一种航空涡轮喷气发动机起动控制器及起动控制方法与流程

本发明涉及涡轮喷气发动机，具体涉及一种航空涡轮喷气发动机起动控制器及起动控制方法。

背景技术：

1、随着无人飞行器在各领域不断产生新的应用，出现了越来越多的各种航空动力系统来满足其不同应用工况的需求。航空涡轮喷气式发动机因具有构造简单、体积较小、成本低等优点，越来越多的被应用在无人飞行器以及各类靶机和巡航导弹中。

2、常规的涡轮喷气发动机多采用电池为电控单元供电，电池的长期存在会增大发动机的重量，对飞行器的续航和飞行速度带来不利影响，针对这一问题，研制出了适用于涡轮喷气发动机的起发一体供电系统，该系统根据电动机和发电机的原理可逆性，在发动机起动阶段，由电池驱动压气机内嵌电机带动发动机涡轮轴转到点火转速；发动机起动完成后，工作在稳定转速，发动机压气机拖动内嵌电机将机械能转化为电能，再经过功率电子变换电路，整流成电控单元所需的直流电源，满足发动机起动运行的需要，可减少配置的电池容量，降低产品成本。这种发动机起发一体的电机设计方式，已成为未来微型涡轮喷气发动机设计发展的趋势。

3、目前的涡轮喷气发动机中起动电机多采用电子换相的无刷结构，其主要不足之处如下：

4、正常工作时起动电机需要有转子位置检测传感器，控制器根据接收到的位置信号选择相应的换相顺序，然而大多数转子位置检测采用霍尔传感器，需要安装在电机内部，额外占用了电机空间，不利于发动机的最小化设计；

5、涡轮喷气发动机常在高温、低压、湿度大等极端工况下运作，起动电机中霍尔传感器在这些工况下的准确性和稳定性将会降低，从而影响飞行器的整体可靠性。

6、有鉴于此，特提出本申请。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种航空涡轮喷气发动机起动控制器，通过将控制其设置为可以根据反电动势值估计转子的位置的控制器来代替现有技术中具有位置检测传感器的控制器，来解决现有技术中位置检测传感器占据空间大，受环境影响大的问题。

2、本发明实施例通过下述技术方案实现：一种航空涡轮喷气发动机起动控制器，包括：

3、信号检测模块，用于采集发动机信号，包括反电势过零检测电路和母线电流检测电路，其中，反电势过零检测电路被设置为采集反电势值，母线电流检测电路被设置为对发动机的母线电流进行采集，发动机信号包括反电势值和发动机的母线电流；

4、主控制模块，与信号检测模块连接，用于接收发动机信号并转化为控制信号；

5、驱动功率模块，设置为接收控制信号，与主控制模块和信号检测模块连接，包含相互连接的驱动电路和功率电路，驱动电路设置为对主控模的控制信号进行隔离放大处理，并将所处理后的控制信号传送至功率电路中，功率电路将处理后的控制信号转化为电流和/或电压信号，实现对发动机的控制。

6、优选地，主控制模块包含微控制器，和与之连接的a/d采集单元、相位补偿单元和pi控制单元；主控制模块还包含与发动机的电控单元通信连接的通讯端口；

7、其中，a/d采集单元被设置为接收信号检测模块采集的发动机信号与并转化为数字信号；微控制器被设置为控制整个主控制模块的运行、信号传递和信息储存；相位补偿单元被设置为接收微控制器传递的数字信号，实现对数字信号转化为相位调整命令，pi控制单元被设置为将数字信号与期望值进行比较，计算出误差信号，再将误差信号转化为控制指令；

8、控制信号包括相位调整命令和控制指令。

9、优选地，信号检测模块还包括滤波电路，滤波电路用于对采样得到的反电势值进行滤波处理，去除高频噪音。

10、优选地，发动机信号还包括发动机的电子油门信号。

11、优选地，微控制器为stm32f1xx微控制器。

12、为了实现上述目的，本发明实施例还提供一种航空涡轮喷气发动机起动控制方法，采用上述控制器来实现，其特征在于，包括以下步骤：

13、s1：起动阶段：给定的输入电压和恒定的换相频率，使发动机加速转动，估计转子的位置进而换相，发动起起动一个电周期后，检测的反电动势过零点，切换到反电动势闭环状态运行；

