一種用于航空起動發(fā)電系統(tǒng)的全速度無位置傳感器技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于永磁電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)同軸運(yùn)行的航空起動發(fā)電系統(tǒng)全速度無位置傳感器技術(shù)，主電機(jī)作為起動發(fā)電機(jī)時(shí)與永磁電機(jī)同軸相連，起動時(shí)永磁電機(jī)不接入系統(tǒng)而處于空載發(fā)電運(yùn)行，反電勢不易受到干擾，在確定永磁機(jī)和起動發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子極數(shù)后，通過仿真永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子位置變化與各相線電勢之間的關(guān)系以及起動發(fā)電機(jī)的0°機(jī)械角度位置確定同軸相連的起動發(fā)電機(jī)和永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系，通過注入脈沖判斷起動發(fā)電機(jī)初始位置，通過電流響應(yīng)法起動電機(jī)，待轉(zhuǎn)速達(dá)到閾值時(shí)檢測永磁電機(jī)參考相線電勢過零點(diǎn)確定起動發(fā)電機(jī)的換相點(diǎn)。該方法克服了起動發(fā)電機(jī)電動運(yùn)行時(shí)電磁特性檢測易受干擾等弊端，是一種簡便的全速度無位置控制策略。
【專利說明】一種用于航空起動發(fā)電系統(tǒng)的全速度無位置傳感器技術(shù)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種航空起動發(fā)電機(jī)無位置傳感器控制方法，屬于電機(jī)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空機(jī)電系統(tǒng)中，采用起動/發(fā)電一體化技術(shù)不僅能夠有效減小飛機(jī)重量、提高功率密度、提高可靠性，還有利于將發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)集成，改善發(fā)動機(jī)的喘振裕度和減少燃油消耗等，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。然而起動發(fā)電機(jī)需要完成從靜止起動到高速運(yùn)行至發(fā)動機(jī)點(diǎn)火的整個過程，為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能控制，位置傳感器必不可少。常用的位置傳感器有電磁式位置傳感器(如開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關(guān)等)、光電式位置傳感器(如遮光板)、磁敏式位置傳感器(如霍爾位置傳感器)等。機(jī)械式傳感器的引入限制了起動發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍，尤其是在易受電磁干擾、工作環(huán)境惡劣的飛機(jī)發(fā)動機(jī)起動發(fā)電系統(tǒng)中，更需要解決位置傳感器局限性的問題。因此，研究無位置傳感器技術(shù)對于充分發(fā)揮起動發(fā)電機(jī)在特殊環(huán)境下的運(yùn)行能力具有重要的意義。
[0003]在現(xiàn)有的起動發(fā)電機(jī)無位置方法中，注入脈沖法在初始位置檢測中的應(yīng)用最廣泛，也最簡便直接，本專利在靜止位置檢測上依舊使用脈沖注入法。在低速運(yùn)行時(shí)，高頻脈沖注入檢測法、調(diào)制解調(diào)法、互感檢測法、磁鏈/電流檢測法、電流梯度檢測法、電感模型擬合法、智能觀測器法等方法是現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的用于起動發(fā)電機(jī)的無位置方法，它們都有各自的特點(diǎn)，但是現(xiàn)有的方法都存在著電磁特性檢測易受干擾，易受勵磁電流和負(fù)載變化的影響，同時(shí)在檢測時(shí)若處理不當(dāng)會造成電機(jī)失步。中、高速運(yùn)行時(shí)，磁鏈/電流法、電感模型法、電流梯度法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和觀測器法等無位置傳感器方法的研究較多。然而現(xiàn)有的方法都有各自的轉(zhuǎn)速適用范圍，沒有一種方法可以完成低速到中、高速范圍的無位置控制，它們需要低速到中、高速的算法切換。
[0004]有如下幾種電機(jī)能夠在飛機(jī)電源系統(tǒng)中用做起動/發(fā)電機(jī)，它們是:三級式電勵磁同步電機(jī)、雙凸極電機(jī)等。
[0005]三級式電勵磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)等起動發(fā)電機(jī)在航空中應(yīng)用時(shí)，起動時(shí)采用地面電源或蓄電池給起動發(fā)電機(jī)提供勵磁電流，與起動發(fā)電機(jī)同軸運(yùn)行的永磁電機(jī)不接入系統(tǒng)，且可處于空載發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)其反電勢不受干擾，波形失真度小。待轉(zhuǎn)速增加至發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后，由發(fā)動機(jī)帶動起動發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行，起動發(fā)電機(jī)的勵磁電流由與其同軸相連的永磁電機(jī)發(fā)電整流后通過調(diào)壓器提供。因此這一獨(dú)特的運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)為三級式電勵磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)等起動發(fā)電機(jī)電動運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)全速度范圍無位置傳感器技術(shù)提供了基礎(chǔ)。