凸极特性变化的三级式电机转子位置估算方法

摘要

本发明涉及一种凸极特性变化的三级式电机转子位置估算方法，针对三级式电机多级组合结构的特点，在主发电机与励磁机之间建立一个新的信号传递与检测通道，如图2所示。利用该信号传递通道，在主发电机定子侧注入高频信号，该信号依次通过主发电机气隙磁场、旋转整流器及励磁机气隙磁场，然后从励磁机定子绕组中提取高频响应信号，实现电机转子位置的估算。这种“主发电机注入‑励磁机检测”的信号传递与检测思路，充分利用主发电机定子绕组和励磁绕组之间的互感随转子位置而变化的特性，来估算主发电机励磁绕组的位置，即转子磁极位置。该估算方法不依赖电机的凸极性，当主发电机凸极性在起动过程中发生变化时依然适用。

说明书

技术领域

本发明属于交流电机传动技术领域，涉及一种航空三级式同步电机(以下简称三级式电机)转子位置估算方法，特别涉及一种凸极特性变化的三级式电机转子位置估算方法。

背景技术

目前，国内外航空交流电源系统中多使用三级式无刷同步电机(以下简称三级式电机)作为发电机为机载设备提供电功率能源。在我国现役飞机中，该发电机均无起动航空发动机的功能，研究具有起动功能的起动发电一体化系统，对于减小系统体积重量、简化系统结构、提高系统集成度等具有重要意义，是当前航空电源领域中研究的热点问题。要实现该电机起动航空发动机的功能，需要准确获取主发电机的转子位置信息。由于传统机械式位置传感器面临电磁、空间环境及安装条件的严格限制，因此迫切需要在无机械式位置传感器条件下，开展三级式电机转子位置精确估算技术的研究。

三级式电机包括永磁机、励磁机以及主发电机三部分组成，励磁机通过旋转整流器为主发电机提供直流励磁电流如图1。

在起动过程中，随着发动机点火前负载力矩的增加，主发电机电枢电流随之增大，主发电机的凸极性呈现减小直至消失及反转的变化趋势。此时基于凸极性的高频注入法在电机凸极性消失附近区域无法准确获取位置信号。

三级式电机起动过程中励磁电流和电枢电流变化较大，主发电机凸极特性在起动的过程中发生较大的变化，传统的转子初始位置检测算法无法实现该类型电机的转子位置估算。

当前三级式电机的转子初始位置定位技术主要基于电机的凸极特性，通过在主发 电机定子端施加旋转电压、脉振式高频电压、方波电压、以及脉冲式直流电压，然后在电机定子端检测电流实现转子位置的检测。

然而三级式电机的机械及电磁耦合较为严重，同时电机的饱和特性随电机的电流的变化而变化，上述方法对电机的电磁干扰及凸极特性的变化较为敏感。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种凸极特性变化的三级式电机转子位置估算方法，本方法不要求电机具有凸极特性，结构简定位单精度较高。

技术方案

一种凸极特性变化的三级式电机转子位置估算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对主发电机励磁绕组进行励磁；所述励磁定子绕组为二相；

步骤2：在估计的主发电机d轴绕组中注入高频信号V_d′＝Vcos(ω_ht)，交轴中注入电压V_q′＝0，该脉振电压在估计转子轴线上形成一个高频脉振磁场；所述高频信号大于1KHZ；

步骤3：在励磁机定子绕组中检测由高频信号而产生的高频响应信号i_α、i_β为两相励磁电流；

步骤4：采用FFT对Is进行分析，得到与主发电机高频注入电压同频率的电流

步骤5：当取到最大值的估计转子d轴位置即为真实转子位置。

当步骤1中励磁定子绕组为三相时，在步骤3之前，首先将三相励磁电流I_a、I_b和I_c转换为i_α、i_β两相励磁电流，然后再进行步骤3。

所述将三相励磁电流I_a、I_b和I_c转换为i_α、i_β两相励磁电流，采用CLARK的方法。

有益效果

本发明提出的一种凸极特性变化的三级式电机转子位置估算方法，针对三级式电机多级组合结构的特点，在主发电机与励磁机之间建立一个新的信号传递与检测通道，如图2所示。利用该信号传递通道，在主发电机定子侧注入高频信号，该信号依次通过主发电机气隙磁场、旋转整流器及励磁机气隙磁场，然后从励磁机定子绕组中提取高频响应信号，实现电机转子位置的估算。这种“主发电机注入-励磁机检测”的信号传递与检测思路，充分利用主发电机定子绕组和励磁绕组之间的互感随转子位置而变化的特性，来估算主发电机励磁绕组的位置，即转子磁极位置。该估算方法不依赖电机的凸极性，当主发电机凸极性在起动过程中发生变化(凸极性消失及凸极性反转)时依然适用。

