CN106059430A - 三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，所述三级式无刷交流同步电机的主励磁机为三相励磁绕组，在该三相励磁绕组通入三相交流电，该三相交流电即作为主励磁机的三相励磁电流，设置励磁磁势与电机转子的转差频率为期望注入的高频信号频率的六分之一，转子侧感应的交流电经过旋转整流器之后产生具有高频谐波分量的直流电流，为主发电机励磁绕组提供励磁，检测主发电机输出电流，实现电机转子初始位置判定和起动运行过程中的转子位置估计。此种位置估计方法能够获得较为准确的位置估计值，对注入的高频信号频率与相位的精确度不敏感，具有一定的抗干扰能力。

Description

三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种三级式无刷同步电机的转子位置估计方法。

背景技术

近年来，多电飞机与全电飞机已经成为大飞机技术的主要发展方向，而三级式无刷同步电机作为发电机已经广泛运用于航空交流电源系统中。使用三级式无刷同步电机在电动状态下实现起动，可以省去专用的起动设备，减少机载设备重量，降低飞行成本，缩小了起动发电系统的规模，降低了系统的复杂度。例如，波音公司的B787客机就使用了4台起动发电一体化的三级式无刷同步电机。

变频交流电源系统是民航电源系统的一个重点发展方向，它多采用三级式无刷同步电机作为起动发电机。通常情况下，三级式无刷同步电机由永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流器和主发电机构成。在发电模式下，副励磁机经调压器为主励磁机供电，主励磁机电枢绕组经由旋转整流器为主发电机的励磁绕组供电，在飞机发电机带动下转子旋转，在定子电枢绕组内产生感应电势，输出电能为飞机上的大小负载供电。就三级式无刷同步电机而言，其发电技术已经非常成熟，现阶段起动发电一体化技术的重点和难点一直是起动阶段的控制。而在起动阶段，通常需要获得三级式电机的转子位置，用以实现起动控制。采用霍尔位置传感器或者光电位置传感器可以获取转子位置信息。但是在航空条件下，飞机的震动、高温、低温、电磁干扰等不利条件可能会使得位置传感器准确度降低，甚至故障失灵。采用旋转变压器作为位置传感器获取位置信息，有较好的稳定性，但是由于旋转变压器的安装过程可能使其存在零位误差，使其在电机起动时不能准确的转子位置信息。

为了解决位置传感器在航空条件下存在的一系列问题，亟需一种可以摒弃位置传感器的转子位置估计方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，其能够获得较为准确的位置估计值，对注入的高频信号频率与相位的精确度不敏感，具有一定的抗干扰能力。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，所述三级式无刷交流同步电机的主励磁机为三相励磁绕组，在该三相励磁绕组通入三相交流电，该三相交流电即作为主励磁机的三相励磁电流，转子侧感应的交流电经过旋转整流器之后产生具有高频谐波分量的直流电流，为主发电机励磁绕组提供励磁，检测主发电机输出电流，实现电机转子初始位置判定和起动运行过程中的转子位置估计。

上述方法包括初始位置估计和起动阶段，主励磁机向主发电机注入高频信号，主励磁机采用空间矢量调制和电流闭环控制方法，进行三相交流励磁，励磁磁势旋转方向与电机转向相反，励磁电流的角频率为：

${\mathrm{\ω}}_{df}=\frac{{\mathrm{\ω}}_h}{6}-\widehat{{\mathrm{\ω}}_r}$

其中，ω_h为注入高频信号的频率，为估计角速度，使得励磁转速与电机转速的转差速度保持不变，主励磁机电枢绕组输出电能经过旋转整流器产生6倍于转差频率的谐波，此谐波就是主发电机励磁绕组中所需注入的高频信号。

上述旋转整流器输出电流的直流分量是主发电机转子所需的励磁电流，高频谐波分量使得主发电机定子侧电枢绕组内产生相应的包含位置信息的高频信号，其中，感应电流的高频分量表示为：

其中，H为常数，为相移角，θ为转子位置角。

上述初始位置估计时，主发电机接通小电阻负载，励磁机开始励磁，通过主发电机电枢绕组内的感应电流判断转子所处的扇区；然后切除小电阻负载，主发电机逆变器工作，通过提取主发电机电枢绕组两相静止坐标系下感应电流的高频分量i_αh和i_βh，通过锁相环得出估计位置最后结合扇区判断的结果，得出初始位置为或者

