航空三级式起动发电系统励磁控制器及转子位置估算方法
阅读说明：本技术 航空三级式起动发电系统励磁控制器及转子位置估算方法 (Excitation controller of aviation three-stage starting power generation system and rotor position estimation method ) 是由 焦宁飞 刘卫国 张小科 梁培鑫 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种本发明提出的一种航空三级式起动发电系统励磁控制器及转子位置估算方法,以新的励磁控制器拓扑取代原有的拓扑结构。由共直流母线的三相全桥可控电路和H桥可控电路组成,其中三相全桥可控电路与具有高凸极特性的永磁副励磁机定子三相绕组连接,H桥可控电路与励磁机定子励磁绕组连接。系统起动阶段,永磁副励磁机采用不含转速环仅含电流环的矢量控制策略,采用已有旋转高频注入或脉振高频注入的方法在线估算永磁副励磁机的转子位置,在加上副励磁机和主电机转子位置的差值获取主电机的转子位置。本发明稳定性高、所估算出的转子位置精度高,具有励磁调节方便可控的特点。(The invention relates to an excitation controller of an aviation three-stage starting power generation system and a rotor position estimation method, which replace the original topological structure with a new excitation controller topology. The permanent magnet auxiliary exciter comprises a three-phase full-bridge controllable circuit and an H-bridge controllable circuit, wherein the three-phase full-bridge controllable circuit is connected with a three-phase winding of a permanent magnet auxiliary exciter stator with high salient pole characteristics, and the H-bridge controllable circuit is connected with an exciter stator exciting winding. And in the system starting stage, the permanent magnet auxiliary exciter adopts a vector control strategy without a rotating speed ring and only a current ring, the rotor position of the permanent magnet auxiliary exciter is estimated on line by adopting the existing method of rotating high-frequency injection or pulse vibration high-frequency injection, and the rotor position of the main motor is obtained by adding the difference value of the rotor positions of the auxiliary exciter and the main motor. The invention has the characteristics of high stability, high estimated rotor position precision and convenient and controllable excitation regulation.)
技术领域
本发明属于电机转子位置估算
技术领域
，涉及一种航空三级式起动发电系统励磁控制器及转子位置估算方法。背景技术
随着多电飞机的发展，具有体积重量小、系统集成度高等优势的起动发电一体化技术受到越来越多的研究和关注。航空三级式无刷同步电机作为该技术的重点研究对象，已于美国波音787飞机上成功实现起动发电一体化应用。航空三级式无刷同步起动发电系统(简称三级式起动发电系统)主要由主电机、励磁机、永磁副励磁机、旋转整流器及相应的控制器和切换单元组成，其中主电机、励磁机、永磁副励磁机和旋转整流器同轴安装。
