CN108649842B - 一种基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种永磁起动发电机位置检测系统及其方法包括电流检测电路、辅助绕组、频率锁定电路、相位锁定电路和控制电路。通过添加辅助位置传感器及构成仿真电路来标定不同起动发电复用电源变换器工作模式、转速、电流幅值下辅助绕组的相位锁定信号与电机位置参考信号间的偏差；在正常工作时，移出辅助位置传感器，控制电路根据起动发电复用电源变换器和工作模式、转速、电流幅值，通过标定获得的位置偏差来对相位锁定信号进行补偿，获得永磁起动发电机的位置信息。

Description

一种基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种种永磁起动发电机的位置检测系统及其方法，尤其是适用于航空航天器中对位置传感器的体积和重量要求严格、电机工作环境恶劣、永磁电机采用表贴式转子结构、直流母线电压为270 V的应用领域。

背景技术

起动发电机可分时工作于电动和发电两种状态，具有一机两用功能。起动发电机工作于电动状态时，电源变换器作为源动力，能量先由电源变换器流向起动发电机，再由起动发电机将电能转化为机械能，带动发动机；电源变换器通过对起动发电机进行转矩控制，使发动机由零转速上升到正常自稳定工作转速。起动发电机工作于发电状态时，发动机作为源动机，能量先经过起动发电机将机械能转化为交流电能，再经过电源变换器将交流电能转化为直流电能。电源变换器通过对起动发电机进行发电稳压控制，使发动机在转速变化时，保证输出直流电压稳定。

起动发电机采用永磁电机时，其起动转矩控制和发电稳压控制，均需要电机的位置信息。位置信息可以通过位置传感器直接检测得到，也可在无位置传感器的情况下通过无位置控制算法估算实现。对于永磁起动发电机的无位置控制算法，通常利用起动发电机电流来估算电机的位置信息，然而，电源变换器工作于不同的工作模式时，起动发电机的电流特征会有所不同，此时，需要考虑电源变换器工作模式对位置估算的影响。对于表贴式永磁起动发电机，其交直轴电感相差不大，通常可以认为相电感不随电机位置变化。

航空航天领域对搭载设备的体积和重要求较为严格，而位置传感器会增加电机的体积和重量，需要加以考虑；航空航天领域为了减小起动发电机的重量，通常起动发电机工作转速高，对位置传感器的耐高速性有一定要求，对位置检测算法的快速性也有一定要求；另外，起动发电机与发动机临近安装，工作环境恶劣，需要位置传感器具有一定的环境适应性，可在高振动、极限温度、高油污的环境下工作。

对于表贴式永磁同步电机的位置检测，目前主要的实现策略有以下几种：

1)采用光电编码位置传感器实现位置检测。光电编码位置传感器与电机转子轴同轴安装，沿圆周方向分布着若干条光栅。在转子转动时，通过对光栅进行检测与计数，进而确定电机转子的位置。由于光栅可以制作得很精细，光电编码传感器的角度可以细分到极高的精度，故采用光电编码位置器的位置检测精度极高。

2)采用霍尔位置传感器实现位置检测。霍尔位置传感器的感应端安装在电机定子上，霍尔位置传感器的磁性端安装在电机转子上，当磁性端随电机旋转时会在霍尔位置传感器的感应端产生相应的位置信号，利用该位置信号，匹配合适的检测算法可以实现电机位置检测。由于霍尔元器件目前可以做得很小，故采有霍尔位置传感器实现的位置检测具有附加体积小的优点。

3)采用磁阻式旋转变压器实现位置检测。磁阻式旋转变压器分为定子和转子两部分，转子与定子间的气隙随着角度变化有宽有窄，具有变化的磁阻特性。磁阻式旋转变压器的定子和转子分别安装在电机的定子和转子上。通过旋转变压器的激磁绕组注入激磁电流，在电机转子带动旋转变压器转子旋转时，会在旋转变压器的定子感应绕组上感应出带有电机位置信息的信号，通过相应的解调算法，可以获得电机的位置信息。由于磁阻式旋转变压器安装在电机上部分不具有半导体器件，转子为实心导磁体，故采有磁阻式旋转变压器实现的位置检测具有环境性强的优点。

4)采用无位置控制算法实现位置检测。无位置控制算法通过检测起动发电复用电源变换器三相交流侧电压、三相交流侧电流，并根据电机的电感和电阻参数来实现位置估算。典型无位置检测算法有反电势直接估算法、滑模观测器法、卡尔曼滤波法、模型参数自适应法和高频率注入法等。由于无位置检测算法不需要位置传感器，故具有体积小和不需要考虑位置传感器环境适应性的优点。

