CN112737439A - 一种高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法，解决了现有方案无法在高速宽范围内运行的问题。本发明根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值来判断电励磁双凸极电机的工作模式，并将得到的判断结果、电励磁双凸极电机转子转速反馈值、母线电压和转矩给定值输入至电流计算器中，经过电流计算器计算后，输出电流给定值；利用采集到的励磁电流的模拟信号和三相电流的模拟信号，获取电流的反馈值，根据所获取的电流反馈值和电流给定值，确定电励磁双凸极电机的电流的控制误差；利用电流的控制误差，进行电流闭环控制。本实施例适用于高压直流起动发电机电动运行弱磁控制。

Description

一种高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法

技术领域

本实施例涉及电机技术领域，尤其涉及一种高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法。

背景技术

电励磁双凸极电机是一种以定子集中电励磁，定转子双边凸极为特征的磁阻电机，具有结构简单，可靠性高和适合高速运行等优点，在航空高压直流起动发电系统具有独特的优势。本发明聚焦电励磁双凸极电机起动运行模态(即电动运行模态)。

目前针对电励磁双凸极电动机控制策略有：1、标准角控制策略；2、提前角控制策略；3、三相六状态控制策略；4、三相九状态控制策略；5、不对称电流控制策略等。其中，第一种的标准角控制策略的特性较为明显，是电励磁双凸极电动机最简单的控制方法，且在电励磁双凸极电机低速运行时，可以产生较大的转矩，但不适用于高速运行。而其它四种控制策略均加入了角度控制参数，因此其它四种控制策略也可统称为角度控制策略。

在电励磁双凸极电机高速运行时，尽管方波角度的优化控制可以改善电励磁双凸极电机的转矩性能，但是方波角度优化控制方法只能通过调整换相角度对方波电流进行塑形。而针对电励磁双凸极电机的弱磁控制，是利用换相角度与励磁电流的协调控制策略以达到扩大转子转速范围的目的，且角度控制参数的设定依据坐标变换和双反应理论进行。这在实际应用中，难以实现在高速宽范围内的稳定运行，且目前的方案中，需要使用两个三相逆变器，即双三相逆变器驱动直流偏置正弦电流电机，这就又导致了结构复杂，误差增大的问题。

发明内容

本实施例的实施例提供一种高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法，解决了现有方案无法在高速宽范围内运行的问题，并且实现了结构复杂简单，缓减了误差增大的问题。

为达到上述目的，本实施例的实施例采用如下技术方案：

S1，获取电流反馈值。

S2，在根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值，判断得到所述电励磁双凸极电机的工作模式后，根据所得的判断结果和当前所述电励磁双凸极电机的运行参数获取电流给定值，根据所获取的电流反馈值和电流给定值确定控制误差，其中，所获取的电流给定值中包括了励磁电流给定值和电枢电流给定值，所获取的电流反馈值包括了励磁电流反馈值和电枢电流反馈值，所述电励磁双凸极电机的运行参数包括：所述电励磁双凸极电机转子转速反馈值、母线电压和转矩给定值；

S3，利用所得的控制误差，进行电流闭环控制。本实施例提供的高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法，将励磁电流给定值I_f ^*、d轴电流给定值I_d ^*和q轴电流给定值I_q ^*分别控制，励磁电流给定值I_f ^*采用不对称H桥进行控制，而d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*采用三相全桥逆变电路进行控制。这样分开控制的好处是控制器装置简单，且便于分析。以及，根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω的不同，存在三种工作模式，分别为最大转矩电流比控制，弱磁工作I区和弱磁工作II区。且将这三种不同的工作模式输入至电流计算器中，可以得到三种不同的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*，因此本实施例的这种弱磁控制方法将使得电励磁双凸极电机的转子转速范围被扩大，分析结果更加精确。

附图说明

为了更清楚地说明本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实施例的一些实施例，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为本实施例提供的高压直流起动发电机电动运行弱磁控制过程的示意图；

