CN114285328A - 一种适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于电机控制器设计领域，特别涉及一种适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法。该方法包括步骤S1、进行系统自检，检测系统是否存在故障；步骤S2、判断目前工作状态，如果处于发动机起动状态，则启用交流起动发电机的起动程序；如果处于电动泵控制状态，则启用电动泵永磁同步电机的控制程序；如果处于电环控压缩机控制状态，则启用电环控无刷直流电机的控制程序；步骤S3、进行电机信号采集；步骤S4、进行相应控制。本申请有效避免了发动机电起动完成后起动控制器成为飞机死重，不仅能够降低机载电驱动系统的体积、重量，还可以有效提高系统维护性。

Description

一种适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法

技术领域

本申请属于电机控制器设计领域，特别涉及一种适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法。

背景技术

多电飞机技术的发展使飞机二次能源系统发生巨大变化，电能逐渐取代机上液压能、机械能与气压能等传统二次能源，电能被广泛应用于发动机电起动与燃油系统、环控系统、液压系统、飞行控制等机载系统电驱动控制中，从而简化飞机二次能源系统，提高燃油利用效率、降低碳氮氧化物排放，实现绿色航空。以多电飞机技术应用为背景，国内外针对机载系统中发动机电起动、液压泵驱动、燃油泵驱动、环控压缩机驱动等典型电驱动运行工况进行详细分析，以标准化、通用化、多功能化为指导思想，开展了各系统分时复用控制的研究与实践应用。

分时复用控制技术是多电飞机电力系统关键技术之一，其作用是在起动时通过外部电力提供电能，利用通用电机控制器使发电机运行在电动状态，实现主发动机的起动，在主发动机起动完成后，由主发动机拖动发电机，向飞机提供230/400V高压变频交流电，经自耦变压整流器变换为540V直流电后，再通过通用电机控制器根据飞机的驱动需要驱动不同的电驱动负载，实现其分时复用功能，以提高系统功重比，降低死重。分时复用控制系统由分时复用通用电机控制器(控制器)与多脉冲自耦变压整流器(ATRU)、起动/发电机、电动泵电机和电环控电机配套组成多功能分时复用控制系统，由ATRU提供动力电源，再通过控制器根据飞机的驱动需求驱动不同的电驱动负载，实现分时复用功能。

与传统单一电机控制器不同，通用电机控制器需要满足三种不同电机系统的控制驱动需求。因此需要在传统控制器设计的基础上，重点考虑实现不同电机系统驱动的控制器软硬件兼容性的设计及实现。可靠、高效的控制器软件是保证电机正常工作的重要部分，是充分发挥控制器硬件优势的体现，在其设计过程中主受到检测算法的多样性和复杂性、控制策略的融合程度、调制算法的差异、控制器的参数设计的影响，因此通用电机控制器的软件设计是多功能分时复用控制系统设计的一项难点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提出一种适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法。在三种电机控制策略深入分析的基础上，有效提取共用模块，合理设计软件框架，同时结合灵活的硬件设计完成三种电机控制策略的有机融合，实现通用电机控制器的分时复用功能。

本申请提供的适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，主要包括：

步骤S1、进行系统自检，检测系统是否存在故障；

步骤S2、判断目前工作状态，如果处于发动机起动状态，则启用交流起动发电机的起动程序；如果处于电动泵控制状态，则启用电动泵永磁同步电机的控制程序；如果处于电环控压缩机控制状态，则启用电环控无刷直流电机的控制程序；

步骤S3、进行电机信号采集；

步骤S4、根据采集的电机信号，采用直接转矩角控制策略进行交流起动发电机的起动控制，或者采用MTPA矢量控制策略进行电动泵永磁同步电机的控制，或者采用三相六状态方波控制策略进行电环控无刷直流电机的控制。