因此本專利提出一種利用與起動發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的永磁電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)的線電勢過零點(diǎn)作為換相信號，確保電機(jī)全速度范圍無位置傳感器平穩(wěn)運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明在已經(jīng)提出的一種基于換相點(diǎn)電流響應(yīng)的電勵磁雙凸極電機(jī)起動加速無位置傳感器方法基礎(chǔ)上，利用三級式電勵磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)等起動發(fā)電機(jī)電動運(yùn)行時(shí)與其同軸運(yùn)行的永磁電機(jī)不接入系統(tǒng)，可處于空載發(fā)電狀態(tài)，起動發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)才需要同軸運(yùn)行的永磁電機(jī)發(fā)電后整流提供勵磁電流的特點(diǎn)，結(jié)合起動發(fā)電機(jī)的驅(qū)動電路和電磁特性以及永磁電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)的電勢特性，提出了一種新穎的用于航空起動發(fā)電系統(tǒng)的永磁電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)同軸相連的全速度無位置傳感器技術(shù)，該方法需要解決的問題是:克服了起動發(fā)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)反電勢無法檢測，電流斬波檢測易受干擾的弱點(diǎn)，克服了起動發(fā)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)端電壓易受干擾，檢測復(fù)雜的缺點(diǎn)，避免了起動發(fā)電機(jī)全速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)電磁特性易受勵磁電流和負(fù)載變化干擾的問題，充分考慮了永磁電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的線電勢變化規(guī)律以及與起動發(fā)電機(jī)換相點(diǎn)之間的關(guān)系，同時(shí)利用了永磁電機(jī)空載發(fā)電運(yùn)行時(shí)不易受到干擾的優(yōu)點(diǎn)，得到一種用于起動發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠且容易實(shí)現(xiàn)的無位置傳感器控制策略，該方法為起動發(fā)電機(jī)在全速度條件下的無位置傳感器平穩(wěn)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。
[0007]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述解決方案，采用如下技術(shù)策略:
[0008]I)首先計(jì)算確定永磁電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子極數(shù),再通過仿真確定永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子位置變化與各相線電勢之間的關(guān)系，同時(shí)確定起動發(fā)電機(jī)的0°機(jī)械角度位置以及0°機(jī)械角度位置的參考相定轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)已有的永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子位置變化與各相線電勢之間的關(guān)系確定同軸相連的永磁電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，并確定永磁電機(jī)的參考檢測相；
[0009]2)通過注入脈沖法確定靜止時(shí)起動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置區(qū)域，即高頻開關(guān)不同組合的起動發(fā)電機(jī)驅(qū)動電路開關(guān)，在高頻開關(guān)時(shí)采樣直流母線上的電流，比較電流響應(yīng)的幅值，確定初始位置轉(zhuǎn)子所在的區(qū)域范圍，然后確定初始導(dǎo)通開關(guān)管組合及初始開通時(shí)間，給定開通信號，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)；
[0010]3)通過基于換相點(diǎn)電流響應(yīng)法進(jìn)行起動無位置控制，即給當(dāng)前導(dǎo)通相固定脈寬信號結(jié)束后，經(jīng)過死區(qū)時(shí)間，分別給關(guān)閉的兩個開關(guān)管和換相后需要開通的兩個開關(guān)管高頻脈沖信號，檢測并比較母線電流響應(yīng)的大小確定換相點(diǎn)，起動時(shí)還可以利用不間斷地檢測斬波電流值，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前導(dǎo)通相的串聯(lián)電感值，判斷換相點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)換相點(diǎn)間隔不停檢測計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速；
[0011]4)將步驟3)中檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速閾值進(jìn)行比較，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于閾值轉(zhuǎn)速時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行步驟3)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于閾值轉(zhuǎn)速時(shí)，開始檢測步驟I)中確定的永磁電機(jī)的參考相線電勢；
[0012]5)不停的檢測步驟I)中永磁電機(jī)的參考相線電勢的過零點(diǎn)，當(dāng)檢測到參考相線電勢第m個過零點(diǎn)時(shí),起動發(fā)電機(jī)開始換相，同時(shí)清零過零點(diǎn)值,然后繼續(xù)檢測永磁電機(jī)參考相線電勢的過零點(diǎn)，檢測到第m個過零點(diǎn)時(shí)換相，并清零，依次循環(huán)，其中m是起動發(fā)電機(jī)換相點(diǎn)間的時(shí)間間隔與永磁電機(jī)參考相線電勢兩個過零點(diǎn)間的時(shí)間間隔比。