方案1)所述的光电编码位置传感器耐高速、振动、油污的环境适应性较差，且需要较大的附加体积，不能满足起动发电机的位置检测要求；

方案2)所述的霍尔位置传感器由于嵌入定子的感应端具有半导体电路，而半导体电路的耐温特性较差，无法应用于起动发电机极限温度的恶劣环境。

方案3)所述的磁阻式旋转变压器为一台小电机，其会明显增加电机的轴向长度，具有附加体积过大的缺点。

方案4)所述的无位置控制算法属于间接测量方法，需要起动发电复用电源变换器工作于正弦线性控制模式，且运算量较大。间接测量降低了位置检测的可靠性；正弦线性控制模式限制了起动发电复用电源变换器使用相控整流、部分开关整流等非线性控制策略；运算量较大，增大了控制器的硬件需求，降低了对高速起动发电系统的适应性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁起动发电机位置检测系统及其方法。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测系统，包括电流检测电路、辅助绕组、频率锁定电路、相位锁定电路和控制电路；所述电流检测电路与永磁起动发电机的三相交流端连接，电流检测电路的三相交流端与起动发电复用电源变换器的三相交流端连接，起动发电复用电源变换器的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接，辅助绕组输出分别与频率锁定电路和相位锁定电路的输入端连接，频率锁定电路输出分别与相位锁定电路和控制电路连接，相位锁定电路输出与控制电路连接，电流检测电路输出与控制电路连接，直流母线正极和负极经电压检测电路与控制电路连接，控制电路与起动发电复用电源变换器连接,辅助绕组与永磁起动发电机A相电枢绕组并联。

所述频率锁定电路包括低通滤波器、正值比较电路、锁相环、分频移相电路，所述辅助绕组通过低通滤波器、正值比较电路与锁相环输入端连接，锁相环输出通过分频移相电路与锁相环的反馈输入端连接，分频移相电路输出与相位锁定电路和控制电路连接。

所述相位锁定电路包括反向器、带控制端单刀双掷开关S、低通滤器1、三角波调制PWM波发生器、低通滤器2、比较器、正脉冲计数器、负脉冲计数器、减法器和移相累加器，所述开关S的“H”输入端与辅助绕组输出端连接，辅助绕组输出端通过反向器与开关S的“L”输入端连接，开关S的控制端与移相累加器的输出端连接，开关S的输出端通过低通滤波器1与比较器的同相输出端连接，三角波调制PWM 波发生器通过低通滤波器2与比较器的反相输出端连接，比较器输出端分别与正脉冲计数器和负脉冲计数器连接，正脉冲计数器和负脉冲计数器的输出端分别与减法器的正极性和负极性输入端连接，减法器输出端与移相累加器的偏移量控制端连接，移相累加器的输入端与频率锁定电路连接。

所述起动发电复用电源变换器包括全控全桥和相控全桥，全控全桥包括功率管V₁～V₇，所述功率管V₁的源极和功率管V₂的漏极与永磁起动发电机的a相连接，永磁起动发电机的b相与功率管V₃的源极和功率管V₄的漏极连接，永磁起动发电机的c相与功率管V₅的源极和功率管V₆的漏极连接，功率管V₁、V₃和V₅的漏极与功率管V₇的漏极连接，功率管 V₂、V₄和V₆的源极与直流母线负极连接，功率管V₇的源极与直流母线正极连接，功率管V₁～V₇的栅极与控制电路连接构成；所述相控全桥包括 SCR管Q₁～Q₆和薄膜电容C₁，是由永磁起动发电机的a相与SCR管Q₁的阳极和SCR管Q₄的阴极连接，永磁起动发电机的b相与SCR管Q₃的阳极和SCR 管Q₆的阴极连接，永磁起动发电机的c相与SCR管Q₅的阳极和SCR管Q₂的阴极连接，SCR管Q₁、Q₃和Q₅的阴极与直流母线正极连接，SCR管Q₂、Q₄和Q₆的阳极与直流母线负极连接，SCR管Q₁～Q₆的栅极与控制电路连接，薄膜电容C₁两端分别与直流母线正极和负极连接。

一种基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测方法，其方法包括以下步骤：

(1)辅助绕组感应与永磁起动发电机同频的电压信号；

(2)频率锁定电路通过对辅助绕组输出的电压信号进行处理，获得辅助绕组的频率锁定信号；

(3)相位锁定电路根据频率锁定信号，对辅助绕组输出的电压信号进行处理，获得辅助绕组的相位锁定信号；

(4)控制电路对电流检测电路输出信号进行处理，获得永磁起动发电机的电流幅值I；

(5)通过对辅助绕组进行标定，确定在不同起动发电复用电源变换器工作模式、转速n、起动发电机的电流幅值I下，辅助绕组的相位锁定信号与电机位置参考信号间的偏差θ₁(n，I)；

