CN115441781A - 一种起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法，属于交流电机起动控制技术领域；首先构建函数，发出指令后开启起动功能；然后，起动发电一体化系统的控制器输出三相变频交流电给主发电机，同时输出单相恒频交流电给励磁机，三级式电机在磁场相互作用下旋转加速，永磁机不参与起动过程；之后，收到终止起动指令，系统进入起动功能软退出过程，计算软退出时间给定值T(v_i)，同时开始记录软退出功能持续时间t_vi；当起动功能软退出持续时间t_vi达到T(v_i)时，控制器停止电能输出，系统完全退出起动功能。该方法基于发动机转动惯量大小和加速特性来缓慢减小三级式电机输出转矩，进而减小电机转轴与发动机附件机匣机械冲击，提高起动发电一体化系统的可靠性。

Description

一种起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法

技术领域

本发明属于交流电机起动控制技术领域，具体涉及一种起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法。

背景技术

随着众多学者的不断探索，国内航空起动发电一体化系统的研究有了实质性的突破，目前已有三级式起动发电一体化系统装机应用，其结构示意图如图1所示。航空起动发电一体化系统主要由起动发电一体化电机及起动发电一体化电机控制器组成，其中，电机为三级式电机，主要由永磁机、励磁机和主发电机组成。在起动状态下，起发励磁继电器接起动励磁功率信号、发电励磁继电器断开、起动接触器闭合、发电主接触器断开，控制器中控制组件对起动组件中H桥和三相全桥开关时间进行调节，使三相全桥输出三相变频交流电给主发电机定子，使H桥输出单相恒频交流电给励磁机定子。励磁机定子上的交流电经励磁机转子绕组及旋转整流器整流后为主发电机励磁绕组提供直流励磁电，主发电机定子三相交电与直流励磁电相互作用，带动三级式电机转子部分进行旋转加速；当达到目标转速后，系统退出起动状态，进入发电状态，起发励磁继电器接发电励磁功率信号、发电励磁继电器闭合、起动接触器断开、发电主接触器闭合，发动机拖动三级式电机旋转，其永磁机发出的三相交流电通过调压组件中的整流桥整流后变为直流励磁电施加至励磁机定子端，控制器通过控制组件与调压组件配合调节直流励磁电压大小来完成不同转速下发电电压调节。

起动发电一体化系统整个运行过程可以细分为三个阶段，起动阶段、起动发电过渡阶段和发电阶段。三级式电机转轴与发动机转轴通过附件机匣以啮合方式机械连接，不同阶段下三级式电机与发动机力的相互作用关系如下：

1)起动阶段：起动阶段又可细分为发动机点火前和发动机点火后。发动机点火前，三级式电机输出动力转矩，带动发动机进行升速；发动机点火后，其自身会产生燃油动力，但由于转速较低，燃油动力较小，不足以满足其持续升速的动力需求，故三级式电机持续动力输出，与发动机共同作用，直至到达一定转速(脱开转速)，此时发动机燃油动力能够满足自身旋转所需动力需求。

2)起动发电过渡阶段：三级式电机停止动力输出，处于空转状态，由发动机带动旋转。此阶段发动机持续升速，直至到达最低发电转速，起动发电一体化系统进入发电阶段。

3)发电阶段：由发动机输出动力转矩，带动三级式电机旋转发电，三级式电机所需机械能与输出电能满足能量守恒定律。

从上述分析可知，在起动发电过渡阶段，三级式电机会停止动力输出，进入空转状态。由于三级式电机转轴与附件机匣连接部分存在较小的间隙，若瞬间停止动力转矩输出，则三级式电机转轴会在附件机匣内产生机械震荡，长此以往会对三级式电机转轴及附件机匣带来不可逆的机械损伤。此外，在系统起动过程中，若收到终止起动指令，亦需三级式电机停止动力转矩输出，若瞬间停止输出，同样会产生机械震荡。为此需要针对停止使用起动功能的工况，设计起动功能软退出方式，以此来减小机械冲击，延长系统使用寿命，提高系统可靠性。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，针对航空起动发电一体化系统工作过程中因瞬间停止起动功能时出现机械震荡的问题，本发明提出一种通过缓慢减小三级式电机输出力矩实现系统起动功能软退出的控制方法。该方法基于发动机转动惯量和转速大小来缓慢减小三级式电机输出转矩，进而减小电机转轴与发动机附件机匣机械冲击。

