一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法技术

本发明专利技术涉及航空电气设计技术领域，尤其涉及一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法

【技术实现步骤摘要】
一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法


[0001]本专利技术属于航空电气设计
，尤其涉及一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法
。

技术介绍

[0002]电动直升机以电推进系统作为动力，主要由永磁同步电动机
、
锂蓄电池和控制器等构成，近年来随着电力电子技术的迅速发展，控制器在高效
、
小型化
、
高可靠性方面取得了丰硕成果，控制器作为电动直升机的核心部件，其效率直接影响其电推进系统的性能，针对电动直升机控制器控制策略进行优化，提升控制效率，降低控制器发热，增加飞机续航时间成为人们亟待解决的问题
。
[0003]高密度电动直升机电推进系统中，磁饱和效应导致磁链等经典矢量控制模型难以涉及电磁场和温度场耦合效应，而人工台架标定的转矩与电流矢量对应关系未能揭示电机参数非线性规律和多场耦合规律，导致实际电机及控制器效率较低，电推进系统发热严重，为了提高电机及控制器的运行效率，采用经典矢量控制模型与损耗在线寻优相结合的方式进行系统优化
。
[0004]目前永磁同步电机控制以矢量经典控制为主，通过对转子磁场的控制，可将定子电流的励磁分量和转矩分量进行解耦，从而使交流电机能像直流电一样简单的控制
。
以控制目标的不同分为四类控制策略：
i
d
＝0控制
、
最大转矩电流比控制
、
功率因数恒为1控制和弱磁控制
。
对于表贴式永磁同步电机，其
d
轴电感和
q
轴电感相同，可以使得电磁转矩与
q
轴电流成线性关系，通过改变
q
轴电流即可控制输出转矩的大小
。
所以常用
i
d
＝0控制，但对于表贴式永磁同步电机来说，
i
d
＝0控制不能保证控制器和电机的输出效率时刻最优
。

技术实现思路

[0005]鉴于此，本专利技术公开提供了一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法，以降低电动直升飞机电推进系统中电机及控制器的发热量，提高电机及控制器的效率
、
提升电动直升机的续航能力
。
[0006]本专利技术的技术方案：一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：依据永磁同步电机的损耗构成，对永磁同步电机进行建模，得到电机的损耗模型；
[0008]步骤2：根据永磁同步电机的损耗模型，建立损耗
‑
电流函数，求所述函数的最小值，得到函数最小值时所对应的电流即为系统最优输入电流；其中系统最优输入电流为最优
d
轴电流
i
d
‑
opt
；
[0009]步骤3：将所述最优输入电流加入到矢量控制中，作为控制器的输入，实现控制器的效率优化
。
[0010]进一步地，所述电机的损耗由优化后的铁损和铜损构成；
[0011]铁损功率方程的构建步骤为：
[0012]定义三相静止坐标下的铁损功率方程为：
[0013][0014]其中：
P
f
为铁损功率；
k1、k2为铁芯加工工艺及磁密不均匀分布导致的铁耗功率系数；
f
φ
为磁通频率；
B
为磁通密度；
[0015]经过
Park
变换，两相旋转坐标下的铁损功率方程为：
[0016]P
f
＝
k
f
f
φ
B2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]其中：
k
f
为从三相静止到两相旋转坐标转换后，等效的铁损系数
。
[0018]由安培环路定则可知，磁通密度与电流的关系为
[0019][0020]其中：
μ
为磁导率；
I
f
为环路电流；
r
为环路半径
。
[0021]由式
(2)
和式
(3)
可得两相旋转坐标下的铁损功率方程：
[0022][0023]除了电流之外的参数，只与电机本体材料和结构有关，在电机设计完成后，可视为固定值，将其等效为一个参数，用铁损电阻来表示，得到关于电流和电阻的铁损功率方程：
[0024][0025]所述铜损的大小由电流大小和线圈电阻决定：
[0026]P
cu
＝
I2R
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]其中：
P
cu
为铜损功率；
I
为定子电流有效值；
R
s
为定子电阻
。
[0028]进一步地，所述步骤2具体为：
[0029]根据考虑铁损和铜损电阻的电机数学模型，得
d、q
坐标轴下电机电压方程为：
[0030][0031]其中：
u
d
、u
q
分别为
d、q
轴定子电压分量；
i
d
、i
q
分别为定子电流在
d、q
轴下的电流分量；
i
wd
、i
wq
分别为定子电流在
d、q
轴上的有功分量；
i
fd
、i
fq
分别为定子电流在
d、q
轴上的无功分量；
R
s
为定子电阻；
R
f
为铁损电阻；
L
为定子电感在
d、q
轴下的电感分量
(
表贴式永磁同步电机
L
d
＝
L
q
＝
L)
；
ω
e
为电机电角速度；
ψ
f
为永磁体磁链；
[0032]由基尔霍夫定律可得电流方程：
[0033][0034]电磁转矩及
d、q
轴下磁链方程为：
[0035][0036]其中：
n
p
为电机磁极对数；
[0037]当电机处于稳态时，
d、q
轴下的铁损电流可表示为：
[0038][0039]其中电机的可控损耗有铜损和铁损，根据式
(5)
和式
(6)
可得出铜损
P
cu
与铁损
P
f
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：依据永磁同步电机的损耗构成，对永磁同步电机进行建模，得到电机的损耗模型；步骤2：根据永磁同步电机的损耗模型，建立损耗
‑
电流函数，求所述函数的最小值，得到函数最小值时所对应的电流即为系统最优输入电流；其中系统最优输入电流为最优
d
轴电流
i
d
‑
opt
；步骤3：将所述最优输入电流加入到矢量控制中，作为控制器的输入，实现控制器的效率优化
。2.
根据权利要求1所述的一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法，其特征在于，所述电机的损耗由优化后的铁损和铜损构成；铁损功率方程的构建步骤为：定义三相静止坐标下的铁损功率方程为：其中：
P
f
为铁损功率；
k1、k2为铁芯加工工艺及磁密不均匀分布导致的铁耗功率系数；
f
φ
为磁通频率；
B
为磁通密度；经过
Park
变换，两相旋转坐标下的铁损功率方程为：
P
f
＝
k
f
f
φ
B2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
其中：
k
f
为从三相静止到两相旋转坐标转换后，等效的铁损系数
。
由安培环路定则可知，磁通密度与电流的关系为其中：
μ
为磁导率；
I
f
为环路电流；
r
为环路半径
。
由式
(2)
和式
(3)
可得两相旋转坐标下的铁损功率方程：除了电流之外的参数，只与电机本体材料和结构有关，在电机设计完成后，可视为固定值，将其等效为一个参数，用铁损电阻来表示，得到关于电流和电阻的铁损功率方程：所述铜损的大小由电流大小和线圈电阻决定：
P
cu
＝
I2R
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
其中：
P
cu
为铜损功率；
I
为定子电流有效值；
R
s
为定子电阻
。3.
根据权利要求1所述的一种基于损耗模型的轻型电动直升机控制器的效率优化方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王书礼，刘孟凯，张庆新，樊馨月，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：