(6)在永磁起动发电机正常工作时，控制电路根据起动发电复用电源变换器的工作模式、转速n、电流幅值I，通过标定获得的位置偏差θ₁(n，I)对相位锁定信号进行补偿，获得永磁起动发电机的位置信息。

所述步骤(2)中频率锁定电路对辅助绕组输出的电压信号的处理步骤为，

(2.1)低通滤波器对辅助绕组输出信号v_s进行强力滤波，滤除高频成份，获得滤波后信号v_sp1；

(2.2)正值比较电路将v_sp1与正电平进行比较，获得同频方波信号v_sp2；

(2.3)锁相环通过分频移相电路对输出信号v_op进行反馈，实现反馈信号v_pll与输入信号v_sp2同频；

(2.4)分频移相电路输出两路相位相差90°、50％占空比的频率锁定信号v_rsin和v_rcos，v_rcos相对于v_rsin滞后90°。

所述步骤(3)中相位锁定电路对辅助绕组输出的电压信号的处理步骤为，

(3.1)辅助绕组输出信号v_s经反向器获得等大反向信号v_{s_n}；

(3.2)当v_cos为“H”和“L”时，开关S的输出端分别与输入“H”和“L”端连接，输出信号v_sc；

(3.3)低通滤波器1滤除v_sc中的高频成份，获得平滑直流成份v_Q；

(3.4)三角波调制PWM波发生器经低通滤波器2，滤除PWM波的高频成份，获得三角波v_r；

(3.5)比较器将v_Q与v_r进行比较，获得占空比与v_Q大小具有对应关系的方波信号v_Qc；

(3.6)方波信号v_Qc经正脉冲计数器、负脉冲计数器和减法器获得方波信号v_Qc正脉冲与负脉冲间的量化差N；

(3.7)移相累加器根据N值的正或负进行对v_rcos进行增加或减小相移运算，输出相位锁定信号v_cos。

所述步骤(4)中永磁起动发电机的电流幅值步骤为，

(4.1)三相电流i_abc经Clark变换转化i_αβ分量；

(4.2)i_α和i_β分别经反向器获得等大反向信号i_{α_n}和i_{β_n}；

(4.3)当v_rsin为“H”或“L”时，开关S_α的输出端分别与i_α或i_{α_n}连接，开关S_α的输出再经低通滤波器形成直流分量i_I；

(4.4)当v_rcos为“H”或“L”时，开关S_β的输出端分别与i_β或 i_{β_n}连接，开关S_β的输出再经低通滤波器形成直流分量i_Q；

(4.5)通过计算得到电流幅值I。

所述步骤(5)中相位锁定信号与电机位置的偏差标定包括以下步骤：

(5.1)通过测试电机相与相之间的电感确定电机的相电感L_s， L_s＝(L_ab+L_bc+L_ca)/6，L_ab、L_bc和L_ca分别为A相与B相、B相与C相、C 相与A相间的电感；

(5.3)为起动发电机添加辅助位置传感器；

(5.3)空载时，以辅助绕组输出相位为零相位，对外加辅助位置传感器进行零位置整定；

(5.4)以辅助位置传感器提供的位置为参考，起动发电复用电源变换器工作于SVPWM控制状态，给起动发电机通入合适相电流幅值 I，且使直轴电流i_d＝0，在此条件下，确定起动发电机复用电源变换器交流侧的电压矢量与辅助位置传感器的相位角θ₂，确定辅助绕组的电压矢量与辅助传感器的相位角θ₁；

(5.5)根据L_s1＝L_s(tanθ₁/tanθ₂)，计算A相绕组中与辅助绕组耦合部分的电感L_s1；

(5.6)移除辅助位置传感器；

(5.7)根据起动发电机、起动发电复用电源变换器、电感L_s1、频率锁定步骤、相位锁定步骤和电流幅值检测步骤，构建仿真电路，在不同的起动发电复用电源变换器工作模式、转速n、起动发电机电流幅值I下，确定辅助绕组与电机位置的相位偏差θ₁(n，I)。

本发明的有益效果在于：

1)频率锁定电路和相位锁定电路可由硬件电路实现，避免了进行软件运算，可更好满足高转速发动机对起动发电机控制快速响应的要求。

2)辅助绕组仅作为感应信号使用，辅助绕组可由细线绕制，辅助绕组具有体积小、环境适应性强的优点，可克服光电编码位置传感器和霍尔位置传感器环境适应性差不足，可克服磁阻式旋转变压器附加体积大的不足。