本发明的技术方案是：一种起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：构建起动加速过程q轴电流参考值和起动软退出过程q轴电流参考值的函数关系式；

步骤2：给所述起动发电一体化系统提供满足要求的控制电和功率电，系统自检正常后，试验员给起动指令，系统接收到起动指令后控制起发励磁继电器接起动励磁功率信号、发电励磁继电器断开、起动接触器闭合、发电主接触器断开，开启起动功能；

步骤3：开启起动功能后，起动发电一体化系统的控制器输出三相变频交流电给主发电机，同时输出单相恒频交流电给励磁机，三级式电机在磁场相互作用下旋转加速，永磁机不参与起动过程；

步骤4：三级式电机转速到达目标转速或者未到达目标转速，但收到试验员给的终止起动指令时，系统进入起动功能软退出过程，记录此时三级式电机转速v_i；并据此计算软退出时间给定值T(v_i)，同时开始记录软退出功能持续时间

步骤5：以步骤1中起动软退出过程q轴电流参考值函数

设定q轴电流参考值，d轴电流参考值赋0，进行闭环调节；

步骤6：当起动功能软退出持续时间

达到T(v_i)时，控制器停止电能输出，系统完全退出起动功能。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，起动加速过程q轴电流参考值

表达式如下:

起动软退出过程q轴电流参考值

表达式如下:

式中，T(v_i)软退出时间给定值；v为三级式电机实时转速；

为主发电机q轴电流初始值；v₁为三级式电机恒转矩输出转速最大值；v₂为三级式电机目标转速；v_i为系统收到起动终止指令时电机转速；v₃为系统起动功能完全退出时的转速；J_e为发动机在三级式电机轴端等效转动惯量；

为起动功能软退出持续时间。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，具体执行步骤如下：

3.1)利用SPWM算法输出控制H桥所需的开关控制信号，控制H桥中的功率管输出单相恒频交流电至励磁机定子端；

3.2)读取转子位置信息θ_e，计算三级式电机当前转速v；同时采集主发电机定子A相、B相、C相电流i_A、i_B、i_C，依次通过CLARK变换和PARK变换得到主发电机定子电流在等效dq坐标系下的d轴电流分量实时值i_d和q轴电流分量实时值i_q；

3.3)依据步骤1中函数

给定q轴电流参考值i_{q_ref}，同时d轴电流参考值i_{d_ref}赋0；

3.4)对主发电机d轴和q轴电流参考值i_{d_ref}、i_{q_ref}和由步骤3.2得到的电流实时值i_d、i_q分别做差，利用d轴电流PI调节器和q轴电流PI调节器分别对dq轴电流差值进行PI调节，d、q轴PI调节器输出为分别为d轴和q轴电压值u_d、u_q，其中，d、q轴电流PI调节器比例系数都设为kp，积分系数都设为ki；

3.5)利用步骤3.1采集的转子位置对步骤3.4得到的u_d、u_q进行反PARK变换，得到等效静止两相αβ坐标系电压矢量u_α、u_β；

3.6)对u_α、u_β进行空间矢量变换SVPWM，得到三相全桥所需要的开关控制信号，控制三相全桥中的功率管输出三相变频交流电至主发电机定子端。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，软退出时间给定值T(v_i)的计算公式如下：