14、s2：电相位角度的延时计算：计算换相时刻，预估发动机转速，进行换相延时补偿；

15、s3：双闭环控制：包括外环控制系统相互连接的内环控制系统，外环控制系统设置为发动机转速的调节，内环控制系统被设置为发动机电流的调节。

16、优选地，在s1之前需要判断发动机的转子是否已经定位，若已经定位才会进入到s1，若没有定位，则会对转子进行预定位后再进入s1。

17、优选地，s1中估计转子的位置的方法为采样反电动势值用于估计转子位置。

18、优选地，s2中预估发动机转速的方法为根据相邻两个过零信号的间隔估计电机转速。

19、优选地，s3中内环控制系统的输出作为pwm的占空比，控制发动机的功率器件导通与关断，直到达到预设的转速值。

20、本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

21、1、本发明实施例提供的涡轮喷气发动机起动控制器通过设置信号检测模块、主控制模块、驱动功率模块来实现对发动机启动时的控制，通过对各模块的设计，尤其是设置电势过零检测电路和母线电流检测电路来采集发动机的母线电流和反电势值，该控制器可以实现通过反电势值来估计转子的位置从而进行换相调节转子，不再需要单独设置检测转子位置的位置检测传感器。

22、2、本发明实施例提出了在起动阶段给定输入电压和恒定的换相频率，便能使发动机加速至一定转速，再配合反电动势过零换相控制便能实现发动机的可靠起动，同时合适的起动电压也能降低起动电流，减小起动冲击。

23、3、本发明实施例起动完成后，发动机将切换成双闭环加速阶段，通过a/d采集单元采集母线电流实现电流双闭环控制，采集反电动势进行过零检测控制，实现起发电机准确的顺序换相，从而准确达到涡轮喷气发动机所需的点火条件要求。

24、总体而言，本发明的实施例提供的一种航空涡轮喷气发动机起动控制器通过将控制器设置为可以根据反电动势值估计转子的位置的控制器来代替现有技术中具有位置检测传感器的控制器，达到可以应用于小型航空涡轮喷气发动机，替换掉采用具有位置传感器的方式进行起动电机换相控制的目的。

技术特征：

1.一种航空涡轮喷气发动机起动控制器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种航空涡轮喷气发动机起动控制器，其特征在于，所述主控制模块包含微控制器，和与之连接的a/d采集单元、相位补偿单元和pi控制单元；所述主控制模块还包含与发动机的电控单元通信连接的通讯端口；

3.根据权利要求1所述的一种航空涡轮喷气发动机起动控制器，其特征在于，所述信号检测模块还包括滤波电路，所述滤波电路用于对采样得到的反电势值进行滤波处理，去除高频噪音。

4.根据权利要求1所述的一种航空涡轮喷气发动机起动控制器，其特征在于，所述发动机信号还包括电子油门信号。

5.根据权利要求1所述的一种航空涡轮喷气发动机起动控制器，其特征在于，所述微控制器为stm32f1xx微控制器。

6.一种航空涡轮喷气发动机起动控制方法，采用权利要求1-5任意一项所述的控制器来实现，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种航空涡轮喷气发动机起动控制方法，其特征在于，在s1之前需要判断发动机的转子是否已经定位，若已经定位才会进入到s1，若没有定位，则会对转子进行预定位后再进入s1。

8.根据权利要求6所述的一种航空涡轮喷气发动机起动控制方法，其特征在于，s1中估计转子的位置的方法为采样反电动势值用于估计转子位置。

9.根据权利要求6所述的一种航空涡轮喷气发动机起动控制方法，其特征在于，s2中预估发动机转速的方法为根据相邻两个过零信号的间隔估计电机转速。

10.根据权利要求6所述的一种航空涡轮喷气发动机起动控制方法，其特征在于，s3中内环控制系统的输出作为pwm的占空比，控制发动机的功率器件导通与关断，直到达到预设的转速值。

技术总结本发明公开了一种航空涡轮喷气发动机起动控制器及起动控制方法，涉及涡轮喷气发动机技术领域，包括：信号检测模块，用于采集发动机信号，包括反电势过零检测电路和母线电流检测电路，反电势过零检测电路被设置为采集反电势值，所述母线电流检测电路被设置为对发动机的母线电流进行采集，所述发动机信号包括反电势值和发动机的母线电流；主控制模块，与所述信号检测模块连接，驱动功率模块，与所述主控制模块和信号检测模块连接，包含相互连接的驱动电路和功率电路。本发明通过将控制器设置为可以根据反电动势值估计转子的位置的，达到可以应用于小型航空涡轮喷气发动机，替换掉采用具有位置传感器的方式进行起动电机换相控制的目的。技术研发人员：吴树奎,王锋受保护的技术使用者：四川星空航发科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/23