CN112953320B - 主电机转子位置估算方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种主电机转子位置估算方法、装置、计算机设备和存储介质，涉及交流电机传动控制技术领域，该方法在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；根据反电势确定励磁机转子位置估算值；根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。该方法基于多级式电励磁无刷同步电机自身的信号确定主电机转子位置，不需要额外加装位置传感器，所以相比于现有技术降低了成本，且提高了准确度。

Description

主电机转子位置估算方法、装置、计算机设备和存储介质

技术领域

本申请涉及交流电机传动控制技术领域，特别是涉及一种主电机转子位置估算方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术

目前，在中大型飞机上常用的发电机为多级式电励磁无刷同步电机。可使多级式电励磁无刷同步电机电动运行，从而应用于起动/发电一体化系统，起动/发电一体化系统用于实现飞机发动机的起动与发电一体化控制。其中，在起动控制过程中，需要获取主电机转子位置，主电机转子位置关系到起动的成功与否，以及起动力矩的大小。

现有技术中，获取主电机转子位置的方法包括：通过安装机械位置传感器(旋转变压器、光电码盘等)获取主电机转子位置。

然而，上述方案中，安装位置传感器对多级式电励磁无刷同步电机的机械结构的改动较大，直接导致了多级式电励磁无刷同步电机的体积重量的增加以及制作成本的上升，可靠性下降。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种主电机转子位置估算方法、装置、计算机设备和存储介质，可以准确地确定主电机转子位置，从而避免机械位置传感器的使用。

一种主电机转子位置估算方法，应用于多级式电励磁无刷同步电机，多级式电励磁无刷同步电机包括同轴安装的主电机和励磁机，该方法包括：

在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；

根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；

根据反电势确定励磁机转子位置估算值；

根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。

在其中一个实施例中，反电势包括d轴反电势和q轴反电势，根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势，包括：

根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流；

根据励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流获取励磁机的d轴反电势和q轴反电势。

在其中一个实施例中，根据反电势确定励磁机转子位置估算值，包括：

根据反电势确定励磁机反电势矢量；

根据励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定励磁机转子位置估算值的补偿角度；

根据补偿角度对初始励磁机转子位置估算值进行补偿，得到补偿后的励磁机转子位置估算值，初始励磁机转子位置估算值为上一控制周期的励磁机转子位置估算值；

根据反电势和补偿后的励磁机转子位置估算值，得到励磁机转子位置估算误差；

将励磁机转子位置估算误差输入比例积分调节器和积分器，得到励磁机转子位置估算值。

在其中一个实施例中，根据励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定励磁机转子位置估算值的补偿角度之前，该方法还包括：

根据励磁机在本控制周期的反电势矢量与在上一控制周期的反电势矢量的大小和象限位置确定励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向。

在其中一个实施例中，根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置，包括：

根据励磁机转子位置估算值确定励磁机转子机械旋转角度；

根据励磁机转子机械旋转角度确定主电机转子机械旋转角度；

根据主电机转子机械旋转角度确定主电机转子位置。

在其中一个实施例中，根据主电机转子机械旋转角度确定主电机转子位置，包括：

根据主电机转子机械旋转角度与主电机极对数确定主电机转子电旋转角度；

获取主电机转子初始位置；

根据主电机转子电旋转角度与主电机转子初始位置确定主电机转子位置。

在其中一个实施例中，根据励磁机转子位置估算值确定励磁机转子机械旋转角度，包括：

将励磁机转子位置估算值的初始值确定为励磁机初始位置；

将励磁机转子位置估算值减去励磁机初始位置得到励磁机转子电旋转角度；

根据励磁机转子电旋转角度与励磁机极对数确定励磁机转子机械旋转角度。

一种主电机转子位置估算装置，应用于多级式电励磁无刷同步电机，多级式电励磁无刷同步电机包括同轴安装的主电机和励磁机，该装置包括：

采集模块，用于在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；

计算模块，用于根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；

第一位置估计模块，用于根据反电势确定励磁机转子位置估算值；

第二位置估计模块，用于根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；

根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；

根据反电势确定励磁机转子位置估算值；

根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；

根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；

根据反电势确定励磁机转子位置估算值；

根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。

上述主电机转子位置估算方法、装置、计算机设备和存储介质，可以准确地估算主电机转子位置。该方法应用于多级式电励磁无刷同步电机，多级式电励磁无刷同步电机包括同轴安装的主电机和励磁机，包括：在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；根据反电势确定励磁机转子位置估算值；根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。该方法利用无刷励磁系统的这一电气特征对励磁机的转子位置进行估算，进而得到励磁机的机械旋转角度。由于励磁机转子和主电机转子具有同轴安装的机械特征，所以得到励磁机的机械旋转角度就得到了主电机的机械旋转角度。再加上主电机的转子初始位置，就可以得到主电机的转子位置。该方法基于多级式电励磁无刷同步电机自身的信号确定主电机转子位置，不需要额外加装位置传感器，所以相比于现有技术降低了成本，且提高了可靠性。