优选的是，步骤S1之前，进一步包括进行系统初始化及参数初始化，完成微控制器相关寄存器的配置。

优选的是，步骤S2中，通过中断触发方式确定目前工作状态。

优选的是，步骤S4中，进一步包括故障处理，所述故障处理包括起发电机控制故障保护、液压泵电机控制故障保护、环控电机控制故障保护、控制器内部故障保护。

优选的是，步骤S4中，所述直接转矩角控制策略包括：

通过调制电压矢量幅值实现转速调节，通过调制电压矢量与转子位置的夹角实现电流矢量与转子位置夹角的调节。

优选的是，所述电压矢量幅值的调节包括：

获取电机当前转速，与系统给定的转速比较，通过PID运算后实现电压矢量幅值的调节；

获取主电机电枢电流的有效值作为PID运算后电压矢量幅值调节的限幅参考，避免电机出现过流故障。

优选的是，步骤S4中，所述MTPA矢量控制策略包括：

采集三相电流，并进行clark坐标变换和park坐标变换后得到实际电流矢量；

通过旋变采集得到电机位置、转速反馈，经与给定转速进行PI调节后，得到给定转矩；

根据所述给定转矩，配置交直轴电流分量，使定子电流最小，进而获得电流矢量的给定值；

根据所述实际电流矢量及所述电流矢量的给定值，经过PI调节得到电压矢量，经过反park坐标变换和svpwm调制后控制功率管输出控制电压，从而实现电机的MPTA控制。

优选的是，步骤S4中，所述三相六状态方波控制策略包括：

转子定位阶段；

升速运行阶段，经转子定位后，按他控式同步电动机的运行控制方法驱动电机从静止起动并升速；

无位置传感器控制阶段，当电机转速升高至可稳定检测电机反电势后，切换至无位置传感器控制阶段。

本申请的关键点在于：

1、控制策略设计

通用电机控制器由机载上层管理系统根据飞机飞行时序决定执行不同电机驱动功能，在本发明中需实现用于发动机起动的交流起动发电机、电动泵永磁同步电机和电环控无刷直流电机的控制。分别采用直接转矩角控制、MTPA矢量控制、三相六状态方波控制等控制策略。

2、控制器软件设计

在对三种电机控制策略深入分析的基础上，有效提取共用模块，合理设计软件框架，同时结合灵活的硬件设计完成三种电机控制策略的有机融合。设计通用电机主要完成起动发电机的起动控制软件设计、电动泵永磁同步电机伺服控制软件设计、电环控无刷直流电机控制软件设计。

本申请的优点在于：

本申请提出了通用电机控制器分时复用控制的控制策略设计、软件设计方法，该软件能够兼容发动机电起动、电环控电机及电动液压泵电机控制功能，结合控制软件，在完成发动机电起动后，按照机载上层管理系统确定的用电时序复用为电环控电机控制器或电动液压泵电机控制器运行，避免发动机电起动完成后起动控制器成为飞机死重，不仅能够降低机载电驱动系统的体积、重量，还可以有效提高系统维护性。

附图说明

图1是本申请适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法的一优选实施例的流程图。

图2是本申请图1所示实施例的直接转矩角控制策略示意图。

图3是本申请图1所示实施例的MTPA矢量控制策略示意图。

图4是本申请图1所示实施例的三相六状态控制策略示意图。

图5是本申请图1所示实施例的控制器软件功能架构示意图。

图6是本申请图1所示实施例的软件总体设计示意图。

图7是本申请图1所示实施例的控制器软硬件接口图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、进行系统自检，检测系统是否存在故障；

步骤S2、判断目前工作状态，如果处于发动机起动状态，则启用交流起动发电机的起动程序；如果处于电动泵控制状态，则启用电动泵永磁同步电机的控制程序；如果处于电环控压缩机控制状态，则启用电环控无刷直流电机的控制程序；

步骤S3、进行电机信号采集；

步骤S4、根据采集的电机信号，采用直接转矩角控制策略进行交流起动发电机的起动控制，或者采用MTPA矢量控制策略进行电动泵永磁同步电机的控制，或者采用三相六状态方波控制策略进行电环控无刷直流电机的控制。

本申请的关键点在于步骤S2及步骤S4中的三种控制策略，通用电机控制器由机载上层管理系统根据飞机飞行时序决定执行不同电机驱动功能，在本发明中需实现用于发动机起动的交流起动发电机、电动泵永磁同步电机和电环控无刷直流电机的控制。分别采用直接转矩角控制、MTPA矢量控制、三相六状态方波控制等控制策略。以下进行详细描述。