图2为本实施例提供的三相全桥逆变器结构图；

图3为本实施例提供的励磁功率电路结构图；

图4为本实施例提供的纺锤形工作区和最大转矩点的示意图；

图5为本实施例提供的，电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω升高过程中的，纺锤形工作区和最大转矩点之间关系的变化的示意图；

图6为本实施例提供的矢量控制弱磁运行的机械特性的示意图；

图7为本实施例提供的高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法的流程图；

图8为现有方案中的一种直流偏置正弦电流电机的弱磁控制装置原理示意图；

图9为本实施例提供的方法流程的示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实施例的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实施例作进一步详细描述。下文中将详细描述本实施例的实施方式，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，仅用于解释本实施例，而不能解释为对本实施例的限制。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，本实施例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)具有与本实施例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。

本实施例提供一种高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法，如图9所示，包括：

S1，获取电流反馈值。

例如：可以通过获取电励磁双凸极电机的励磁电流的模拟信号，利用所述励磁电流的模拟信号获取励磁电流反馈值，类似的，本实施例中所述的电枢电流反馈值，也可以采用目前已有、常用的手段，从运行中的电励磁双凸极电机上采集，本实施例中不限定这些电流反馈值具体的获取手段。

S2，在根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值，判断得到所述电励磁双凸极电机的工作模式后，根据所得的判断结果和当前所述电励磁双凸极电机的运行参数获取电流给定值，根据所获取的电流反馈值和电流给定值确定控制误差。

其中，所获取的电流给定值中包括了励磁电流给定值和电枢电流给定值，所获取的电流反馈值包括了励磁电流反馈值和电枢电流反馈值，所述电励磁双凸极电机的运行参数包括：所述电励磁双凸极电机转子转速反馈值、母线电压和转矩给定值。

根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值来判断电励磁双凸极电机的工作模式，并将得到的判断结果、电励磁双凸极电机转子转速反馈值、母线电压和转矩给定值输入至电流计算器中，经过电流计算器计算后，输出电枢电流给定值和励磁电流给定值。利用采集到的三相电流的模拟信号，获取电枢电流的反馈值，并根据所获取的电枢电流反馈值和电枢电流给定值，确定所述电励磁双凸极电机的电枢电流的控制误差，之后进行电枢电流的闭环控制。

可以同时执行的，利用采集到的励磁电流的模拟信号，获取励磁电流的反馈值。根据励磁电流给定值和励磁电流的反馈值，确定所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差，进行励磁电流的闭环控制。

S3，利用所得的控制误差，进行电流闭环控制。

具体的，所述步骤S1包括：获取电流霍尔传感器采集的三相电流的模拟信号I_a、I_b和I_c，其中，三相包括了A相、B相和C相。对I_a、I_b和I_c执行Clark变换得到两相静止坐标系电流I_α和I_β，其中，α、β是两相静止坐标系下的两个轴，其中α轴与A相轴线相重合，β轴落后α轴90度。对I_α和I_β执行Park变换，得到d轴电流反馈值I_d和q轴电流反馈值I_q。本实施例中所提及的电流霍尔传感器，在实际应用中实现为一个具体的元件，可以采购目前市面上常见的霍尔传感器产品。一般来说电流霍尔传感器是安装在电励磁双凸极电机三相绕组上的。

具体的，所述步骤S2包括：根据转子转速反馈值ω的大小，判断电励磁双凸极电机工作模式，并将判断结果ε、所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω、母线电压U和转矩给定值T^*输入至电流计算器中。所述电流计算器输出计算结果，包括：d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*，其中，f表示励磁绕组。I_d ^*减去I_d，得到所述电励磁双凸极电机的电枢电流的一个控制误差I_{d_err}。I_q ^*减去I_q，得到所述电励磁双凸极电机的电枢电流的另一个控制误差I_{q_err}。

需要说明的是，本实施例中所述的电枢电流给定值包括d轴电流给定值和q轴电流给定值。在实际的研究和应用中，同一类型的参数符号可以通过角标的不同进行区分，例如：判断结果ε具体包括三种：当电励磁双凸极电机运行于最大转矩电流比控制，判断结果用ε₀表示；当电励磁双凸极电机运行于弱磁工作I区，判断结果用ε₁表示；当电励磁双凸极电机运行于弱磁工作II区，判断结果用ε₂表示。

