一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法
阅读说明：本技术 一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法 (Control method of double-salient-pole generator full-bridge controllable power generation system ) 是由 黄泽雷 王慧贞 刘伟峰 朱淳涛 李浩伟 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法,该方法通过位置传感器实时检测电机转子位置,控制器根据电机转子位置检测值结合六状态角度位置控制方法判断电机所处扇区后,按控制角度给定值对主功率变换器相应功率管进行控制。本发明公开的可控整流控制方法,通过对主功率变换器的控制提高了电机的输出功率,适合应用于航空、风力发电等行业。(The invention discloses a control method of a full-bridge controllable power generation system of a doubly salient generator, which detects the position of a motor rotor in real time through a position sensor, and controls a corresponding power tube of a main power converter according to a control angle set value after a controller judges a sector where the motor is located according to the position detection value of the motor rotor and a six-state angle position control method. The controllable rectification control method disclosed by the invention improves the output power of the motor by controlling the main power converter, and is suitable for industries such as aviation, wind power generation and the like.)
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法。
背景技术
电励磁双凸极电机凭借其结构简单，可靠性高，且控制灵活方便的特点，在航空起动/发电领域有着广阔的应用前景。双凸极电机是一种典型的变磁阻电机，其定、转子均为凸极结构，使得磁阻最大值和最小值的比值最大，具有良好的机电能量转换特性。双凸极电机结构工艺简单，转子上不存在绕组，电机运行稳定可靠。电励磁双凸极电机通过调节励磁电流改变气隙磁场，其配合整流拓扑与调压控制器所组成的发电系统，可用于无刷直流发电场合。目前整流拓扑常采用全桥不控整流拓扑，双凸极电机的相绕组做星形连接后与二极管整流拓扑直接相连。调压控制器通过对励磁电流的调节实现宽范围的调压，且具有故障时快速灭磁的保护功能。然而，由于采用不控整流拓扑的电机功率密度较低，仅对励磁电流进行控制无法提升输出功率；励磁绕组通常电感较大，变励磁调压的响应时间较长。
现有的可控整流技术能在不改变双凸极电机本体结构的前提下进一步提高输出功率。在不控整流拓扑的基础上，增加可控的功率管器件，采取合适的控制方法与控制方式可以提升发电输出功率，并且通过变相电流调节输出电压。然而，目前采用的三状态全桥可控整流的外特性相对较软，电压调整率较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在不控整流拓扑的基础上，增加可控的功率管器件，采取合适的控制方法与控制方式提升发电输出功率，本发明提供了一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法，可增加电机的输出功率和对相电流的控制能力。
本发明的一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法，所述双凸极发电机是指电励磁双凸极电机，控制器采集转子位置信号和相电流，采取六状态角度位置控制方法对整流功率电路中的功率管进行控制，所述六状态角度位置控制方法是指在自然换相点附近对即将导通的相绕组所在桥臂的功率管进行控制。根据电机特性与实际工作需要设定电流限制值，控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流限制时关断整流功率电路中正在导通的功率管，可以使过大的相电流快速回落到设定的限制内。
具体为，所述双凸极发电机全桥可控发电系统包括桥式整流电路、驱动电路、位置检测器和控制器；
