活塞发动机的永磁起发电机无位置传感器控制技术.pdf

第 卷 年第 期 月.活塞发动机的永磁起发电机无位置传感器控制技术罗宗鑫 陈 强 薛开昶(贵州航天林泉电机有限公司 国家精密微特电机工程技术研究中心 贵阳)摘 要:针对活塞发动机起动静力矩大、转动惯量小 高速工作时活塞发动机油门响应慢 转速波动大 匹配的外转子永磁起发电机低电感、高频率、无位置传感器 提出基于数学模型与锁相环相结合的无位置估算策略 起动时采用单级锁相环进行转速和位置估算 通过锁相环的高环路增益设计来保证位置估算的快速性 利用发动机惯量小的特点 通过施加随机力矩 使发动机获得较高加速度 产生较高反电势 最终使锁相环快速进入稳定工作状态通过对角频率进行正向补偿和对正负相频率进行差异限幅 实现反转起动抑制 发电时采用快速稳速内环与慢速稳压外环相结合的控制策略 发电位置与转速估算采用两级锁相环实现 第一级锁相环通过高环路增益设计保证快速性 满足宽转速范围应用需求 第二级锁相环利用第一级锁相环输出的角频率 通过低环路增益设计 实现位置信号计算的精确性 实测结果表明 起动时 在任意发动机静止位置 控制器仅输出 对应的三相电流 就可实现最大 阻力矩的发动机正转起动 发电时 转速稳定精度可达 /电流频率上限为 所提出无位置传感器控制方法适合增程式无人机用活塞发动机关键词:无位置传感器控制 活塞发动机 起动发电机 锁相环中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):()./.:收稿日期:基金项目:中央军委装备发展部预研项目()空军装备预研项目()作者简介:罗宗鑫()男 工程师 研究方向为航空航天起动发电机控制陈 强()男 研究员 研究方向为航空航天精密微特电机薛开昶()男 研究员 研究方向为航空航天起发电机电源系统 卷 引 言无人机用增程器由活塞发动机、外转子永磁起动发电机和起动发电机控制器构成 起动时 控制器驱动电机实现发动机起动 发电时 电机将发动机输入机械能转化为交流电能 控制器将电机提供的交流电能转化为直流电能 起动发电机具有电感量低、上限频率高和无位置传感器特点 单缸活塞发动机虽说惯量低 但是起动时静力矩大 起动困难 活塞发动机起动点火成功后通过控制油门和风门调节转速 发动机机械出力对供油量调节的响应慢、机械出力波动大 导致高速运转时转速波动大从而增加起发系统高速发电控制难度常用无位置控制技术包括旋转高频电压信号法、脉振高频电压信号法、/法、卡尔曼滤波法和滑模观测法 旋转高频电压信号法和脉振高频电压信号法在环路中添加了低通滤波器()会滤除环路中的高频有用信息 影响环路控制 难以应用于高频低电感隐极电机/法属于开环控制 精度不高 不适用于起动高静阻力负载卡尔曼滤波法算法较为复杂且高速性差 滑模观测法存在扰振现象 为克服该现象须在滑模输出端加低通滤波器 当电机转速较高时会出现相位滞后使得估算位置信号存在偏差本文在传统数学模型直接估算法的基础上 针对起动时发动机高静力矩、低惯量 电机低电感的特性 提出基于单级锁相环的无位置估算起动控制方法和反转起动抑制方法 针对发电时发动机机械出力对供油量调节的响应慢、机械出力波动大 电机电感小、频率高的特点 提出基于双锁相环位置估算的发电稳速控制方法 活塞发动机起发系统控制原理活塞发动机用起发电机供电系统控制原理框图如图 所示 活塞发动机采用单缸两冲程活塞发动机 永磁同步起发电机采用表贴外转子结构和无位置传感器设计 活塞发动机起发系统控制主要由起发电机控制器和整机控制器配合完成 起发电机控制器负责起动控制和稳速控制 整机控制器负责稳压控制起发电机控制器具有起/发复用功能 采用无位置传感器的磁场定向控制()包括位置估算、转速 外 环、电 流 内 环、变 换、变 换、逆变换和 等部分 起发电机控制器主要实现起动时将发动机由静止拖转至点火转速发电时通过调节电机三相电流控制发动机跟踪整机控制器发送的目标转速 整机控制器主要进行电压环计算 