具体的，所述步骤S3包括：将I_{d_err}和I_{q_err}分别输入d轴电流调节器和q轴电流调节器。所述d轴电流调节器和所述q轴电流调节器的输出结果，再分别输入Park反变换装置。所述Park反变换装置的输出结果，输入脉宽调制模块，所述脉宽调制模块输出功率变换器的驱动信号，实现电枢电流闭环控制。

利用采集到的励磁电流的模拟信号，获取励磁电流的反馈值的过程：具体在所述步骤S2，还包括获取电流霍尔传感器采集的励磁电流的模拟信号i_f。i_f经采样电阻转化为电压信号后，通过二阶低通有源滤波器滤除高频噪声信号，然后输入A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号I_f，I_f作为励磁电流的反馈值。根据励磁电流给定值和励磁电流的反馈值，确定所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差，进行励磁电流的闭环控制的过程：

具体的，所述步骤S3，还包括：I_f ^*减去I_f，得到所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差I_{f_err}。将I_{f_err}输入励磁电流调节器，并产生直流励磁电源的电压幅值U_f ^*。通过调整参数U_f ^*对励磁电流的闭环控制，通过改变励磁电压U_f ^*实现励磁电流的闭环控制。。

具体举例来说，如图7所示的高压直流起动发电机电动运行弱磁控制过程。当电励磁双凸极电机工作模式判断器接收到电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω信号后，根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω的大小来判断电励磁双凸极电机的运行模式并输出判断结果ε。将判断结果ε、电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω、母线电压U和转矩给定值T^*输入至电流计算器中，得到对应的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*。获取电流霍尔传感器采集的三相电流的模拟信号I_a、I_b和I_c，其中，三相包括了A相、B相和C相。对I_a、I_b和I_c执行Clark变换得到两相静止坐标系电流I_α和I_β，其中，α、β分别表示两相静止坐标系下的两个轴。对I_α和I_β执行Park变换，得到d轴电流反馈值I_d和q轴电流反馈值I_q。对于电枢控制器来说，将用所述d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*减去所述d轴电流反馈值I_d、q轴电流的反馈值I_q得到所述电励磁双凸极电机的电枢电流的控制误差I_{d_err}和I_{q_err}，将所述电励磁双凸极电机的电枢电流的控制误差I_{d_err}和I_{q_err}分别送入d轴电流调节器、q轴电流调节器中，输出为d轴电压给定值U_d ^*、q轴电压给定值U_q ^*。将d轴电压给定值U_d ^*、q轴电压给定值U_q ^*送入Park反变换装置中，则Park反变换装置将U_d ^*、U_q ^*分解为两相静止坐标系的电压给定值U_α ^*、U_β ^*。将两相静止坐标系的电压给定值U_α ^*、U_β ^*输入脉宽调制模块，进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)产生A、B、C相PWM信号PWM1-6。最后将PWM1-6输入三相全桥逆变电路中，输出为三相电流。对于励磁控制器来说，获取电流霍尔传感器采集的励磁电流的模拟信号i_f。i_f经采样电阻转化为电压信号后，通过二阶低通有源滤波器滤除高频噪声信号，然后输入A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号I_f，I_f作为励磁电流的反馈值。用所述励磁电流的给定值I_f ^*减去所述励磁电流的反馈值I_f得到所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差I_{f_err}，将励磁电流的控制误差I_{f_err}经过励磁电流调节器产生直流励磁电源的电压幅值U_f ^*，励磁系统通过改变励磁电压U_f ^*实现励磁电流的闭环控制。

进一步的，本实施例中对电励磁双凸极电机工作模式的判断方式进行了设计，判断电励磁双凸极电机工作模式，包括：

当所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω小于第一转折速度ω_t1时，判断结果ε为：所述电励磁双凸极电机运行于最大转矩电流比控制时，并将此判断结果ε₀输入至所述电流计算器中，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*满足条件：