上述通过主发电机电枢绕组内的感应电流判断转子所处的扇区，判据是：

当同时满足i_α≤0和i_β≤0时，转子处于[0,0.5π]之间；

当同时满足i_α>0和i_β≤0时，转子处于(0.5π,π]之间；

当同时满足i_α>0和i_β>0时，转子处于(π,1.5π)之间；

当同时满足i_α≤0和i_β>0时，转子处于[1.5π,2π)之间；

其中，i_α和i_β分别表示两相静止坐标系下的感应电流。

上述主发电机电枢绕组具有三相电压传感器时，主励磁机开始励磁，主发电机电枢绕组开路，根据电枢内的感应电势判断转子所处的扇区位置：

当同时满足u_α≥0和u_β≥0时，转子处于[0,0.5π]之间；

当同时满足u_α<0和u_β≥0时，转子处于(0.5π,π]之间；

当同时满足u_α<0和u_β<0时，转子处于(π,1.5π)之间；

当同时满足u_α≥0和u_β<0时，转子处于[1.5π,2π)之间；

其中，u_α和u_β分别表示两相静止坐标系下的感应电势。

上述起动阶段时，主发电机的三相电流信号通过Clarke坐标变换得到两相静止坐标系下的电流信号，位置估计模块通过带通滤波提取包含位置信息的高频分量信号i_αh和i_βh，采用非同步解调方法，取其绝对值并通过低通滤波得到馒头波信号|i_αl|和|i_βl|，再通过信号还原得到包含位置信息的近似正弦波低频信号i_αl和i_βl，将此信号通过锁相环计算出位置估计值。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

(1)在三级式同步发电机起动阶段，采用本发明的方案可以较为准确地获得转子位置信息；

(2)本发明摒弃了位置传感器的使用，可以减少起动发电系统的重量，降低系统的复杂度；

(3)本发明在转子位置估计时，采用非同步解调方法，不需要明确所注入的高频信号的相位信息，且注入信号的频率在小范围内波动时仍然可以进行位置估计。

附图说明

图1是本发明适用的主励磁机为三相交流励磁的三级式无刷交流同步电机结构示意图；

图2是本发明的控制框图；

图3是本发明的初始位置估计原理框图；

图4是本发明的信号还原的原理框图；

图5是本发明的锁相环的原理框图；

图6是本发明通过MATLAB仿真得到的转子实际位置与位置估计曲线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示是本发明适用的三级式无刷交流同步电机的结构示意图，其中，主发电机通过旋转整流器连接主励磁机，所述主励磁机为三相励磁绕组，在该三相励磁绕组通入一定频率的三相交流电，该三相交流电即作为主励磁机的三相励磁电流，设置励磁磁势与电机转子的转差频率为期望注入的高频信号频率的六分之一，转子侧感应的交流电经过旋转整流器之后产生具有高频谐波分量的直流电流，为主发电机励磁绕组提供励磁，检测主发电机输出电流，通过一系列信号处理，实现电机转子初始位置判定和起动运行过程中的转子位置估计。

如图2所示，本发明提供一种三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，包括如下三个方面的内容：

1、主励磁机励磁方法

在三级式无刷交流同步电机电动状态下，包括初始位置估计以及起动阶段，使用主励磁机向主发电机注入高频信号，并由励磁频率控制模块1进行调节控制。如图2所示，主励磁机逆变器采用空间矢量调制和电流闭环控制方法，进行三相交流励磁，励磁磁势旋转方向与电机转向相反，励磁电流的角频率为：

${\mathrm{\&omega;}}_{df}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_h}{6}-\widehat{{\mathrm{\&omega;}}_r}$

其中，ω_h为注入高频信号的频率，为估计角速度，使得励磁转速与电机转速的转差速度保持不变，主励磁机电枢绕组输出电能经过旋转整流器会产生6倍于转差频率的谐波，此谐波就是主发电机励磁绕组中所需注入的高频信号。旋转整流器输出电流的直流分量是主发电机转子所需的励磁电流，高频谐波分量使得主发电机定子侧电枢绕组内产生相应的包含位置信息的高频信号，以感应电流的高频分量为例，可以表示为：