根据计算结果对油门开度和目标转速进行调整 实现发电稳压控制 起发电机控制器与整机控制器之间通过 通信进行数据交换图 活塞发动机起发系统控制原理图 单缸活塞发动机特性分析 起动特性分析单缸活塞发动机阻力主要为空气压缩阻力和摩擦阻力 阻力位置特性如图()所示 由于气体压缩过程中缸内压强不同 导致发动机在气缸压缩量最大的上止点处形成较大阻力点 使得活塞发动机起动时静力矩较大 阻力 转速特性如图()所示 随着活塞发动机转速上升 发动机单周期内平均阻力矩不断减小 故当发动机起动成功后阻力随转速升高而降低图 活塞发动机阻力特性曲线在有位置传感器下对发动机进行起动实验 对比位置与转速变换关系 结合图 对起动特性进行分析 由于活塞发动机转子重量轻半径小 使得发动机转动惯量较小 起动时可获得较高加速度 使转速快速上升 起动初始状态 当发动机转子第一次运行至上止点时 出现卡滞 但随着发动机气缸漏气 卡点阻力矩下降 持续约 后发动机被起动 在一个机械周期(由于电机为 对极 图()中 个电角度周期对应一个机机械周期)发动 期罗宗鑫等:活塞发动机的永磁起发电机无位置传感器控制技术机获得较高加速度 转速迅速上升至 /左右图 活塞发动机起动特性曲线 发电特性分析由于活塞发动机机械出力对供油量调节的响应慢、机械出力波动大 导致发电运行时转速波动较大 如图 所示 在发动机油门不变时 发动机转速波动在 /左右 导致电机反电势波动大 增加了发电位置估算和发电稳速控制难度图 活塞发动机转速波动曲线 基于锁相环和数学模型的位置估算方法 锁相环工作原理电机位置估算基于锁相环位置估算法和数学模型直接估算反电势法实现 锁相环工作原理如图 所示 由鉴相器、比例调节器和积分器组成 其中 实现鉴相功能 由于电机实际位置 隐含在反电势分量、中 故通过对、和锁相环估算位置 进行数学计算 得到估算位置 与电机实际位置 的偏差 误差信号 通过对误差信号 进行比例调节后得到电角频率 最终对电角频率进行积分 得到与电机反电势同频同相的位置信号 通过 对角频率进行补偿图 锁相环工作原理图锁相环工作时 当 滞后电机真实位置 位置偏差 为负 误差信号 为正 角频率 增加使 由负增加到 当 超前于 位置偏差 为正 误差信号 为负 角频率 降低 使 由正减小到 通过锁相环调节使得 快速跟踪电机真实位置 锁相环进入稳态 数学模型估算反电势原理数学模型估算反电势计算过程如图 所示 由于相电压、相电流、在三相静止坐标系中不利于矢量运算 故通过 变换将相电压和相电流转换至两相平面直角坐标系进行分析图 数学模型估算反电势原理图由于隐极电机 反电势在 坐标系中的分量、计算式可简化为式()和式()为电机相电阻 为电机相电感 ()()锁相环鉴相器设计原理如图 所示 定义永磁磁链 与 轴夹角 为电机实际位置 则锁相环估算位置 其中 为位置估算过程中产生的误差角度图 无位置起动控制矢量图将向量 在、轴分解 得到、如式()和式()()()对向量 进行 变换后 在 轴分量可表示为式()所示 ()()()将式()、式()带入化简得 在 轴分量 卷 ()()当估算位置偏差 趋近于 时()如式()近似等于 与反电势 模的乘积 故可采用反电势 的 轴分量 作为鉴相器()()()锁相环补偿角频率与增益系数关系向锁相环输入频率为 位置信号模拟电机真实位置 分析不同增益系数 和不同补偿频率 对锁相环估算位置信号 的影响 相关波形如图 所示 角频率 时 由图()和图()可知 当 时 锁相动态时间会不断变长 由图()可知 当 时 锁相失锁 在进行锁相环参数整定时 应在补偿角频率 小于 前提下进行增益系数 整定 即增益系数 而 取值则由实际工况决定 一般取额定转速对应电角频率图 补偿角频率影响分析 无位置估算算法与电机特性的匹配设计针对无人机的应用背景 电机采用外转子结构和高极对数实现轻量化设计 外转子结构设计使永磁体旋转线速度增大 增加了磁场变化速率 进而实现电机轻量化 