CN116054665B - 一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法 - Google Patents

一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,属于航空永磁发电整流系统控制技术领域。采用MPPA策略得到d轴电流初步指令,在此基础上叠加弱磁控制器输出信号得到d轴电流指令,进一步通过功率电流关系计算得到q轴电流指令,确保弱磁控制模式下电流指令沿恒功率曲线移动,实现功率解耦控制。所公开方法中的电流指令生成方法能够实时在q轴电流指令中补偿d轴电流指令变化对输出功率的影响,能够提高直流电压控制性能。尤其当永磁发电机内阻较大或凸极性较强时,所公开方法可以大幅度提升输出电压控制性能。

Description

一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法
技术领域
本发明属于航空永磁发电整流系统控制技术领域,具体涉及一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法。
背景技术
相对于采用三级式和开关磁阻电机的航空发电系统,永磁发电系统具有高效率、高功率密度、高功重比以及更好的电能质量等优点。随着永磁电机技术和电力电子技术的发展,永磁发电整流系统将在航空领域得到更广泛的应用。目前,已有美国公司将永磁发电整流系统应用于新型战斗机中。
永磁发电机的转子磁链来自于永磁体,当控制发电机的端电压需求高于某阈值时,必须采用弱磁控制保证双向变换器不进入过调制状态,优先确保系统受控。在传统永磁发电整流控制方法中,未弱磁模式下根据直流母线电压补偿器输出信号,采用MTPA(单位电流最大转矩)策略得到电流指令信号;在弱磁模式下,MTPA控制策略无法实现,由弱磁控制器对d轴电流指令进行修正。
传统控制方法存在如下问题:进入弱磁模式后,弱磁控制器在MTPA策略输出电流指令的基础上只修改了d轴电流指令,并未在q轴电流指令中补偿d轴电流指令变化对输出功率的耦合影响,导致电流指令对应的输出功率与需求功率失衡,导致输出电压偏离控制目标。迫使电压补偿器调整输出信号,实现对功率失衡的调整,使输出电压重新回到控制目标。显然,在传统控制方法中,弱磁控制会影响功率平衡,迫使电压补偿器做出调整,影响直流侧电压控制性能。尤其当永磁发电机内阻较大或凸极性较强时,上述问题会更加明显。此外,弱磁控制模式下电压补偿器输出信号会偏离系统真实转矩需求,不便于在控制器中实现转矩指令信号的观测。
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,本发明提供一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法。
技术方案
一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:计算输出功率需求
Figure BDA0003873580640000021
将输出电压指令值
Figure BDA0003873580640000022
与输出电压采样值udc做差,误差值经过电压控制器GV得到输出功率需求/>
Figure BDA0003873580640000023
步骤2:计算d轴电流指令
Figure BDA0003873580640000024
输出功率需求
Figure BDA0003873580640000025
和电机转速ωe经过MPPA策略得到d轴电流初步指令,与弱磁控制器GFW输出结果求和,得到d轴电流指令/>
Figure BDA0003873580640000026
步骤3:计算q轴电流指令
Figure BDA0003873580640000027
根据电机转速ωe、输出功率需求
Figure BDA0003873580640000028
以及d轴电流指令/>
Figure BDA0003873580640000029
使用Pdc-idq模型计算得到q轴电流指令/>
Figure BDA00038735806400000210
所述Pdc-idq模型表达式为:
Figure BDA00038735806400000211
其中:Rs为内阻,λf为反电势系数,Ld、Lq分别为d轴、q轴定子电感;
步骤4:计算d轴、q轴电压指令:
将d轴电流指令
Figure BDA00038735806400000212
q轴电流指令/>
Figure BDA00038735806400000213
分别与d轴测量电流id、q轴测量电流iq做差得到d轴、q轴电流误差值,误差值经过电流补偿器GC,并进行交叉解耦、前馈后,得到d轴、q轴电压指令ud、uq
步骤5:弱磁控制:
根据ud、uq计算电压指令模值,将电压指令模值与模值限值做差,做差结果经过弱磁控制器GFW,输出信号用于步骤2中
Figure BDA0003873580640000031
的计算;
步骤6:开关信号输出:
ud、uq经过dq-αβ坐标变换、SVPWM调制,得到PWM波信号,用于驱动双向变换器中的功率开关器件。
本发明进一步的技术方案:步骤1所述的电压控制器GV选用PI控制。
本发明进一步的技术方案:步骤2所述的MPPA策略通过计算或查表实现。
本发明进一步的技术方案:步骤4所述的d轴电压指令ud具体为:d轴参考电流