直接转矩角控制策略如图2所示。在直接转矩角控制策略中，需要控制的是调制电压矢量幅值u^*以及电压矢量与转子位置的夹角θ，前者可以实现转速调节，后者可以实现电流矢量与转子位置夹角的调节，以保证电机大转矩的输出。电压矢量幅值的调节首先需要获取电机当前转速ω，与系统给定转速ω_r ^*进行PID运算后实现，但是由于其输出值就是电压矢量，因此还需要主电机电枢电流的有效值作为限幅参考，以免电机出现过流故障；电机转矩角的目标值需要电机转速ω、主电机电枢电流有效值以及励磁机励磁电流有效值来综合分析计算；而电机的实际转矩角则需要将主电机三相电枢电流i_A,i_B,i_C进行Clark坐标变换后得到i_d和i_q，求取该电流矢量的夹角作为实际转矩角。直接转矩角控制策略可分解为转速环、电流环及转矩角环，每一个控制环对所需检测量的实时性和精确性各有不同，同样各自的控制调节周期也各不相同。

MTPA矢量控制策略如图3所示。MTPA控制的本质是在给定转矩的情况下，最优配置交直轴电流分量

和

使定子电流最小，达到单位电流下电机输出转矩最大(即MTPA)。MTPA控制可以减小电机铜耗，提高逆变器运行效率，降低整个电机系统的能量损耗，从而使整个系统的控制得到优化。其基本原理是采集三相电流i_A,i_B,i_C进行Clark坐标变换和Park坐标变换后得到i_d和i_q，作为实际电流矢量；通过旋变采集得到电机位置、转速反馈，经与给定转速进行PI调节后，得到给定转矩，再通过MPTA控制算法得到电流矢量的给定值

和

将电流矢量i_d和i_q和

和

分别经过PI调节得到电压矢量

和

经过反Park坐标变换和SVPWM调制后控制功率管输出控制电压，从而实现电机的MPTA控制。

三相六状态控制策略如图4所示。对电环控电机无位置传感器伺服控制整体采用PWM控制法，其中在无位置传感器控制部分拟采用反电势检测法。这种方法的基本原理就是在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下，通过检测断开相(逆变桥上下功率器件皆处于关断的那一相)的反电势过零点，来依次得到转子的六个关键位置信号，并以此作为参考依据，轮流触发导通六个功率管，驱动电机运转。在静止/低速状态可采用三段式无位置传感器起动控制技术来实现电环控电机无位置传感器伺服控制。“三段式”即转子定位、升速运行和无位置传感器控制三个阶段。经转子定位后，再按他控式同步电动机的运行控制方法驱动电机从静止起动并升速，这个过程即升速运行阶段。当电机转速升高至可稳定检测电机反电势后，切换至无位置传感器控制阶段。

在对三种电机控制策略深入分析的基础上，有效提取共用模块，合理设计软件框架，同时结合灵活的硬件设计完成三种电机控制策略的有机融合。设计通用电机主要完成起动发电机的起动控制软件设计、电动泵永磁同步电机伺服控制软件设计、电环控无刷直流电机控制软件设计。

分时复用系统通用电机控制器的主要功能有：系统初始化、上电软启动、系统状态切换、数据采集、电机控制、通信、故障保护、BIT功能。其中电机控制功能包括：三级式起动发电机的起动控制，电动液压泵电机的伺服控制以及电环控电机的无位置传感器伺服控制；故障保护功能包括：起发电机控制故障保护、液压泵电机控制故障保护、环控电机控制故障保护、控制器内部故障保护。控制器软件功能架构如图5所示。

控制器对驱动电机的模拟量、数字量等数据进行采集，并依据采集数据对电机运行状态进行监测与控制，并将检测结果通过通讯接口上传至上位机。控制器软件为嵌入式软件，嵌入芯片为TMS320F2812，编程语言为C语言，仿真系统为SEED-XDS510PLUS。控制器软件系构架采用主循环程序、EVA事件管理器中断服务、CPU定时器中断服务。其中，主循环程序完成系统初始化、通信处理及响应发送数据、工作状态迁移、发动机起动/电动泵/电环控控制、故障保护等功能，详情见图1。首先进行系统初始化程序，参数初始化、以及上电参数读取，通讯处理，并判断目前工作状态，如果处于起动状态，则启用起动程序；如果处于电动泵控制状态，则启用电动泵控制程序；如果处于电环控压缩机控制状态，则启用电环控压缩机控制程序。相应程序的进入则由中断触发方式，随后进行系统参数更新和系统参数的采集，如图7所示，以及故障处理，通讯显示等。EVA事件管理器中断服务主要进行三种电机控制程序的执行；而CPU定时器中断服务主要进行系统时序管理和程序调度。