附图说明

图1为一种多级式电励磁无刷同步电机的结构示意图；

图2为一种主电机转子位置估算方法的流程图；

图3为励磁机的反电势矢量的示意图；

图4为一种根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置的方法的流程图；

图5为励磁机转子电旋转角度估算仿真结果示意图；

图6为主电机转子位置估算仿真结果示意图；

图7为一种计算励磁机dq轴反电势的方法的流程图；

图8为一种确定励磁机转子位置估算值的方法的流程图；

图9为一种确定励磁机转子位置估算值的锁相环示意图；

图10为励磁机、旋转整流器、主电机励磁机绕组组成的无刷励磁系统的示意图；

图11为三相桥式整流电路的示意图；

图12为三相桥式整流电路处于换相模式I的时候，电路中的电压电流波形示意图；

图13为三相桥式整流电路中二极管D₁，D₂导通期间的等效电路图；

图14为三相桥式整流电路中二极管D₁，D₃换相期间的等效电路图；

图15为三相桥式整流电路中二极管D₃，D₂导通期间的等效电路图；

图16为三相桥式整流电路处于换相模式II的时候，电路中的电压电流波形示意图；

图17为本申请实施例提供的一种主电机转子位置估算装置的框图；

图18为一种计算机设备的框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

目前，在中大型飞机上常用的发电机为多级式电励磁无刷同步电机。可使多级式电励磁无刷同步电机电动运行，从而应用于起动/发电一体化系统，起动/发电一体化系统(以下简称为起/发系统)用于实现飞机发动机的起动与发电一体化控制。其中，在起动控制过程中，需要获取主电机转子位置，主电机转子位置关系到起动的成功与否，以及起动力矩的大小。

如图1所示，图1示出了一种示例性的多级式电励磁无刷同步电机的结构示意图，根据图1可以看出，该多级式电励磁无刷同步电机包括三级结构(以下简称为三级式电机)，该三级结构指的是同轴安装的主电机、励磁机和副励磁机，其中，励磁机转子绕组和主电机转子绕组通过旋转整流器连接，副励磁机不参与多级式电励磁无刷同步电机的起动过程。因此，在起动控制过程中，仅需要关注主电机和励磁机，不需要关注副励磁机。

需要说明的是，本申请是以图1所示的多级式电励磁无刷同步电机为例提出的技术方案，本领域技术人员不加修改或者通过很少的修改把此本申请公开的技术方案应用到励磁机绕组为两相、三相以及多于三相的两级式或三级式电机上所得的技术方案也属于本申请的保护范围。

三级式电机在发电运行时不需要主电机的转子位置信息，但是，在电机起动控制中，主电机转子位置关系到起动的成功与否，以及起动力矩的大小，因此需要获取主电机转子位置。

现有技术中，通过安装机械位置传感器(旋转变压器、光电码盘等)获取主电机转子位置，然而，安装位置传感器对三级式电机的机械结构的改动较大，直接导致了三级式电机的体积重量的增加以及制作成本的上升。同时，在起/发系统中，三级式电机恶劣的工作环境导致了机械位置传感器故障率的上升，降低了起/发系统的可靠性。因此，不使用机械位置传感器，只利用三级式电机易于测量的电信号对主电机转子位置进行估算的方法具有重要研究意义，目前受到了大量关注。

由于副励磁机不参与三级式电机的起动，所以三级式电机在起动过程中与传统电机的最大区别在于多了一套由励磁机、旋转整流器以及主电机励磁绕组组成的无刷励磁系统。目前，根据是否考虑多级式电励磁无刷同步电机的特征，将三级式电机主电机转子位置的估算方法分为通用方法和专用方法两类。

下面，对通用方法进行说明：

把三级式电机的无刷励磁系统看成一个黑箱，信号只能从主电机定子注入或检测的主电机转子位置估算方法都可以称为通用方法。最常见的基于电机模型的方法即可归为通用方法，但是由于电机反电势在零低速时难以准确估算，所以这类方法通常只应用于中高速区。在传统的基于高频信号注入的方法中，高频信号的注入和检测都是在主电机定子进行，因此也可归为通用方法。这类方法依赖于电机确定的结构凸极性或饱和凸极性。但是，对于三级式电机主电机来说，其凸极性在起动过程中有消失或者反转的可能性，降低了此类方法应用于主电机时的可靠性。同时，由于注入的高频信号不是电机正常运行时所需要的信号，所以会引起损耗、噪音、转矩波动以及电机输出转矩下降等问题。