其中，H为常数，为相移角，θ为转子位置角，通过一定的信号处理能够提取出高频信号中的位置角信息。

2、初始位置检测阶段

如图2和图3所示，初始位置估计时，闭合开关2，主发电机接通小电阻负载，励磁机开始励磁，主发电机电枢绕组内产生感应电流，检测主发电机电枢内的感应电流判断转子所处的扇区。图3中扇区判断模块利用两相静止坐标系下的感应电流来得到扇区位置。

当同时满足i_α≤0和i_β≤0时，转子处于[0,0.5π]之间；

当同时满足i_α>0和i_β≤0时，转子处于(0.5π,π]之间；

当同时满足i_α>0和i_β>0时，转子处于(π,1.5π)之间；

当同时满足i_α≤0和i_β>0时，转子处于[1.5π,2π)之间。

之后断开开关2，切除小电阻负载，主发电机逆变器工作，通过带通滤波器提取主发电机电枢绕组两相静止坐标系下感应电流的高频分量i_αh和i_βh，通过锁相环得出估计位置锁相环可以按照图3中的结构进行设计，锁相环的PI参数根据高频分量i_αh和i_βh的幅值、动态性能与稳定性要求等结合实际情况进行设置。最后结合扇区判断的结果，得出初始位置为或者

需要注意的是：若主发电机电枢绕组具有三相电压传感器，则无需接入小电阻负载，使得主发电机电枢绕组开路，直接采用反电势法，根据电枢内的感应电势判断转子所处的扇区位置。方法如下：

当同时满足u_α≥0和u_β≥0时，转子处于[0,0.5π]之间；

当同时满足u_α<0和u_β≥0时，转子处于(0.5π,π]之间；

当同时满足u_α<0和u_β<0时，转子处于(π,1.5π)之间；

当同时满足u_α≥0和u_β<0时，转子处于[1.5π,2π)之间。

3、起动阶段

如图2所示，起动阶段主发电机的三相电流信号通过Clarke坐标变换得到两相静止坐标系下的电流信号，位置估计模块3通过带通滤波提取包含位置信息的高频分量信号i_αh和i_βh，采用非同步解调方法，取其绝对值并通过低通滤波可以得到馒头波信号|i_αl|和|i_βl|，再通过信号还原得到包含位置信息的近似正弦波低频信号i_αl和i_βl，将此信号通过锁相环可以计算出位置估计值。

信号还原部分如图4所示，将位置估计值加上一个较小的补偿量θ_co_m分别与0.5π、π和1.5π比较，判断信号|i_αl|和|i_βl|应该是|i_αl|和|i_βl|还是-|i_αl|和-|i_βl|，具体公式如下：

$i_{\mathrm{\&alpha;}l}=\left\{\begin{array}{cc}-\left|i_{\mathrm{\&alpha;}l}\right|& \left(\begin{array}{ccc}\widehat{\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&theta;}}_{com}\&le;0.5\mathrm{\&pi;}& or& \widehat{\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&theta;}}_{com}>1.5\mathrm{\&pi;}\end{array}\right)\\ \left|i_{\mathrm{\&alpha;}l}\right|& (0.5\mathrm{\&pi;}<\widehat{\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&theta;}}_{com}\&le;1.5\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.;$

$i_{\mathrm{\&beta;}l}=\left\{\begin{array}{c}-\left|i_{\mathrm{\&beta;}l}\right|(\widehat{\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&theta;}}_{com}\&le;\mathrm{\&pi;})\\ \left|i_{\mathrm{\&beta;}l}\right|(\widehat{\mathrm{\&theta;}}+{\mathrm{\&theta;}}_{com}>\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.$

最后将还原后的信号i_αl和i_βl通过如图5所示的锁相环的结构计算出位置估计值与速度估计值。锁相环的PI参数根据信号i_αl和i_βl的幅值、动态性能与稳定性要求等结合实际情况进行设置。

以上实施例是以提取电流信号为例进行位置估计，若提取电压信号进行位置估计与以上步骤类似，具体实施方法可参考上述方案执行，此处不再赘述。

此外，如图2所示，在主发电机电流闭环控制中，需要在电流反馈信号前接入低通滤波器，同时电流闭环控制的PI参数不能过大，使得高频分量近似开环状态，以此确保高频信号具有足够的幅值，完成位置估计。