[0013]根據(jù)以上步驟可以完成電勵磁雙凸極電機(jī)的全速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的判斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)全速度范圍無反轉(zhuǎn)帶載穩(wěn)定運(yùn)行，算法簡單，無需任何額外硬件，實(shí)現(xiàn)方便，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]圖1是三相電勵磁雙凸極電機(jī)與永磁同步電機(jī)同軸運(yùn)行框圖；
[0015]圖2是三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)二維結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3是三相電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路圖；
[0017]圖4是基于航空起動發(fā)電系統(tǒng)的全速度無位置傳感器技術(shù)的流程圖；
[0018]圖5是同軸相連的電勵磁雙凸極電機(jī)和永磁同步電機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖6是電勵磁雙凸極電機(jī)三相三狀態(tài)運(yùn)行時(shí)相電流仿真波形圖；
[0020]圖7是永磁同步電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)三相線電勢仿真波形圖；
[0021]圖8是電勵磁雙凸極電機(jī)三相六狀態(tài)運(yùn)行時(shí)相電流仿真波形圖。
[0022]圖2、圖3、圖5、圖6、圖7和圖8中的主要符號名稱:(1)A、B、C——12/8電勵磁雙凸極電機(jī)的三相電樞繞組；(2) Sp S2, S3、S4、S5、S6——三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路的開關(guān)管；(3) Dp D2, D3、D4、D5、D6—與三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路開關(guān)管并聯(lián)的二極管；(4)Ud。一三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路的直流端電壓源；^C1——三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路的直流端電容；(6)N——12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路三相電樞繞組的中性點(diǎn)；(7) Ds——電勵磁雙凸極電機(jī)的定子；(8)Dr-電勵磁雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)子；(9)Ps-永磁同步電機(jī)的定子；(10)Pr-永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子；(Il)D——電機(jī)轉(zhuǎn)動軸；(12)a——永磁同步電機(jī)的A相；(13) ib——電勵磁雙凸極電機(jī)三相三狀態(tài)運(yùn)行時(shí)B相電流仿真波形；(14) i。一電勵磁雙凸極電機(jī)三相三狀態(tài)運(yùn)行時(shí)C相電流仿真波形；(15) ia—電勵磁雙凸極電機(jī)三相三狀態(tài)運(yùn)行時(shí)A相電流仿真波形；(16) Uab——永磁同步電機(jī)A相和B相的線電勢仿真波形；(17) Ubc——永磁同步電機(jī)B相和C相的線電勢仿真波形；(18) Uca——永磁同步電機(jī)C相和A相的線電勢仿真波形；(19) iB—電勵磁雙凸極電機(jī)三相六狀態(tài)運(yùn)行時(shí)B相電流仿真波形；(20)ic—電勵磁雙凸極電機(jī)三相六狀態(tài)運(yùn)行時(shí)C相電流仿真波形；(21) iA—電勵磁雙凸極電機(jī)三相六狀態(tài)運(yùn)行時(shí)A相電流仿真波形。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明通過利用起動發(fā)電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時(shí)需要同軸相連的永磁電機(jī)提供勵磁電流，電動運(yùn)行時(shí)永磁電機(jī)可空載運(yùn)行這一特點(diǎn)，通過計(jì)算設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子與起動發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子間的關(guān)系，得到永磁同步電機(jī)線電勢過零點(diǎn)與起動發(fā)電機(jī)換相點(diǎn)的重合關(guān)系，通過在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，檢測永磁同步電機(jī)參考相線電勢過零點(diǎn)來實(shí)時(shí)判斷電勵磁雙凸極電機(jī)的換相點(diǎn)，確保電機(jī)全速度范圍穩(wěn)定運(yùn)行的無位置控制策略。
[0024]該方法只關(guān)注于起動發(fā)電機(jī)換相點(diǎn)間的時(shí)間間隔與永磁電機(jī)參考相線電勢兩個過零點(diǎn)間的時(shí)間間隔的關(guān)系，因此對于永磁電機(jī)和發(fā)電時(shí)需要永磁電機(jī)提供勵磁電流的三級式電勵磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)等起動發(fā)電機(jī)而言，本發(fā)明對內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子、集中繞組或分布式繞組、各種相數(shù)的結(jié)構(gòu)均適用。