附图说明

图1三级式航空无刷同步起动发电系统的典型结构。

图2“主发电机注入-励磁机检测”方式的高频信号传递通道。

图3主发电机励磁绕组电流波形。

图4励磁机转子绕组电流波形。

图5励磁机定子绕组电流波形。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例通过在主发电机定子端施加脉振式高频电压，之后在励磁机定子绕组上提取该脉振式高频电压，实现转子位置的检测。依次含有以下步骤：(两相励磁结构和三相励磁结构的检测原理相同本发明以两相励磁结构的三级式电机为例进行说明)

1、首先要对主发电机转子绕组进行励磁，将互差90度的交流电通入两相励磁机定子绕组中，上述交流电压将在励磁机定子绕组上形成一个旋转磁场，磁机转子绕组上将感应出三相交流电压，最后通过旋转整流器得到一个直流电实现主发电机转子励磁。

2、将一个脉振式高频电压注入到估计的主发电机d轴绕组中，并从励磁机定子绕组提取该高频信号之后通过检测算法调制估计的d轴位置，最后实现转子初始位置的检测。

3、使用相应的闭环控制算法实现电机起动，起动过程中以第2项提出的转子位置检测方法实现转子为检测进行闭环控制。

三级式电机励磁的具体做法是：

a、对励磁机定子绕组通入两相互差90度的交流电，V_α＝V_esin(ω_et)、V_β＝V_ecos(ω_et)其中V_e为励磁机通入交流电的幅值ω_e为励磁机通入交流电的频率，该交流电在励磁机定子绕组上形成一个旋转磁场，该磁场将会在励磁机转子绕组上感应得过到三相电，经旋转整流器整流得到一个脉动的直流电实现主发电机转子励磁。

第2项中脉振式高频注入法的具体做法是：

a、向三级式电机主发电机定子绕组中注入高频电压信号，在估计的转子坐标系直轴中注入V_d′＝Vcos(ω_ht)，交轴中注入电压V_q′＝0。该脉振电压在估计转子轴线上形成一个高频脉振磁场。所述高频信号大于1KHZ；

b、若将主发电机定子绕组等效为d轴线圈和q轴线圈，在估计的d轴线圈上形成一个脉振磁场，通过变压器原理，主发电机转子励磁绕组上将感应出一个同频率的高频电压。

c、主发电机励磁绕组上的直流电将耦合进去一个与注入脉振电压同频率的高频脉振电流，该脉振电流通过整流器的二极管，按当前导通相依次耦合入励磁机转子三相绕组。

d、励磁机转子绕组上的高频脉振分量将会影响到励磁机定子绕组励磁电流。

e、采集α、β两相励磁电流，令对I_s进行分析即可得到与主发电机高频注入电压同频率的电流

f、按照变压器原理，当取到最大值的估计转子d轴位置即为真实转子位置。

具体实施例的硬件结构如图2所示，包括：整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、单相H桥逆变器，隔离驱动电路、电流采集电流、中央控制器和人机接口电路。本系统采用旋转变压器进行转子位置的检测，同时验证所估计转子位置的正确性。为验证本发明方法，采用MAGTROL公司的2PT115-T/2PT15-P加载台和一台三级式同步电机搭建了实验平台。

依次含有以下步骤：

1、在励磁机定子绕组中通入两相交流电，使主发电机转子励磁绕组获得励磁电流。

2、待主发电机励磁电流稳定之后，在主发电机A轴注入一个2KHz、30vrms的高频电压，V_d′＝30*cos(0.0005*t)，V_q′＝0。是估计的d轴指向A相轴线。

主发电机励磁绕组电流波形如图3所示。

3、励磁机转子绕组波形如图4所示。采集α、β两相励磁电流，令I_α、I_β波形如图5所示。

4、对I_s进行FFT分析即可得到与主发电机高频注入电压同频率的电流

5、调节估计d轴位置，寻找使幅值最大处即为真实的转子轴线，之后通过分析相角即可分别N、S级。

6、以直接转矩角控制策略进行起动控制。

在起动过程中重复步骤2-5，实现转子位置的检测。