CN107342714A - 基于信号逆传递的多级式无刷电机转子位置估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于信号逆传递的多级式无刷电机转子位置估算方法，在主发电机等效alpha相绕组和beta相绕组注入高频信号，高频响应信号经旋转整流器逆向传递到励磁机，在励磁机定子电流中提取主发电机转子位置信息的在线估算方法，该方法利用主发电机定子绕组和励磁绕组之间的互感随主发电机转子位置变化而变化的特性，避免了凸极特性变化对位置解算的影响，求解过程比较简单，转子位置估算精度较高。本发明具有以下优点：1)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，避免了主发电机凸极效应的影响，对电励磁电机具有较普遍的适用性；2)解算过程相对简单、估算精度较高。
Description
技术领域
本发明属于交流电机无位置控制技术领域，涉及一种基于信号逆传递的多级式无刷电机转子位置估算方法，基于高频信号从主发电机逆向传递至励磁机的三级式电机转子位置在线估算方法，是一种在主发电机定子等效alpha相绕组和beta相绕组注入高频信号，在励磁机定子电流中提取主发电机转子位置信息的在线估算方法，属于交流电机无位置控制技术领域。
背景技术
国内现役飞机中，所用三级式电机无起动航空发动机功能，所以研究具有起动功能的起动发电一体化系统是当前航空电源领域中研究的热点问题。相比于传统的分立结构，起/发一体化系统不但优化了电源系统的机电结构，而且有效缩减了系统体积重量，降低了系统复杂度，提高了系统可靠性。目前在中、大型飞机上最常用也是国外已经实现装机的是基于三级式电机的起/发一体化系统，其主要结构特点是包括定、转子分别一体化组装的励磁机、旋转整流器和主发电机等部件。图1所示为励磁机采用两相励磁绕组结构的三级式电机结构图。
准确获取主发电机转子位置信息是三级式电机顺利起动航空发动机的前提条件。航空三级式电机是一种高功率密度组合电机，起动过程中的大电流过载运行条件下，系统电磁耦合及机械振动对机械式位置传感器产生严重的干扰。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在线估算技术的研究。
复杂的负载特性使得电励磁式主发电机电枢电流及励磁电流变化较大，导致起动过程中主发电机电感参数变化较大，进而使电机的凸极率δ(δ＝Lq/Ld，其中Lq为电机q轴电感，Ld为电机d轴电感)发生显著变化。图2和图3分别为主发电机凸极率随励磁电流及电枢电流(id＝0)的变化曲线。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。
三级式电机起动过程中凸极特性变化的特点使得传统基于电机凸极性的位置估算方法无法实现三级式电机转子位置在线精确估算，进而无法完成电机的带载起动。因此需要开展不依赖于凸极效应的三级式电机的主发电机转子位置在线估算技术的研究。
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信号逆传递的多级式无刷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转子位置在线精确估算的问题。
技术方案
一种基于信号逆传递的多级式无刷电机转子位置估算方法，其特征在于依次含有以下几个步骤：
步骤1：对励磁机施加励磁电压，在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号UAh(t)、UBh(t)、UCh(t)；所述励磁机定子绕组为两相励磁绕组结构；所述高频信号由αβ坐标系下的高频方波电压Uαh(t)和Uβh(t)经CLARK反变换至ABC坐标系下得到，其表达式如下：
其中Uh、Th为αβ坐标系下主发电机α轴、β轴注入高频电压的幅值和周期；
步骤2：在励磁机定子侧检测两相定子电流ieα、ieβ，求得电流矢量Ies幅值平方和电流值中含有与主发电机转子位置相关的高频响应信号；
步骤3：提取中的高频响应信号ieαh，ieβh，具体如下：
1)在周期为Th方波信号Uαh(t)的上升沿即t＝nTh和下降沿即t＝nTh+Th/2,提取的值，分别记为ieαh(n)、ieαh(n+1)，对提取到的值进行作差运算，得到信号：
iΔeαh＝(ieαh(n)-ieαh(n+1))/2，iΔeαh为与主发电机转子位置有关的余弦函数；所述n＝0,1,2,3...；
2)在周期为Th方波信号Uβh(t)的上升沿即t＝nTh+Th/4和下降沿即t＝nTh+3Th/4提取的值，分别记为ieβh(n)、ieβh(n+1)，对提取到的值进行作差运算，得到信号iΔeβh＝(ieβh(n)-ieβh(n+1))/2，iΔeβh为与主发电机转子位置有关的正弦函数；
步骤4：用低通滤波器对iΔeαh、iΔeβh进行滤波处理，得到电机当前位置所对应电角度的正弦值和余弦值iΔeβh_sin、iΔeαh_cos；
步骤5：将步骤4得到的正弦值和余弦值进行反正切函数运算，得到电机转子位置信号θ，即θ＝arctan(iΔeβh_sin/iΔeαh_cos)。
所述步骤1中：当励磁机定子为三相绕组结构时，将两相励磁电压进行反CLARK变换即得到等效三相绕组励磁电压，以该励磁电压对三相绕组施加励磁电压；所述步骤2中：将采集的三相绕组励磁电流进行CLARK变换即得到等效的两相励磁电流。
有益效果
