一種附加滯後補償的航空電動燃油泵控制裝置的製作方法

2023-06-22 12:56:53 1

1.本發明屬於燃油控制領域，具體涉及一種附加滯後補償的航空電動燃油泵控制裝置。


背景技術：

2.近年來，航空發動機燃油泵控系統為多電發動機發展的關鍵部件之一，電動燃油泵作為燃油泵控系統的核心部件，其控制的可靠性極為重要。
3.電動燃油泵用電機常選用功率密度高、響應快的永磁同步電機。傳統永磁同步電機採用旋轉變壓器或編碼器等速度傳感器裝置，獲取轉速信息並進行控制。但是在航空發動機高溫、振動環境下傳感器精度下降，甚至失效。無速度傳感器電動燃油泵控制裝置可以在嚴苛的工況下保證電動燃油泵的控制高可靠性。通常無速度傳感器電動燃油泵控制裝置可作為備份控制裝置，在傳感器發生故障時進行切換，保證系統的可靠性運行。
4.隨著高轉速、高壓電動燃油泵的發展，無速度傳感器的電機控制策略多採用滑膜估計器和模型參考自適應法等策略，存在電機運行參數誤差所引起估算誤差、反電動勢中存在高頻紋波分量影響估計精度且算法複雜度較高等問題。實際工作時，電機電阻、電感等電機本身參數為時變量，以固定參數建模的控制策略會導致控制精度下降。
5.控制裝置多使用驅動系統的數字處理器(dsp)進行並行計算，由dsp更新的pwm波會滯後一個周期輸出，使得電動燃油泵的逆變器輸出電壓總是滯後一個周期。當永磁同步電機高速運行時，載波比很低，滯後周期導致輸出電壓相位滯後過大，造成電流環震蕩，電機失步。


技術實現要素：

6.本發明提供一種附加滯後補償的航空電動燃油泵控制裝置，解決現有控制方法存在精度低，相位滯後的問題。
7.本發明提供一種附加滯後補償的航空電動燃油泵控制裝置，包括：雙擴展卡爾曼濾波估計器和矢量控制器；矢量控制器包括：相角滯後補償器；其中，
8.雙擴展卡爾曼濾波估計器包括：第一估計器和第二估計器；
9.第一估計器用於，根據第二估計器估計的上一時刻的電動燃油泵中的永磁同步電機的定子的電阻和電感,以及上一時刻的永磁同步電機的轉子的電角度和電角速度，估計當前時刻的永磁同步電機的轉子的電角度θe和電角速度；
10.第二估計器用於，根據估計的上一時刻的永磁同步電機的定子的電阻和電感和第一估計器估計的上一時刻的永磁同步電機的轉子的電角度和電角速度，估計當前時刻的永磁同步電機的定子的電阻和電感；
11.相角滯後補償器用於，在當前時刻的永磁同步電機的定子的d軸電壓分量低於上一時刻時，採用δθ動態補償δθ＝pi(δud)，生成角度補償值δθ，補償後的電角度為θ
e補
＝θe+δθ；其中，δud為永磁同步電機的定子的d軸電壓分量上一時刻與當前時刻的差值；pi
表示永磁同步電機的轉子的電角度pi控制器；
12.矢量控制器用於，根據第一估計器估計的當前時刻的電角度和電角速度、相角滯後補償器提供的當前時刻的角度補償值δθ，以及當前時刻電機靜止坐標系下的電流值，實現電動燃油泵控制。
13.可選的，第一估計器和第二估計器是根據永磁同步電機的模型和永磁同步電機常溫狀態下參數離散得到的。
14.可選的，永磁同步電機電機常溫狀態下參數包括：電阻和電感。
15.可選的，第一估計器的表達式如下：
[0016][0017]
第二估計器的表達式如下：
[0018][0019]
其中，k為當前時刻，為第一估計器第k時刻的狀態矢量，x
k+1
為第一估計器第k+1時刻的狀態矢量，為第二估計器第k時刻的的狀態矢量，p
k+1
