变凸极特性的三级电励磁式无刷同步电机转子位置估算方法

摘要

本发明涉及一种变凸极特性的三级电励磁式无刷同步电机转子位置估算方法，是基于不同频率高频信号注入的变凸极特性的三级电励磁式无刷同步电机转子位置估算方法，是一种在主发电机定子绕组注入不同频率的旋转方波，在励磁机定子侧检测含有主发电机转子位置信息的高频响应电流信号的位置估算方法。本发明所述的三级式电机位置估算方法具有以下优点：1)将电励磁式电机看作旋转变压器，电机定、转子绕组相当于变压器的输入和输出绕组，充分利用主发电机电枢绕组和励磁绕组之间的互感随转子位置变化的特性，避免受主发电机凸极性变化的影响，对绕线式电机具有较普遍的适用性；2)。解算过程相对简单且估算精度较高。

说明书

技术领域

本发明属于交流电机传动控制技术领域，涉及一种变凸极特性的三级电励磁式无刷同步电机转子位置估算方法。

背景技术

起动/发电一体化系统能省去专门的起动机构，有效减小飞机重量。三级电励磁式无刷同步电机(以下简称三级式电机)作为目前飞机交流电源系统中常用的发电机，由于结构成熟、可靠性高，受到起动/发电一体化技术研究人员的青睐。在起动过程中，转子位置的准确获取是三级式电机作为电动机拖动发动机成功点火的关键。复杂多变航空环境使传统机械式位置传感器的使用受到限制，且需要一定的维护成本。因此需要在无机械位置传感器的条件下，开展三级式电机转子位置精确估算技术的研究。

三级式电机主要有主发电机、励磁机、永磁机及旋转整流器四部分组成，机载电源向励磁机定子供电，此时励磁机转子上感应的三相电经旋转整流器向主发电机提供励磁电流，永磁机不参与起动过程。励磁机定子采用两相绕组结构时三级式电机结构图如图1所示。

由于航空发动机负载特性复杂，起动过程中主发电机励磁电流和电枢电流有较大的变化，上述电流的变化导致主发电机电感参数变化较大，使得主发电机的凸极特性发生显著变化。传统的电机转子位置估算方法主要基于电机的凸极特性，通常在电机定子侧注入高频的旋转电压、方波电压等，然后检测定子电流，经过一系列的解调与滤波处理后得到转子位置信号。

三级式电机本体结构的特殊性导致其机械及电磁耦合比较严重，加之起动过程凸极性变化显著，这就导致传统的转子位置估算方法较难实现三级式电机精确的位置估算。

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，本发明提出一种变凸极特性的三级电励磁式无刷同步电机转子位置估算方法，解决当前转子位置估算方法较难实现三级式电机精确位置估算的问题。通过向主发电机定子注入不同频率的高频方波信号，在励磁机定子电流中提取主发转子位置信号的方法，该方法不依赖于主发电机的凸极特性，解算过程比较简单，转子位置估算精度较高。

技术方案

一种变凸极特性的三级电励磁式无刷同步电机转子位置估算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对励磁机的定子绕组上施加励磁电压，所述励磁机定子绕组为两相励磁结构；

步骤2：在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号U_Ah(t)、U_Bh(t)、U_Ch(t)；所述高频电压信号由αβ坐标系下幅值相同、频率不同的高频方波电压U_αh(t)、U_βh(t)经CLARK反变换至abc坐标系下得到；

所述

其中：T_αh、T_βh为对应αβ坐标系下主发电机α轴和β轴的高频电压周期；

步骤3：三级式电机在给定转速下起动，在励磁机定子侧检测得到两相定子电流i_α和i_β，求得电流矢量I_s幅值

步骤4、提取I_s中两种频率的高频响应信号：

4.1)使用带通滤波器提取电压周期为T_αh的高频方波电压在励磁机定子绕组上的高频响应信号i_αh，i_αh的包络线为与主发电机转子位置有关的正弦函数；

4.2)使用带通滤波器提取电压周期为T_βh的高频方波电压在励磁机定子绕组上的高频响应信号i_βh，i_βh的包络线为与主发电机转子位置相关的余弦函数；

步骤5、提取高频信号的包络线：

5.1)在周期为T_αh方波信号的上升沿和下降沿提取i_αh的值，分别记为i_αh(m-1)、i_αh(m+1)，得到i_αh的包络线i_{α_h}＝(i_αh(m-1)-i_αh(m+1))/2；

5.2)在周期为T_βh方波信号的上升沿和下降沿提取i_βh的值，分别记为i_βh(m-1)、i_βh(m+1)，得到i_βh的包络线i_{β_h}＝(i_βh(m-1)-i_βh(m+1))/2；

步骤6：计算两个高频信号在传递电路上的阻抗值Z_αh≈(R+j2πf_αhL)，Z_βh≈(R+j2πf_βhL)，其中R为dq坐标系下d轴等值电路总电阻，L为dq坐标系下d轴等值电路总电感平均值，f_αh＝1/T_αh、f_βh＝1/T_βh为所对应高频信号的频率；

步骤7：计算α、β轴高频信号下的阻抗比k＝Z_αh/Z_βh，以此阻抗比k对i_{α_h}进行幅值变换，使变换后的包络线幅值与i_{β_h}相同：即kI_{α_h_m}＝I_{β_h_m}，其中I_{α_h_m}、I_{β_h_m}分别为α和β轴包络线幅值；