本发明提出的一种基于信号逆传递的多级式无刷电机转子位置估算方法，在主发电机等效alpha相绕组和beta相绕组注入高频信号，高频响应信号经旋转整流器逆向传递到励磁机，在励磁机定子电流中提取主发电机转子位置信息的在线估算方法，该方法利用主发电机定子绕组和励磁绕组之间的互感随主发电机转子位置变化而变化的特性，避免了凸极特性变化对位置解算的影响，求解过程比较简单，转子位置估算精度较高。本发明具有以下优点：1)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，避免了主发电机凸极效应的影响，对电励磁电机具有较普遍的适用性；2)解算过程相对简单、估算精度较高。
附图说明
图1：三级式电机结构图
图2：电感随励磁电流变化曲线
图3：电感随电枢电流变化曲线
图4：高频信号注入后励磁机定子电流矢量幅值平方和波形
图5：在励磁机定子电流中提取的响应信号波形
图6：所提取响应信号滤波后的波形
图7：估算位置与实际位置对比图
图8：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250Hz；
步骤2：在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号UAh(t)、UBh(t)、UCh(t)，所述高频信号由αβ坐标系下的高频方波电压Uαh(t)和Uβh(t)经CLARK反变换至ABC坐标系下得到。
步骤3：施加给定高频电压Uαh(t)、Uβh(t)：
其中高频电压周期Th＝0.8ms。
步骤4：给定转速范围为[0,300rpm]，起动三级式电机，在励磁机定子侧检测两相定子电流ieα、ieβ，求得励磁电流矢量Ies幅值平方和电流值中含有与主发电机转子位置相关的高频响应信号。
步骤5：提取中的高频响应信号ieαh，ieβh，具体如下：
5.1)在周期为Th＝0.8ms方波信号Uαh(t)的上升沿(即t＝nTh,n＝0,1,2,3...，)和下降沿(即t＝nTh+Th/2,n＝0,1,2,3...)提取的值，分别记为ieαh(n)、ieαh(n+1)，对提取到的值进行做差运算，得到信号iΔeαh＝(ieαh(n)-ieαh(n+1))/2，iΔeαh为与主发电机转子位置有关的余弦函数；
5.2)在周期为Th＝0.8ms方波信号Uβh(t)的上升沿(即t＝nTh+Th/4,n＝0,1,2,3...，)和下降沿(即t＝nTh+3Th/4,n＝0,1,2,3...)提取的值，分别记为ieβh(n)、ieβh(n+1)，对提取到的值进行做差运算，得到信号iΔeβh＝(ieβh(n)-ieβh(n+1))/2，iΔeβh为与主发电机转子位置有关的正弦函数。
步骤6：用低通滤波器对iΔeαh、iΔeβh进行滤波处理，得到电机当前位置所对应电角度的正弦值和余弦值iΔeβh_sin、iΔeαh_cos，所用滤波器截止频率为80Hz。
步骤7：将步骤6得到的正弦值和余弦值进行反正切函数运算，得到电机转子位置信号θ，即θ＝arctan(iΔeβh_sin/iΔeαh_cos)。
图7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8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0.06rad之内，满足实际情况下电机起动时位置精度要求。
Claims (2)
1.一种基于信号逆传递的多级式无刷电机转子位置估算方法，其特征在于依次含有以下几个步骤：
步骤1：对励磁机施加励磁电压，在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号UAh(t)、UBh(t)、UCh(t)；所述励磁机定子绕组为两相励磁绕组结构；所述高频信号由αβ坐标系下的高频方波电压Uαh(t)和Uβh(t)经CLARK反变换至ABC坐标系下得到，其表达式如下：
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其中Uh、Th为αβ坐标系下主发电机α轴、β轴注入高频电压的幅值和周期；
步骤2：在励磁机定子侧检测两相定子电流ieα、ieβ，求得电流矢量Ies幅值平方和电流值中含有与主发电机转子位置相关的高频响应信号；
步骤3：提取中的高频响应信号ieαh，ieβh，具体如下：
1)在周期为Th方波信号Uαh(t)的上升沿即t＝nTh和下降沿即t＝nTh+Th/2,提取的值，分别记为ieαh(n)、ieαh(n+1)，对提取到的值进行作差运算，得到信号：
iΔeαh＝(ieαh(n)-ieαh(n+1))/2，iΔeαh为与主发电机转子位置有关的余弦函数；所述n＝0,1,2,3...；
2)在周期为Th方波信号Uβh(t)的上升沿即t＝nTh+Th/4和下降沿即t＝nTh+3Th/4提取的值，分别记为ieβh(n)、ieβh(n+1)，对提取到的值进行作差运算，得到信号iΔeβh＝(ieβh(n)-ieβh(n+1))/2，iΔeβh为与主发电机转子位置有关的正弦函数；
步骤4：用低通滤波器对iΔeαh、iΔeβh进行滤波处理，得到电机当前位置所对应电角度的正弦值和余弦值iΔeβh_sin、iΔeαh_cos；
步骤5：将步骤4得到的正弦值和余弦值进行反正切函数运算，得到电机转子位置信号θ，即θ＝arctan(iΔeβh_sin/iΔeαh_cos)。
2.根据权利要求1所述的基于信号逆传递的多级式无刷电机转子位置估算方法，其特征在于：所述步骤1中：当励磁机定子为三相绕组结构时，将两相励磁电压进行反CLARK变换即得到等效三相绕组励磁电压，以该励磁电压对三相绕组施加励磁电压；所述步骤2中：将采集的三相绕组励磁电流进行CLARK变换即得到等效的两相励磁电流。
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