本没有波动。图7是起动过程中电机输出转矩波形，交直流励磁切换时电机转矩脉动很小。仿真结果说明专利提出的三级式无刷交流同步电机起动过程的交直流励磁平滑切换控制方法能够实现交直流励磁的平滑切换，避免转矩脉动。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，其特征在于，所述三级式无刷同步电机的主励磁机采用三相励磁绕组，在起动过程的初始阶段采用三相交流励磁控制方法，使得转子侧电枢绕组感应输出交流电压恒定；当起动转速超过切换点之后，采用基于切换点寻找法的交直流励磁切换技术，实现三相交流励磁控制到三相直流励磁控制的平滑切换，经过旋转整流器之后为主发电机励磁绕组提供恒定直流励磁，满足三级式同步电机起动过程的转矩控制需求；
所述当起动转速超过切换点之后，采用基于切换点寻找法的交直流励磁切换技术，实现三相交流励磁控制到三相直流励磁控制的平滑切换，具体为：
主励磁机励磁控制的三相桥式逆变器给三相励磁绕组提供恒定电压，从而产生六个恒定励磁电压矢量，恒定励磁电压矢量角度为n*π/3，n＝1～6，相邻两个恒定励磁电压矢量间相差π/3，当逆变器输出的合成电压矢量旋转频率fs增大到设定值f0后开始进行切换点的寻找，当三相交流励磁产生的旋转电压矢量旋转至与六个恒定励磁电压矢量中的一个重合时，切换到该恒定励磁电压矢量，实现交直流励磁切换；
其中，逆变器输出的合成电压矢量旋转频率fs为：
fs＝fref+nrp/60
设定值f0为：
Figure FDA0003741589400000011
其中，fref为转差频率，nr为转子转速，p为主励磁机的极对数，k为加速度。
2.根据权利要求1所述三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，其特征在于，所述在起动过程的初始阶段采用三相交流励磁控制方法，具体为：
采用电压空间矢量调制方式对主励磁机励磁控制的三相桥式逆变器进行控制，实现三相交流励磁控制；逆变器电压空间矢量调制控制模块使空间矢量的旋转方向与电机的旋转方向相反，并且控制逆变器输出的合成电压矢量旋转频率与电机转速频率的频率差保持恒定，使得转子以恒定速度切割磁场，转子侧感应出恒定幅值电压，经过旋转整流器之后为主发电机的励磁绕组提供恒定励磁电流，从而保证起动转矩稳定。
3.根据权利要求2所述三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，其特征在于，所述恒定幅值电压的公式为：
Figure FDA0003741589400000021
其中，Uacm为恒定幅值电压，Rs和Ls分别为主励磁机三相励磁绕组的电阻和电感，Lm为主励磁机定转子绕组间的互感，Um和ω1分别为主励磁机交流励磁电压的幅值和频率，ωr为主励磁机转子角频率。
4.根据权利要求1所述三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，其特征在于，所述逆变器输出的合成电压矢量旋转频率fs从f0增大到0的过程中，旋转电压矢量停留位置有两个相邻的恒定励磁电压矢量，并且这两个相邻的恒定励磁电压矢量之间相差π/3；根据旋转电压矢量的旋转方向，定义所述两个相邻的恒定励磁电压矢量中，旋转电压矢量先经过的恒定励磁电压矢量为上一个恒定励磁电压矢量，旋转电压矢量后经过的恒定励磁电压矢量为下一个恒定励磁电压矢量；若旋转电压矢量在开始进行切换点寻找时更靠近下一个恒定励磁电压矢量，则其距离下一个恒定励磁电压矢量的角度小于π/6，旋转电压矢量将在励磁频率增大到0之前旋转到该恒定励磁电压矢量；若旋转电压矢量更靠近上一个恒定励磁电压矢量，则其在开始进行切换点寻找时距离下一个恒定励磁电压矢量的角度大于π/6，旋转电压矢量在励磁频率增大到0后反向旋转到上一个恒定励磁电压矢量，保证在进行切换点寻找后，旋转电压矢量第一次与恒定励磁电压矢量重合时，所重合的电压矢量为开始进行切换点寻找时最靠近的恒定励磁电压矢量。
5.根据权利要求1所述三级式无刷同步电机起动过程交直流励磁平滑切换方法，其特征在于，所述三相直流励磁控制的具体方式为：
采用电压空间矢量调制方式对主励磁机励磁控制的三相桥式逆变器进行控制，将测到的主励磁机定子三相绕组中的A相电流、B相电流、C相电流经Clark变换后，分别与α轴下的给定电流、β轴下的给定电流、0轴下的给定电流作比较，经PI控制后得到α轴给定电压uα、β轴给定电压uβ和0轴给定电压u0，uα、uβ与u0通过直流励磁控制模块输出PWM信号；根据切换时的励磁电流产生磁场的方向与大小对α、β、0轴下的给定电流进行设置，使得切换前后的励磁磁场方向与大小不改变。
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