為第二估計器下一時刻的狀態矢量，為第k時刻的輸入矢量，為量測矢量，f1為第一估計器當前狀態矢量與下一時刻狀態矢量之間的函數，h1為第一估計器狀態矢量與量測矢量之間的函數，h2為第二估計器狀態矢量與量測矢量之間的函數，v1k,v2k為狀態噪聲矢量，e1k,e2k為量測噪聲矢量；
[0020]iα
,i
β
,u
α
,u
β
為永磁同步電機靜止坐標系下的電流值和電壓值，r、l為電機定子繞組的電阻值、電感值，we,θe為電機轉子的電角度和電角速度。
[0021]
可選的，還包括：電流傳感器、電壓傳感器、clark變換器；
[0022]
電流傳感器和電壓傳感器用於採集永磁同步電機的三相電壓us和三相電流is，並發送至clark變換器；
[0023]
clark變換器用於將三相電壓us和三相電流is進行clark變換，得到靜止坐標系下的電流i
α
,i
β
和電壓u
α
,u
β
，並提供給雙擴展卡爾曼濾波估計器；
[0024]
所述第一估計器具體用於，根據第二估計器估計的上一時刻的電動燃油泵中的永磁同步電機的定子的電阻和電感,以及上一時刻的永磁同步電機的轉子的電角度和電角速度，以及clark變換器提供的靜止坐標系下的上一時刻的電流i
α
,i
β
和電壓u
α
,u
β
，估計當前時刻的永磁同步電機的轉子的電角度θe和電角速度；
[0025]
所述第二估計器具體用於，根據估計的上一時刻的永磁同步電機的定子的電阻和電感和第一估計器估計的上一時刻的永磁同步電機的轉子的電角度和電角速度，以及clark變換器提供的靜止坐標系下的上一時刻的電流i
α
,i
β
，估計當前時刻的永磁同步電機的定子的電阻和電感。
[0026]
可選的，還包括：多通道a/d轉換器；
[0027]
電流傳感器和電壓傳感器用於採集永磁同步電機的三相電壓us和三相電流is，並發送至多通道a/d轉換器；
[0028]
多通道a/d轉換器用於，將接收到的三相電壓us和三相電流is進行數模轉換，並發送至clark變換器。
[0029]
可選的，還包括：svpwm和逆變器；
[0030]
矢量控制器採用零d軸電流矢量控制策略，還用於為svpwm輸出控制電壓
[0031]
svpwm用於，接收矢量控制器輸出的計算各個扇區矢量切換點，使用預設頻率的三角載波信號與各個扇區矢量切換點進行比較，根據比較結果產生逆變器所需的pwm脈衝信號,並發送給逆變器；
[0032]
逆變器用於，根據pwm脈衝信號，進行永磁同步電機控制。
[0033]
可選的，所述clark變換器、雙擴展卡爾曼濾波估計器、矢量控制器、滯後相角補償器、svpwm採用dsp實現。
[0034]
本發明提供一種附加滯後補償的航空電動燃油泵控制裝置，將永磁同步電機模型和擴展卡爾曼估計相結合，採用無速度傳感器控制策略，規避了旋變或編碼器性能漂移或故障導致的電機轉速控制抖動或失穩的風險，控制策略對電機轉速估計準確度高，對模型參數依賴性低；滯後補償提升了高速段的控制精度，保證電動燃油泵流量控制的精度和可靠性。
附圖說明
[0035]
圖1為本發明提供的附加滯後補償的電動燃油泵控制裝置的示意圖。
具體實施方式
[0036]
下面結合附圖對本發明提供的附加滯後補償的電動燃油泵控制裝置進行具體解釋說明。
[0037]
圖1為本發明提供的附加滯後補償的電動燃油泵控制裝置的示意圖，如圖1所示，本發明主要提供一種附加滯後補償的電動燃油泵控制裝置。控制裝置用於進行電動燃油泵流量控制。
[0038]