但电机外转子结构设计致使位置传感器安装困难 需要采用无位置控制 高极对数设计使电机具有电频率高 电感低等特点 增加无位置控制难度 故控制时须保证电流环的快速性通过对快速电流环 参数整定 整定原理见参考文献 确保无位置起动时 在随机给定的角度下三相电流均能快速跟踪到期望值 发电时 在高电频率下 控制器仍可实现对电机的有效控制由于电机电感小 控制时电感上压降相对于反电势较小 采用数学模型估算反电势时 电感量偏减对精度影响不大 并且数字模型估算法运算简单实时性高 适合于高频控制应用 故数学模型估算法适用于轻量化电机的位置估算 起动无位置传感器控制原理 单级起动锁相环结构起动无位置控制采用如图 所示单级起动锁相环进行位置估算 调节器采用单独的比例调节通过对锁相环进行高环路增益设计 对角度误差 进行快速比例调节 确保锁相环具有快速响应特性使得估算位置信号 快速跟踪电机转子位置 变化对角频率信号 正向和反向进行差异限幅 并且引入正向补偿角频率 抑制电机的反向起动 起动转速估算与发电转速估算共用一级锁相环完成图 单级起动锁相环原理图对于起动单级锁相环估算位置结构 高增益设计虽保证位置信号的快速响应特性 但位置估算精度也随之受到影响 为了削弱位置精度对起动控制的影响 设计时对电流环调节器参数进行优化设计使三相交流电流快速跟踪给定位置信号 同时利用活塞发动机低惯量、起动高加速度特点 使电机快速产生较高的电机反电势 从而使锁相环快速进入稳定闭环锁定状态 起动初始位置的影响分析活塞发动机起动时主要利用发动机惯量小的特点 通过在非卡点处施加随机力矩 使发动机获得较高加速度 通过加速积累能量的方式使发动机冲过高阻力矩卡点 当起动初始位置不同时 加速过程积累的能量不同 起动效果也不同 如图 所示 将起动初始位置在 定义为卡点前起动起动初始位置在 定义为卡点后起动 由于发动机转子做圆周运动 卡点前、后只是相对概念的位置最终以加速过程中积累能量大小界定图 起动初始位置区域图 期罗宗鑫等:活塞发动机的永磁起发电机无位置传感器控制技术如图 所示 在起发电机输出三相电流相同的情况下针对不同初始位置起动进行分析:()卡点前随机正转起动 由于加速过程积累能量不能支撑发动机冲过卡点 会在卡点处卡滞 当在卡点处持续正转时 利用发动机卡点处的阻力矩随卡滞时间增长而下降的特点 直至阻力矩下降至小于起发电机动力矩时 起发电机继续起动发动机 当在卡点处受阻反弹反转时 进入反转抑制后 再次进入起动循环 直至起动成功()卡点后随机正转起动由于距卡点处距离相对较远 加速过程积累能量能直接支撑发动机冲过卡点 直接起动成功()卡点前、后随机反转起动 通过进行反转抑制后再次进入起动循环 直至起动成功 相比于卡点前起动卡点后起动更顺畅 起动时间相对更短图 不同初始起动状态图 反转机理及抑制措施活塞发动机起动过程中 电机反转主要分两种情况:()静止起动时 初始随机位置对应的定子电流形成磁场 对应电机反转状态()起动过程中 受卡点处外力影响导致电机反转静止起动时 由于无三相电压 锁相环工作于非正常工作状态 估算位置为随机信号 起动瞬间 在无外力干涉情况下 电机起动方向受随机起动位置与电机实际位置偏差 影响 假定起动瞬间定子磁链 位置不变 分析估算位置偏差 对电机正、反转的影响 如图 所示 起动瞬间当 在 弧度之间 电机正转 当 在 弧度时 电机反转 故在静止随机位置起动时若不采取反转抑制措施 电机将有 概率出现反转起动过程中 电机正转未能冲过发动机卡点时转速逐渐减小至零 反电势不足以解算位置 锁相环输出位置为随机位置 随机位置可能会对应电机的反转状态 同时 发动机的反向弹力也有可能使电机进入反转状态图 不同误差角定转子磁场起动瞬间 假设电机初始位置 为 弧度 电机出现正转和反转的矢量图如图 所示 由反电势 可知 反电势 沿旋转方向超前 磁链/当电机发生反转时 反电势 与正转时相位相差 弧度 此时锁相环输出角频率 为负值 产生负相角频率 若不及时对其纠正 