1、2023，50(7)控制与应用技术EMCA收稿日期:2023-02-21;收到修改稿日期:2023-03-22*基金项目:沈阳市中青年科技创新人才支持计划项目(C210213)作者简介:刘剑宇(1998)，男，硕士研究生，研究方向为高品质永磁及特种电机系统。董婷(1982)，女，博士，教授，研究方向为交流伺服电机及其控制系统。考虑电容充放电延迟的永磁起动/发电系统模式切换策略*刘剑宇，董婷(沈阳工业大学，电气工程学院，辽宁 沈阳110870)摘要:针对永磁起动/发电系统在模式切换过程中出现电压坠落的问题，本文在传统模式切换策略的基础上，提出了一种考虑电容充放电延迟的模式切换策略。通过考虑电容充
2、放电延迟过程，改变控制结构与电气负载开关切换时间，降低切换过程中的坠落电压。在模式切换控制器中设置发电模式转速阈值，使其在发动机故障转速无法维持发电模式时平稳切换至起动模式。该切换策略提高了系统的稳定性。通过仿真试验，验证了上述切换策略的正确性和可行性。关键词:永磁起动/发电系统;模式切换策略;电容充放电延迟;发电模式转速阈值中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1673-6540(2023)07-0059-07doi:1012177/emca2023066Mode Switching Strategy of Permanent Magnet Starting/GeneratingSy
3、stem Considering Capacitor Charging and Discharging Delay*LIU Jianyu，DONG Ting(School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)Abstract:In order to solve the problem of voltage drop in the process of mode switching in permanent magnetstarting/generating syste
4、m，a mode switching strategy considering capacitor charging and discharging delay is proposedbased on the traditional mode switching strategy By considering the delay process of capacitor charging anddischarging，the control structure and the switching time of electrical load switch are changed to red
5、uce the dropvoltage during the switching process Set the generation mode speed threshold in the mode switching controller，so thatit can smoothly switch to the starting mode when the generation mode cannot be maintained This switching strategyimproves the system stability Through simulation experimen
6、t，the correctness and feasibility of the above switchingstrategy are verifiedKey words:permanent magnet starting/generating system;mode switching strategy;capacitor chargingand discharging delay;generation mode speed threshold0引言在油动植保无人机领域，应用起动/发电系统，既弥补了传统油动无人机缺少电力源、电力供应不充分等缺陷1，又具有油动无人机本身续航时间长、带载能力强
7、的优点。由于永磁同步电机具有功率密度大、效率高、控制策略简单等优点，因此常使用永磁同步电机作为起动/发电系统中的起动/发电机2。由于脉冲宽度调制(PWM)具有功率双向可逆传输，常使用 PWM 可控整流电95控制与应用技术EMCA2023，50(7)路作为起动/发电系统中的功率变换器3。在永磁起动/发电系统依据系统运行状态由起动状态切换至发电状态时，负载并联电容存在充放电延迟4。因此直流端电压将会出现电压坠落现象，直流端电压在短时间发生向下跳变，产生较大谐波分量，影响直流端负载供电质量和系统稳定性5，因此抑制切换过程中的坠落电压是永磁起动/发电系统面临的技术难点之一6。对于永磁起动/发电控制系统
8、，大多数学者注重于起动状态时的调速问题78 与发电模式时的稳压问题911，对模式切换过程及电压坠落研究较少。文献 4 提出一种基于遗传算法寻优的滑模变结构模式切换控制器。文献 12提出了开关控制策略，但未给出详尽的设计过程。文献 13 对电机制动过程中的电容状态进行了分析，为本文所提出的切换策略降低坠落电压提供了思路。同时，在发动机发生故障转速过低，无法提供发电模式电机的功率需求时，永磁起动/发电系统有由发电模式紧急切换至起动模式制动的需求1415，但现有切换策略对此功能的实现研究较少。基于此，本文对永磁起动/发电系统模式切换进行研究，提出一种考虑电容充放电延迟的永磁起动/发电系统模式切换策略
