CN116317744A - 基于二阶滤波器ude的三级式发电机调压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法，控制器采集三级式发电机的主发电机电枢电压和主励磁机励磁电流，电枢三相电压经过有效值计算后得到电压有效值，和参考电压作差后经过PI调节得到励磁电流的给定值，励磁电流给定与控制器采集的励磁电流作差，再经过不确定性干扰估计控制器UDE得到不对称半桥电路的占空比，通过调节占空比调节励磁电流的大小，从而进一步调节发电机输出电压。本发明将传统UDE中扰动观测的一阶滤波器改成二阶滤波器，并将改进过的UDE控制律改写成传统UDE控制律的形式，本发明在继承传统UDE简单可靠的基础上进一步提高了系统抗干扰能力和控制效果。

Description

基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法。

背景技术

三级式发电机由永磁机、旋转电枢式同步电机、旋转磁极式同步电机三个电机和旋转整流桥组成，这种结构避免了电刷，因此其又被称为无刷交流发电机，具有可靠性高，功率密度高，功率大等特点，常常用于多电飞机的主发电机，是航空电源系统的主要电力来源。如A380和B787分别装载了4台150KVA、250KVA的三级式发电机。

但是，如前所述，三级式发电机含有三个电机以及中间带有电力电子电路旋转整流桥，因此三级式发电机的数学模型复杂，调压存在困难。

对于三级式无刷交流发电机的调压控制而言，一般采取输出电压外环励磁电流内环的控制框图进行调压。调节三级式发电机的输出电压需要调节主励磁机的励磁电流，中间隔了主励磁机、旋转整流桥和主发电机三个环节，因此三级式无刷交流发电机的励磁电流控制具有强耦合强非线性等问题。因此如何更有效的对三级式励磁电流进行调节，获得高质量输出电压波形，以及进一步改善航空电源系统的电源质量具有重要意义。

在路通等公开的“基于不确定干扰估计器控制的三级式发电机调压方法”(中国，公开号：CN113890432A)专利通过PI电压外环UDE励磁电流内环的控制方法调节电压，取得了不错的调压效果，UDE这种基于扰动抑制的控制方法也使系统具有良好的鲁棒性，满足三级式发电机各种工况下的运行。但是该专利中UDE采取的是一阶滤波器观测扰动，且没有提出和三级式电机UDE调压控制相配套的参数整定方案，还有进一步改进的空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法，一方面改进了现有的三级式发电机UDE控制方案，在提高控制效果的同时，并没有带来过多的控制复杂度提升。

所述方法包括以下步骤：

步骤1，采集三级式发电机的主发电机电枢电压和主励磁机励磁电流i_efd，电枢电压经过软件有效值计算得到电枢电压有效值为v_o；

步骤2，将步骤1得到的电枢电压有效值v_o和参考电压作差，偏差经过PI调节器得到励磁电流给定值i_efd ^*；

步骤3，根据三级式电机励磁电流与占空比之间的数学模型，励磁电流内环采取改进UDE控制器，将步骤1得到的励磁电流i_efd和将步骤2得到的励磁电流给定值i_efd ^*作差，偏差输入改进UDE控制器，得到不对称半桥电路的PWM占空比；

步骤4，将一定占空比的PWM波输入给不对称半桥电路，当MOS管导通时，主励磁机励磁电流上升，当MOS管关断时，主励磁机励磁电流下降。通过调节励磁电流间接调节发电机输出电压。

作为优选，步骤3中的数学模型具体表述如下：

三级式发电机主励磁机励磁电流与占空比之间的数学模型为：

其中，a＝-r_efd/L_ef，b＝V_pmg/L_efd这两项是三级式发电机的模型参数，最后一项

是扰动项，包含外扰(前一项)和内扰(后两项)，u(t)是占空比。r_efd和L_efd分别是主励磁机励磁电阻和励磁电感，V_pmg是永磁机整流电压，简化起见认为其是常数，L_emd是主励磁机d轴磁化电感，/>

是主励磁机转子d轴电枢绕组电流的微分。f前一项外扰表示了励磁机电枢反应的影响。由于f前一项外扰非常复杂，因此将其当作扰动项处理，使用不确定性干扰估计控制器UDE进行控制。

作为优选，步骤3使用的改进UDE控制器为：

其中，

α和β是UDE的两个带宽参数，k是误差增益系数，常常直接取为0，ξ是基于二阶滤波器UDE附加的一个参数，但是该参数的选取和α、β的选取是解耦的，并没有增加控制器参数涉及的复杂度。