步骤8：使用反正切函数即得到与转子位置线性相关的位置信号θ＝arctan(i_{α_h}/(ki_{β_h}))或者θ＝arctan((ki_{α_h})/i_{β_h})；

计算θ_r＝θ+θ(n)，得到主发电机转子位置θ_r，其中，θ(n)是由于旋转整流器及滤波器带来的估算误差，与转速正相关，可通过离线测试得到θ(n)详细表达式，n为电机转速，单位为r/min。

当步骤1中励磁机定子为三相绕组结构时，先检测励磁机三相励磁电流i_A、i_B、i_C，对i_A、i_B、i_C进行CLARK变换得到等效两相励磁电流i_α、i_β，再进行步骤3及其后续步骤。

有益效果

本发明提出的一种变凸极特性的三级电励磁式无刷同步电机转子位置估算方法，是基于不同频率高频信号注入的变凸极特性的三级电励磁式无刷同步电机转子位置估算方法，是一种在主发电机定子绕组注入不同频率的旋转方波，在励磁机定子侧检测含有主发电机转子位置信息的高频响应电流信号的位置估算方法。

本发明所述的三级式电机位置估算方法具有以下优点：1)将电励磁式电机看作旋转变压器，电机定、转子绕组相当于变压器的输入和输出绕组，充分利用主发电机电枢绕组和励磁绕组之间的互感随转子位置变化的特性，避免受主发电机凸极性变化的影响，对绕线式电机具有较普遍的适用性；2)。解算过程相对简单且估算精度较高。

附图说明

图1：三级式电机结构图

图2：高频信号注入后励磁机定子电流波形

图3：主发电机alpha相高频电压在励磁机上的电流响应信号波形

图4：主发电机beta相高频电压在励磁机上的电流响应信号波形

图5：励磁机定子电流提取的主发电机注入高频信号响应包络线

图6：估算位置与实际位置对比图

图7：估算位置与实际位置误差曲线

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例包含的具体步骤如下：

步骤1：所用三级式电机的励磁机为两相励磁结构，对励磁机施加幅值、频率相同，初始相位相差90°电角的交流电，其幅值为80V，频率为200Hz；

步骤2：主发电机αβ坐标系下的高频方波电压，其幅值为10V，α轴电压频率为2kHz，β轴电压频率为1kHz，经CLARK反变换得到直接施加在主发电机定子三相绕组上的高频电压信号U_Ah(t)、U_Bh(t)、U_Ch(t)，U_αh(t)、U_βh(t)如下：

对应T_αh＝0.0005s、T_βh＝0.001s。

步骤3：给定转速范围为[0,400rpm]，起动三级式电机，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_α、i_β，求取电流矢量I_s幅值

步骤4：提取I_s中两种频率的高频响应信号，具体如下：

4.1)使用带通滤波器提取电压周期为T_αh＝0.0005s的高频方波电压在励磁机定子绕组上的高频响应信号i_αh，所用带通滤波器带宽为[1950Hz，2050Hz]；

4.2)使用带通滤波器提取电压周期为T_βh＝0.001s的高频方波电压在励磁机定子绕组上的高频响应信号i_βh，所用带通滤波器带宽为[950Hz，1050Hz]。

步骤5：提取高频信号的包络线，具体如下：

5.1)在周期为T_αh方波信号的上升沿和下降沿提取i_αh的值，分别记为i_αh(m-1)、i_αh(m+1)，得到i_αh的包络线i_{α_h}＝(i_αh(m-1)-i_αh(m+1))/2；

5.2)在周期为T_βh方波信号的上升沿和下降沿提取i_βh的值，分别记为i_βh(m-1)、i_βh(m+1)，得到i_βh的包络线i_{β_h}＝(i_βh(m-1)-i_βh(m+1))/2；

步骤6：依据三级式电机电感、电阻参数，求得R＝2.68Ω，L＝0.01228H，进而得到两种高频信号在传递电路上的阻抗值Z_αh≈154.34，Z_βh≈77.22。

步骤7：计算注入高频信号下的阻抗比k＝Z_αh/Z_βh＝0.50，利用阻抗比k对任一包络线进行幅值变换，使变换后的包络线幅值相同，即0.50I_{α_h_m}＝I_{β_h_m}，其中I_{α_h_m}、I_{β_h_m}分别为包络线i_{α_h}、i_{β_h}的幅值(若k＝Z_βh/Z_αh，则有I_{α_h_m}＝kI_{β_h_m})。

步骤8：使用反正切函数即可得到与转子位置线性相关的位置信号θ，其中θ＝arctan(i_{α_h}/(ki_{β_h}))(或者θ＝arctan((ki_{α_h})/i_{β_h}))。进而可得主发电机转子位置θ_r＝θ+θ(n)，通过离线测试得到旋转整流器及滤波器带来的位置估算偏差θ(n)＝0.00n1(rad)，n为电机转速(r/min)。

若励磁机定子采用三相绕组结构，步骤1中先检测到励磁机三相励磁电流i_A、i_B、i_C，经CLARK变换后转换为两相励磁电流i_α、i_β，再进行步骤3及其后续步骤。

图4为本实例中估算位置与实际位置对比图，从图中可以看出估算位置比较精确。

图5为本实例中估算位置与实际位置误差曲线，从图中可以看出电机转子位置估算误差基本在0.1rad之内，满足实际情况下电机起动时位置精度要求。