CN110855207B - 基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法，三级式电机中旋转整流器的使用，增大了由励磁机转子绕组在励磁机定子绕组中感应的谐波电流幅值，利用该谐波电流，可以在无高频信号注入的情况下实现三级式电机低速段转子位置在线估算。利用旋转整流器经由励磁机转子绕组在励磁机定子绕组中感应的谐波电流来估算三级式电机转子位置的方法。该方法在估算电机转子位置过程中无需注入高频信号，可避免由于高频信号注入带来的高频振动及高频损耗问题，不受主电机凸极性变化的影响，估算精度较高。

Description

基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法

技术领域

本发明属于转子位置估算方法，涉及一种基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法，是一种在已知电机初始位置的情况下，利用旋转整流器经由励磁机转子绕组在励磁机定子绕组中感应的谐波电流获取三级式电机低速段转子位置的估算方法，属于交流电机传动控制技术领域。

背景技术

三级式航空无刷同步电机(以下简称三级式电机)作为目前飞机交流电源***中常用的发电机，由于发电技术成熟、可靠性高等优点，受到起动/发电一体化技术研究人员的青睐。基于三级式电机的一体化***能省去专门起动航空发动机的气动动力设备，有效减小***的体积和重量。在起动阶段，三级式电机转子位置的准确获取是顺利起动航空发动机的前提条件。电机转子位置通常通过机械式位置传感器获取。但三级式电机严酷的运行环境及苛刻的安装条件使传统机械式位置传感器的使用受到限制，后期维护成本较高。为此，开展无机械位置传感器条件下的三级式电机转子位置估算技术的研究，可以节约维护成本，提高一体化***的可靠性。

目前我国现役飞机中常用三级式电机结构主要由主电机、励磁机、永磁机及旋转整流器四部分组成。在起动阶段，机载电源直接或通过控制器向励磁机定子供电，励磁机转子上感应的三相电经旋转整流器向主电机提供励磁电流，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。

现有的三级式电机转子位置估算方法主要分为两类：1)基于电机凸极特性；2)基于电机定转子互感随转子位置变化而变化的特性。上述两类方法都需要通过在定子绕组或转子绕组中注入高频信号的方式来估算转子位置。而高频信号的注入不仅会对电机的运行带来不同程度的振动，增大控制难度，还会增加电机运行过程中的高频损耗。

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，本发明提出一种基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法，针对当前基于高频信号注入的转子位置估算方法所存在的振动及高频损耗问题。

技术方案

一种基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法，其特征在于：在已知转子初始位置的情况下，对电机低转速段的转子位置进行在线估算，步骤如下：

步骤1：固定电机转子，不让其转动，获取电机初始转子位置；

步骤2：对两相励磁机施加相位互差90°的交流励磁电压；

步骤3：在励磁机定子侧采集两相定子电流i_eα、i_eβ，电流中包含基频信号和谐波信号，其表达式如下：

其中：i_eαf、i_eβf为基频电流；i_{eα_rsv}、i_{eβ_rsv}为转子谐波磁动势在励磁机定子绕组中感应出的谐波电流，其谐波频率为

k₁＝1,2,...，f_er为励磁机旋转频率；i_{eα_sv}、i_{eβ_sv}为两相定子绕组自身产生的谐波电流，其谐波频率为f_esν＝(4k₂±1)f_esf,k₂＝1,2,...；

步骤4：求取电流矢量i_es幅值平方和

展开式中的多项式i_{eα f}i_{eα_rsv}+i_eβfi_{eβ_rsv}用来提取转子位置信息，下式：

其中，谐波电流的幅值随着谐波频率的升高而减小，故取k₁＝1，即频率为6(f_esf+f_er)的电流谐波来提取转子位置信号；该三级式电机的主电机极对数p_m＝3，励磁机极对数p_e＝6，故k₁＝1时有效谐波电流表达式为：

f(θ_r)＝I_esf(I₅+I₇)cos[2πt*6(f_esf+2f_r)]

其中，f_r为主电机运行频率，

θ_r＝2πf_rt；

步骤5：利用辅助方波信号V_eα、V_eβ提取有效转子位置正、余弦信号：

其中，

为辅助方波信号周期；

步骤6：提取信号

中的转子位置正、余弦信号，具体如下：

5.1)在方波信号V_eα(t)的上升沿，即t_eα+＝nT,n＝0,1,2,3...，和下降沿，即t_eα-＝nT+T/2,n＝0,1,2,3...采集

的值，分别记为i_eα+(n)、i_eα-(n)；对采集到的值进行作差运算，得到信号i_Δeα＝(i_eα+(n)-i_eα-(n))/2；i_Δeα为与电机转子位置有关的余弦函数，记为