图6所示是本发明在MATLAB下仿真得到的转子实际位置与位置估计曲线，实线为实际位置曲线，虚线为位置估计曲线。0.4s之前为初始位置估计阶段，0.4s之后为起动阶段。从图中可以发现初始位置估计与起动阶段的位置估计都能得到良好的位置估计结果，且误差较小，说明本发明具有可行性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，其特征在于：所述三级式无刷交流同步电机的主励磁机为三相励磁绕组，在该三相励磁绕组通入三相交流电，该三相交流电即作为主励磁机的三相励磁电流，转子侧感应的交流电经过旋转整流器之后产生具有高频谐波分量的直流电流，为主发电机励磁绕组提供励磁，检测主发电机输出电流，实现电机转子初始位置判定和起动运行过程中的转子位置估计。

2.如权利要求1所述的三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，其特征在于：所述方法包括初始位置估计和起动阶段，主励磁机向主发电机注入高频信号，主励磁机采用空间矢量调制和电流闭环控制方法，进行三相交流励磁，励磁磁势旋转方向与电机转向相反，励磁电流的角频率为：

${\mathrm{\&omega;}}_{df}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_h}{6}-{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r$

其中，ω_h为注入高频信号的频率，为估计角速度，使得励磁转速与电机转速的转差速度保持不变，主励磁机电枢绕组输出电能经过旋转整流器产生6倍于转差频率的谐波，此谐波就是主发电机励磁绕组中所需注入的高频信号。

3.如权利要求2所述的三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，其特征在于：所述旋转整流器输出电流的直流分量是主发电机转子所需的励磁电流，高频谐波分量使得主发电机定子侧电枢绕组内产生相应的包含位置信息的高频信号，其中，感应电流的高频分量表示为：

其中，H为常数，为相移角，θ为转子位置角。

4.如权利要求3所述的三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，其特征在于：所述初始位置估计时，主发电机接通小电阻负载，励磁机开始励磁，通过主发电机电枢绕组内的感应电流判断转子所处的扇区；然后切除小电阻负载，主发电机逆变器工作，通过提取主发电机电枢绕组两相静止坐标系下感应电流的高频分量i_αh和i_βh，通过锁相环得出估计位置最后结合扇区判断的结果，得出初始位置为或者

5.如权利要求4所述的三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，其特征在于：所述通过主发电机电枢绕组内的感应电流判断转子所处的扇区，判据是：

当同时满足i_α≤0和i_β≤0时，转子处于[0,0.5π]之间；

当同时满足i_α>0和i_β≤0时，转子处于(0.5π,π]之间；

当同时满足i_α>0和i_β>0时，转子处于(π,1.5π)之间；

当同时满足i_α≤0和i_β>0时，转子处于[1.5π,2π)之间；

其中，i_α和i_β分别表示两相静止坐标系下的感应电流。

6.如权利要求2所述的三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，其特征在于：所述主发电机电枢绕组具有三相电压传感器时，主励磁机开始励磁，主发电机电枢绕组开路，根据电枢内的感应电势判断转子所处的扇区位置：

当同时满足u_α≥0和u_β≥0时，转子处于[0,0.5π]之间；

当同时满足u_α<0和u_β≥0时，转子处于(0.5π,π]之间；

当同时满足u_α<0和u_β<0时，转子处于(π,1.5π)之间；

当同时满足u_α≥0和u_β<0时，转子处于[1.5π,2π)之间；

其中，u_α和u_β分别表示两相静止坐标系下的感应电势。

7.如权利要求2所述的三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，其特征在于：所述起动阶段时，主发电机的三相电流信号通过Clarke坐标变换得到两相静止坐标系下的电流信号，位置估计模块通过带通滤波提取包含位置信息的高频分量信号i_αh和i_βh，采用非同步解调方法，取其绝对值并通过低通滤波得到馒头波信号|i_αl|和|i_βl|，再通过信号还原得到包含位置信息的近似正弦波低频信号i_αl和i_βl，将此信号通过锁相环计算出位置估计值。