3)相对于常规无位置控制算法，基于辅助绕组的位置检测方法属于有位置控制，可靠性更高；通过所提出的位置检测算法，起动发电复用电源变换器可使用相控制整流、部分开关整流等非线性控制策略；所提出的位置检测算法所需运算量更低。

4)所提出电流幅值检测方法相对常规的幅度检测方法运算量显著降低。

5)所提的位置检测算法，通过标定的方法来确定辅助绕组的相位检测信号与电机相位的偏差，形成偏差关系表，避免了正常工作时的大量计算，具有检测算法所需运算量低的优点。

附图说明

图1：基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测装置结构框图；

图2：实施例起动发电复用电源变换器电路图；

图3：频率锁定电路原理框图；

图4：相位锁定电路原理框图；

图5：辅助绕组耦合原理等效电路图；

图6：辅助绕组耦合原理分析相量图；

图7：频率锁定电路主要波形图；

图8：相位锁定电路主要波形图；

图9：电流幅值检测算法工作原理图；

图10：辅助绕组偏差标定仿真电路示意图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

图1所示为基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测装置，包括电流检测电路、辅助绕组、频率锁定电路、相位锁定电路和控制电路；是由永磁起动发电机的三相交流端经电流检测电路与起动发电复用电源变换器的三相交流端连接，起动发电复用电源变换器的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接，辅助绕组输出分别与频率锁定电路和相位锁定电路的输入端连接，频率锁定电路输出分别与相位锁定电路和控制电路连接，相位锁定电路输出与控制电路连接，电流检测电路输出与控制电路连接，直流母线正极和负极经电压检测电路与控制电路连接，控制电路与起动发电复用电源变换器连接构成。辅助绕组是与永磁起动发电机A相电枢绕组并联绕制的线圈。

辅助绕组仅作为感应信号使用，辅助绕组可由细线绕制，辅助绕组具有体积小、环境适应性强的优点，可克服光电编码位置传感器和霍尔位置传感器环境适应性差不足，可克服磁阻式旋转变压器附加体积大的不足。

图2所示所采用的起动发电复用电源变换器电路图，起动发电复用电源变换器包括全控全桥和相控全桥，全控全桥包括功率管V₁～V₇，是由永磁起动发电机的a相与V₁的源极和V₂的漏极连接，永磁起动发电机的b相与V₃的源极和V₄的漏极连接，永磁起动发电机的c相与V₅的源极和V₆的漏极连接，V₁、V₃和V₅的漏极与V₇的漏极连接， V₂、V₄和V₆的源极与直流母线负极连接，V₇的源极与直流母线正极连接，V₁～V₇的栅极与控制电路连接构成；相控全桥包括SCR管Q₁～Q₆和薄膜电容C₁，是由永磁起动发电机的a相与Q₁的阳极和Q₄的阴极连接，永磁起动发电机的b相与Q₃的阳极和Q₆的阴极连接，永磁起动发电机的c相与Q₅的阳极和Q₂的阴极连接，Q₁、Q₃和Q₅的阴极与直流母线正极连接，Q₂、Q₄和Q₆的阳极与直流母线负极连接，Q₁～Q₆的栅极与控制电路连接，薄膜电容C₁两端分别与直流母线正极和负极连接。

图3所示为频率锁定电路原理框图，频率锁定电路包括低通滤波器、正值比较电路、锁相环、分频移相电路，是由辅助绕组经低通滤波器、正值比较电路与锁相环输入端连接，锁相环输出经分频移相电路与锁相环的反馈输入端连接，分频移相电路输出与相位锁定电路和控制电路连接构成。

图4所示为相位锁定电路原理框图，相位锁定电路包括反向器、带控制端单刀双掷开关S、低通滤器1、三角波调制PWM波发生器、低通滤器2、比较器、正脉冲计数器、负脉冲计数器、减法器和移相累加器，是由辅助绕组输出与开关S的“H”输入端连接，辅助绕组输出经反向器与开关S的“L”输入端连接，开关S的控制端与移相累加器的输出端连接，开关S的输出端经低通滤波器1与比较器的同相输出端连接，三角波调制PWM波发生器经低通滤波器2与比较器的反相输出端连接，比较器输出分别与正脉冲计数器和负脉冲计数器连接，正脉冲计数器和负脉冲计数器的输出分别与减法器的正极性和负极性输入端连接，减法器输出端与移相累加器的偏移量控制端连接，移相累加器的输入端与频率锁定电路连接构成。

