CN107517028A - 多级式结构的电励磁同步起动/发电机初始位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级式结构的电励磁同步起动/发电机初始位置检测方法，将辅助信号先后注入在主发电机定子α相绕组和β相绕组上，对应的响应信号经旋转整流器逆向传递到励磁机，在励磁机定子侧检测响应电流信号的初始位置检测方法。该方法利用主发电机定子绕组和励磁绕组之间的互感随转子位置变化而变化的特性，解决了转子上响应信号无法直接检测的问题，不依赖于主发电机的凸极效应，解算过程比较简单，转子初始位置检测精度较高。

Description

多级式结构的电励磁同步起动/发电机初始位置检测方法

技术领域

本发明属于交流电机传动控制技术领域，涉及一种多级式结构的电励磁同步起动/ 发电机初始位置检测方法，是一种将辅助信号先后注入在主发电机定子α相绕组和β相绕组上，在励磁机定子侧检测响应电流信号的初始位置检测方法，属于交流电机传 动控制技术领域。

背景技术

基于电励磁同步起动/发电机的一体化系统能省去专门的起动机构，有效减小飞机 重量。电励磁同步起动/发电机作为目前飞机交流电源系统中常用的发电机，由于发电技术成熟、可靠性高，受到起动/发电一体化技术研究人员的青睐。准确获取转子初始 位置是起动/发电机顺利起动航空发动机的前提条件。电励磁同步起动/发电机是一种多 级式结构、高功率密度组合的电机，其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。开展无机械位置传感器条件下的 起动/发电机转子初始位置检测技术的研究，可以有效提高一体化系统的可靠性。

目前我国现役飞机中常用电励磁同步发电机结构主要包括主发电机、励磁机、永磁机及旋转整流器四部分组成。作为起动机时，机载电源向励磁机定子供电，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电励磁同步起动/发电机结构图如图1所示。

传统的电励磁电机初始位置检测方法主要有两种：1)基于电机定转子互感随转子位置变化而变化的特性；2)基于电机凸极特性。对于第一种初始位置检测方法，通常 有以下两种实施方式：1)由电机定子侧注入高频电压信号，转子上电流信号经滑环引 出后，提取转子电流中的高频响应电流信号进行初始位置检测；2)经滑环向电机转子 注入高频电压信号，提取定子电流中的高频响应信号进行初始位置检测。由于电励磁 同步起动/发电机无滑环结构，无法检测转子上的响应信号，上述电励磁电机初始位置 检测方法将无法使用。对于第二种初始位置检测方法，由于电励磁同步起动/发电机凸 极特性受励磁电流和电枢电流的影响较大，采用传统基于电机凸极性的方式进行初始 位置检测时，施加电压后主发电机的凸极特性处于不明显状态，很难检测到较为准确 的初始位置。

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，本发明提出一种多级式结构的电励磁同步起动/发电机初始位置检测方法，解决当前转子初始位置检测方法较难实现电励磁同步起动/ 发电机初始位置精确检测的问题。

技术方案

一种多级式结构的电励磁同步起动/发电机初始位置检测方法，其特征在于：初始位置包括对转子位置角度值的估算及转子所在扇区，步骤如下：

步骤1：对两相励磁机施加相位互差90°的交流励磁电压；

步骤2、对转子位置角度值进行估算：

1、对主发电机α轴注入高频方波电压，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_αh}、i_{eβ_αh}，计算电流矢量I_{es_αh}幅值平方和对进行带通滤波处 理，得到含转子位置信息的信号kcos(ω_ht)cosθ_r，信号有效值为

2、再对主发电机β轴注入高频方波电压，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_βh}、i_{eβ_βh}，计算电流矢量I_{es_βh}幅值平方和对进行带通 滤波处理，得到含转子位置信息的信号kcos(ω_ht)sinθ_r，所得信号有效值为