Figure BDA0003873580640000032
与实际测量的d轴电流id做差,输出的值经过电流控制器GC调节,输出电压ud1;电压ud1减去iqωeLq得到d轴参考电压ud,即ud=ud1-iqωeLq
本发明进一步的技术方案:步骤4所述的q轴电压指令uq具体为:q轴参考电流
Figure BDA0003873580640000033
与实际测量的q轴电流iq做差,输出的值经过电流控制器GC调节,输出电压uq1;电压uq1加上idωeLd和ωeλf,得到q轴参考电压uq,即uq=uq1+idωeLdeλf
本发明进一步的技术方案:步骤5根据ud、uq计算电压指令模值公式为:
Figure BDA0003873580640000034
本发明进一步的技术方案:步骤5所述的模值限值为
Figure BDA0003873580640000035
本发明进一步的技术方案:步骤5所述的弱磁控制器GFW选用PI控制。
本发明进一步的技术方案:步骤6所述的dq-αβ坐标变换为:
Figure BDA0003873580640000036
其中,θe为电机转子的电角度。
有益效果
本发明提供的一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,相对于传统控制方法,所公开方法采用MPPA(单位电流最大功率)策略得到d轴电流初步指令,在此基础上叠加弱磁控制器输出信号得到d轴电流指令,进一步通过功率电流关系计算得到q轴电流指令,确保弱磁控制模式下电流指令沿恒功率曲线移动,实现功率解耦控制。所公开方法中的电流指令生成方法能够实时在q轴电流指令中补偿d轴电流指令变化对输出功率的影响,能够提高直流电压控制性能。尤其当永磁发电机内阻较大或凸极性较强时,所公开方法可以大幅度提升输出电压控制性能。此外,所提出的方法中,电压控制器输出信号可以始终反映真实功率需求,便于在控制器中实现输出功率指令信号的观测。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1是航空永磁同步发电整流系统结构图;
图2是本发明公开的控制方法框图
图3是仿真结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,航空永磁同步发电整流系统由航空发动机、PMS/G永磁同步电机、双向变换器、稳压电容和直流负载构成。
如图2永磁同步发电整流系统功率解耦控制方法实现框图所示,给定参考电压
Figure BDA0003873580640000041
与传感器测量的直流母线电压udc做差,输出的值经过电压控制器GV调节,输出参考功率
Figure BDA0003873580640000042
其中电压控制器GV可以选用PI控制。
根据控制系统中的d轴电压ud和q轴电压的uq计算出
Figure BDA0003873580640000043
的值,/>
Figure BDA0003873580640000044
与传感器测量的直流母线电压/>
Figure BDA0003873580640000051
做差,输出的值经过弱磁控制器GFW调节,输出的信号经过限幅模块,使输出电流iFW不大于0。其中弱磁控制器GFW可以选用PI控制。
根据参考功率
Figure BDA0003873580640000052
和电机电转速ωe,通过MPPA模块计算出电流iMPPA。其中MPPA为一个二维矩阵,通过输入的/>
Figure BDA0003873580640000053
和ωe查找矩阵中对于数值,并输出为iMPPA。MPPA二维矩阵中数据由方程(1)确定,其中λf为电机转子磁链,is为定子电流幅值,θ为定子电流is与d轴的夹角,Ld为电机d轴等效电感,Lq为电机q轴等效电感,Rs为电机内阻。
Figure BDA0003873580640000054
根据MPPA电流iMPPA和弱磁环电流iFW,计算出d轴参考电流
Figure BDA0003873580640000055
根据参考功率
Figure BDA0003873580640000056
电机电转速ωe和d轴参考电流/>
Figure BDA0003873580640000057
通过Pdc-idq模型计算出q轴参考电流/>
Figure BDA0003873580640000058
其中Pdc-idq模型为方程(2)。
Figure BDA0003873580640000059
实际测量的电机三相相电流ia、ib、ic,经过ABC-dq变换,得到电机实际的d轴电流id和q轴电流iq,计算方法如公式(3)所示,其中θe为电机转子的电角度。
Figure BDA00038735806400000510
d轴参考电流
Figure BDA00038735806400000511
与实际测量的d轴电流id做差,输出的值经过电流控制器GC调节,输出电压ud1。电压ud1减去iqρeLq得到d轴参考电压ud,即ud=ud1-iqωeLq。其中电流控制器GC可以选用PI控制。
q轴参考电流
Figure BDA00038735806400000512
与实际测量的q轴电流iq做差,输出的值经过电流控制器GC调节,输出电压uq1。电压uq1加上idωeLd和ωeλf,得到q轴参考电压uq,即uq=uq1+idωeLdeλf
d轴参考电压ud和q轴参考电压uq经过dq-αβ变换得到α轴电压uα和β轴电压uβ,计算方法如公式(4)所示,uα和uβ经过SVPWM模块调制,生成用于控制双向变换器的PWM信号。
