CN104300868A - 航空三级式同步电机转子初始位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空三级式同步电机转子初始位置估计方法，利用电极的磁路饱和特性，通过施加旋转电压矢量，来检测响应电流的方式来检测转子初始位置，方法简单易于实现并且无额外的硬件开销；通过信号滤波以及全波傅里叶分析等处理方法，去除噪声和高次谐波精确定位转子位置，定位值准确。

Description

航空三级式同步电机转子初始位置估计方法

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转子初始位置估计方法。

背景技术

航空三级式无刷同步电机在航空交流电源系统中作为发电机已经得到了广泛的应用。起动/发电一体化系统，使用三级式电机依次工作在电动和发电两种运行状态，能够省去一台专用的起动电机，极大的减少了机载重量，符合现代电源系统小型化、简单化的发展原则，是未来航空电源系统的重要发展方向。起动/发电一体化系统已经在国内外航空电源中得到了较为广泛的应用，例如美国波音787客机搭载了4台起动/发电系统。在我国三级式电机作为航空电源系统也已经得到了较为广泛的应用。

三级式电机(原理框图见图1)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。三级式电机在作为电动机运行时，在励磁机中通入单项交流励磁电产生一个脉振磁场，通过分解转化为两个转向相反转速相同的旋转磁场，励磁机转子感应出三相交流电通过旋转整流器为主发电机提供励磁，之后主发电机通入三相交流电完成电机启动。三级式电机在作为发电机运行时，永磁机为励磁机供电，励磁机工作在直流励磁模式下，主发电机发出频率与电机转速相关的三相交流电。

在三级式同步起动/发电一体化系统中，由于较高的稳定性要求多采用旋转变压器作为系统的速度传感器，但是旋转变压器在安装的过程中存在零位误差，启动时无法获得精准的转子位置。转子位置定位的偏差又会导致系统起动的失败，所以如何在静止状态下精确地定位转子的初始位置是系统能否成功起动的关键。

三级式电机在静止状态下只能选择交流励磁的方式进行励磁，而交流励磁所产生的主发电机励磁电流脉动较大。相对于研究较为深入的永磁同步电机，其励磁电流的脉动增加了精确定位的难度。

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，本发明提出一种航空三级式同步电机转子初始位置估计方法，通过对检测得到的信号进行后期的分析和处理去除噪声，实现较为准确的转子位置估计。

技术方案

一种航空三级式同步电机转子初始位置估计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对励磁机定子通入单相交流电，产生主发励磁电流；

步骤2：在主发电机的定子的任意位置开始施加一个电压矢量，当响应电流衰减到0时，在与任意位置间隔180度电角度的位置上施加与第一次幅值相等的电压矢量；

步骤3：在第一次的任意位置上以n度电角度为步长的位置上为任意位置，重复(360/2n)-1次步骤2；所述n为1～90之间的整数，且被360除为偶数；

在(360/2n)次测量中，得到(360/n)个瞬态响应电流最大点位置上的响应电流；

步骤4：使用傅里叶级数，对(360/n)个响应电流值进行拟合，得到响应电流曲线，拟合曲线的最大值位置，为估计的转子初始位置。

有益效果

本发明提出的一种航空三级式同步电机转子初始位置估计方法，利用电极的磁路饱和特性，通过施加旋转电压矢量，来检测响应电流的方式来检测转子初始位置，方法简单易于实现并且无额外的硬件开销；通过信号滤波以及全波傅里叶分析等处理方法，去除噪声和高次谐波精确定位转子位置，定位值准确。

附图说明

图1：三级式无刷同步起动/发电系统结构图

图2：实例硬件结构图

图3：施加电压矢量示意图

图4：滤波之后的响应电流曲线

图5：做差后的响应电流曲线

图6：使用傅里叶级数拟合之后的拟合曲线

图7：单次发波示波器波形

图8：连续发波示波器波形

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明主要针对直交轴磁路饱和程度的不同，通过施加旋转的电压矢量检测响应电流，进而确定转子位置。依次含有以下步骤：

(1)对励磁机定子通入单相交流电，产生主发励磁电流；

(2)以A轴为起始位置，以30电角度为步长，连续一周施加幅值相等的电压矢量，寻找瞬态响应电流最大点位置，记录响应电流。为防止电机震动，电压矢量采用正发发波的方式，即施加一个电压矢量之后，在施加一个相差180电角度的电压；

(3)当所施加的电压矢量靠近真实转子位置的时候，由于互感增大，直轴磁路饱和程度增高，磁阻最大，对应的电感值最小，施加幅值相等的电压矢量时，该位置处响应的电流值最大；

(4)在最大响应电流位置处，以5电角度为步长，提高电压矢量幅值施加旋转电压矢量，记录响应电流；

(5)将得到的响应电流曲线以最大响应电流点为中心，前90电角度为起始位置，与相差180电角度位置处响应电流值做差，绘制新角度电流曲线；

(6)使用傅里叶级数拟合响应电流曲线，求取拟合曲线的最大值位置，该位置极为估计的转子初始位置。

具体实例的硬件结构如图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，为便于分析假设电机为一对级结构。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：

对励磁机定子通入单相交流电，产生主发励磁电流；

以0.2为调制度，通过SVPWM，发出以30电角度为步长的旋转电压矢量，发波方式采用正反发波，防止转子震动，如图3所示。得出电流最大点位置在90°处。

以90°为中心，将调制度提高到0.3，以5°为步长，施加旋转的电压矢量。

重复步骤(3)，采集20次，进行均值滤波，去除毛刺得到电流角度曲线图4。

为了排除噪声信号的影响，将上述电流响应曲线，与180°之后的电流响应值做差，得到电流角度曲线图5。

使用傅里叶级数拟合该电流响应曲线，得到拟合曲线图6。

对该拟合曲线求一次导数，可以看出其导数值在84.2°处为0，那么拟合曲线在84.2°取得最大值。

Claims (1)

1.一种航空三级式同步电机转子初始位置估计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对励磁机定子通入单相交流电，产生主发励磁电流；

步骤2：在主发电机的定子的任意位置开始施加一个电压矢量，当响应电流衰减到0时，在与任意位置间隔180度电角度的位置上施加与第一次幅值相等的电压矢量；

步骤3：在第一次的任意位置上以n度电角度为步长的位置上为任意位置，重复(360/2n)-1次步骤2；所述n为1～90之间的整数，且被360除为偶数；

在(360/2n)次测量中，得到(360/n)个瞬态响应电流最大点位置上的响应电流；

步骤4：使用傅里叶级数，对(360/n)个响应电流值进行拟合，得到响应电流曲线，拟合曲线的最大值位置，为估计的转子初始位置。