两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁控制方法，在电机静止时确定励磁机静态最优励磁方式，获取交直流励磁切换转速。起动阶段，当电机转速小于切换转速时，励磁机采用两相交流励磁，通过转速参考获取励磁频率，并以此计算调制电压矢量相位角；当电机转速等于切换转速时，进行交流励磁向直流励磁切换，通过判断上一个控制周期电压矢量相位角的位置获取当前电压矢量相位角；当电机转速大于切换转速时，励磁机采用直流励磁，调制电压矢量相位角保持不变。本发明专利技术减小主发电机变频起动控制的复杂性；可以保证励磁机两相交流励磁向直流励磁切换平稳，且在切换成直流励磁后励磁机两相直流励磁电流大小相等。

【技术实现步骤摘要】
两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法
本专利技术属于航空交流电机
，具体涉及一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁控制方法，是一种通过两相励磁机励磁电流闭环控制及转速参考调制来实现主发电机励磁电流在励磁机交流励磁时保持恒定的励磁控制方法，同时包括励磁机两相交流励磁向直流励磁切换的控制方法
技术介绍
起动/发电一体化是未来航空交流电源系统的一个重要发展方向。目前我国飞机交流电源系统大都采用三级式无刷同步电机作为发电机，发动机由独立的专用起动机进行起动。一种简单可行的起动/发电一体化实现办法是直接省去专用的起动机，将三级式无刷同步发电机运行在电动状态来带动航空发动机起动。采用此方法实现起动/发电一体化时需要解决电机静止和低速时主发电机的励磁问题。基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统如图1所示，励磁机励磁绕组为相差90°的两相绕组。电机在静止和低速阶段，两相励磁机采用两相交流励磁方式；电机在高速及发电状态时，两相励磁机采用直流励磁方式。因为励磁机两相绕组在两相交流励磁方式下产生旋转磁场，故励磁机在电机静止和低速时励磁效率高，可以为主发电机提供足够的励磁电流；电机处于发电状态时，励磁机采用控制方法简单、技术成熟的直流励磁。所以基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统具有一定的优势。但是，励磁机在采用两相交流励磁策略时仍面临如下问题：1)交流励磁时励磁控制问题。如果在励磁机采用两相交流励磁整个过程中励磁方式(励磁电压和励磁频率)不变，则随着电机转速的升高，主发电机励磁电流会发生变化。这样会导致主发电机励磁磁场在电机起动过程中无法保持恒定，增加主发电机变频交流起动控制的复杂性。所以在励磁机交流励磁时，应根据电机转速实施调节励磁机励磁方式，使得主发电机励磁电流基本保持恒定。2)两相交流励磁向直流励磁切换。随着电机转速的升高，励磁机直流励磁就可以满足主发电机带载起动时最励磁电流的需求，且直流励磁控制简单。所以电机达到一定转速时，应进行两相交流励磁向直流励磁的切换。切换过程应保持平稳，减小因切换而引起的电流突变。并且切换成直流励磁后，两相直流励磁电流大小应相等，这样可以保证励磁机在直流励磁时的发热平衡。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁控制方法，解决的技术问题主要包括：1)在电机起动过程中对两相励磁机进行励磁控制，使得主发电机励磁电流在励磁机两相交流励磁时基本保持恒定；2)电机达到一定转速时进行励磁机两相交流励磁向直流励磁的切换，保证切换过程平稳，且切换成直流励磁后两相直流励磁电流大小相等。