其中，I_r为信号幅值；

5.2)在方波信号V_eβ(t)的上升沿，即t_eβ+＝nT+T/4,n＝0,1,2,3...，和下降沿，即t_eβ-＝nT+3T/4,n＝0,1,2,3...采集

的值，分别记为i_eβ+(n)、i_eβ-(n)；对采集到的值进行作差运算，得到信号i_Δeβ＝(i_eβ+(n)-i_eβ-(n))/2；i_Δeβ为与电机转子位置有关的正弦函数，记为

其中，I_r为信号幅值；

步骤7：获取转子真实位置与估算位置估算误差如下：

其中，

为当前时刻转子估算位置，

为上一时刻转子估算位置；对上述估算误差采用基于锁相环信号处理方法进行闭环处理，获取估算转子位置

起动过程中重复步骤3～步骤7，实现电机转子位置在线估算。

有益效果

本发明提出的一种基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法，三级式电机中旋转整流器的使用，增大了由励磁机转子绕组在励磁机定子绕组中感应的谐波电流幅值，利用该谐波电流，可以在无高频信号注入的情况下实现三级式电机低速段转子位置在线估算。利用旋转整流器经由励磁机转子绕组在励磁机定子绕组中感应的谐波电流来估算三级式电机转子位置的方法。该方法在估算电机转子位置过程中无需注入高频信号，可避免由于高频信号注入带来的高频振动及高频损耗问题，不受主电机凸极性变化的影响，估算精度较高。

本发明所述基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法，具有以下优点：1)无需注入高频信号，避免了高频振动及高频损耗等问题；2)利用了励磁机定子谐波电流，不受主发电机凸极性变化的影响；3)解算过程相对简单且估算精度较高。

附图说明

图1：励磁机定子采用两相绕组结构时三级式电机结构图

图2：转子位置信号提取原理图

图3：用于估算转子位置的正、余弦信号

图4：基于锁相环的信号处理框图

图5：起动初始阶段转子估算位置结果

图6：加速过程转子位置估算结果

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：使用电机转子初始位置估算方法得到转子初始估算位置，记为

步骤2：对两相励磁机施加相位互差90°的交流励磁电压，电压幅值为V_esf＝100V，频率为f_esf＝125Hz。

步骤3：采集励磁机两相定子电流i_eα、i_eβ，考虑到电流中的谐波成分，其表达式如下：

其中，i_eαf、i_eβf为基频电流；i_{eα_rsv}、i_{eβ_rsv}为转子谐波磁动势在励磁机定子绕组中感应出的谐波电流，其谐波频率为

k₁＝1,2,...，f_er为励磁机旋转频率；i_{eα_sv}、i_{eβ_sv}为两相定子绕组自身产生的谐波电流，其谐波频率为f_esν＝(4k₂±1)f_esf,k₂＝1,2,...。

3.1)依据步骤2施加的励磁电压和步骤3中谐波频率，可得基频电流、谐波电流表达式如下：

其中，I_esf为基频电流幅值，

分别为各谐波电流幅值。

3.2)求取电流矢量i_es幅值平方和

其中i_eαfi_{eα_rsv}+i_eβfi_{eβ_rsv}含有提取转子位置信息的有效分量，表达式如下：

谐波电流的幅值随着谐波频率的升高而减小，故取k₁＝1，即频率为6(f_esf+f_er)的电流谐波来提取转子位置信号。该三级式电机的主电机极对数p_m＝3，励磁机极对数p_e＝6，故k₁＝1时有效谐波电流表达式可书写如下：

f(θ_r)＝I_esf(I₅+I₇)cos[2πt*6(f_esf+2f_r)]

其中，f_r为主电机运行频率，

步骤4：利用如下辅助方波信号V_eα、V_eβ提取与转子位置相关的正、余弦信号：

其中，

为辅助方波信号周期。转子位置信号提取原理如图2所示

步骤5：提取信号

中的转子位置正、余弦信号，如图3所示，具体过程如下：

5.1)在方波信号V_eα(t)的上升沿(即t_eα+＝nT,n＝0,1,2,3，)和下降沿(即t_eα-＝nT+T/2,n＝0,1,2,3)提取

的值，分别记为i_eα+(n)、i_eα-(n)；对提取到的值进行作差运算，得到信号i_Δeα＝(i_eα+(n)-i_eα-(n))/2；i_Δeα为与电机转子位置有关的余弦函数，记为f(cosθ_r)＝I_rcos(2πt*12f_r)，其中，I_r为信号幅值；