控制器包含两项：前一项是微分前馈环节si_{efd_m}(s)，后一项

是等效PI环节，其等效PI参数为：k_p＝α-k+ξβ，k_i＝(α-k)ξβ+β²。

作为优选，在改进UDE参数整定过程中，不考虑二阶形式的s²/(s²+ξβs+β²)，先按照传统UDE的参数整定方法整定，当整定参数α、β、k确定后，再将s/(s+β)改成阻尼比为

的s²/(s²+ξβs+β²)，在/>

的基础上用试凑法逐步提高阻尼比直至控制性能不再提高，以进一步释放UDE抑制干扰的能力。阻尼比ξ和传统UDE参数在参数整定过程中是解耦的，可以分开考虑。

有益效果

(1)本发明将传统UDE中扰动观测的一阶滤波器改成二阶滤波器，并将改进过的UDE控制律改写成传统UDE控制律的形式，在继承传统UDE简单可靠的基础上进一步提高了系统抗干扰能力和控制效果；

(2)本发明所使用的二阶滤波器是一种特定形式的二阶滤波器，在这种形式下得到的UDE二自由度方程中，扰动抑制传递函数刚好是一阶低通乘以二阶高通的形式，因此，二阶UDE参数整定可以直接从三级式电机一阶UDE参数整定方法过渡而来。而且二阶控制器结构和一阶控制器结构相比，结构完全相同，只修改了内部参数，这不会给控制器设计带来过多的成本提高。

附图说明

图1是本发明一个实施例的双环控制调压系统电路框图；

图2是本发明一个实施例的改进UDE控制方式内部的传递函数框图；

图3是本发明一个实施例的一阶高通滤波器和不同阻尼比的二阶高通滤波器幅频响应对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。下面通过参考附图描述的实施方式是实例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为本发明的限制。

本发明公开了一种基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采集三级式发电机的主发电机电枢电压和主励磁机励磁电流i_efd，电枢电压经过软件有效值计算得到电枢电压有效值为v_o。

步骤2，将步骤1得到的电枢电压有效值v_o和参考电压作差，偏差经过PI调节器得到励磁电流给定值i_efd ^*。

步骤3，根据三级式电机励磁电流与占空比之间的数学模型，励磁电流内环采取改进UDE控制器，将步骤1得到的励磁电流i_efd和将步骤2得到的励磁电流给定值i_efd ^*作差，偏差经过改进UDE控制器后，得到不对称半桥电路的PWM占空比。

步骤4，将一定占空比的PWM波输入给不对称半桥电路，当MOS管导通时，主励磁机励磁电流上升，当MOS管关断时，主励磁机励磁电流下降。通过调节励磁电流间接调节发电机输出电压。

图2是UDE控制器的传递函数框图，其输出值占空比由两部分组成，一部分是i_{efd_m}的微分值，另一部分是PI环节，PI环节的输入误差为i_{efd_m}和i_efd之差。i_{efd_m}是电流内环参考值

的低频分量。微分环节用于加快系统的动态响应，PI环节主要用于稳态响应的调节，使得占空比可以稳定在所需要的占空比附近。

本发明将传统UDE中扰动观测的一阶滤波器改成二阶滤波器，并将改进过的UDE控制律改写成传统UDE控制律的形式，在继承传统UDE简单可靠的基础上进一步提高了系统抗干扰能力和控制效果。

具体的，改进UDE控制器为：

其中，

α和β是UDE的两个带宽参数，k是误差增益系数，常常直接取为0，ξ是基于二阶滤波器UDE附加的一个参数，但是该参数的选取和α、β的选取是解耦的，并没有增加控制器参数设计的复杂度。

控制器包含两项：前一项是微分环节si_{efd_m}(s)，后一项是等效PI环节，其等效PI参数为：k_p＝α-k+ξβ，k_i＝(α-k)ξβ+β²。

传统UDE控制器为：

式中参数意义和上述相同，不再赘述。后一项等效PI环节的等效PI参数变成了：k_p＝α-k+β，k_i＝(α-k)β。

可以发现两者控制器的结构都是微分环节+PI的形式，只有PI参数发生了变化。

基于二阶滤波器UDE相比于传统UDE的优越性体现在：

传统UDE使用的一阶滤波器为：

此时的UDE二自由度核心公式为：

其中，α/(s+α)表示给定跟踪传递函数，(1/(s+α-k))*(s/(s+β))表示扰动抑制传递函数，1/(s+α-k)是低通滤波器，s/(s+β)是高通滤波器，两者合起来对扰动进行全频带抑制。现在从扰动抑制传递函数入手提高UDE的扰动抑制能力。