本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，依据步骤3.4～步骤3.6进行闭环调节。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提出一种航空起动发电一体化系统起动功能软退出的控制方法。该方法基于发动机转动惯量大小和加速特性来缓慢减小三级式电机输出转矩，进而减小电机转轴与发动机附件机匣机械冲击，提高起动发电一体化系统的可靠性。

附图说明

图1：起动发电一体化系统结构示意图；

图2：系统起动全过程控制框图；

图3：全起动过程q轴电流给定函数

变化曲线；

图4：软退出时间给定值T(v_i)与转速关系曲线；

图5：不同转速起动功能软退出过程q轴电流参考值变化曲线；

图6：4000r/min停止起动时电机运行全过程q轴电流参考值变化曲线。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

结合实施例、附图对本发明作进一步描述，实施例包含的具体步骤如下：

步骤1：构造函数

其中

v₁＝1500r/min，v₂＝6500r/min，v₃＝7000r/min，J_e＝1.14kg·m²；

式中各变量定义如下：

起动加速过程q轴电流参考值，单位A；

起动软退出过程q轴电流参考值，单位A；

T(v_i)软退出时间给定值，单位s；

v为三级式电机实时转速，单位r/min；

为主发电机q轴电流初始值，单位A；

v₁为三级式电机恒转矩输出转速最大值，单位r/min；

v₂为三级式电机目标转速，单位r/min；

v_i为系统收到起动终止指令时电机转速，单位r/min；

v₃为系统起动功能完全退出时的转速，单位r/min；

J_e为发动机在三级式电机轴端等效转动惯量，单位kg·m²；

为起动功能软退出持续时间，单位s；

步骤2：给起动发电一体化系统提供满足要求的28VDC控制电和270VDC功率电，系统自检正常后，试验员给起动指令，系统接收到起动指令后控制起发励磁继电器接起动励磁功率信号、发电励磁继电器断开、起动接触器闭合、发电主接触器断开，开启起动功能；

步骤3：开启起动功能后，起动发电一体化控制器输出三相变频交流电给主发电机，同时输出单相恒频交流电给励磁机，三级式电机在磁场相互作用下加速旋转，永磁机不参与起动过程，详细执行以下步骤：

3.1)利用SPWM算法输出控制H桥所需的开关控制信号，控制H桥中的功率管输出115V/400Hz单相恒频交流电至励磁机定子端；

3.2)读取转子位置信息θ_e，计算电机当前转速v，同时采集主发电机定子A相、B相、C相电流i_A、i_B、i_C，依次通过CLARK变换和PARK变换得到主发电机定子电流在等效dq坐标系下的d轴电流分量实时值i_d和q轴电流分量实时值i_q；

3.3)依据步骤1中函数

给定q轴电流参考值i_{q_ref}，同时d轴电流参考值i_{d_ref}赋0；

3.4)对主发电机d轴和q轴电流参考值i_{d_ref}、i_{q_ref}和由步骤3.2得到的电流实时值i_d、i_q分别做差，利用d轴电流PI调节器和q轴电流PI调节器分别对dq轴电流差值进行PI调节，d、q轴PI调节器输出分别为d轴和q轴电压值u_d、u_q，其中，d、q轴电流PI调节器比例系数kp＝0.15，积分系数ki＝0.002；

3.5)利用步骤3.1采集的转子位置及步骤3.4得到的u_d、u_q，通过反PARK变换得到等效静止两相αβ坐标系电压矢量u_α、u_β；

3.6)对u_α、u_β进行空间矢量变换(SVPWM)，得到三相全桥所需要的开关控制信号，控制三相全桥中的功率管输出三相变频交流电至主发电机定子端；

步骤4：电机转速到达4000r/min时，试验员给终止起动指令，系统开启起动功能软退出过程，据此计算软退出时间给定值具体值如下：

同时记录起动功能软退出持续时间

步骤5：以步骤1中函数

给定q轴电流参考值如下：

d轴电流参考值赋0，依据步骤3.4～步骤3.6进行闭环调节。

步骤6：当起动功能软退出持续时间

达到3.42s时，控制器停止电能输出，系统完全退出起动功能。

图6为所提方法在4000r/min收到停止起动指令时，电机运行全过程q轴电流参考值变化曲线。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：构建起动加速过程q轴电流参考值和起动软退出过程q轴电流参考值的函数关系式；