5.2)在方波信号V_eβ(t)的上升沿(即t_eβ+＝nT+T/4,n＝0,1,2,3...，)和下降沿(即t_eβ-＝nT+3T/4,n＝0,1,2,3...)提取

的值，分别记为i_eβ+(n)、i_eβ-(n)；对提取到的值进行作差运算，得到信号i_Δeβ＝(i_eβ+(n)-i_eβ-(n))/2；i_Δeβ为与电机转子位置有关的正弦函数，记为f(sinθ_r)＝I_rsin(2πt*12f_r)，其中，I_r为信号幅值。

步骤6：获取转子真实位置与估算位置估算误差如下

其中，

为当前时刻转子估算位置，

为上一时刻转子估算位置。对上述估算误差用如图4所示的信号处理方法进行闭环处理，便可获取估算转子位置

使用直接转矩角起动控制策略起动多级式电机。起动过程中重复步骤3～步骤6，实现电机转子位置在线估算。

图5、图6为该方法估算转子位置与真实位置对比结果，从图中可以看出转子位置估算误差在0.1rad之内，满足实际情况下三级式电机起动阶段转子位置精度要求。

Claims (1)

1.一种基于无信号注入的三级式电机低速段转子位置估算方法，其特征在于：在已知转子初始位置的情况下，对电机低转速段的转子位置进行在线估算，步骤如下：

步骤1：固定电机转子，不让其转动，获取电机初始转子位置；

步骤2：对两相励磁机施加相位互差90°的交流励磁电压；

步骤3：在励磁机定子侧采集两相定子电流i_eα、i_eβ，电流中包含基频信号和谐波信号，其表达式如下：

其中：i_eαf、i_eβf为基频电流；i_{eα_rsv}、i_{eβ_rsv}为转子谐波磁动势在励磁机定子绕组中感应出的谐波电流，其谐波频率为

f_er为励磁机旋转频率；i_{eα_sv}、i_{eβ_sv}为两相定子绕组自身产生的谐波电流，其谐波频率为f_esν＝(4k₂±1)f_esf,k₂＝1,2,...；

步骤4：求取电流矢量i_es幅值平方和

展开式中的多项式i_eαfi_{eα_rsv}+i_{eβ f}i_{eβ_rsv}用来提取转子位置信息，下式：

其中，谐波电流的幅值随着谐波频率的升高而减小，故取k₁＝1，即频率为6(f_esf+f_er)的电流谐波来提取转子位置信号；该三级式电机的主电机极对数p_m＝3，励磁机极对数p_e＝6，故k₁＝1时有效谐波电流表达式为：

f(θ_r)＝I_esf(I₅+I₇)cos[2πt*6(f_esf+2f_r)]

其中，f_r为主电机运行频率，

θ_r＝2πf_rt；

步骤5：利用辅助方波信号V_eα、V_eβ提取有效转子位置正、余弦信号：

其中，

为辅助方波信号周期；

步骤6：提取信号

中的转子位置正、余弦信号，具体如下：

6.1)在方波信号V_eα(t)的上升沿，即t_eα+＝nT,n＝0,1,2,3...，和下降沿，即t_eα-＝nT+T/2,n＝0,1,2,3...采集

的值，分别记为i_eα+(n)、i_eα-(n)；对采集到的值进行作差运算，得到信号i_Δeα＝(i_eα+(n)-i_eα-(n))/2；i_Δeα为与电机转子位置有关的余弦函数，记为

其中，I_r为信号幅值；

6.2)在方波信号V_eβ(t)的上升沿，即t_eβ+＝nT+T/4,n＝0,1,2,3...，和下降沿，即t_eβ-＝nT+3T/4,n＝0,1,2,3...采集

的值，分别记为i_eβ+(n)、i_eβ-(n)；对采集到的值进行作差运算，得到信号i_Δeβ＝(i_eβ+(n)-i_eβ-(n))/2；i_Δeβ为与电机转子位置有关的正弦函数，记为

其中，I_r为信号幅值；

步骤7：获取转子真实位置与估算位置估算误差如下：

其中，

为当前时刻转子估算位置，

为上一时刻转子估算位置；对上述估算误差采用基于锁相环信号处理方法进行闭环处理，获取估算转子位置

起动过程中重复步骤3～步骤7，实现电机转子位置在线估算。

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