Figure BDA0003873580640000061
根据图2的控制框图和实际的电机参数,在仿真软件中搭建仿真模型,对设计的控制方法进行验证,验证结果如图3所示,FOC为传统控制方法,PD为本发明控制方法。仿真结果表明,本发明提出的方法可以显著提升发电整流系统控制性能。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,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公开的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:计算输出功率需求
Figure FDA0003873580630000011
将输出电压指令值
Figure FDA0003873580630000012
与输出电压采样值udc做差,误差值经过电压控制器GV得到输出功率需求/>
Figure FDA0003873580630000013
步骤2:计算d轴电流指令
Figure FDA0003873580630000014
输出功率需求
Figure FDA0003873580630000015
和电机转速ωe经过MPPA策略得到d轴电流初步指令,与弱磁控制器GFW输出结果求和,得到d轴电流指令/>
Figure FDA0003873580630000016
步骤3:计算q轴电流指令
Figure FDA0003873580630000017
根据电机转速ωe、输出功率需求
Figure FDA0003873580630000018
以及d轴电流指令/>
Figure FDA0003873580630000019
使用Pdc-idq模型计算得到q轴电流指令/>
Figure FDA00038735806300000110
所述Pdc-idq模型表达式为:
Figure FDA00038735806300000111
其中:Rs为内阻,λf为反电势系数,Ld、Lq分别为d轴、q轴定子电感;
步骤4:计算d轴、q轴电压指令:
将d轴电流指令
Figure FDA00038735806300000112
q轴电流指令/>
Figure FDA00038735806300000113
分别与d轴测量电流id、q轴测量电流iq做差得到d轴、q轴电流误差值,误差值经过电流补偿器GC,并进行交叉解耦、前馈后,得到d轴、q轴电压指令ud、uq
步骤5:弱磁控制:
根据ud、uq计算电压指令模值,将电压指令模值与模值限值做差,做差结果经过弱磁控制器GFW,输出信号用于步骤2中
Figure FDA00038735806300000114
的计算;
步骤6:开关信号输出:
ud、uq经过dq-αβ坐标变换、SVPWM调制,得到PWM波信号,用于驱动双向变换器中的功率开关器件。
2.根据权利要求1所述的航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于:步骤1所述的电压控制器GV选用PI控制。
3.根据权利要求1所述的航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于:步骤2所述的MPPA策略通过计算或查表实现。
4.根据权利要求1所述的航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于:步骤4所述的d轴电压指令ud具体为:d轴参考电流
Figure FDA0003873580630000021
与实际测量的d轴电流id做差,输出的值经过电流控制器GC调节,输出电压ud1;电压ud1减去iqωeLq得到d轴参考电压ud,即ud=ud1-iqωeLq
5.根据权利要求1所述的航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于:步骤4所述的q轴电压指令uq具体为:q轴参考电流
Figure FDA0003873580630000022
与实际测量的q轴电流iq做差,输出的值经过电流控制器GC调节,输出电压uq1;电压uq1加上idωeLd和ωeλf,得到q轴参考电压uq,即uq=uq1+idωeLdeλf
6.根据权利要求1所述的航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于:步骤5根据ud、uq计算电压指令模值公式为:
Figure FDA0003873580630000023
7.根据权利要求1所述的航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于:步骤5所述的模值限值为
Figure FDA0003873580630000024
8.根据权利要求1所述的航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于:步骤5所述的弱磁控制器GFW选用PI控制。
9.根据权利要求1所述的航空永磁发电整流系统功率解耦控制方法,其特征在于:步骤6所述的dq-αβ坐标变换为:
Figure FDA0003873580630000025
其中,θe为电机转子的电角度。
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