其中，在航空燃油泵控系統中，電動燃油泵按飛機實際需求實現航空發動機流量控制，可通過電機的轉速控制實現。因此，電機的轉速控制區間大、精度較為苛刻，一般來說要求其控制精度達0.5％。根據發動機流量需求與轉速的對應關係，可查表得到電機轉速的指令作為永磁同步電機的轉速使能輸入。
[0039]
為了提高電動燃油泵的可靠性防止因嚴苛工況造成的旋變或編碼器性能漂移或故障導致的電機轉速抖動或失穩，採用無速度傳感器的控制裝置。控制裝置採用雙擴展卡爾曼濾波估計器同時估計電機轉子的位置(電角度和電角速度)和電機的參數(電阻和電感)，以消除因飛機發動機溫度變化較大造成的電機電阻、電感攝動對轉速估計帶來的影響。
[0040]
本發明提供的控制裝置包括：電流/電壓傳感器、多通道a/d轉換器、clark變換器、雙擴展卡爾曼濾波估計器，相角滯後補償器、矢量控制器、svpwm、逆變器。電動燃油泵包括
永磁同步電機和齒輪泵。
[0041]
其中，電流/電壓傳感器用於採集永磁同步電機的三相電壓us，三相電流is。
[0042]
clark變換器用於將電流/電壓傳感器提供的us,is進行clark變換，得到靜止坐標系下的電流i
α
,i
β
和電壓u
α
,u
β
，並提供給雙擴展卡爾曼濾波估計器。
[0043]
本發明提供的雙擴展卡爾曼濾波估計器依託永磁同步電機模型，選擇靜止坐標系對電機部分進行建模，相比採用同步旋轉坐標系，減少正餘弦函數計算，縮短採樣周期，降低模型的非線性。
[0044]
示例性的，永磁同步電機的模型如下：
[0045][0046]
其中，i
α
,i
β
,u
α
,u
β
為電機靜止坐標系下的電流值和電壓值，為電機定子繞組的電阻值、電感值和磁鏈值。we,θe為電機轉子的電角度和電角速度。
[0047]
結合永磁同步電機電機常溫狀態下參數(電阻和電感)，對永磁同步電機模型進行離散化，並建立兩個估計器可得到：
[0048]
第一估計器的表達式如下：
[0049][0050]
第二估計器的表達式如下：
[0051][0052]
其中，k為當前時刻，為第一估計器第k時刻的狀態矢量，x
k+1
為第一估計器第k+1時刻(也稱下一時刻)的狀態矢量，為第二估計器第k時刻的的狀態矢量，p
k+1
為第二估計器下一時刻的狀態矢量，為第k時刻的輸入矢量，為量測矢量，f1為第一估計器當前狀態矢量與下一時刻狀態矢量之間的函數，h1為第一估計器狀態矢量與量測矢量之間的函數，h2為第二估計器狀態矢量與量測矢量之間的函數，v1k,v2k為狀態噪聲矢量，e1k,e2k為量測噪聲矢量。噪聲矢量主要依據信號測量和濾波誤差決定。r和l為電機定子繞組的電阻值、電感值。
[0053]
第一估計器的估計步驟如下：
[0054]
①
對狀態矢量進行預測其中，ts為採樣周期，
『
～』為預測值，
『
^』為估計值。
[0055]
②
計算狀態矢量預測量對應的量測矢量
[0056]
③
計算誤差協方差矩陣其中q為v1的協方差矩陣；
[0057]
④
計算增益矩陣其中r是e1的協方差矩陣；
[0058]
⑤
對預測的狀態矢量進行校正
[0059]
⑥
計算誤差協方差矩陣的估計值
[0060]
第二估計器按類似
①
～
⑥
的步驟同時進行，每一次狀態矢量更新時，通過第二估計器計算的作為已知給定輸入第一估計器，同樣，第一估計器計算的作為已知輸入給第二估計器。
[0061]
本發明利用擴展卡爾曼估計器，與採用滑膜估計器和模型參考自適應法等其他估計器相比，具有較高的估計精度和抗幹擾能力。
[0062]