改进UDE使用的二阶滤波器为：

此时的UDE二自由度核心公式为：

如图3所示，一阶高通是s/(s+β)的幅频响应，其余曲线是不同阻尼比ξ下的s²/(s²+ξβs+β²)的幅频响应。由图可知，在

下，s²/(s²+ξβs+β²)的低频段优于s/(s+β)，而高频段和s/(s+β)基本重合。因此，在改进UDE参数整定过程中，可以不考虑二阶形式的s²/(s²+ξβs+β²)，先按照传统UDE的参数整定方法整定：

(1).根据相关研究，误差增益系数k直接选取为0即可；

(2).带宽β应该尽量覆盖扰动f(s)的频谱范围，三级式发电机的电枢反应谐波含量主要来自励磁机频率的6倍频。以某型号三级式发电机为例，其电枢频率为666.67Hz至1066.67Hz，电枢反应的扰动频率在4kHz至6.4kHz。假设三级式发电机额定工作在8000转每分转速下，此时电枢反应的扰动频率集中在4kHz附近。因此UDE控制器的带宽β选择在该频率下，β的单位为rad/s，选择β＝25000rad/s。

(3).考虑到本专利所使用的功率器件开关频率为10kHz，而带宽α太大可能会导致系统失稳，因此综合考虑选择α为开关频率的1/5左右，即12000rad/s。

当整定参数α、β、k确定后，再将s/(s+β)改成阻尼比为

的s²/(s²+ξβs+β²)。同时，在/>

的基础上用试凑法逐步提高阻尼比直至控制性能不再提高，就可以进一步释放UDE抑制干扰的能力。即阻尼比ξ和传统UDE参数在参数整定过程中是解耦的，可以分开考虑。

本发明针对三级式发电机的数学模型复杂，调压存在困难的问题，引入不确定性干扰估计控制器UDE作为典型双环调压的励磁电流内环，并提出了基于二阶滤波器的改进UDE控制方法以及相应的适合三级式电机的参数整定方法，进一步改善了电流响应波形，提高了系统抗干扰能力。

本技术领域技术人员可以理解的是，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)具有与本发明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。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，采集三级式发电机的主发电机电枢电压和主励磁机励磁电流i_efd，电枢电压经过有效值计算得到电枢电压有效值为v_o；

步骤2，将步骤1得到的电枢电压有效值v_o和参考电压作差，偏差经过PI调节器得到励磁电流给定值i_efd ^*；

步骤3，根据三级式电机励磁电流与占空比之间的数学模型，励磁电流内环采取改进UDE控制器，将步骤1得到的励磁电流i_efd和将步骤2得到的励磁电流给定值i_efd ^*作差，偏差经过改进UDE控制器后，得到不对称半桥电路的PWM占空比；

步骤4，将一定占空比的PWM波输入给不对称半桥电路，当MOS管导通时，主励磁机励磁电流上升，当MOS管关断时，主励磁机励磁电流下降，通过调节励磁电流间接调节发电机输出电压。

2.根据权利要求1所述的基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法，其特征在于：步骤3中的数学模型表述如下：

三级式发电机主励磁机励磁电流与占空比之间的数学模型为：

(1)

其中，a＝-r_efd/L_ef，b＝V_pmg/L_efd这两项是三级式发电机的模型参数，最后一项

是扰动项，包含外扰和内扰，u(t)是占空比；r_efd和L_efd分别是主励磁机励磁电阻和励磁电感，V_pmg是永磁机电压，L_emd是主励磁机d轴磁化电感，/>

是主励磁机转子d轴电枢绕组电流的微分。

3.根据权利要求1或2所述的基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法，其特征在于：步骤3使用的改进UDE控制器为：

其中，

α和β是UDE的两个带宽参数，k是误差增益系数，ξ是基于二阶滤波器UDE附加的一个参数；

控制器包含两项：前一项是微分环节si_{efd_m}(s)，后一项是等效PI环节，其等效PI参数为：k_p＝α-k+ξβ，k_i＝(α-k)ξβ+β²。

4.根据权利要求3所述的基于二阶滤波器UDE的三级式发电机调压方法，其特征在于：改进UDE控制器参数整定过程中，先按照传统UDE的参数整定方法整定，当整定参数α、β、k确定后，再将s/(s+β)改成阻尼比为

的s²/(s²+ξβs+β²)，在/>

的基础上用试凑法逐步提高阻尼比直至控制性能不再提高，以进一步释放UDE抑制干扰的能力。

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