航空电源系统的起动/发电双功能一体化是未来的一个重要发展方向。目前,在我国大功率航空无刷交流电源系统中普遍采用的三级式同步发电机均无起动航空发动机的功能,起动发动机一般采用专用的起动机,在这样的航空电源系统中,具有起动和发电两套独立的系统,体积和重量较大、系统复杂、可靠性低。开展三级式同步电机的电动起动特性研究,通过控制其运行在电动状态起动航空发动机,实现航空无刷同步起动/发电一体化系统,即可省去专用的起动系统,减轻机载重量和系统体积,因此具有非常重要的意义。在三级式同步电机的起动过程中,励磁机的励磁控制方式以及主发电机转子的弱励磁、变励磁、励磁脉动特性,会影响主发电机的大转矩平稳输出性能;同时,航空发动机的起动负载特性还会受环境影响产生变化。因此,起动发电系统不仅要有较高的带载起动能力,还要对发动机负载的变化具有较好的适应性。本文以励磁机的励磁特性为突破口,针对主发电机的转子初始位置估算方法、励磁机的励磁控制方法及主发电机的起动控制方法,展开深入细致的研究,提出了一套适用于航空无刷同步起动发电系统中三级式同步电机起动控制的相关方法。首先,针对主发电机转子励磁电流脉动导致电机电感参数及凸极性实时变化,使得应用于传统恒定励磁电机的转子初始位置估算方法不再适用的问题,本文分析了主发电机电枢绕组360°电角度范围内脉冲电压注入方向上的响应电流方程,并结合响应电流对主发电机转子助/去磁特性的影响,推导了能够唯一指示转子正方向的电流曲线方程,并利用数据拟合的方式实现了主发电机的转子初始位置精确检测。该方法改进了传统转子位置检测中先确定转子位置、再确定转子正方向的两步检测方法,同时有效降低了转子励磁电流脉动对检测精度的影响。其次,航空发动机在不同的起动阶段中,均需要起动系统提供满足其起动特性的平滑起动力矩,因此对励磁机的单相交流励磁、直流励磁以及交直流励磁间的切换方式都提出了严酷的技术要求。针对该问题,本文研究了单相交流励磁和直流励磁的归一化矢量解算方法,解决了起动过程中励磁机交直流励磁切换时的电流冲击问题,实现了励磁机由单相交流励磁向直流励磁的平稳切换,提高了主发电机的起动平稳性;在此基础上,为实现主发电机在静止/低速阶段的强励磁能力,提高低速起动力矩,本文结合励磁机分别采用交、直流励磁时的励磁输出特性,提出了励磁机的动态切换励磁控制方法。再次,针对主发电机在转子弱励磁、变励磁以及励磁脉动情况下的大转矩平稳输出控制,以及航空发动机的起动负载特性受环境影响的问题,本文提出一种应用于三级式同步起动发电机中主发电机的电压转矩闭环控制(Voltage Torque Closed-loop Control,VTCC)方法。该方法采用分别控制主发电机控制器输出电压矢量的幅值和矢量角的方式,有效解决了主发电机在静止/低速时的弱励磁状态下难以带大转矩负载起动,同时转子励磁电流脉动及随转速变化的特点影响其输出转矩平稳性的问题;并针对航空发动机的起动负载特性受环境影响的特点,研究了基于自抗扰的转速、电流及矢量角控制方法,有效提高了起动控制系统对发动机负载变化的适应性,实现了主发电机带发动机的平滑起动。最后,设计了三级式同步电机的起动控制系统,研究了主发电机的死区补偿方法,并通过实验验证了本文提出的励磁控制方法及VTCC起动控制方法的有效性,同时还进一步对比研究了主发电机采用传统矢量控制方法以及V/F控制方法时的起动控制性能。实验结果表明,VTCC方法既能够有效抑制转子谐波电流对其控制输出的干扰,又能够实现主发电机电流矢量的有效调节,因此相比矢量控制和V/F控制,都具有更好的带载起动性能。