其中，I_fm为励磁电流最大值，I_max为电枢电流最大值；

具体的，向电流计算器输入的参数包括：电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω、母线电压U、判断结果ε和转矩给定值T^*，所述电流计算器的输出为d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*。

即，所述电流计算器输出d轴电流给定值I_d ^*＝0，励磁电流给定值I_f ^*为励磁电流最大值I_fm，q轴电流给定值I_q ^*为电枢电流最大值I_max。

其中，第一转折速度：

其中，U表示母线电压，，d轴自感等于q轴自感，L_dq为d轴自感和q轴自感的平均值，dq表示d轴和q轴，I_max为电枢电流最大值，M_df为d轴绕组与励磁绕组的互感，df表示d轴绕组与励磁绕组，I_fm为励磁电流最大值(f表示励磁，m为最大值max的缩写)。

当所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω介于第一转折速度ω_t1和第二转折速度ω_t2之间时，判断结果ε为：所述电励磁双凸极电机运行于弱磁工作I区，并将此判断结果ε₁输入至所述电流计算器中，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*满足条件：

其中，U为母线电压，ω为所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值，L_dq为d轴自感和q轴自感的平均值，d轴自感等于q轴自感。

即，所述电流计算器输出励磁电流给定值I_f ^*为励磁电流最大值I_fm，q轴电流给定值I_q ^*响应电励磁双凸极电机的转子转速反馈值的变化。

其中，第二转折速度：

进一步的，当所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω大于第二转折速度ω_t2时，当判断结果ε为：所述电励磁双凸极电机运行于弱磁工作II区,并将判断结果ε₂输入至所述电流计算器中，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*满足条件：

即，所述电流计算器输出励磁电流给定值I_f ^*小于励磁电流最大值I_fm，q轴电流给定值I_q ^*响应电励磁双凸极电机的转子转速反馈值的变化。例如图4所示的，纺锤形工作区和最大转矩点。为了能够同时满足所述约束条件，则需保持电励磁双凸极电机合成电压小于等于母线电压U，保持电励磁双凸极电机电枢电流的合成值小于等于电励磁双凸极电机电枢电流最大值I_max，电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*满足下式：

即电励磁双凸极电机工作于图中纺锤形工作区域内。而最大转矩点是纺锤形工作区域内q轴电流达到最大值的点，此点为最优的弱磁效果点。

电励磁双凸极电机转矩给定值表达式为：

T^*＝p[(L_d-L_q)I_d ^*I_q ^*+M_dfI_f ^*I_q ^*]

＝pM_dfI_f ^*I_q ^*

例如图6所示的矢量控制弱磁运行的机械特性。获得转矩给定值T^*、正比于q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*的乘积。当电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω小于第一转折速度ω_t1时，转矩给定值T^*恒定，为恒转矩区；当电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω介于第一转折速度ω_t1和第二转折速度ω_t2之间时，转矩给定值T^*近似与电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω成反比例关系，为恒功率区；当电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω大于第二转折速度ω_t2时，转矩给定值T^*近似与电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω成反比例关系，为恒功率区。在该弱磁控制策略下，恒功率运行的范围理论上可以延伸至无穷大。

总体而言，本实施例应用在电励磁双凸极电机上，存在结构简单，可靠性高，成本低和适合高速运行等优点。相对一些于现有技术，例如：CN107623469B的方案中，0轴电流给定值i₀ ^*、d轴电流给定值i_d ^*和q轴电流给定值i_q ^*混合控制，使用两个三相逆变器，即双三相逆变器驱动直流偏置正弦电流电机；而本实施例将励磁电流给定值I_f ^*、d轴电流给定值I_d ^*和q轴电流给定值I_q ^*分别控制，励磁电流给定值I_f ^*采用不对称H桥进行控制，而d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*采用三相全桥逆变电路进行控制。这样分开控制的好处是控制器装置简单，且便于分析。