步骤2：给所述起动发电一体化系统提供满足要求的控制电和功率电，系统自检正常后，试验员给起动指令，系统接收到起动指令后控制起发励磁继电器接起动励磁功率信号、发电励磁继电器断开、起动接触器闭合、发电主接触器断开，开启起动功能；

步骤3：开启起动功能后，起动发电一体化系统的控制器输出三相变频交流电给主发电机，同时输出单相恒频交流电给励磁机，三级式电机在磁场相互作用下旋转加速，永磁机不参与起动过程；

步骤4：三级式电机转速到达目标转速或者未到达目标转速，但收到试验员给的终止起动指令时，系统进入起动功能软退出过程，记录此时三级式电机转速v_i；并据此计算软退出时间给定值T(v_i)，同时开始记录软退出功能持续时间

步骤5：以步骤1中起动软退出过程q轴电流参考值函数

设定q轴电流参考值，d轴电流参考值赋0，进行闭环调节；

步骤6：当起动功能软退出持续时间

达到T(v_i)时，控制器停止电能输出，系统完全退出起动功能。

2.根据权利要求1所述起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法，其特征在于：所述步骤1中，起动加速过程q轴电流参考值

表达式如下:

起动软退出过程q轴电流参考值

表达式如下:

式中，T(v_i)软退出时间给定值；v为三级式电机实时转速；

为主发电机q轴电流初始值；v₁为三级式电机恒转矩输出转速最大值；v₂为三级式电机目标转速；v_i为系统收到起动终止指令时电机转速；v₃为系统起动功能完全退出时的转速；J_e为发动机在三级式电机轴端等效转动惯量；

为起动功能软退出持续时间。

3.根据权利要求2所述起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法，其特征在于：所述步骤3中，具体执行步骤如下：

3.1)利用SPWM算法输出控制H桥所需的开关控制信号，控制H桥中的功率管输出单相恒频交流电至励磁机定子端；

3.2)读取转子位置信息θ_e，计算三级式电机当前转速v；同时采集主发电机定子A相、B相、C相电流i_A、i_B、i_C，依次通过CLARK变换和PARK变换得到主发电机定子电流在等效dq坐标系下的d轴电流分量实时值i_d和q轴电流分量实时值i_q；

3.3)依据步骤1中函数

给定q轴电流参考值i_{q_ref}，同时d轴电流参考值i_{d_ref}赋0；

3.4)对主发电机d轴和q轴电流参考值i_{d_ref}、i_{q_ref}和由步骤3.2得到的电流实时值i_d、i_q分别做差，利用d轴电流PI调节器和q轴电流PI调节器分别对dq轴电流差值进行PI调节，d、q轴PI调节器输出为分别为d轴和q轴电压值u_d、u_q，其中，d、q轴电流PI调节器比例系数都设为kp，积分系数都设为ki；

3.5)利用步骤3.1采集的转子位置对步骤3.4得到的u_d、u_q进行反PARK变换，得到等效静止两相αβ坐标系电压矢量u_α、u_β；

3.6)对u_α、u_β进行空间矢量变换SVPWM，得到三相全桥所需要的开关控制信号，控制三相全桥中的功率管输出三相变频交流电至主发电机定子端。

4.根据权利要求2或3所述起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法，其特征在于：所述步骤4中，软退出时间给定值T(v_i)的计算公式如下：

5.根据权利要求3所述起动发电一体化系统起动功能软退出控制方法，其特征在于：所述步骤4中，依据步骤3.4～步骤3.6进行闭环调节。

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