三级式起动发电系统发电技术较为成熟，其实现起动发电一体化的重点在于起动控制。在系统起动控制时，需要准确的主电机转子位置，而传统机械位置传感器会导致体积、重量和成本增加，且对苛刻条件如复杂电磁环境适应性差。因此开展三级式起动发电系统转子位置估算研究具有重要意义。
根据转速不同对三级式起动发电系统转子位置的估算可分为两类：零低速段和中高速段的转子位置估算。在中高速段，由于反电势较大，因此基于反电势的三级式起动发电系统转子位置估算较为成熟，其估算精度较高。但是，在系统零低速段时，反电势较小，基于反电势的转子位置估算算法会带来较大误差，会导致电机起动失败。因此，三级式起动发电系统起动阶段零低速段的转子位置估算是目前的研究重点。
根据三级式起动发电系统转子位置的表现特征，目前可采用以下三类方法进行系统起动零低速段的转子位置估算：
1)利用主电机凸机特性。三级式起动发电系统中主电机的凸机特性使得不同位置下主电机电枢电感值不同，利用该特性可通过高频注入的方法获取主电机转子位置信息。专利CN201410163841.4，CN201410161015.6，CN201410542485.7，CN201410542526.2等利用主电机的凸极性获取三级式电机的转子初始位置信息。该类方法深度依赖于主电机的凸机特性，而在系统起动阶段，由于负载特性的变化使得主电机的凸机特性也会发生变化，导致该类方法存在较大估算误差而无法使用。
2)利用主电机定转子绕组间的互感。三级式起动发电系统中主电机定转子绕组之间的互感会随电机转子位置变化而变化，利用该特性可根据定转子绕组互感的变化规律获取电机转子位置。专利CN201610316267.0，CN201710366017.2，CN201710546303.7，CN201710546532.9等利用主电机定转子绕组互感变化特性，采用“主电机注入-励磁机检测”的方法获取三级式电机系统的转子位置。该类方法在获取电机转子位置时涉及主电机和励磁机，而在系统起动阶段主电机和励磁机运行状态会发生变化，进而引起转子位置估算误差。
3)利用励磁机定转子电流的谐波特性。三级式起动发电系统中旋转整流器的存在会在励磁机转子电流中引入高次谐波，而该高次谐波包含励磁机的转子位置信息，可用于获取转子位置。专利CN201710789208.X，CN201910993340.1等利用励磁机定转子侧电流中的高次谐波特性获取励磁机的转子位置，进而获取主电机的转子位置。该类方法在获取电机转子位置时主要涉及励磁机，而在系统起动阶段励磁机运行状态会发生变化，进而引起转子位置估算误差。
上述三类三级式起动发电系统转子位置估算方法具有一定的优势和应用潜力，但上述方法在获取电机转子位置时均涉及主电机或励磁机，而系统起动阶段主电机和励磁机运行状态都会发生变化，进而引起转子位置估算误差。另外，由于传统三级式起动发电系统中发电控制单元采用二极管不控整流方式，故在系统起动阶段，无法通过永磁副励磁机获取电机转子位置。
航空三级式起动发电机系统在起动过程中，负载转矩随转速变化，使得直接参与起动过程的主电机和励磁机的运行状态也在变化，最终导致利用主电机或励磁机进行的转子位置估算结果误差较大，稳定性较弱。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种航空三级式起动发电系统励磁控制器及转子位置估算方法。针对航空三级式起动发电机系统起动阶段转子位置在线估算需求，本发明要解决的技术问题为：在三级式起动发电机起动过程中，如何在负载转矩变化的情况下准确且稳定地估算出主电机的转子位置。
技术方案
一种航空三级式起动发电系统励磁控制器，其特征在于由共直流母线的三相全桥可控电路和H桥可控电路组成，其中三相全桥可控电路与具有高凸极特性的永磁副励磁机定子三相绕组连接，H桥可控电路与励磁机定子励磁绕组连接；当系统起动阶段，励磁控制器直流母线由外部供电提供直流电源，其中的H桥可控电路为励磁机定子励磁绕组提供单相交流励磁或直流励磁，三相全桥可控电路运行在逆变状态控制永磁副励磁机；主电机运行在电动状态输出转矩带动航空发动机起动；当系统发电阶段，励磁控制器供电电源断开，其中的三相全桥可控电路运行在整流状态，利用三相全桥可控整流或者利用反并联二极管不控整流将永磁副励磁机定子三相交流电整流为直流电，H桥可控电路利用该直流电通过斩波方式为励磁机提供所需的直流励磁；主电机运行在发电状态为机载电力系统负载提供电能。
所述的励磁机的类型包括单相励磁机、两相励磁机、三相励磁机。
当采用两相励磁机或三相励磁机时，在励磁控制器H桥可控电路中增加相应的功率桥臂即可。
一种采用所述航空三级式起动发电系统励磁控制器对三级式起动发电机系统起动阶段新型转子位置估算方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：电机启动时，永磁副励磁机在励磁控制器三相全桥可控电路的控制下，采用不含转速环仅含电流环的矢量控制策略，其中直轴电流和交轴电流的参考值均为0；