本实施例中根据电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω的大小来判断电励磁双凸极电机的工作模式，分别为最大转矩电流比控制，弱磁工作I区和弱磁工作II区，并将判断结果ε、电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω、母线电压U和转矩给定值T^*输入至电流计算器中，经过电流计算器计算后，可以得到三种不同的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*。对于电枢控制器来说，用所述d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*减去所述d轴电流反馈值I_d、q轴电流反馈值I_q得到所述电励磁双凸极电机的电枢电流的控制误差I_{d_err}和I_{q_err}。将所述电励磁双凸极电机的电枢电流的控制误差I_{d_err}和I_{q_err}经过d轴电流调节器、q轴电流调节器、Park反变换转置、脉宽调制模块，输出功率变换器的驱动信号，实现电枢电流闭环控制。对于励磁控制器来说，将所述励磁电流的给定值I_f ^*与所述励磁电流的反馈值I_f作差得到所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差I_{f_err}，励磁电流的控制误差I_{f_err}经过励磁电流调节器产生直流励磁电源的电压幅值U_f ^*，励磁系统通过改变励磁电压U_f ^*实现励磁电流的闭环控制。

总的来说，本实施例的优点在于：

1.本实施例将励磁电流给定值I_f ^*、d轴电流给定值I_d ^*和q轴电流给定值I_q ^*分别控制，励磁电流给定值I_f ^*采用不对称H桥进行控制，而d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*采用三相全桥逆变电路进行控制。这样分开控制的好处是控制器装置简单，且便于分析。

2.本实施例根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω的不同，存在三种工作模式，分别为最大转矩电流比控制，弱磁工作I区和弱磁工作II区。且将这三种不同的工作模式输入至电流计算器中，可以得到三种不同的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*，因此本实施例的这种弱磁控制方法将使得电励磁双凸极电机的转子转速范围被扩大，分析结果更加精确。

本实施例还提供一种高压直流起动发电机电动运行弱磁控制装置的设计方案，以便于在该装置上应用上述方法，控制装置主要包括：速度调节器、工作模式判断器、电流计算器、d轴电流调节器、q轴电流调节器、Park反变换装置、脉宽调制模块、功率变换器、励磁控制器。

本实施例中，根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω来判断电励磁双凸极电机的工作模式，并将电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω、母线电压U、判断结果ε和转矩给定值T^*输入至电流计算器中，经过电流计算器计算后，输出d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*。

对于电枢控制器来说，将d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*减去d轴电流反馈值I_d、q轴电流反馈值I_q，得到电励磁双凸极电机的电枢电流的控制误差I_{d_err}和I_{q_err}，此误差经过d轴电流调节器、q轴电流调节器、Park反变换装置、脉宽调制模块，输出功率变换器的驱动信号，实现电枢电流闭环控制。

对于励磁控制器来说，将所述励磁电流的给定值I_f ^*与所述励磁电流的反馈值I_f作差得到所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差I_{f_err}，此误差经过励磁电流调节器产生直流励磁电源的电压幅值U_f ^*，励磁系统通过改变励磁电压U_f ^*实现励磁电流的闭环控制。

本实施例根据高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法，使电励磁双凸极电机能够有效地扩大转子转速范围，可获得近似恒功率的输出特性。实现电励磁双凸极电机高速宽范围运行的目的。

速度调节器：输入为电励磁双凸极电机的转子转速给定值ω^*与电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω的差值，输出为转矩给定值T^*。

电励磁双凸极电机转矩给定值T^*表达式：

T^*＝p[(L_d-L_q)I_d ^*I_q ^*+M_dfI_f ^*I_q ^*]

＝pM_dfI_f ^*I_q ^*

其中T^*为电励磁双凸极电机转矩给定值，p为极对数，M_df为d轴绕组与励磁绕组的互感，I_q ^*为q轴电流给定值，I_f ^*为励磁电流给定值，L_d为d轴自感，L_q为q轴自感且d轴自感L_d等于q轴自感L_q。

工作模式判断器：输入为电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω和母线电压U，输出为判断结果ε。当电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω小于第一转折速度ω_t1时，电励磁双凸极电机运行于最大转矩电流比控制；当电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω介于第一转折速度ω_t1和第二转折速度ω_t2之间时，电励磁双凸极电机运行于弱磁工作I区；当电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω大于第二转折速度ω_t2时，电励磁双凸极电机运行于弱磁工作II区。