所述高频方波电压的幅值为U_h、频率为f_h高频方波电压：

其中，T_h＝1/f_h，为高频电压周期，角频率为ω_h＝2πf_h；

所述带通滤波器的中心频率与注入高频电压的频率相同；

3、对转子位置信号进行反正切运算，即得到转子位置角度估算值如下：

步骤3、减小两相励磁机交流励磁电压幅值，判断转子所在扇区：

1、对主发电机α轴注入低频方波电压，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_αl}、i_{eβ_αl}，得电流矢量I_{es_αl}幅值平方和在时间nT_l＜t≤T_l/2+nT_l内， 求得的平均值为在时间nT_l+T_l/2＜t≤T_l+nT_l内，求得的平均值为 其中n＝0,1,2,...，并记

2、对主发电机β轴注入低频方波电压，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_βl}、i_{eβ_βl}，求得电流矢量I_{es_βl}幅值平方和在时间nT_l＜t≤T_l/2+nT_l内，求得的平均值为在时间nT_l+T_l/2＜t≤T_l+nT_l内，求得的平均 值为其中n＝0,1,2,...，并记

所述低频方波电压是幅值为U_l、频率为f_l的低频方波电压：

其中，T_l＝1/f_l，为低频电压周期；

步骤4：根据所得和值的正负关系，按照下表判断得知转子当前所在扇区：

由步骤2得到转子位置角度估算，由步骤4得到转子当前所在扇区。

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，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

本发明提出的一种多级式结构的电励磁同步起动/发电机初始位置检测方法，将辅 助信号先后注入在主发电机定子α相绕组和β相绕组上，对应的响应信号经旋转整流 器逆向传递到励磁机，在励磁机定子侧检测响应电流信号的初始位置检测方法。该方 法利用主发电机定子绕组和励磁绕组之间的互感随转子位置变化而变化的特性，解决 了转子上响应信号无法直接检测的问题，不依赖于主发电机的凸极效应，解算过程比 较简单，转子初始位置检测精度较高。

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，避免受主发电机凸极性变化的影响；2)解决了转子上响应信号无 法直接检测的问题；3)解算过程相对简单且初始位置检测精度较高。

附图说明

图1：电励磁同步起动/发电机结构图

图2：辅助信号传递示意图

图3：转子角度估算值处理过程框图

图4：第一象限主发电机α轴注入高频电压时提取的响应电流波形

图5：第一象限主发电机β轴注入高频电压时提取的响应电流波形

图6：不同象限下励磁机检测电流与注入电压对应关系图

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：使用磁粉制动器固定电机转子，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90V，角频率为200Hz；

步骤2：对转子位置角度值进行估算，具体如下：

2.1)对主发电机α轴注入幅值为20V、角频率为1.25KHz的高频方波电压如下：

其中，T_h＝0.0008s，ω_h＝2.5πrad/s；主发电机定子高频响应信号依次经过主发电机转子、 旋转整流器、励磁机转子传递至励磁机定子，在励磁机定子上提取的转子位置有效信 号，经相关处理后得到转子角度值余弦信号，具体如下：

a)在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_αh}、i_{eβ_αh}，求得电流矢量I_{es_αh}幅值平方和

b)对进行带通滤波处理，所用带通滤波器的中心频率为1.25KHz，得到含 转子位置信息的信号kcos(ω_ht)cosθ_r，所得信号有效值为

2.2)对主发电机β轴注入与步骤2.1所述相同的高频方波电压，在励磁机定子上提取的转子位置有效信号，经相关处理后得到转子角度值正弦信号，具体如下：

a)在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_βh}、i_{eβ_βh}，求得电流矢量I_{es_βh}幅值平方和

b)对进行带通滤波处理，所用带通滤波器的中心频率为1.25KHz，得到含 转子位置信息的信号kcos(ω_ht)sinθ_r，所得信号有效值为

2.3)对步骤2.1b)和步骤2.2b)所求转子位置信号进行反正切运算，即可得到转子位置角度估算值如下：

步骤3：减小两相励磁机励磁电压幅值为50V，判断转子所在象限，具体如下：

3.1)对主发电机α轴注入幅值为12V、频率为10Hz的低频方波电压如下：

其中，T_l＝1/f_l＝0.1s，为低频电压周期；主发电机定子低频响应信号依次经过主发电机转子、旋转整流器、励磁机转子传递至励磁机定子，在励磁机定子上提取的转 子位置象限有效信号，具体如下：

a)在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_αl}、i_{eβ_αl}，求得电流矢量I_{es_αl}幅值平方和

b)在时间nT_l＜t≤T_l/2+nT_l内，求得的平均值为在时间 nT_l+T_l/2＜t≤T_l+nT_l内，求得的平均值为其中n＝0,1,2,...，并记