频率锁定电路和相位锁定电路可由硬件电路实现，避免了进行软件运算，可更好满足高转速发动机对起动发电机控制快速响应的要求。

因为辅助绕组与A相绕组并联绕制，只是匝数相对于A相主功率绕组要少一些，故辅助绕组耦合原理可用图5所示为等效电路表示，图中ωψ_f表示电机定子绕组感应到的永磁感应电动势，通常将其定义为零相位参数，L_s1表示A相绕组中与辅助绕组耦合部分的电感L_s1， L_s表示电机的等效相电感，图中L_s2＝L_s–L_s1，变比为1：k的变压器T表示辅助绕组电压与主功率绕组的关系。辅助绕组输出信号v_s相对于感应电动势ωψ_f的相位差与变压器初级电压相对感应电动势ωψ_f的相位差相同。当没有电流流过功率绕组时，由等效电路可知，主功率A相绕的电压v_a和辅助绕组输出信号v_s均与感应电动势ωψ_f同相位。但当有电流流过时，感应电动势ωψ_f将会分别与主功率A 相绕的电压v_a和辅助绕组输出信号v_s存在不同的相位差，这是由于电流流过电感L_s和L_1s而造成的相移。对于该等效电路，L_s可通过测量得到，但L_s1是未知量；确定L_s1值是辅助绕组输出信号v_s与感应电动势ωψ_f间相位差可标定的前提。

图6所示为辅助绕组耦合原理分析相量图。图中i_d和i_q分别表示直轴和交轴电流分量，ω表示电机的电角频率，ω与电机转速n 成比，由图可知，在i_d和i_q固定的条件下，v_a、v_pri和v_s分别相对于ωψ_f的相位差不随转速变化而变化。在相同的i_d和i_q比例关系下， v_s相对于ωψ_f的相位差会着电流幅度I的变化而变化。

起动发电机工作于不同工作模式时，i_d和i_q的特征会有所不同；在相同工作模式下，不同转速n时，相同电流幅度I下对应的i_d和 i_q的特征关系也可能并不相同。因此，对于辅助绕组输出信号v_s与感应电动势ωψ_f间相位差标定，需要考虑不同起动发电复用电源变换器工作模式、转速n和电流幅值I的影响。但对于起动发电复用电源变换器工作于单位功率因数SVPWM状态这一特殊情况，由于i_d＝0，转速n变化不会影响i_d值，此时，辅助绕组输出信号v_s与感应电动势ωψ_f间相位差标定，仅需要考虑流幅值I的影响即可。

对于图2所示的起动发电复用电源变换器，其具有三种工作模式。分别为起动时的单位功率因数SVPWM工作模式，低速发电时的部分开关整流升压工作模式，高速发电时的相控整流降压工作模式。

对于单位功率因数SVPWM工作模式，其i_d＝0。直流母线正极经V₇的反向并联二极管与全控全桥直流端正极连接，直流母线负极与全控全桥直流端负极连接，由直流母线向全控全桥供电，控制电路根据辅助绕组信号v_s和三相电流信号i_abc，采用SVPWM策略实现对全控全桥的控制，使全控全桥带动永磁起动发电机产生发动机起动所需的转矩。单位功率因数SVPWM属于线性控制。

单位功率因数SVPWM工作模式下，设图6中v_pri与ωψ_f的相位差为θ₁(即v_s与ωψ_f的相位差为θ₁)，v_a与ωψ_f的相位差为θ₂。因此时i_d＝0，则tanθ₁＝i_dωL_s1/(ωψ_f)，tanθ₂＝i_dωL_s/(ωψ_f)。可得，tanθ₁/tanθ₂＝L_s1/L_s。

对于部分开关整流的升压工作模式，由起动发电机经全控全桥向直流母线供电，控制电路根据辅助绕组信号v_s和三相电流信号i_abc，输出电压信号V_dc对全控全桥进行控制，控制电路控制V₇导通，相控全桥的控制信号断开，在v_a、v_b和v_c中，v_a最高时，仅通过控制开关管V₂实现实现升压功能；v_b最高时，仅通过控制开关管V₄实现实现升压功能；v_c最高进，仅通过控制开关管V₆实现实现升压功能；使直流母线电压保持为期望的电压值。部分开关整流属于非线性控制。

对于相控整流降压工作模式，由起动发电机经相控全桥向直流母线供电，控制电路根据辅助绕组信号v_s和三相电流信号i_abc，输出电压信号V_dc对相控全桥进行控制，控制电路控制V₇断开，全控全桥的控制信号断开，采用相位控制策略对SCR器件全控全桥进行控制，实现降压功能，使直流母线电压保持为期望的电压值。相控整流属于非线性控制。