技术方案一种两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：电机静止时，对两相励磁机励磁绕组施加不同频率不同幅值的两相交流电压，测量各种情况下主发电机励磁电流的大小；所述频率取值为从20Hz到500Hz每隔20Hz取一个值；所述幅值取值为从10V到最大值每隔10V取一个值，其中最大值为两相逆变器在系统直流母线电压下所能逆变出的最大两相交流电压幅值；选取主发电机励磁电流最大时的励磁机励磁方式作为静态最佳励磁方式，记此最佳励磁方式的励磁频率为f0，电流幅值为iref作为电流闭环控制的参考值；通过公式计算出切换转速ns，其中pn为两相励磁机极对数；步骤2：电机起动阶段，通过两相励磁机励磁电流闭环控制确定励磁机励磁电压矢量幅值，具体如下：计算当前励磁电流矢量的幅值iα和iβ励磁机两相励磁电流的瞬时值；励磁电流参考值iref与当前励磁电流值is的差作为电流误差ei＝iref-is；对电流误差ei进行PI调节，得到两相励磁机当前调制电压矢量幅值U，U＝Kp·ei+Ki∫eidt，其中，Kp、Ki分别为励磁电流闭环PI控制器的比例、积分系数，且Kp＞0，Ki＞0；步骤3：将电机当前转速nr与切换转速ns进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角：3.1：当前转速nr小于切换转速ns(nr<ns)时，两相励磁机采用两相交流励磁方式，且两相交流励磁产生的旋转磁场与电机旋转方向相反；使用公式计算两相励磁机当前励磁频率fe；通过角度积分器获得当前调制电压矢量相位角θ，θ＝∫2πfedt；3.2：当前转速nr等于切换转速ns(nr＝ns)时，进行交直流励磁切换；记上一个控制周期中调制电压矢量相位角为θk-1，根据θk-1所处的象限获取当前调制电压矢量相位角θ；具体如下：当θk-1处于第一象限时，当前调制电压矢量相位角当θk-1处于第二象限时，当前调制电压矢量相位角当θk-1处于第三象限时，当前调制电压矢量相位角当θk-1处于第四象限时，当前调制电压矢量相位角3.3：当前转速nr大于切换转速ns(nr>ns)时，两相励磁机采用直流励磁方式，调制电压矢量相位角保持不变，即θ＝θk-1；步骤4：结合步骤2所得当前调制电压矢量幅值和步骤3所得当前调制电压矢量相位角，通过电压调制方法获取逆变器所需功率管开关控制信号，并以此信号驱动两相逆变器来控制两相励磁机。所述的两相逆变器为双单桥两相逆变器、三相全桥逆变器和或双全桥两相逆变器。所述的电压调制方法为空间矢量脉宽调制方法SVPWM或正弦波脉宽调制方法SPWM。所述的转速传感器为旋转变压器、光电编码器或霍尔传感器。有益效果本专利技术提出的一种基于两相励磁机的航空三级式无刷起动发电系统起动阶段励磁控制方法，在电机静止时确定励磁机静态最优励磁方式，并以此获取交直流励磁切换转速。起动阶段，通过励磁机两相励磁电流闭环控制确定调制电压矢量幅值。当电机转速小于切换转速时，励磁机采用两相交流励磁，通过转速参考获取励磁频率，并以此计算调制电压矢量相位角；当电机转速等于切换转速时，进行交流励磁向直流励磁切换，通过判断上一个控制周期电压矢量相位角的位置获取当前电压矢量相位角；当电机转速大于切换转速时，励磁机采用直流励磁，调制电压矢量相位角保持不变。本专利技术方法应用于三级式无刷同步起动发电系统起动阶段时，一方面可以使得主发电机励磁电流在励磁机两相交流励磁时基本保持恒定，以此减小主发电机变频起动控制的复杂性；另一方面，可以保证励磁机两相交流励磁向直流励磁切换平稳，且在切换成直流励磁后励磁机两相直流励磁电流大小相等。附图说明图1：基于两相励磁机的三级式无刷同步起动/发电系统结构示意图图2：本专利技术方法原理框图图3：双全桥两相逆变器拓扑图图4：本专利技术实施例的系统硬件结构示意图图5：主发电机反电势有效值随电机转速变化的趋势图6：主发电机反电势有效值与电机转速的商随电机转速变化的趋势图7：励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程(情况一)图8：励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程(情况二)图9：励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程(情况三)图10：励磁机两相交流励磁向直流励磁切换过程(情况四)具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术方法的原理框图如图2所示，励磁机两相电流经过采样、计算、滤波处理得到当前电流矢量幅值，与电流参考值求差后通过PI控制获得当前调制电压矢量幅值，调制电压矢量相位角通过转速参考获得。