所述桥式整流电路包括功率管S1-S6、以及二极管D1-D6；S1和S4串联构成a相桥臂，与a相绕组La连接，S3和S6串联构成b相桥臂，与b相绕组Lb连接，S5和S2串联构成c相桥臂，与c相绕组Lc连接；D1并联在功率管S1的栅极和漏极之间，D2并联在功率管S2的栅极和漏极之间，D3并联在功率管S3的栅极和漏极之间，D4并联在功率管S4的栅极和漏极之间，D5并联在功率管S5的栅极和漏极之间，D6并联在功率管S6的栅极和漏极之间；
所述控制器用于采集各相电流ia、ib和ic、通过位置检测器采集电机转子旋转的电角度θ、以及通过驱动电路控制桥式整流电路中功率管的开关状态；
控制器通过位置检测器采集电机转子旋转的电角度θ；
当θ∈[θbc--α5,θbc-+β5]时，控制器通过驱动电路驱动功率管S5导通，构成短路回路Lc-La-D1-S5；
当θ∈[θab+-α6,θab++β6]时，控制器通过驱动电路驱动功率管S6导通，构成短路回路Lc-Lb-S6-D2；
当θ∈[θca--α1,θca-+β1]时，控制器通过驱动电路驱动功率管S1导通，构成短路回路La-Lb-D3-S1；
当θ∈[θbc+-α2,θbc++β2]时，控制器通过驱动电路驱动功率管S2导通，构成短路回路La-Lc-S2-D4；
当θ∈[θab--α3,θab-+β3]时，控制器通过驱动电路驱动功率管S3导通，构成短路回路Lb-Lc-D5-S3；
当θ∈[θca+-α4,θca++β4]时，控制器通过驱动电路驱动功率管S4导通，构成短路回路Lb-La-S4-D6；
控制器实时采样各相电流ia、ib和ic，当检测到实际相电流超过电流阈值时关断整流功率电路中正在导通的功率管；
其中，θab+、θab-、θbc+、θbc-、θca+和θca-为双凸极电机的一个电周期内向反电势的自然换相点，a、b、c分别表示电机三相绕组的相，“+”表示正向导通，“-”表示负向导通，α1、α2、α3、α4、α5、α6分别为S1-S6六个功率管所对应的提前导通角，β1、β2、β3、β4、β5、β6分别为S1-S6六个功率管所对应的滞后导通角，La、Lb和Lc分别表示电机三相绕组。
采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：
1)一次仅控制一个功率管，开关频率低，开关损耗较低，有利于降低器件成本。
2)将电流斩波技术引入可控发电系统，用于限制各相电流的峰值，既减小相电流的有效值，降低了铜损，又保证系统在安全范围内运行；
3)可结合励磁调压构成双调压控制系统，有利于拓宽电励磁双凸极电机发电运行转速范围和提高双凸极电机调压系统响应速度。
4)该发电系统适用于三相的电励磁双凸极直流发电机、混合励磁双凸极直流发电机以及永磁双凸极直流发电机，可应用于航空等对电机功率密度要求较高的场合。
5)针对电励磁双凸极电机三相电磁特性不对称的问题，通过仿真及调试优化每相上下管提前导通角α和滞后导通角β；根据实际电机的参数及负载情况选取α和β，通过选择合适的参数可有效提高电机的输出功率。
附图说明
图1是本发明电机控制系统的硬件框图。
图2是六状态角度位置控制方法的驱动逻辑图。
图3是在第二和第三扇区工作状态示意图。
其中，图3(a)是功率管S6导通时等效电路图；图3(b)是功率管S6关断到S1导通前等效电路图；图3(c)是功率管S1导通时等效电路图；图3(d)是功率管S1关断到S2导通前等效电路图。
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：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
本发明的一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法，如图1所示，其中，所述双凸极发电机包括桥式整流电路、驱动电路、位置检测器和控制器；所述双凸极发电机是指电励磁双凸极电机。
所述桥式整流电路包括功率管S1-S6、以及二极管D1-D6；S1和S4串联构成a相桥臂，与a相绕组La连接，S3和S6串联构成b相桥臂，与b相绕组Lb连接，S5和S2串联构成c相桥臂，与c相绕组Lc连接；D1并联在功率管S1的栅极和漏极之间，D2并联在功率管S2的栅极和漏极之间，D3并联在功率管S3的栅极和漏极之间，D4并联在功率管S4的栅极和漏极之间，D5并联在功率管S5的栅极和漏极之间，D6并联在功率管S6的栅极和漏极之间；
所述控制器用于采集各相电流ia、ib和ic、通过位置检测器采集电机转子旋转的电角度θ、通过驱动电路控制桥式整流电路中功率管的开关状态；
以双凸极电机的一个电周期内向反电势的自然换相点(θab+、θab-、θbc+、θbc-、θca+、θca-)所形成的六个导通区间为基础，将每个电周期分为六个扇区，其中a、b、c分别表示电机三相绕组的相，“+”表示正向导通，“-”表示负向导通，定义α1、α2、α3、α4、α5、α6分别为S1-S6六个功率管所对应的提前导通角，β1、β2、β3、β4、β5、β6分别为S1-S6六个功率管所对应的滞后导通角，六个扇区分别为第一扇区[θbc--α5,θbc-+β5]、第二扇区[θab+-α6,θab++β6]、第三扇区[θca--α1,θca-+β1]、第四扇区[θbc+-α2,θbc++β2]、第五扇区[θab--α3,θab-+β3]、第六扇区[θca+-α4,θca++β4]。