示例性的，估計出來的電機轉子電角度θe和轉子電角速度we同時傳輸給矢量控制器。
[0063]
矢量控制器接收由clark變換器得到的i
α
,i
β
和由雙擴展卡爾曼濾波估計器估計的θe,we，來控制電機旋轉。
[0064]
矢量控制器採用零d軸電流矢量控制策略，即id＝0，該控制策略能夠實現系統解耦控制，在單位電流內輸出最大的轉矩，為電機輸出控制電壓
[0065]
目前高轉速下逆變器輸出電壓矢量控制存在的一周期滯後導致轉速控制失穩問題。本發明針對燃油流量對電機轉速精度控制要求，增加相角滯後補償器。
[0066]
由於驅動系統的數字處理器(dsp)會滯後一個周期更新pwm波，即這一周期輸出的pwm波是上一周期計算得出的，理論上當前採樣電壓為us(k)，而實際卻採樣輸出us(k-1)，此時轉子角度已經由θe(k-1)轉到了θe(k)，將us(k-1)進行park變換，得到ud(k-1)、uq(k-1)，比較us(k)與us(k-1)的d軸分量，當δud＝ud(k-1)-ud(k)》0時，存在滯后角度δθ。採用δθ動態補償δθ＝pi(δud)，生成角度補償值δθ，此時轉子的電角度為θ
e補
＝θe+δθ。
[0067]
其中，δud為永磁同步電機的定子的d軸電壓分量上一時刻與當前時刻的差值，ud(k)表示k時刻的永磁同步電機的定子的d軸電壓分量,可以根據定子電壓方程計算得到，定子電壓方程中的id,iq是根據i
α
,i
β
進行park變換得到，r、l是通過第二估計器估計得到。ud(k-1)表示k時刻逆變器輸出電壓的d軸分量即k-1時刻的永磁同步電機的定子的d軸電壓分量,可以根據clark變換器得到u
α
,u
β
進行park變換得到，pi表示永磁同步電機的轉子的電角度pi控制器。
[0068]
矢量控制器還接收相角滯後補償器提供的當前時刻的角度補償值δθ，以及當前時刻電機靜止坐標系下的電流值，實現電動燃油泵控制。
[0069]
svpwm接收矢量控制器輸出的用於根據矢量控制電壓得到的合成電壓處於由逆變器開關模式對應的扇區的位置，計算各個扇區矢量切換點，使用一定頻率的三角載波信號與各個扇區矢量切換點進行比較，得到比較結果，根據比較結果從而可以產生逆變器所需的pwm脈衝信號,並發送給逆變器。
[0070]
圖1中，通過齒輪泵流量與電機轉速的對應關係建模，得到電動燃油泵流量控制的轉速信號，作為永磁同步電機的指令輸入。通過電流/電壓傳感器採集永磁同步電機的三相電流/電壓信號，多通道高速同步a/d轉換器，由dsp通過並行總線控制a/d轉換，將濾波後的信號映射為對應的電流值輸出至dsp接口，供控制算法使用。clark變換器、雙擴展卡爾曼濾波估計器、矢量控制、滯後相角補償、svpwm均為嵌入dsp中的軟體代碼，作為控制算法。dsp通過clark變換器得到靜止坐標系下的電流i
α
,i
β
和電壓u
α
,u
β
，以及得到雙擴展卡爾曼濾波估計器電機轉子的電角度和電角速度θe,we。
[0071]
在矢量控制器中接收由clark變換器得到的i
α
,i
β
電流和由雙擴展卡爾曼濾波估計器估計的θe,we，經過轉速、電流雙環控制得到矢量控制電壓經svpwm決策6通道互補pwm的輸出佔空比，通過逆變器來控制電機旋轉。
[0072]
本發明主要用於航空電動燃油泵流量高可靠控制。主要功能是通過所提控制策略，解決由旋變或編碼器等速度傳感器性能漂移或故障導致的電機轉速控制抖動或失穩問題，以及高轉速下相角滯後造成的電機控制精度下降問題。