将导致电机维持反转图 电机位置 为 弧度时相量图永磁同步电机正转和反转时 三相电压与锁相环估算位置 对应关系如图 所示 电机正转时相电压 超前 超前 锁相环估算位置 与电机实际位置 相对应 当电机反转时 相电压 滞后 滞后 与 相差 弧度图 三相电压和电机估算位置关系根据起动过程电机反转机理 采用以下两点措施进行起动反转抑制:()对锁定角频率 进行角频率补偿 通过引入正角频率分量 使估算位置信号 以角频率 周期性递增 电机控制时形成正 卷向旋转磁场 防止电机起动瞬间反转()对锁相环负相角频率 进行限幅 防止过大的负向角频率导致电机持续加速反转 若负相角频率限幅过大易出现起动反转现象 若负相角频率限幅过小 电机不能产生大幅摆动 难以产生较高反电势 导致锁相环很难工作于正常状态 故锁相环负相角频率幅值限定需根据实际应用进行适当调整 本设计中负相角频率限幅值为/发电无位置传感器控制原理 发电控制策略发电采用快速稳速内环与慢速稳压外环相结合的控制策略 控制原理如图()所示 其中 为发动机输出功率 为控制输出平均功率 为能量缓冲功率 为负载功率 快速稳速内环控制由起发电机控制系统完成 慢速稳压外环控制由整机控制器完成 发电时通过控制油门对发动机输出功率 进行调节 由于受供油量回路响应慢影响导致稳压外环响应发动机平均输出功率较慢 故需要快速稳速内环对发动机输出功率进行动态调节实现发动机瞬态输出功率波动的快速跟踪负载功率变化控制原理如图()所示 当负载功率 增加时 负载功率 大于起发电机控制器输出平均功率 电池馈电使能量缓冲功率 增加 导致电压 降低 此时整机控制器会加大油门控制 使发动机转速 上升 同时内环稳速控制使起发电机从发动机提取更高功率 进而使发动机转速降回参考速度 为了维持发动机转速恒定 起发电机控制器通过提升电机三相发电电流使 增加 反之 当负载功率 降低时 随之降低 通过反复动态调节后使 与 维持平衡 最终实现电池电压 和发动机转速 的稳定控制图 发电控制策略 两级发电锁相环结构发电时采用两级锁相环进行转速和位置估算原理如图 所示 第一级锁相环主要根据电机反电势估算电机转速 采用 调节器对角度误差信号进行调节 通过设置较高的环路增益 来保证快速性 满足宽转速范围应用需求 通过对积分进行限幅 防止积分饱和 图中 表示低通滤波器 对角频率 进行低通滤波 滤除高频成分后进行转速计算 电机电角频率与转速转换关系如式()表示转速 表示电机极对数 ()第二级锁相环主要根据电机反电势和第一级锁相环估算的电角频率 进行电机精确位置估算 采用比例调节器对位置误差信号 进行调节 通过设置较低的环路增益 实现发电位置信号 的精确估算图 两级锁相环原理图 锁相环位置补偿位置信号精确度对发电控制至关重要 除锁相环估算误差外 采样、输出和锁相环自身相位偏差均会产生控制偏差 故电机控制时除对 采样和 进行位置补偿外 还需对锁相环进行位置补偿锁相环估算位置时角频率积分后所得位置信号超前一个周期 假设发电时电频率为 控制频率为 超前一个周期将导致位置信号偏差 对发电控制造成较大影响 位置补偿原理如图 所示 电机实际位置信号 为采样周期图 位置补偿原理图 期罗宗鑫等:活塞发动机的永磁起发电机无位置传感器控制技术 实验结果按图 所示搭建活塞发动机起发系统 发动机为 单缸活塞发动机 输出峰值功率 最高转速 /卡点处最大静力矩 永磁起发电机采用外转子结构设计 极对数 对极 相电感 相电阻 额定/转下对应相电压有效值为 控制器主控芯片采用 的 芯片 采样频率 起动时由 电池供电 无位置传感器起动控制实验结果无位置传感器起发系统起动活塞发动机时 位置估算波形和电机相电流波形如图 所示 其中电机位置估算波形如图()所示 起动初始阶段 由于反电势低、锁相环高环路增益设计和单周期内发动机阻力不均 导致位置估算精度较低 位置信号呈非线性变化 随着起动转速增加 电机反电势增加 位置估算越精确 由于起动时电频率较低 对位置精度要求不高 