电流计算器：输入为判断结果ε、电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω、母线电压U和转矩给定值T^*，输出为d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*。当判断结果ε为电励磁双凸极电机运行于最大转矩电流比控制时，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*满足下式：

当判断结果ε为电励磁双凸极电机运行于弱磁工作I区，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*满足下式：

当判断结果ε为电励磁双凸极电机运行于弱磁工作II区,此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*满足下式：

d轴电流调节器：输入为电励磁双凸极电机d轴电流给定值I_d ^*与d轴电流反馈值I_d的差值，输出为d轴电压给定值U_d ^*。通过调节d轴电压给定值U_d ^*，电励磁双凸极电机d轴电流反馈值I_d跟踪d轴电流给定值I_d ^*。

q轴电流调节器：输入为电励磁双凸极电机q轴电流给定值I_q ^*与q轴电流反馈值I_q的差值，输出为q轴电压给定值U_q ^*。通过调节q轴电压给定值U_q ^*，电励磁双凸极电机q轴电流反馈值I_q跟踪q轴电流给定值I_q ^*。

Park反变换装置：输入为d轴电压给定值U_d ^*，q轴电压给定值U_q ^*和转子位置角θ，输出为两相静止坐标系的电压给定值U_α ^*、U_β ^*。

脉宽调制模块：输入为两相静止坐标系的电压给定值U_α ^*，U_β ^*，经过空间矢量脉宽调制(SVPWM)，产生六路PWM信号。

功率变换器：功率变换器采用三相全桥逆变电路，如图2所示。其中，Q1～Q6为金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，D1～D6为其寄生的反并二极管和电容C1。场效晶体管Q1的源极与二极管D1的阳极连接，场效晶体管Q1的漏极与二极管D1的阴极连接，场效晶体管Q2的源极与二极管D2的阳极连接，场效晶体管Q2的漏极与二极管D2的阴极连接，场效晶体管Q3的源极与二极管D3的阳极连接，场效晶体管Q3的漏极与二极管D3的阴极连接，场效晶体管Q4的源极与二极管D4的阳极连接，场效晶体管Q4的漏极与二极管D4的阴极连接，场效晶体管Q5的源极与二极管D5的阳极连接，场效晶体管Q5的漏极与二极管D5的阴极连接，场效晶体管Q6的源极与二极管D6的阳极连接，场效晶体管Q6的漏极与二极管D6的阴极连接，场效晶体管Q1的源极与场效晶体管Q4的漏极连接，场效晶体管Q3的源极与场效晶体管Q6的漏极连接，场效晶体管Q5的源极与场效晶体管Q2的漏极连接，场效晶体管Q1的漏极、场效晶体管Q3的漏极与场效晶体管Q5的漏极连接构成三相全桥逆变器输入正端，场效晶体管Q4的源极、场效晶体管Q6的源极与场效晶体管Q2的源极连接构成三相全桥逆变器输入负端，场效晶体管Q1的源极、场效晶体管Q3的源极与场效晶体管Q5的源极分别构成三相全桥逆变器输出端。

励磁控制器：用电流霍尔传感器采集励磁电流的模拟信号i_f，励磁电流的模拟信号i_f经采样电阻转化为电压信号，经过二阶低通有源滤波器滤除高频噪声信号，然后送入A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号I_f，即励磁电流的反馈值I_f。用所述励磁电流的给定值I_f ^*减去所述励磁电流的反馈值I_f得到所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差I_{f_err}，将所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差I_{f_err}经过励磁电流调节器产生直流励磁电源的电压幅值U_f ^*，励磁系统通过改变励磁电压U_f ^*实现励磁电流的闭环控制。

图5为电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω升高过程中的纺锤形工作区和最大转矩点之间关系的变化图。当电励磁双凸极电机的转速反馈值ω小于第一转折速度ω_t1时，电励磁双凸极电机运行于最大转矩电流比控制，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*满足下式：

当电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω第一转折速度ω_t1和第二转折速度ω_t2之间时，电励磁双凸极电机运行于弱磁工作I区，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*满足下式：

当电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω大于第二转折速度ω_t2时，电励磁双凸极电机运行于弱磁工作II区,此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*满足下式：

现有方案中，如CN107623469B只存在一种工作模式，而本实施例根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω的不同，存在三种工作模式，分别为最大转矩电流比控制，弱磁工作I区和弱磁工作II区。且将这三种不同的工作模式输入至电流计算器中，可以得到三种不同的d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*，因此本实施例的这种弱磁控制方法将使得电励磁双凸极电机的转子转速范围被扩大，分析结果更加精确。

图3是本实施例的励磁功率电路结构图，包括Q7、Q8为两个场效晶体管，D7、D8为两个二极管，和电容C2。场效晶体管Q7的源极与二极管D7的阴极连接，场效晶体管Q8的漏极与二极管D8的阳极连接，场效晶体管Q7的漏极与二极管D8的阴极连接构成励磁功率电路输入正端，场效晶体管Q8的源极与二极管D7的阳极连接构成励磁功率电路输入负端，场效晶体管Q7的源极与场效晶体管Q8的漏极分别构成励磁功率电路输出正端与励磁功率电路输出负端。

现有方案中，根据电枢电流给定值i^*和直流偏置正弦电流电机转速反馈值ω_r的大小，求得d轴、q轴和0轴电流给定值。该专利所提出的电流分配器是基于电枢电流给定值i^*和直流偏置正弦电流电机转速反馈值ω_r设计的。该专利使用两个三相逆变器，即双三相逆变器驱动直流偏置正弦电流电机。具体可见图8，为发明专利CN107623469B提供的一种直流偏置正弦电流电机的弱磁控制装置原理图。对比图1和图8，不同点：1.发明专利CN107623469B只存在一种工作模式，而本实施例根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值ω的不同，存在三种工作模式，分别为最大转矩电流比控制，弱磁工作I区和弱磁工作II区。2.发明专利CN107623469B0轴电流给定值i₀ ^*、d轴电流给定值i_d ^*和q轴电流给定值i_q ^*混合控制，使用两个三相逆变器，即双三相逆变器驱动直流偏置正弦电流电机；而本实施例将励磁电流给定值I_f ^*、d轴电流给定值I_d ^*和q轴电流给定值I_q ^*分别控制，励磁电流给定值I_f ^*采用不对称H桥进行控制，而d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*采用三相全桥逆变电路进行控制。这样分开控制的好处是控制器装置简单，且便于分析。

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，仅为本实施例的具体实施方式，但本实施例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实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实施例的保护范围之内。因此，本实施例的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高压直流起动发电机电动运行弱磁控制方法，其特征在于，包括：

S1，获取电流反馈值；

S2，在根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值，判断得到所述电励磁双凸极电机的工作模式后，根据所得的判断结果和当前所述电励磁双凸极电机的运行参数获取电流给定值，再根据所获取的电流反馈值和电流给定值确定控制误差，其中，所获取的电流给定值中包括了励磁电流给定值和电枢电流给定值，所获取的电流反馈值包括了励磁电流反馈值和电枢电流反馈值，所述电励磁双凸极电机的运行参数包括：所述电励磁双凸极电机转子转速反馈值、母线电压和转矩给定值；

S3，利用所得的控制误差，进行电流闭环控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，包括：

获取电流霍尔传感器采集的三相电流的模拟信号I_a、I_b和I_c，其中，三相包括了A相、B相和C相；

对I_a、I_b和I_c执行Clark变换得到两相静止坐标系电流I_α和I_β，其中，α、β分别表示两相静止坐标系下的两个轴；

对I_α和I_β执行Park变换，得到d轴电流反馈值I_d和q轴电流反馈值I_q。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，包括：

根据转子转速反馈值ω的大小，判断电励磁双凸极电机工作模式，并将得到的判断结果ε、所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω、母线电压U和转矩给定值T^*输入至电流计算器中；