3.2)对主发电机β轴注入与步骤3.1所述相同的低频方波电压，在励磁机定子上提取的转子位置象限有效信号，具体如下：

a)在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_βl}、i_{eβ_βl}，求得电流矢量I_{es_βl}幅值平方和

b)在时间nT_l＜t≤T_l/2+nT_l内，求得的平均值为在时间 nT_l+T_l/2＜t≤T_l+nT_l内，求得的平均值为其中n＝0,1,2,...，并记

3.3)根据步骤3.1b)和步骤3.2b)所得和值的正负关系即可得到转子当前所在象限，具体判断方法如下表所示；

步骤4：根据步骤2.3)和步骤3.3)即可估算出当前转子具体位置；

图5为不同象限下励磁机检测电流与注入电压对应关系图。表1为本实例中估算位置与实际位置的对比，从表中可以看出初始位置估算误差在0.05rad左右，满足实际 情况下电机起动时位置精度要求。

表1

Claims (2)

1.一种多级式结构的电励磁同步起动/发电机初始位置检测方法，其特征在于：初始位置包括对转子位置角度值的估算及转子所在扇区，步骤如下：

步骤1：对两相励磁机施加相位互差90°的交流励磁电压；

步骤2、对转子位置角度值进行估算：

1、对主发电机α轴注入高频方波电压，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_αh}、i_{eβ_αh}，计算电流矢量I_{es_αh}幅值平方和对进行带通滤波处理，得到含转子位置信息的信号k cos(ω_ht)cosθ_r，信号有效值为

2、再对主发电机β轴注入高频方波电压，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_βh}、i_{eβ_βh}，计算电流矢量I_{es_βh}幅值平方和对进行带通滤波处理，得到含转子位置信息的信号k cos(ω_ht)sinθ_r，所得信号有效值为

所述高频方波电压的幅值为U_h、频率为f_h高频方波电压：

<mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>h</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>&lt;</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>&lt;</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>h</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

其中，T_h＝1/f_h，为高频电压周期，角频率为ω_h＝2πf_h；

所述带通滤波器的中心频率与注入高频电压的频率相同；

3、对转子位置信号进行反正切运算，即得到转子位置角度估算值如下：

<mrow> <msub> <mover> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mi>k</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>/</mo> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mi>k</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>cos&amp;theta;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

步骤3、减小两相励磁机交流励磁电压幅值，判断转子所在扇区：

1、对主发电机α轴注入低频方波电压，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_αl}、i_{eβ_αl}，得电流矢量I_{es_αl}幅值平方和在时间nT_l＜t≤T_l/2+nT_l内，求得的平均值为在时间nT_l+T_l/2＜t≤T_l+nT_l内，求得的平均值为其中n＝0,1,2,...，并记

2、对主发电机β轴注入低频方波电压，在励磁机定子侧检测两相定子电流i_{eα_βl}、i_{eβ_βl}，求得电流矢量I_{es_βl}幅值平方和在时间nT_l＜t≤T_l/2+nT_l内，求得的平均值为在时间nT_l+T_l/2＜t≤T_l+nT_l内，求得的平均值为其中n＝0,1,2,...，并记

所述低频方波电压是幅值为U_l、频率为f_l的低频方波电压：

<mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>&lt;</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>&lt;</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>l</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

其中，T_l＝1/f_l，为低频电压周期；

步骤4：根据所得和值的正负关系，按照下表判断得知转子当前所在扇区：

由步骤2得到转子位置角度估算，由步骤4得到转子当前所在扇区。

2.根据权利要求1所述的多级式结构的电励磁同步起动/发电机初始位置检测方法，其特征在于：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，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。