9、。该策略既可以降低传统切换策略中出现的坠落电压，也可以实现紧急情况下由发电模式向起动模式切换制动。通过仿真试验，验证所提控制策略的正确性与可行性。1切换过程电压坠落分析及发电模式转速阈值计算11起动/发电系统与传统模式切换策略永磁起动/发电系统拓扑结构如图 1 所示。其运行在起动模式、发电模式与切换模式三种模式中16。图 1永磁起动/发电系统结构拓扑图常用的永磁起动/发电系统模式切换框图如图 2 所示。图 2 中包括电流内环与转速/电压外环。通过电流内环，系统分别对 d 轴电流 id与 q轴电流 iq进行解耦控制。通过转速或电压外环，系统分别在起动模式或发电模式对转速 n 或直流端电压 Udc
10、进行控制，并向电流内环输入 q 轴给定的电流 iq*_n(起动模式)或 iq*_Udc(发电模式)。外环切换由模式切换控制器实现。图 2切换策略控制框图系统在起动模式与发电模式运行状态如表 1所示。表 1起动模式与发电模式比较项目起动模式发电模式永磁起动/发电机状态电动机发电机控制结构转速电流双闭环电压电流双闭环直流负载所并联结构蓄电池电容供能情况蓄电池向电机与直流负载供能发动机拖动向直流负载供能电磁功率流向负载端电机电机负载端q 轴电流 iqiq0iq0在实现模式切换时，也需对电气负载结构进行切换。在传统切换策略中(电气负载结构切换如图 3 所示)，当起动/发电系统处于起动状态时，开关信号
11、g1=1;处于发电模式时，开关信号 g1=0。开关信号 g1=0 时，开关断开;开关信号 g1=1时，开关闭合。12切换过程电压坠落分析传统切换策略虽然较为简单，但没有考虑在切换过程中由于电容充放电延迟而电压不能发生062023，50(7)控制与应用技术EMCA图 3传统切换策略的电气负载结构切换示意图突变的情况，在切换过程中不可避免地会产生较大的坠落电压。图 4 即为应用传统切换策略时，系统由起动模式切换至发电模式时出现的电压坠落现象。图 4切换过程中电压坠落示意图在应用传统切换策略时，永磁起动/发电系统在由起动模式切换至发电模式的过程时，负载电容稳压并联于支路中，蓄电池支路断开。此时直流端
12、电压 Udc与电容电压 UC关系为Udc=UC=t0+tiC/Cdt+UC0(1)式中:Udc为直流端电压;UC为电容电压，UC0为切换初始时刻电容电压;t0为切换时刻;iC为电容电流;t 为电容充放电延迟时间;C 为电容值。由于起动模式时电机对电流需求较高，电容并未充分进行预先充电1，UC0趋近于 0，切换时刻直流端电压 Udc趋近于 0。又因为式(1)等号右侧积分部分不能实现从 0 到给定直流端电压 U*dc的突变，所以与电容相并联的直流端电气负载电压 Udc存在短时下跳的电压坠落现象，影响切换过程中电气负载的供电质量与系统稳定。这是由传统切换策略对应的电气负载切换结构决定的。因此，要减小
13、切换过程中的坠落电压，必须对此结构进行优化。13发电模式转速阈值计算当永磁起动/发电系统运行于发电模式，转速n 不足以维持电气负载所需功率的转速阈值 nmin(nnmin)时，此时永磁起动/发电系统需要由发电模式切换至起动模式，nmin的确定方式如下。当永磁起动/发电系统运行于发电模式时，永磁起动/发电机系统作为发电机，在采用 id*=0控制策略时，其功率传输方程为17 efiq+i2qs+23U2dcL=0(2)式中:iq为电机的 q 轴电流;Udc为直流端电压;e为电机电角速度;f为转子磁链，s为定子电阻;L为直流端负载。显然，式(2)是一个关于 q 轴电流 iq的一元二次方程，为使其有解
14、，根据一元二次方程判别式应有0:=2e2f4s23U2dcL 0(3)解得发电模式转速阈值 nmin为n nmin=83U2dcs2fL30p(4)式中:p 为电机的极对数。当处于发电模式的电机转速 n 低于 nmim，应及时将系统由发电模式切换回起动模式，保障系统的稳定。2考虑电容充放电延迟的永磁起动/发电系统模式切换策略21电气负载切换结构设计在传统切换策略的基础上，提出如图 5 所示的切换策略电气负载结构切换示意图，各开关信号在各运行模式下的状态如表 2 所示。开关信号gx(x=1，2，3)=0 时，开关断开;开关信号 gx(x=1，2，3)=1时，开关闭合。图 5考虑电容充放电延迟切换
15、策略下的电气负载结构切换示意图当起动/发电系统处于切换模式时，开关信号g1g2g3=101，此时直流负载依然由蓄电池供能，直16控制与应用技术EMCA2023，50(7)表 2不同运行模式下开关信号状态运行模式g1g2g3起动模式(mode=1)110切换模式(mode=2)101发电模式(mode=3)011流端电压 Udc与蓄电池电压 Vdc相等，同时电容受起动/发电机充电，在切换持续时间 t 内逐渐上升接近至给定电压 U*dc为Udc=VdcUCU*dc(5)当电容电压与直流负载相平后切换至发电模式。此时蓄电池支路断开，电容支路与电气负载相并联。直流端电压 Udc与电容电压 UC相等，与
16、U*dc相近，即:Udc=UC U*dc(6)结合式(1)，考虑到电容的充放电延迟，在切换模式时给予电容时间 t 进行充放电。因此与传统切换策略相比，所提出的切换策略能够有效降低切换过程中的坠落电压。22模式切换控制器设计控制结构切换与电气负载结构切换的结合由图 2 中的模式切换控制器完成。通过读取永磁起动/发电系统参数与电气负载开关信号参数，模式切换控制器实现模式识别与模式切换，具体流程如下。221系统处于起动模式当起动/发电机转速达到点火转速 n0附近持续一段时间 t，即 n(n0n，n0+n)，模式切换控制器将起动/发电系统由起动模式切换至切换模式，开关信号输出为 g1g2g3=101。控制结构外环由转速环切换至电压环，外环反馈值为电容电压 UC。若不满足上述条件，则系统会维持运行现状。222系统处于切换模式(1)当起动/发电机转速小于电气负载所需功率的转速阈值 nmin(通过式(4)计算)持续一段时间 t，即 nnmin，模式切换控制器将起动/发电系统由切换模式切换至起动模式，开关信号输出为 g1g2g3=110，控制结构外环由电压环切换至转速环。(2)若不满足条件(1)情况，
