一種航空專用低壓直流恒功率負載穩定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于直流電源變換器系統，涉及一種航空專用低壓直流恒功率負載穩定方 法。
【背景技術】
[0002] 在航空航天領域，隨著越來越多的液壓或者氣壓傳動裝置被電動所取代，從多電 飛機逐漸發展全電飛機。電力系統在未來飛行器中將占據一種主導型地位。而飛機對航空 產品的體積和重量的要求十分嚴格，減輕電力系統的負重不但可以增加飛機的續航能力， 還能降低飛機對航空燃油的消耗。這些對于節能減排、降低成本開銷、提高系統穩定性能都 具有直接的實用價值。
[0003]在現代飛機直流供電系統中，閉環控制的電動機負載與變換器負載皆可視為恒功 率負載。這些負載的功率在系統電壓波動時依然保持恒定，也就是說，當輸入電壓上升/下 降時，系統會降低/升高占空比以維持輸出電壓繼續追蹤給定電壓，與此同時，低/高占空比 會導致輸入電流的下降/上升。因此，在很短的時間范圍內，負載的電壓與電流乘積為常數， 阻抗V/I>0,但增量阻抗為負，S卩dV/dI<0,這種特性稱作負阻抗特性，這種負阻抗特性與 其它系統級聯時，會影響整個系統的穩定。
[0004]隨著變換器負載和電動機負載的不斷增加，采用分布式配電方式和模塊化的設計 使各個負載及變換器的尺寸更加緊湊。但是正如飛機著陸系統和飛控系統之間那樣，不同 模塊之間卻具有較長的傳輸距離。在分析系統的穩定性時，這種長電纜上所具有的高雜散 電感必須加以考慮，它們會改變前級輸出阻抗并降低系統的穩定性能。因此，在航空航天系 統的設計中必須尊重特定的供電質量的要求，為了解決這種問題，需給系統添加具有較大 電容的輸入濾波器。這種電容作為支撐作用常常具有較大的體積和重量，針對航空產品對 小體積和輕重量的要求，優化濾波電容的尺寸成為最大限度減小飛機負重的一種可行性方 案。但是，在與具有負阻尼特性的恒功率負載級聯時，降低濾波電容會降低系統的阻尼比并 使系統的不穩定風險顯著提升。因此，設計一種不損失系統穩定性的同時，還能使電力系統 負重顯著降低的方法是一項具有現實意義的任務。
【發明內容】
[0005] 要解決的技術問題
[0006]為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種航空專用低壓直流恒功率負載穩 定方法，能夠在降低電力系統負重的同時，提升系統穩定輸出范圍。
[0007]技術方案
[0008] -種航空專用低壓直流恒功率負載穩定方法，其特征在于步驟如下：
[0009] 步驟1:對前級濾波器的電感電流if和電容電壓vf進行采樣，對變換器的輸出電壓 V。和電感電流ii進行采樣；
[0010] 步驟2:計算后級電容上的能量E= 0.5Cv。2,與能量參考值ErefiOJCVoref2進行比 較作為外環誤差信號，進而產生內環電流環的參考值Irrf =Prrf/vf，其中Prrf=Errf-E;內環 電流環的參考值與iL進行比較后產生控制信號do,其中C為變換器后級電容值，Vgf為負載 電壓參考值；
[0011]步驟3:通過一個高通濾波器HPF濾除前級濾波器的電感電流if的基波分量，然后 將得到的高頻諧波分量乘以一個固定的比例系數Kstab，得到占空比調制信號dstab =Kstab· HPF(if)，其中Kstab取值為0~-2;
[0012 ]步驟4:最終驅動開關管的調制彳目號為控制彳目號do和占空比調制彳目號dstab的置加d 一d〇+dstab〇
[0013]有益效果
[0014] 本發明提出的一種航空專用低壓直流恒功率負載穩定方法，以航空低壓直流恒功 率負載為控制對象，采用雙閉環控制結構，通過采集后級電容能量(外環)和前級電感電流 (內環），設計了一種基于濾波電感電流的高頻分量直接注入占空比的方法，使得在相同的 恒功率負載條件下，可以使用更小體積及重量的電容使系統穩定，可以很好地滿足于航空 航天系統重量輕體積小的需求。同時提高了系統的可靠性，安全性，減少了成本。
【附圖說明】
[0015] 圖1系統結構圖；
[0016] 圖2系統拓撲圖；
[0017]圖3控制系統原理圖；
[0018] 圖4系統輸出功率的穩定范圍關于占空比調制信號比例系數Kstab的變化圖（藍色 圓圈代表穩定，）；
[0019] 圖5系統輸出功率的穩定范圍關于濾波電容大小的變化圖（藍色圓圈代表穩定）；
[0020] 圖6當原系統參考電壓從28V階躍到48V時的系統仿真結果圖；
[0021]圖7當加入占空比調制信號(Kstab= -l.l)時系統參考電壓從28V階躍到48V時的 仿真結果圖；
[0022]圖8實驗設備圖；
[0023] 圖9當原系統(Kstab= 0)參考電壓從28V階躍到48V時的實驗結果圖；
[0024] 圖10當加入占空比調制信號(Kstab= _l.l)時系統參考電壓從28V階躍到48V時的 實驗結果圖；
[0025]圖11在系統參考電壓為48V時，加入占空比調制信號后的實驗結果圖；
[0026]圖12當濾波電容由10uF替換為47uF時原系統參考電壓從28V階躍到48V時的實驗 結果圖.
【具體實施方式】
[0027] 現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：
[0028] 本實施例將以Boost變換器為例，根據本發明的具體方法以及步驟，在真實數據的 基礎上，給出這種針對于航空專用低壓直流恒功率負載系統的新型穩定方法的具體內容。 并通過理論分析和仿真實驗結果證明此方法的可行性與有效性。
[0029] 一、系統建模
[0030]首先為了分析系統的穩定性和動態性，需要對拓撲結構和控制算法進行數學建模 系統的狀態變量可以表述為if，vf，iL，v。，Si，Svandfi。Si，Sv分別表示內環和外環誤差的積分 變量，心表示高通濾波器的狀態變量，.KpexKiexKpinandKiir^v別表示外環和內環的PI參數。 圖2和圖3可以建模為：
[0032] 重新將系統的狀態變量描述為(2)，令公式（1)等號左邊的部分全部為0,可得系統 的平衡工作點X〇,交流小信號值描述為X。
[0033] X=[ifvfiLv0SiSvfi]T (2)
[0034] Xo=[If0Vf0IloV0oSi0Sv0Fio]T(3)
[0035] X= [XI X2 X3 X4 X6 X7]T(4)
[0036] 根據交流小信號模型，可將系統描述為：
[0037] X=X〇+x (5)
[0038] 將公式(5)帶入公式(1)當中，可得到一個非線性的狀態空間模型：
[0040]式(6)中的參數Iref，d和(1_由以下方程確定：
[0042]d = Kpin·(lLref-(lLO+X3))+Kiin(Si〇+X5)+dstab (8)
[0043 ]dstab=Kstab(If0+Xl-Fl〇-X7) (9)
[0044]公式(6)為一個非線性系統的狀態方程，為了能夠分析系統的穩定性能，首先在平 衡工作點處利用交流小信號線性化的方法對系統進行線性化處理。得到線性化模型（10)， 所得雅克比矩陣如式（11)(12)所示，根據李雅普諾夫第一法，通過分析其特征值最大負實 部所處區域來判定系統的穩定性，如果特征值的最大實部小于零，則系統穩定，反之系統則 不穩定。特征值的最大實部越小