控制器通过位置检测器采集电机转子位置θ；当θ∈[θbc--α5,θbc-+β5]时，电机位于第一扇区，控制器通过驱动电路驱动功率管S5导通，构成短路回路Lc-La-D1-S5；如图2所示，a相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势，b相和c相绕组处于电感下降区具有反向的励磁感应电势，该阶段a相绕组产生负向电流进行负向储能，c相绕组产生正向电流进行正向储能，此时导通角度即为由控制器输出的控制角度给定值α5+β5，控制器实时采样各相电流ia、ib和ic，，当检测到实际电流超过电流阈值时关断整流功率电路中正在导通的功率管S5，可以使过大的相电流快速回落到设定的限制内。在导通区间外，电机处于不控整流发电状态。
当θ∈[θab+-α6,θab++β6]时，电机位于第二扇区,控制器通过驱动电路驱动功率管S6导通，此时电路工作状态如图3(a)所示；构成短路回路Lc-Lb-S6-D2；如图2所示，a相和b相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势，c相绕组处于电感下降区具有反向的励磁感应电势，该阶段a相绕组产生负向电流向负载输出能量，c相绕组产生正向电流向b相绕组输出能量，b相绕组产生负向电流进行负向储能，此时导通角度即为由控制器输出的控制角度给定值α6+β6，控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流阈值时关断整流功率电路中正在导通的功率管S6，此时电路工作状态如图3(b)所示，可以使过大的相电流快速回落到设定的限制内。在导通区间外，电机处于不控整流发电状态。
当θ∈[θca--α1,θca-+β1]时,电机位于第三扇区，控制器通过驱动电路驱动功率管S1导通，此时电路工作状态如图3(c)所示；构成短路回路La-Lb-D3-S1；b相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势，a相和c相绕组处于电感下降区具有反向的励磁感应电势，该阶段b相绕组产生负向电流进行负向储能，a相绕组产生正向电流进行正向储能，此时导通角度即为由控制器输出的控制角度给定值α1+β1，控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流阈值时关断整流功率电路中正在导通的功率管S1，此时电路工作状态如图3(d)所示，可以使过大的相电流快速回落到设定的限制内。在导通区间外，电机处于不控整流发电状态。
当θ∈[θbc+-α2,θbc++β2]时，电机位于第四扇区，控制器通过驱动电路驱动功率管S2导通，构成短路回路La-Lc-S2-D4；b相和c相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势，a相绕组处于电感下降区具有反向的励磁感应电势，该阶段b相绕组产生负向电流向负载输出能量，a相绕组产生正向电流向c相绕组输出能量，c相绕组产生负向电流进行负向储能，此时导通角度即为由控制器输出的控制角度给定值α2+β2，控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流阈值时关断整流功率电路中正在导通的功率管S2，可以使过大的相电流快速回落到设定的限制内。在导通区间外，电机处于不控整流发电状态。
当θ∈[θab--α3,θab-+β3]时，电机位于第五扇区，控制器通过驱动电路驱动功率管S3导通，构成短路回路Lb-Lc-D5-S3；c相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势，a相和b相绕组处于电感下降区具有反向的励磁感应电势，该阶段c相绕组产生负向电流进行负向储能，b相绕组产生正向电流进行正向储能，此时导通角度即为由控制器输出的控制角度给定值α3+β3，控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流阈值时关断整流功率电路中正在导通的功率管S3，可以使过大的相电流快速回落到设定的限制内。在导通区间外，电机处于不控整流发电状态。
当θ∈[θca+-α4,θca++β4]时，电机位于第六扇区，控制器通过驱动电路驱动功率管S4导通，构成短路回路Lb-La-S4-D6；a相和c相绕组处于电感上升区具有正向的励磁感应电势，b相绕组处于电感下降区具有反向的励磁感应电势，该阶段c相绕组产生负向电流向负载输出能量，b相绕组产生正向电流向a相绕组输出能量，a相绕组产生负向电流进行负向储能，此时导通角度即为由控制器输出的控制角度给定值α4+β4，控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流阈值时关断整流功率电路中正在导通的功率管S4，可以使过大的相电流快速回落到设定的限制内。在导通区间外，电机处于不控整流发电状态。
本发明提供的控制方法，控制器根据所采样的电机转子旋转的电角度和相电流信号，控制器通过驱动电路向功率管发出驱动信号，再结合电流斩波控制，充分利用了电枢绕组在发电中的能力，实现安全相电流范围内的输出功率的提高，拓宽应用的转速范围，适合应用于航空、风力发电等行业。
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。