根据上述理论分析，基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测方法，包括以下步骤：

A、辅助绕组感应与永磁起动发电机同频的电压信号；

B、频率锁定电路通过对辅助绕组输出的电压信号进行处理，获得辅助绕组的频率锁定信号；

C、相位锁定电路根据频率锁定信号，对辅助绕组输出的电压信号进行处理，获得辅助绕组的相位锁定信号；

D、控制电路对电流检测电路输出信号进行处理，获得永磁起动发电机的电流幅度；

E、通过对辅助绕组进行标定的方法，确定在不同起动发电复用电源变换器工作模式、转速n、起动发电机的电流幅值I下，辅助绕组的相位锁定信号与电机位置参考信号间的偏差θ₁(n，I)；

F、在永磁起动发电机正常工作时，控制电路根据起动发电复用电源变换器的工作模式、转速n、电流幅值I，通过标定获得的位置偏差θ₁(n，I)对相位锁定信号进行补偿，获得永磁起动发电机的位置信息。

所提的位置检测算法，通过标定的方法来确定辅助绕组的相位检测信号与电机相位的偏差，形成偏差关系表，避免了正常工作时的大量计算，具有检测算法所需运算量低的优点。

结合图7对频率锁定的方法进行说明，频率锁定电路包括以下步骤：

A、低通滤波器对辅助绕组输出信号v_s进行强力滤波，滤除高频成份，获得滤波后信号v_sp1；

B、正值比较电路将v_sp1与正电平进行比较，获得同频方波信号v_sp2；

C、锁相环通过分频移相电路对输出信号v_op进行反馈，实现反馈信号 v_pll与输入信号v_sp2同频；

D、分频移相电路输出两路相位相差90°、50％占空比的频率锁定信号v_rsin和v_rcos，v_rcos相对于v_rsin滞后90°。

结合图8对相位锁定的方法进行说明，相位锁定电路包括以下步骤：

A、辅助绕组输出信号v_s经反向器获得等大反向信号v_{s_n}；

_B、当v_cos为“H”和“L”时，开关S的输出端分别与输入“H”和“L”端连接，输出信号v_sc；

C、低通滤波器1滤除v_sc中的高频成份，获得平滑直流成份v_Q；

D、三角波调制PWM波发生器经低通滤波器2，滤除PWM波的高频成份，获得三角波v_r；

E、比较器将v_Q与v_r进行比较，获得占空比与v_Q大小具有对应关系的方波信号v_Qc；

F、方波信号v_Qc经正脉冲计数器、负脉冲计数器和减法器获得方波信号v_Qc正脉冲与负脉冲间的量化差N；

G、移相累加器根据N值的正或负进行对v_rcos进行增加或减小相移运算，输出相位锁定信号v_cos。

结合图9对电流幅值检测的方法进行说明，电流幅值检测包括以下步骤：

A、三相电流i_abc经Clark变换转化i_αβ分量；

B、i_α和i_β分别经反向器获得等大反向信号i_{α_n}和i_{β_n}；

C、当v_rsin为“H”或“L”时，开关S_α的输出端分别与i_α或i_{α_n}连接，开关S_α的输出再经低通滤波器形成直流分量i_I；

D、当v_rcos为“H”或“L”时，开关S_β的输出端分别与i_β或i_{β_n}连接，开关S_β的输出再经低通滤波器形成直流分量i_Q；

E、通过计算得到电流幅度I。

所提出电流幅值检测方法不进行正余弦计算，基本不进行乘法运算，相对常规的幅度检测方法运算量显著降低。

相位锁定信号与电机位置的偏差标定包括以下步骤：

A、通过测试电机相与相之间的电感确定电机的相电感L_s，L_s＝ (L_ab+L_bc+L_ca)/6，L_ab、L_bc和L_ca分别为A相与B相、B相与C相、C 相与A相间的电感；

B、为起动发电机添加辅助位置传感器；

C、空载时，以辅助绕组输出相位为零相位，对外加辅助位置传感器进行零位置整定；

D、以辅助位置传感器提供的位置为参考，起动发电复用电源变换器工作于SVPWM控制状态，给起动发电机通入合适相电流幅值I，且使直轴电流i_d＝0，在此条件下，确定起动发电机复用电源变换器交流侧的电压矢量与辅助位置传感器的相位角θ₂，确定辅助绕组的电压矢量与辅助传感器的相位角θ₁；

E、根据L_s1＝L_s(tanθ₁/tanθ₂)，计算A相绕组中与辅助绕组耦合部分的电感L_s1；

F、移除辅助位置传感器；

G、根据起动发电机、起动发电复用电源变换器、电感L_s1、频率锁定方法、相位锁定方法和电流幅值检测方法，构建仿真电路，在不同的起动发电复用电源变换器工作模式、转速n、起动发电机电流幅值I下，确定辅助绕组与电机位置的相位偏差θ₁(n，I)。