步骤2：采用已有旋转高频注入或脉振高频注入的方法在线估算永磁副励磁机的转子位置；
步骤3：利用永磁副励磁机和主电机同轴安装的特征，以永磁副励磁机和主电机转子位置的差值加上步骤2在线估算永磁副励磁机的转子位置，得到主电机的转子位置，即三级式起动发电机的转子位置。
有益效果
本发明提出的一种航空三级式起动发电系统励磁控制器及转子位置估算方法，以新的励磁机拓扑取代原有的励磁机，由共直流母线的三相全桥可控电路和H桥可控电路组成，其中三相全桥可控电路与具有高凸极特性的永磁副励磁机定子三相绕组连接，H桥可控电路与励磁机定子励磁绕组连接。系统起动阶段，励磁控制器直流母线由外部供电提供直流电源，其中的H桥可控电路为励磁机定子励磁绕组提供单相交流励磁或直流励磁，三相全桥可控电路运行在逆变状态控制永磁副励磁机。系统发电阶段，励磁控制器供电电源断开，其中的三相全桥可控电路运行在整流状态，利用三相全桥可控整流或者利用反并联二极管不控整流将永磁副励磁机定子三相交流电整流为直流电，H桥可控电路利用该直流电通过斩波方式为励磁机提供所需的直流励磁。基于上述励磁控制器新型拓扑，提出一种三级式起动发电机系统起动阶段新型转子位置估算方法：永磁副励磁机采用不含转速环仅含电流环的矢量控制策略，其中直轴电流和交轴电流的参考值均为0；在此基础上，采用已有旋转高频注入或脉振高频注入的方法在线估算永磁副励磁机的转子位置；利用永磁副励磁机和主电机同轴安装的特征，通过副励磁机和主电机转子位置的差值获取主电机的转子位置，即三级式起动发电机的转子位置。
本发明有益效果包括：1)在系统起动阶段，充分利用永磁副励磁机的凸机特性进行转子位置估算，且永磁副励磁机电枢电流基波幅值为0，故所提转子位置估算方法不受系统负载大小变化影响，具有稳定性高的优势；2)永磁副励磁机采用凸极率大的结构拓扑，同时采用现有较为成熟的高频注入法进行永磁副励磁机转子位置估算，故所估算出的转子位置精度高；3)系统发电阶段，励磁控制器采用整流加斩波的方法进行励磁机励磁电压调节，具有励磁调节方便可控的特点。
附图说明
图1为基于新型励磁控制器的三级式起动发电机系统结构示意图；
图2为基于新型励磁控制器的三级式起动发电机系统起动阶段结构示意图；
图3为基于新型励磁控制器的三级式起动发电机系统发电阶段结构示意图；
图4为系统起动阶段永磁副励磁机转子位置估算策略控制框图；
图5为永磁副励磁机转子位置估算结果；
图6为三级式起动发电机系统主电机转子位置估算结果。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
1.本发明提出一种航空三级式起动发电系统励磁控制器新型拓扑，基于该新型励磁控制器的三级式起动发电机系统结构示意图如图1所示，包括三级式起动发电机、励磁控制器、通用起动控制器、起动发电切换。
三级式起动发电机由永磁副励磁机、励磁机、旋转整流器和主电机组成，其中永磁副励磁机为具有高凸极特性的永磁同步电机。励磁控制器由共直流母线的三相全桥可控电路和H桥可控电路组成，其中三相全桥可控电路与永磁副励磁机定子三相绕组连接，H桥可控电路与励磁机定子励磁绕组连接。通用起动控制器为传统三相全桥可控电路。励磁控制器和通用起动控制器的直流母线分别通过电源开关与外部供电电源连接。通用起动控制器的三相输出和机载电力系统负载通过起动发电切换开关与主电机的定子绕组连接。
系统起动阶段，励磁控制器和通用起动控制器的直流母线接外部供电电源，起动发电切换开关将主电机定子绕组连接至通用起动控制器，如图2所示。励磁控制器中的H桥可控电路为励磁机定子励磁绕组提供单相交流励磁或直流励磁，三相全桥可控电路运行在逆变状态控制永磁副励磁机；通用起动控制器控制主电机运行在电动状态输出转矩带动航空发动机起动。
系统发电阶段，励磁控制器的直流母线与供电电源断开，起动发电切换开关将主电机定子绕组连接至机载电力系统负载，如图3所示。励磁控制器中的三相全桥可控电路运行在整流状态，利用三相全桥可控整流或者利用反并联二极管不控整流将永磁副励磁机定子三相交流电整流为直流电，H桥可控电路利用该直流电通过斩波方式为励磁机提供所需的直流励磁。主电机运行在发电状态为机载电力系统负载提供电能。在系统发电阶段，通用起动控制器在三级式起动发电系统中将不再起作用。
2.基于上述励磁控制器新型拓扑，提出一种三级式起动发电机系统起动阶段新型转子位置估算方法，其控制框图如图4所示，具体包含以下步骤：
步骤一：永磁副励磁机在励磁控制器三相全桥可控电路的控制下，采用不含转速环仅含电流环的矢量控制策略，其中直轴电流和交轴电流的参考值均为0；
步骤二：在步骤一永磁副励磁机矢量控制策略的基础上，采用已有旋转高频注入的方法在线估算永磁副励磁机的转子位置，如图5所示；
步骤三：利用副励磁机和主电机同轴安装的特征，在步骤二的基础上通过副励磁机和主电机转子位置的差值获取主电机的转子位置，即三级式起动发电机的转子位置，如图6所示。