调制电压矢量经过PWM调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：电机静止时，对两相励磁机励磁绕组施加不同频率不同幅值的两相交流电压，测量各种情况下主发电机励磁电流的大小；所述频率取值为从20Hz到500Hz每隔20Hz取一个值；所述幅值取值为从10V到最大值每隔10V取一个值，其中最大值为两相逆变器在系统直流母线电压下所能逆变出的最大两相交流电压幅值；选取主发电机励磁电流最大时的励磁机励磁方式作为静态最佳励磁方式，记此最佳励磁方式的励磁频率为f0，电流幅值为iref作为电流闭环控制的参考值；通过公式计算出切换转速ns，其中pn为两相励磁机极对数；步骤2：电机起动阶段，通过两相励磁机励磁电流闭环控制确定励磁机励磁电压矢量幅值，具体如下：计算当前励磁电流矢量的幅值iα和iβ励磁机两相励磁电流的瞬时值；励磁电流参考值iref与当前励磁电流值is的差作为电流误差ei＝iref‑is；对电流误差ei进行PI调节，得到两相励磁机当前调制电压矢量幅值U，U＝Kp·ei+Ki∫eidt，其中，Kp、Ki分别为励磁电流闭环PI控制器的比例、积分系数，且Kp＞0，Ki＞0；步骤3：将电机当前转速nr与切换转速ns进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角：当前转速nr小于切换转速ns时，两相励磁机采用两相交流励磁方式，且两相交流励磁产生的旋转磁场与电机旋转方向相反；使用公式计算两相励磁机当前励磁频率fe；通过角度积分器获得当前调制电压矢量相位角θ，θ＝∫2πfedt；当前转速nr等于切换转速ns时，进行交直流励磁切换；记上一个控制周期中调制电压矢量相位角为θk‑1，根据θk‑1所处的象限获取当前调制电压矢量相位角θ；具体如下：当θk‑1处于第一象限时，当前调制电压矢量相位角当θk‑1处于第二象限时，当前调制电压矢量相位角当θk‑1处于第三象限时，当前调制电压矢量相位角当θk‑1处于第四象限时，当前调制电压矢量相位角当前转速nr大于切换转速ns时，两相励磁机采用直流励磁方式，调制电压矢量相位角保持不变，即θ＝θk‑1；步骤4：结合步骤2所得当前调制电压矢量幅值和步骤3所得当前调制电压矢量相位角，通过电压调制方法获取逆变器所需功率管开关控制信号，并以此信号驱动两相逆变器来控制两相励磁机。...

【技术特征摘要】
1.一种两相励磁机的航空三级式无刷发电系统起动励磁控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：电机静止时，对两相励磁机励磁绕组施加不同频率不同幅值的两相交流电压，测量各种情况下主发电机励磁电流的大小；所述频率取值为从20Hz到500Hz每隔20Hz取一个值；所述幅值取值为从10V到最大值每隔10V取一个值，其中最大值为两相逆变器在系统直流母线电压下所能逆变出的最大两相交流电压幅值；选取主发电机励磁电流最大时的励磁机励磁方式作为静态最佳励磁方式，记此最佳励磁方式的励磁频率为f0，电流幅值为iref作为电流闭环控制的参考值；通过公式计算出切换转速ns，其中pn为两相励磁机极对数；步骤2：电机起动阶段，通过两相励磁机励磁电流闭环控制确定励磁机励磁电压矢量幅值，具体如下：计算当前励磁电流矢量的幅值iα和iβ励磁机两相励磁电流的瞬时值；励磁电流参考值iref与当前励磁电流值is的差作为电流误差ei＝iref-is；对电流误差ei进行PI调节，得到两相励磁机当前调制电压矢量幅值U，U＝Kp·ei+Ki∫eidt，其中，Kp、Ki分别为励磁电流闭环PI控制器的比例、积分系数，且Kp＞0，Ki＞0；步骤3：将电机当前转速nr与切换转速ns进行比较，根据比较结果采用下述不同方法计算当前调制电压矢量相位角：当前转速nr小于切换转速ns时，两相励磁机采用两相交流励磁方式，且两相交流励磁产生的旋转磁场与电机旋转方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫国，焦宁飞，孟涛，骆光照，彭纪昌，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61