位置估算在一定范围偏差不影响起动效果起动时电机相电流 控制波形如图()所示起动初始阶段 由于角度估算精度低 相电流波形正弦度相对较差 随着角度估算精度变高 相电流波形正弦度越高 起动控制效果越好 转速在 /时 电机相电流峰值控制在 左右电机输出恒定 扭矩拖动发动机 转速大于/时 电机相电流逐渐下降 此时电机输出恒定功率 助力活塞发动机点火图 无位置起动控制曲线图实测表明 采用单级锁相环估算的位置信号能快速跟踪电机实际位置 满足起动控制需求 目前已实现小批量样机生产 通过多频次多工况起动试验验证 均未出现起动失败现象 即使在 低温环境下任能保证起动可靠性 无位置传感器发电控制实验结果发电时采用两级锁相环进行位置估算 第二级锁相环估算位置信号实测波形如图 所示 位置精度明显高于起动位置估算 由于观测波形数据通过串口通信以 频率向上位机发送并显示 受传送速率影响 此处选发电转速 /下锁相环估算位置信号进行分析 由波形可知 两级锁相环估算的位置信号线性度较好 位置解算精度高图 发电锁相环估算位置波形稳速发电时 起发控制器根据整机控制器发送的目标转速 通过控制电机三相电流来调节电机输出功率 实现发动机稳速控制 稳速后发动机转速波形如图 所示 目标转速为 /发动机转速稳定在 /以内 输出功率为 相比于空转时 /波动有较明显改善图 /稳速控制波形使用电流传感器分别对发电时电机相电流、波形进行测量 如图 所示 发电转速 /电频率 时 电机相电流控制在 左右 输出功率 由 幅值和正弦度可知 电频率 发电时 位置估算比较精确 相电流控制效果较好 卷图 发电相电流波形 结 论()活塞发动机在一个机械周期内阻力不均匀在上止点处形成较大阻力点 导致发动机起动静力矩大 由于活塞发动机对供油量调节响应慢且机械出力波动大导致发动机转速波动较大()起动时对单级锁相环进行高环路增益设计确保锁相环输出位置信号的快速跟踪特性 利用发动机小惯量的特点 通过获取较高加速度冲过高阻力矩卡点 实现低电流起动高阻力矩发动机()起动时通过对角频率进行正向补偿 并且对输出角频率进行差异限幅 合理设计负相角频率限幅阈值 实现发动机起动反转速抑制()发电时位置估算采用两级锁相环设计 对第二级锁相环进行低环路增益设计 确保输出高精度位置信号 使起发系统克服发动机因供油调节响应慢、机械出力波动而导致的转速大幅波动 通过控制起发电机三相电流 实现发动机转速的精确控制()实验结果表明:起动时通过给电机提供 对应的相电流即可将阻力为 的活塞发动机拖转至点火转速 /以上 发电可实现 高频位置估算 稳速精度为 /以内输出功率 参考文献 孔祥恩 刘海峰.无人机用航空活塞发动机关键技术的研究进展.小型内燃机与车辆技术 ():.苑士华 吴维 胡纪滨 等.单活塞液压自由活塞发动机压缩冲程特性.机械工程学报 ():.吴维 苑士华 胡纪滨 等.液压自由活塞发动机止点位置控制研究.兵工学报 ():.于艳君 柴凤 欧景 等.基于旋转高频信号法的 无位置传感器控制.电工技术学报 ():.邱建琪 周成林 史涔溦.注入高频脉振电压的永磁同步电机/控制方法.电机与控制学报 ():.赵毅恒 宁博文 卢少武 等.基于/起动和扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机全速域无传感器控制方法.电机与控制应用 ():.():.方世鹏 胡昌华 扈晓翔 等.基于切换滑模控制的抖振抑制方法.控制与决策 ():.丁曙光 刘维维 叶运骅 等.基于自抗扰控制技术的表贴式永磁同步电机无位置传感器控制.微电机 ():.罗宗鑫 陈强 薛开昶.航空高压直流供电系统的永磁起动发电机控制方法.微电机 ():.微电机(月刊)全年 期 读者可到当地邮局订阅 本刊亦可破订、零购邮发代号:订价:元/期年价:元/年编辑部邮购(含快递费):元/年欢迎投稿!欢迎订阅!欢迎刊登广告!国内刊号:/国际刊号:邮箱:地址:高新区上林苑四路 号()电话: