一种高极对航空电动燃油泵混合控制方法与装置

技术领域

本发明属于燃油控制与调节系统，具体涉及一种高极对航空电动燃油泵混合控制方法与装置。

背景技术

近年来，多电/混电航空发动机技术在国际上掀起研究热潮，人们对其关键部件已不同程度地开展了研究。以电动燃油泵为核心架构的航空发动机燃油泵控系统为多电/混电发动机发展的关键部件之一，亦被业内视为航空发动机燃油控制系统的重大变革。

电动燃油泵为燃油泵控系统的核心部件之一。高功重比为燃油泵控系统的关键核心指标，要求电动燃油泵采用高功重比方案进行设计。为了达成这一目标，电动燃油泵用电机设计中常选用高速高功率密度永磁无刷直流/永磁同步电机。采用高极槽比来缩减齿槽转矩，有利于提升此类电机的控制精度，但是会导致较高的电机极数。电动燃油泵额定转速可高达20000RPM，当极数为10时，电转速高达100000RPM，使驱动器的设计极具挑战，100000RPM对应的电转速为1666.6Hz，使矢量控制中的载频比下降，一拍滞后对电机高速运行产生较大影响，甚至导致转速振荡失稳。

针对与此，目前人们通过两种途径来解决：(1)应用模型预测控制、双采样双更新、滞后补偿等方法，缓解一拍滞后的影响，但此策略对电机参数精准度要求高，实际工作时，电机电阻、电感等参数为时变量，导致以固定参数建模的控制算法控制精度下降；另一方面，复杂控制算法的实施对DSP的运算控制资源提出了更高要求，加大矢量控制算法的实施难度，甚至无法实施。(2)提升载波频率及载频比，此策略为硬件解决策略，载波频率的提升，会大幅增加逆变器的开关损耗，对驱动器散热提出更苛刻的要求，使电机驱动器效率下降，散热器体积重量增加，影响电动燃油泵功重比；此外，载波频率的提升使调制比下降，可能导致电机无法达到额定转速。

发明内容

本发明提供一种高极对航空电动燃油泵混合控制方法与装置，实现电动燃油泵的全速域高精度控制。

本发明第一方面提供一种高极对航空电动燃油泵混合控制方法，包括：

S1、获取高极对航空电动燃油泵的指令转速，确定指令转速和实际转速之间的偏差，根据偏差确定电机转速调节方向，调节方向包括：正向调节和负向调节；

S2、在高极对航空电动燃油泵的当前控制策略为六步换相控制时，当调节方向为负向调节，且滞回转速区域的下边界在实际转速和指令转速之间，则实时提取六步换相控制中的非换相相电流值，依据六步换相控制中电机电磁转矩计算方法，计算电机实时转矩，采用低通滤波器滤除实时转矩中的高频分量，获得实时电磁转矩Te；在实际转速小于滞回转速区域下边界时，依据实时电磁转矩Te以及矢量控制中电机电磁转矩的计算方法，计算矢量控制策略中交轴电流环的电流值Iq，作为控制策略切换时矢量控制策略中的交轴电流环的Iq初始指令值；实现将当前控制策略从六步换相控制切换为矢量控制；

S3、在高极对航空电动燃油泵的当前控制策略为矢量控制时，当调节方向为正向调节，且滞回转速区域的上边界在实际转速和指令转速之间，则获取矢量控制策略中交轴电流环的电流值Iq，依据矢量控制中电机电磁转矩计算方法，计算电机实时转矩，采用低通滤波器滤除实时转矩中的高频分量，获得实时电磁转矩Te；在实际转速大于滞回转速区域上边界时，依据实时电磁转矩Te以及六步换相控制中电机电磁转矩的计算方法，计算电机电流值，作为控制策略切换时六步换相控制策略中的电流环的初始指令值；实现将当前控制策略从矢量控制切换为六步换相控制。

可选的，所述方法还包括：

在高极对航空电动燃油泵的当前控制策略为六步换相控制时，当调节方向为正向调节，则保持当前控制策略不变；

在高极对航空电动燃油泵的当前控制策略为六步换相控制时，当调节方向为负向调节，但指令转速高于滞回转速区域的下边界，则保持当前控制策略不变；

在高极对航空电动燃油泵的当前控制策略为矢量控制时，当调节方向为负向调节，则保持当前控制策略不变；

在高极对航空电动燃油泵的当前控制策略为矢量控制时，当调节方向为正向调节，但指令转速小于滞回转速区域的上边界，则保持当前控制策略不变。

可选的，滞回转速区域为[Low％,High％]的高极对航空电动燃油泵的额定转速。

可选的，Low为49，High为51。

可选的，低通滤波器为二阶IIR型低通滤波器，时域采样率fs为20KHz，截止频率fh为1KHz。

可选的，当当前的高极对航空电动燃油泵的控制策略为六步换相控制时，实际转速由正交编码器位置信号通过微分计算获得，采用霍尔换相周期的小数倍作为电机转速调节周期。

本发明第二方面提供一种高极对航空电动燃油泵混合控制装置，所述装置包括：判断模块和切换模块；

判断模块，用于获取高极对航空电动燃油泵的指令转速，确定指令转速和实际转速之间的偏差，根据偏差确定电机转速调节方向，调节方向包括：正向调节和负向调节；

切换模块，用于在高极对航空电动燃油泵的当前控制策略为六步换相控制时，当调节方向为负向调节，且滞回转速区域的下边界在实际转速和指令转速之间，则实时提取六步换相控制中的非换相相电流值，依据六步换相控制中电机电磁转矩计算方法，计算电机实时转矩，采用低通滤波器滤除实时转矩中的高频分量，获得实时电磁转矩Te；在实际转速小于滞回转速区域下边界时，依据实时电磁转矩Te以及矢量控制中电机电磁转矩的计算方法，计算矢量控制策略中交轴电流环的电流值Iq，作为控制策略切换时矢量控制策略中的交轴电流环的Iq初始指令值；实现将当前控制策略从六步换相控制切换为矢量控制；

切换模块，还用于在高极对航空电动燃油泵的当前控制策略为矢量控制时，当调节方向为正向调节，且滞回转速区域的上边界在实际转速和指令转速之间，则获取矢量控制策略中交轴电流环的电流值Iq，依据矢量控制中电机电磁转矩计算方法，计算电机实时转矩，采用低通滤波器滤除实时转矩中的高频分量，获得实时电磁转矩Te；在实际转速大于滞回转速区域上边界时，依据实时电磁转矩Te以及六步换相控制中电机电磁转矩的计算方法，计算电机电流值，作为控制策略切换时六步换相控制策略中的电流环的初始指令值；实现将当前控制策略从矢量控制切换为六步换相控制

可选的，用于高极对航空电动燃油泵，高极对航空电动燃油泵包括：高极对永磁同步电机和高极对永磁同步电机驱动器；高极对永磁同步电机包括：霍尔传感器和正交编码器；所述装置还包括：电机位置与转速测量模块；

正交编码器与电机位置与转速测量模块连接，用于将采集的电机转子位置信号发送给电机位置与转速测量模块，电机位置与转速测量模块用于，当当前的高极对航空电动燃油泵的控制策略为六步换相控制时，根据采集的电机转子位置信号，通过微分计算获得实际转速；

高极对永磁同步电机驱动器用于，从霍尔传感器获取霍尔换相周期，当当前的高极对航空电动燃油泵的控制策略为六步换相控制时，采用霍尔换相周期的小数倍作为电机转速调节周期。

本发明提供一种高极对航空电动燃油泵混合控制方法与装置，提出了一种不提升载波频率的电动燃油泵全速域高精度控制策略及实施装置；规避了高极对高转速下电动燃油泵一拍滞后引发的矢量控制失控风险；控制策略对电机模型参数依赖性较低，对数字信号处理器运算控制资源占用率低，实施性较强；几乎不增加电动燃油泵的硬件体积、重量，方法适用于高额定转速电动燃油泵控制，更利于电动燃油泵的功重比提升。

附图说明

图1为本发明提供的高极对航空电动燃油泵混合控制装置的示意图；

图2霍尔电流传感器与I/V转换；

图3Sallen-key滤波原理；

图4转子位置信号调理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的高极对航空电动燃油泵混合控制方法与装置进行具体解释说明。

结合图1对高极对航空电动燃油泵混合控制方法来进一步说明本发明，该方法包括下述步骤：

1)在控制软件编制时通过变量赋值方式设定矢量控制与六步换相控制方法切换的滞回转速区域[Low％,High％]，其中Low对应滞回转速区域下边界，High对应上边界；

2)判断模块通过RS422通讯接口，从电动燃油泵的上级控制器获取其指令转速n

3)电机正向调速过程中，且当前控制策略为六步换相控制，则保持当前控制策略不变；若当前控制策略为矢量控制，且n

其中，低通滤波器其形式为：

Y(n)＝X(n)*B0+X(n-1)*B1+X(n-2)*B2+Y(n-1)*A1+Y(n-2)*A2；

其中，X(n)为滤波器当前输入，X(n-1)为滤波器前一周期输入，X(n-2)为滤波器前二周期输入，Y(n)为滤波器输出，Y(n-1)为滤波器前一周期输出，Y(n-2)为滤波器前二周期输出，A1，A2，B0，B1，B2为滤波器系数。n为采样序列号，可以理解，从第三个采样周期开始使用低通滤波器。

滤波器截止频率fc＝1KHz，阻带衰减为-20dB，采样率为fs＝20KHz，依据滤波器计算原理，可确定出A1，A2，B0，B1，B2五个滤波器系数。

当n

4)电机负向调速过程中，若当前控制策略为六步换相控制，且n

进一步地，在所述高极对航空电动燃油泵混合控制方法中，电机实际转速计算所用微分方法为：微分步长Td＝20*Ts，其中Ts为载波周期，记k时刻的电机转子位置为θ(k)，k+1时刻电机转子位置为θ(k+1)，则电机实时转速n

进一步地，当所述高极对航空电动燃油泵混合控制方法中电机控制应用六步换相控制时，为提升电机转速控制精度，转速环所用控制策略为：当霍尔位置信号变化时，对电机进行换相控制，采用霍尔换相周期的小数倍作为电机转速调节周期。

如图1所示，一种高极对航空电动燃油泵混合控制装置，该装置至少包括：

——高极对永磁同步电机，包括传感器端子a1、正交编码器a2、霍尔传感器a3、大功率端子a4，正交编码器a2和霍尔传感器a3集成于电磁编码器内部，电磁编码器部署于高极对永磁同步电机端部，与安装在电机转子端部的感应磁铁间距约2mm，感应并解析电机转子位置，并转换为正交编码及霍尔传感信号。正交编码器a2和霍尔传感器a3通过连接导线与感器端子a1交联。大功率端子a4与电机驱动器用于功率输出的大功率端子h3通过功率电缆交联，用于驱动电机运转。

——高极对永磁同步电机驱动器，包括电机相电流采集处理模块b、电机位置与转速测量模块c、判断模块d、切换模块e、矢量控制模块f、六步换相控制模块g、逆变模块h的部署与实施，各模块由对应硬、软件实现，并集成于驱动器机箱。

——电机相电流采集处理模块，包括霍尔电流传感器b1、I/V转换b2、Sallen-key滤波b3、高速A/D b4、采样量化b5、相电流计算b6，用于实时监测电机三相电流，供控制模块使用。霍尔电流传感器b1与I/V转换b2原理对应图2，霍尔电流传感器b1应用变比为1000:1的高精度穿孔式霍尔电流传感器(U34，可以采用LA150P型号传感器)，使大功率端子h3与大功率端子a4之间的功率连接电缆穿过传感器的开孔，将大电流信号转换为额定值为150mA的小电流信号；I/V转换b2由两个阻值为25Ω的功率电阻(R55和R56，封装采用2512标准)并联实现，电阻一端与传感器的输出端交联，另一端与模拟地(AGND)交联。

Sallen-key滤波b3原理见图3，I/V转换b2输出的电压信号首先经型号为BAT54S，SOT封装采用SOT标准的两个肖特基二极管D7进行快速限幅，防止空间或I/O接口耦合的静电或电流浪涌造成后级电路损坏；然后经电阻R42、电容C94、电阻R43、电容C95与运算放大器U18B(型号为LT1631CS)构成的二阶有源Sallen-key滤波器滤波，滤波器参数通过电阻电容调节；电阻R44、电阻R45用于对电压信号作进一步放大调理。高速A/D b4实现对模拟电压信号的高速采样与量化，量化结果经相电流计算b6计算后得出电机相电流。

——电机位置与转速测量模块，包括转子位置信号调理c1、QEP(正交编码脉冲计数)与CAP(捕获)监测c2、转子位置解算c3、转速微分运算c4。转子位置信号调理c1原理对应图4，转子位置信号调理c1通过连接电缆与传感器端子a1交联，将接收到的数字信号(例如，图4中正交编码器的编码信号A、B、Z、I)首先通过电阻R1-R4进行端口上拉，确保其初始状态稳定，然后由电磁隔离芯片U1(例如，型号为ADuM140D1BRWZ)，与电机系统进行电气隔离，提升弱电系统抗干扰性能，再通过电阻R6-R9与电容C7-C10构成的一阶RC滤波器滤波，仿真位置信号抖动或错误；转子位置信号调理c1输出的正交编码信号传输至QEP与CAP监测c2的QEP接口，由内部QEP控制器进行转子位置转换，霍尔位置信号输入至CAP接口，由其向DSP提出中断申请(图4种仅示意出正交编码信号的调理)；转子位置解算c3由QEP读取寄存器值，解算为电机位置信号；转速微分运算c4为软件算法，原理参照高极对航空电动燃油泵混合控制方法中的电机转速微分解算方法。

——判断模块，包括判断模块d，从上位机获取电机指令转速、由转速微分运算c4获取电机实际转速、由处理器内部变量获取滞回区间，依据高极对航空电动燃油泵混合控制方法步骤2)计算电机转速调节方向与控制方法，供其它模块使用。

——切换模块，包括矢量控制方法下电磁转矩计算e1、矢量控制电磁转矩滤波e2、六步换相控制方法下电流指令初值反算e3、六步换相控制方法下电磁转矩计算e4、六步换相控制电磁转矩滤波e5、矢量控制方法下Iq指令初值反算e6，用于电机转速控制过程中，矢量与六步换相控制方法之间的平稳切换。各模块依照高极对航空电动燃油泵混合控制方法实现。

——矢量控制模块，包括Clark、Park变换f1、转速控制环f2、电流控制环f3、SVPWM算法f4，Clark、Park变换f1接收转子位置解算c3输出的电机位置与相电流计算b6输出的电机相电流，依据Clark、Park计算原理，将电机相电流转换为Id、Iq电流，作为电流环的反馈值输入至电流控制环f3，转速控制环f2通过上位机获取指令转速，由转速微分运算c4获取电机实际转速，对电机转速作实时闭环控制，输出Iq指令至电流控制环f3，电流控制环f3中的Id指令恒等于零，电流控制环f3的Iq指令初值从矢量控制方法下Iq指令初值反算e6获取，电流控制环f3输出Uα与Uβ信号(如图1所示)至SVPWM算法f4，SVPWM算法f4再结合转子位置解算c3输出的电机位置作SVPWM运算，结果PWM信号输出至栅极驱动器h1。

——六步换相控制模块，包括非换相相电流提取g1、转速控制环g2、换相控制g3、电流控制环g4、PWM算法g5，非换相相电流提取g1由相电流计算b6获取电机电流值，结合换相表确定非换相相电流，一方面作为电流环的反馈值，一方面输出至六步换相控制方法下电磁转矩计算e4，由其进行切换计算；转速控制环g2由上位机获取指令转速，转速微分运算c4获取电机实际转速，在每个载波周期内实施转速控制，控制结果输出至电流控制环g4，作为电流指令；电流控制环g4依据电流指令与实际电流值进行电流环控制，其指令初值由六步换相控制方法下电流指令初值反算e3获取；电流控制环g4输出的占空比输入至PWM算法g5，由PWM算法g5转换为PWM信号输出至栅极驱动器h1。

——逆变模块，包括栅极驱动器h1、MOSFET器件h2、大功率端子h3，栅极驱动器h1接收PWM信号，转换为上下桥的驱动信号，输入至MOSFET器件h2的栅极，控制MOSFET器件h2按需求动作；MOSFET器件h2在栅极驱动器h1的驱动作用下，输出电压占空比信号，通过逆变桥臂中心连接至大功率端子h3，再通过大功率电缆输出至高极对永磁同步电机的大功率端子a4。

——燃油泵，本发明选择定排量齿轮泵，通过联轴器与高极对永磁同步电机交联，实现燃油流量调节。

其中，滞回区域为[Low％,High％]的高极对航空电动燃油泵的额定转速。

其中，Low为49，High为51。

其中，矢量控制和六步换相控制方法中，电机实际转速均由正交编码器位置信号通过微分计算获得。

其中，所述方法还包括：

进一步地，逆变模块的大功率端子h3部署于电机驱动器上，

高极对永磁同步电机上的所述大功率端子a4与逆变模块的大功率端子h3通过大功率电缆及接插件连接。

进一步地，所述霍尔传感器a3和正交编码器a2部署于高极对永磁同步电机端部，感应电机轴端部嵌入的永磁体的位置，将位置信号转换为霍尔和正交编码信号，将信号通过连接电缆输出至传感器端子a1，再由传感器端子通过连接线缆传输至转子信号调理c1。

进一步地，大功率端子h3与大功率端子a4之间的连接电缆穿过霍尔电流传感器b1。

进一步地，相电流计算b6输出的相电流以变量赋值方式传输至Clark、Park变换f1与非换相相电流提取g1。

进一步地，转子位置解算c3通过变量赋值方式将转子位置θ输出至Clark、Park变换f1、SVPWM算法f4，将HALL(霍尔)位置输出至换相控制g3。

进一步地，转速微分运算c4将电机转速以变量赋值方式输出至判断模块d、矢量控制模块中的转速控制环f2、六步换相控制中的转速控制g2。

进一步地，六步换相控制方法下电流指令初值反算e3输出的电流初值以变量赋值方式传输至六步换相控制模块的电流控制环g4。

进一步地，矢量控制方法下Iq指令初值反算e6输出的电流初值以变量赋值方式传输至矢量控制模块的电流控制环f3。

进一步地，Clark、Park变换f1得出的矢量控制方法下Iq以变量赋值方式传输至切换模块的矢量控制方法下电磁转矩计算e2。

进一步地，非换相相电流提取g1以变量赋值方式传输至切换模块的六步换相控制方法下电磁转矩计算e4。

进一步地，SVPWM算法f4输出的PWM信号通过PCB(印制电路板)走线传输至逆变器栅极驱动器h1。

进一步地，PWM算法g5输出的PWM信号通过PCB(印制电路板)走线传输至逆变器栅极驱动器h1。