软件总体设计如图6所示，为嵌入式系统常见的前后台顺序执行程序，软件的主程序在系统工作的时候一直循环，在此期间会调用一些已经写好的函数，这些函数执行的是一些对实时性要求较低的任务，称为后台程序。而对实时性要求较高的任务，则是通过中断的方式来执行，这部分程序被称为前台程序。

主程序模块是本软件的底层程序，在整个控制过程一直循环执行，主要功能有：系统初始化，上电自检，状态跳转以及前后台程序的调度。系统上电后，主程序首先进行系统的初始化操作，完成微控制器相关寄存器的配置；然后进行自检操作，检测系统是否存在故障；在没有故障的情况下，主程序通过上位机的控制信号确定控制对象，进行状态跳转；针对特定的控制对象，主程序激活不同的前后台程序，并对其进行调度，进一步完成核心控制，通讯，保护等功能。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，其特征在于，包括：

步骤S1、进行系统自检，检测系统是否存在故障；

步骤S2、判断目前工作状态，如果处于发动机起动状态，则启用交流起动发电机的起动程序；如果处于电动泵控制状态，则启用电动泵永磁同步电机的控制程序；如果处于电环控压缩机控制状态，则启用电环控无刷直流电机的控制程序；

步骤S3、进行电机信号采集；

步骤S4、根据采集的电机信号，采用直接转矩角控制策略进行交流起动发电机的起动控制，或者采用MTPA矢量控制策略进行电动泵永磁同步电机的控制，或者采用三相六状态方波控制策略进行电环控无刷直流电机的控制。

2.如权利要求1所述的适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，其特征在于，步骤S1之前，进一步包括进行系统初始化及参数初始化，完成微控制器相关寄存器的配置。

3.如权利要求2所述的适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，其特征在于，步骤S2中，通过中断触发方式确定目前工作状态。

4.如权利要求1所述的适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，其特征在于，步骤S4中，进一步包括故障处理，所述故障处理包括起发电机控制故障保护、液压泵电机控制故障保护、环控电机控制故障保护、控制器内部故障保护。

5.如权利要求1所述的适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，其特征在于，步骤S4中，所述直接转矩角控制策略包括：

通过调制电压矢量幅值实现转速调节，通过调制电压矢量与转子位置的夹角实现电流矢量与转子位置夹角的调节。

6.如权利要求5所述的适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，其特征在于，所述电压矢量幅值的调节包括：

获取电机当前转速，与系统给定的转速比较，通过PID运算后实现电压矢量幅值的调节；

获取主电机电枢电流的有效值作为PID运算后电压矢量幅值调节的限幅参考，避免电机出现过流故障。

7.如权利要求1所述的适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，其特征在于，步骤S4中，所述MTPA矢量控制策略包括：

采集三相电流，并进行clark坐标变换和park坐标变换后得到实际电流矢量；

通过旋变采集得到电机位置、转速反馈，经与给定转速进行PI调节后，得到给定转矩；

根据所述给定转矩，配置交直轴电流分量，使定子电流最小，进而获得电流矢量的给定值；

根据所述实际电流矢量及所述电流矢量的给定值，经过PI调节得到电压矢量，经过反park坐标变换和svpwm调制后控制功率管输出控制电压，从而实现电机的MPTA控制。

8.如权利要求1所述的适用于多电飞机的电机控制器分时复用方法，其特征在于，步骤S4中，所述三相六状态方波控制策略包括：

转子定位阶段；

升速运行阶段，经转子定位后，按他控式同步电动机的运行控制方法驱动电机从静止起动并升速；

无位置传感器控制阶段，当电机转速升高至可稳定检测电机反电势后，切换至无位置传感器控制阶段。

Images