所述电流计算器输出计算结果，包括：d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*，其中，f表示励磁绕组；

I_d ^*减去I_d，得到所述电励磁双凸极电机的电枢电流的一个控制误差I_{d_err}；

I_q ^*减去I_q，得到所述电励磁双凸极电机的电枢电流的另一个控制误差I_{q_err}。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，包括：

将I_{d_err}和I_{q_err}分别输入d轴电流调节器和q轴电流调节器；

所述d轴电流调节器和所述q轴电流调节器的输出结果，再分别输入Park反变换装置；

所述Park反变换装置的输出结果，输入脉宽调制模块，所述脉宽调制模块输出功率变换器的驱动信号。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2，还包括

获取电流霍尔传感器采集的励磁电流的模拟信号i_f；

i_f经采样电阻转化为电压信号后，通过二阶低通有源滤波器滤除高频噪声信号，然后输入A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号I_f，I_f作为励磁电流的反馈值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3，还包括：I_f ^*减去I_f，得到所述电励磁双凸极电机的励磁电流的控制误差I_{f_err}；

将I_{f_err}输入励磁电流调节器，并产生直流励磁电源的电压幅值U_f ^*；

通过调整参数U_f ^*对励磁电流的闭环控制。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值，判断得到所述电励磁双凸极电机的工作模式，包括：

当所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω小于第一转折速度ω_t1时，判断所述电励磁双凸极电机运行于最大转矩电流比控制，并将此判断结果ε₀输入至所述电流计算器中；

其中，第一转折速度：

其中，U表示母线电压，d轴自感等于q轴自感，L_dq为d轴自感和q轴自感的平均值，dq表示d轴和q轴，I_max为电枢电流最大值，M_df为d轴绕组与励磁绕组的互感，df表示d轴绕组与励磁绕组，I_fm为励磁电流最大值；

之后，所述电流计算器输出d轴电流给定值I_d ^*＝0，励磁电流给定值I_f ^*等于励磁电流最大值I_fm，q轴电流给定值I_q ^*等于电枢电流最大值I_max。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

当所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω介于第一转折速度ω_t1和第二转折速度ω_t2之间时，所述电励磁双凸极电机运行于弱磁工作I区，并将此判断结果ε₁输入至所述电流计算器中；

其中，第二转折速度：

之后，所述电流计算器输出励磁电流给定值I_f ^*为励磁电流最大值I_fm，q轴电流给定值I_q ^*响应电励磁双凸极电机的转子转速反馈值的变化。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

当所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω大于第二转折速度ω_t2时，所述电励磁双凸极电机运行于弱磁工作II区，将此判断结果ε₂输入至所述电流计算器中；

之后，所述电流计算器输出励磁电流给定值I_f ^*小于励磁电流最大值I_fm，q轴电流给定值I_q ^*响应电励磁双凸极电机的转子转速反馈值的变化。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据电励磁双凸极电机转子转速反馈值，判断得到所述电励磁双凸极电机的工作模式的过程中，包括：

向电流计算器输入的参数包括：电励磁双凸极电机的转子转速反馈值ω、母线电压U、判断结果ε和转矩给定值T^*，所述电流计算器的输出为d轴电流给定值I_d ^*，q轴电流给定值I_q ^*，励磁电流给定值I_f ^*；

当判断结果ε为：所述电励磁双凸极电机运行于最大转矩电流比控制时，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*满足条件：

其中，I_fm为励磁电流最大值，I_max为电枢电流最大值；

当判断结果ε为：所述电励磁双凸极电机运行于弱磁工作I区，此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*满足条件：

其中，U为母线电压，ω为所述电励磁双凸极电机的转子转速反馈值，L_dq为d轴自感和q轴自感的平均值，d轴自感等于q轴自感；

当判断结果ε为：所述电励磁双凸极电机运行于弱磁工作II区,此时电励磁双凸极电机的d轴电流给定值I_d ^*、q轴电流给定值I_q ^*和励磁电流给定值I_f ^*满足条件：

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