[0025]下面結(jié)合附圖對發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0026]本方法適用于各種相數(shù)的發(fā)電時(shí)需要永磁電機(jī)提供勵磁電流的三級式電勵磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)等起動發(fā)電機(jī)以及各種相數(shù)的永磁同步電機(jī)，本發(fā)明以三相12/8結(jié)構(gòu)的電勵磁雙凸極電機(jī)為例來進(jìn)行詳細(xì)說明，其他結(jié)構(gòu)的電勵磁雙凸極電機(jī)以及三級式電勵磁同步電機(jī)也可用類似的分析方法。12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行框圖如圖1所示，可見在發(fā)電運(yùn)行時(shí)與電勵磁雙凸極電機(jī)同軸相連的永磁電機(jī)發(fā)電整流后經(jīng)過調(diào)壓器給電勵磁雙凸極電機(jī)提供勵磁電流，并可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。三相12/8結(jié)構(gòu)的電勵磁雙凸極電機(jī)的平面結(jié)構(gòu)如圖2所示，驅(qū)動電路采用三相橋式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。兩相同時(shí)導(dǎo)通時(shí)有兩個開關(guān)管開關(guān)，本專利以單獨(dú)上管斬波為例進(jìn)行說明。圖4是基于航空起動發(fā)電系統(tǒng)的全速度無位置傳感器技術(shù)的流程圖，主要分為八個步驟:
[0027]1、電勵磁雙凸極電機(jī)一個電周期是
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種基于永磁電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)同軸運(yùn)行的航空起動發(fā)電系統(tǒng)全速度無位置傳感器技術(shù)，該方法只關(guān)注于起動發(fā)電機(jī)換相點(diǎn)間的時(shí)間間隔與永磁電機(jī)參考相線電勢過零點(diǎn)間的時(shí)間間隔的關(guān)系，因此對于永磁電機(jī)和發(fā)電時(shí)需要永磁電機(jī)提供勵磁電流的三級式電勵磁同步電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)等起動發(fā)電機(jī)而言，本發(fā)明對內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子、集中繞組或分布式繞組及各種相數(shù)的結(jié)構(gòu)均適用； 其特征包括以下步驟: 1)首先計(jì)算確定永磁電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子極數(shù)，再通過仿真確定永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子位置變化與各相線電勢之間的關(guān)系，同時(shí)確定起動發(fā)電機(jī)的0°機(jī)械角度位置以及0°機(jī)械角度位置的參考相定轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)已有的永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子位置變化與各相線電勢之間的關(guān)系確定同軸相連的永磁電機(jī)和起動發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，并確定永磁電機(jī)的參考檢測相； 2)通過注入脈沖法確定靜止時(shí)起動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置區(qū)域，即高頻開關(guān)不同組合的起動發(fā)電機(jī)驅(qū)動電路開關(guān)，在高頻開關(guān)時(shí)采樣直流母線上的電流，比較電流響應(yīng)的幅值，確定初始位置轉(zhuǎn)子所在的區(qū)域范圍，然后確定初始導(dǎo)通開關(guān)管組合及初始開通時(shí)間，給定開通信號，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)； 3)通過基于換相點(diǎn)電流響應(yīng)法進(jìn)行起動無位置控制，即給當(dāng)前導(dǎo)通相固定脈寬信號結(jié)束后，經(jīng)過死區(qū)時(shí)間，分別給關(guān)閉的兩個開關(guān)管和換相后需要開通的兩個開關(guān)管高頻脈沖信號，檢測并比較母線電流響應(yīng)的大小確定換相點(diǎn)，起動時(shí)還可以利用不間斷地檢測斬波電流值，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前導(dǎo)通相的串聯(lián)電感值，判斷換相點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)換相點(diǎn)間隔不停檢測計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速； 4)將步驟3)中檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速閾值進(jìn)行比較，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于閾值轉(zhuǎn)速時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行步驟3)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于閾值轉(zhuǎn)速時(shí)，開始檢測步驟I)中確定的永磁電機(jī)的參考相線電勢； 5)不停的檢測步驟I)中永磁電機(jī)的參考相線電勢的過零點(diǎn)，當(dāng)檢測到參考相線電勢第m個過零點(diǎn)時(shí)，起動發(fā)電機(jī)開始換相，同時(shí)清零過零點(diǎn)值，然后繼續(xù)檢測永磁電機(jī)參考相線電勢的過零點(diǎn)，檢測到第m個過零點(diǎn)時(shí)換相，并清零，依次循環(huán)，其中m是起動發(fā)電機(jī)換相點(diǎn)間的時(shí)間間隔與永磁電機(jī)參考相線電勢兩個過零點(diǎn)間的時(shí)間間隔比。 根據(jù)以上步驟可以完成電勵磁雙凸極電機(jī)的全速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的判斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)全速度范圍無反轉(zhuǎn)帶載穩(wěn)定運(yùn)行，算法簡單，無需任何額外硬件，實(shí)現(xiàn)方便，具有良好的應(yīng)用前景。
【文檔編號】H02P6/18GK103647484SQ201310713959
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】趙耀, 王慧貞, 劉偉峰, 華潔, 楊岑 申請人:南京航空航天大學(xué)