图10所示为构建的辅助绕组偏差标定仿真电路示意图。图中采用电压源e_abc来模拟永磁感应磁动势、L_s1和L_s1来模拟电机的相电感。 v_cos与e_a间的相位差即为辅助绕组与电机位置的相位偏差θ₁(n，I)。θ₁(n，I)中n为仿真的设定值，为已知量，I对应图中电流幅度检测方法的输出。

通过上述分析可知，相对于常规无位置控制算法，基于辅助绕组的位置检测方法属于有位置控制，可靠性更高；通过所提出的位置检测算法，起动发电复用电源变换器可使用相控制整流、部分开关整流等非线性控制策略；所提出的位置检测算法所需运算量更低。所提的基于辅助绕组的位置检测装置及方法可适用由表贴式永磁起动发电机构成的高压直流(HVDC)系统。

Claims (5)

1.一种基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测系统对发电机位置的检测方法，其方法包括以下步骤：

(1)辅助绕组感应与永磁起动发电机同频的电压信号；

(2)频率锁定电路通过对辅助绕组输出的电压信号进行处理，获得辅助绕组的频率锁定信号；

(3)相位锁定电路根据频率锁定信号，对辅助绕组输出的电压信号进行处理，获得辅助绕组的相位锁定信号；

(4)控制电路对电流检测电路输出信号进行处理，获得永磁起动发电机的电流幅值I；

(5)通过对辅助绕组进行标定，确定在不同起动发电复用电源变换器工作模式、转速n、起动发电机的电流幅值I下，辅助绕组的相位锁定信号与电机位置参考信号间的偏差θ₁(n，I)；

(6)在永磁起动发电机正常工作时，控制电路根据起动发电复用电源变换器的工作模式、转速n、电流幅值I，通过标定获得的位置偏差θ₁(n，I)对相位锁定信号进行补偿，获得永磁起动发电机的位置信息；

永磁起动发电机位置检测系统包括电流检测电路、辅助绕组、频率锁定电路、相位锁定电路和控制电路；所述电流检测电路与永磁起动发电机的三相交流端连接，电流检测电路的三相交流端与起动发电复用电源变换器的三相交流端连接，起动发电复用电源变换器的直流端正极和负极分别与直流母线正极和负极连接，辅助绕组输出分别与频率锁定电路和相位锁定电路的输入端连接，频率锁定电路输出分别与相位锁定电路和控制电路连接，相位锁定电路输出与控制电路连接，电流检测电路输出与控制电路连接，直流母线正极和负极经电压检测电路与控制电路连接，控制电路与起动发电复用电源变换器连接,辅助绕组与永磁起动发电机A相电枢绕组并联；

所述频率锁定电路包括低通滤波器、正值比较电路、锁相环、分频移相电路，所述辅助绕组通过低通滤波器、正值比较电路与锁相环输入端连接，锁相环输出通过分频移相电路与锁相环的反馈输入端连接，分频移相电路输出与相位锁定电路和控制电路连接；

所述相位锁定电路包括反向器、带控制端单刀双掷开关S、低通滤器1、三角波调制PWM波发生器、低通滤器2、比较器、正脉冲计数器、负脉冲计数器、减法器和移相累加器，所述开关S的“H”输入端与辅助绕组输出端连接，辅助绕组输出端通过反向器与开关S的“L”输入端连接，开关S的控制端与移相累加器的输出端连接，开关S的输出端通过低通滤波器1与比较器的同相输出端连接，三角波调制PWM波发生器通过低通滤波器2与比较器的反相输出端连接，比较器输出端分别与正脉冲计数器和负脉冲计数器连接，正脉冲计数器和负脉冲计数器的输出端分别与减法器的正极性和负极性输入端连接，减法器输出端与移相累加器的偏移量控制端连接，移相累加器的输入端与频率锁定电路连接；

所述起动发电复用电源变换器包括全控全桥和相控全桥，全控全桥包括功率管V₁～V₇，所述功率管V₁的源极和功率管V₂的漏极与永磁起动发电机的a相连接，永磁起动发电机的b相与功率管V₃的源极和功率管V₄的漏极连接，永磁起动发电机的c相与功率管V₅的源极和功率管V₆的漏极连接，功率管V₁、V₃和V₅的漏极与功率管V₇的漏极连接，功率管V₂、V₄和V₆的源极与直流母线负极连接，功率管V₇的源极与直流母线正极连接，功率管V₁～V₇的栅极与控制电路连接构成；所述相控全桥包括SCR管Q₁～Q₆和薄膜电容C₁，是由永磁起动发电机的a相与SCR管Q₁的阳极和SCR管Q₄的阴极连接，永磁起动发电机的b相与SCR管Q₃的阳极和SCR管Q₆的阴极连接，永磁起动发电机的c相与SCR管Q₅的阳极和SCR管Q₂的阴极连接，SCR管Q₁、Q₃和Q₅的阴极与直流母线正极连接，SCR管Q₂、Q₄和Q₆的阳极与直流母线负极连接，SCR管Q₁～Q₆的栅极与控制电路连接，薄膜电容C₁两端分别与直流母线正极和负极连接。

2.如权利要求1所述的基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测系统对发电机位置的检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中频率锁定电路对辅助绕组输出的电压信号的处理步骤为，

(2.1)低通滤波器对辅助绕组输出信号v_s进行强力滤波，滤除高频成份，获得滤波后信号v_sp1；

(2.2)正值比较电路将v_sp1与正电平进行比较，获得同频方波信号v_sp2；

(2.3)锁相环通过分频移相电路对输出信号v_op进行反馈，实现反馈信号v_pll与输入信号v_sp2同频；

(2.4)分频移相电路输出两路相位相差90°、50％占空比的频率锁定信号v_rsin和v_rcos，v_rcos相对于v_rsin滞后90°。

3.如权利要求1所述的基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测系统对发电机位置的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中相位锁定电路对辅助绕组输出的电压信号的处理步骤为，

(3.1)辅助绕组输出信号v_s经反向器获得等大反向信号v_{s_n}；

(3.2)当v_cos为“H”和“L”时，开关S的输出端分别与输入“H”和“L”端连接，输出信号v_sc；

(3.3)低通滤波器1滤除v_sc中的高频成份，获得平滑直流成份v_Q；

(3.4)三角波调制PWM波发生器经低通滤波器2，滤除PWM波的高频成份，获得三角波v_r；

(3.5)比较器将v_Q与v_r进行比较，获得占空比与v_Q大小具有对应关系的方波信号v_Qc；

(3.6)方波信号v_Qc经正脉冲计数器、负脉冲计数器和减法器获得方波信号v_Qc正脉冲与负脉冲间的量化差N；

(3.7)移相累加器根据N值的正或负进行对v_rcos进行增加或减小相移运算，输出相位锁定信号v_cos。

4.如权利要求1所述的基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测系统对发电机位置的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中永磁起动发电机的电流幅值步骤为，

(4.1)三相电流i_abc经Clark变换转化i_αβ分量；

(4.2)i_α和i_β分别经反向器获得等大反向信号i_{α_n}和i_{β_n}；

(4.3)当v_rsin为“H”或“L”时，开关S_α的输出端分别与i_α或i_{α_n}连接，开关S_α的输出再经低通滤波器形成直流分量i_I；

(4.4)当v_rcos为“H”或“L”时，开关S_β的输出端分别与i_β或i_{β_n}连接，开关S_β的输出再经低通滤波器形成直流分量i_Q；

(4.5)通过计算得到电流幅值I。

5.如权利要求1所述的基于辅助绕组的永磁起动发电机位置检测系统对发电机位置的检测方法，其特征在于：所述步骤(5)中相位锁定信号与电机位置的偏差标定包括以下步骤：

(5.1)通过测试电机相与相之间的电感确定电机的相电感L_s，L_s＝(L_ab+L_bc+L_ca)/6，L_ab、L_bc和L_ca分别为A相与B相、B相与C相、C相与A相间的电感；

(5.2)为起动发电机添加辅助位置传感器；

(5.3)空载时，以辅助绕组输出相位为零相位，对外加辅助位置传感器进行零位置整定；

(5.4)以辅助位置传感器提供的位置为参考，起动发电复用电源变换器工作于SVPWM控制状态，给起动发电机通入合适相电流幅值I，且使直轴电流i_d＝0，在此条件下，确定起动发电机复用电源变换器交流侧的电压矢量与辅助位置传感器的相位角θ₂，确定辅助绕组的电压矢量与辅助传感器的相位角θ₁；

(5.5)根据L_s1＝L_s(tanθ₁/tanθ₂)，计算A相绕组中与辅助绕组耦合部分的电感L_s1；

(5.6)移除辅助位置传感器；

(5.7)根据起动发电机、起动发电复用电源变换器、电感L_s1、频率锁定步骤、相位锁定步骤和电流幅值检测步骤，构建仿真电路，在不同的起动发电复用电源变换器工作模式、转速n、起动发电机电流幅值I下，确定辅助绕组与电机位置的相位偏差θ₁(n，I)。