下面，对专用方法进行说明：

考虑无刷励磁系统电气或机械特征的主电机转子位置估算方法可称为专用方法。主电机作为电励磁同步电机，其励磁绕组也可以用来进行信号的注入和检测。由于三级式电机主电机的转子绕组不能直接测量，所以，有学者提出了一种在主电机定子注入高频信号，然后在励磁机定子检测高频响应信号的主电机转子位置估算方法。此方法中，主电机转子位置估算主要依赖于主电机直轴绕组和励磁绕组间的互感，避免了主电机凸极性变化对高频信号注入法的影响。但是，高频信号注入带来的其他缺点仍然存在。

当高频信号从主电机的转子注入，高频响应信号从主电机的定子检测时，同样可以避免主电机凸极性变化对高频信号注入法的影响。因此，有学者提出利用旋转整流器在主电机励磁绕组上造成的电流波动作为主电机转子高频注入信号，从而进行主电机转子位置估算。此类方法同样不依赖于主电机的凸极性，同时利用了电机内部已有的高频信号，不需要额外注入高频信号，避免了高频注入信号带来的不利影响。但是，旋转整流器给主电机励磁绕组带来的高频信号强度由电机的参数决定，调节较为困难。同时，由于主电机正常运行时电压电流很大，可能造成主电机定子绕组高频响应信号信噪比低的问题。

鉴于上述多种现有技术存在诸多不足之处，本申请实施例提供了一种主电机转子位置估算方法，在深入分析励磁机转子电流和励磁机转子位置关系的基础上，基于励磁机可以被认为是主电机的“位置传感器”的特点通过励磁机转子位置估计主电机转子位置，提高了系统的动态特性，同时对励磁机参数不敏感。

请参考图2，其示出了本申请实施例提供的一种主电机转子位置估算方法的流程图，该主电机转子位置估算方法应用于多级式电励磁无刷同步电机，该多级式电励磁无刷同步电机包括同轴安装的主电机和励磁机，可以包括以下步骤：

步骤201，在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流。

首先对本申请实施例中的仿真结果的仿真环境进行说明：设定励磁机的转子初始位置为20°电角度，主电机的转子初始位置为60°电角度，当时间为0-0.5s时，电机处于静止状态，当时间为0.5s-3s时，电机处于匀加速状态，从0rpm加速到100rpm，励磁机为2对极，主电机为3对极，励磁机磁场旋转方向和转子旋转方向相反。

在励磁机定子侧施加频率为f1的三相对称电压u_esA，u_esB，u_esC，并通过电流传感器采集励磁机的三相定子电流i_esA，i_esB，i_esC。

步骤202，根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势。

其中，在多级式电励磁无刷同步电机中励磁机的反电势包括d轴反电势和q轴反电势。其中，d轴反电势和q轴反电势可以如图3所示。

本申请实施例中，dq轴反电势中的主要成分是由高频谐波引起的，在高频情况下，可以忽略定子电阻压降，同时，励磁机定子上的高频电压信号为零，所以，励磁机dq轴反电势可以基于公式(1)来计算，其中公式(1)表示如下：

其中，

为d轴反电势，

为q轴反电势。

由公式(1)可知，其中，

为励磁机定子α_sβ_s轴的电流，L_es为励磁机定子电感,M_em为励磁机定转子互感。通过

可以获得dq轴反电势。

根据公式(1)可以看出，L_es这个电机参数，只会成比例的放大dq轴反电势，而不会影响dq轴反电势的相对特征，所以，即使L_es这个参数不准确，甚至未知，仍然可以从

中获得dq轴反电势的信息，并进一步用来进行励磁机转子位置估算。

步骤203，根据反电势确定励磁机转子位置估算值。

本申请实施例中，可以根据各个控制周期的励磁机的反电势矢量的位置确定励磁机转子位置估算值。

本申请实施例中，在励磁机正常运行过程中其dq轴反电势合成的反电势矢量如图3所示，根据图3示出的反电势矢量可以看出，励磁机的相邻换相期间对应的两个反电势矢量之间的角度差值是相等的，即表示相邻的两个换相期间，反电势矢量的跳变幅度是相同的。

步骤204，根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。

本申请实施例中，如图4所示，根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置的过程包括：

步骤401，根据励磁机转子位置估算值确定励磁机转子机械旋转角度。

首先，将励磁机转子位置估算值的初始值确定为励磁机初始位置；即将第一控制周期对应的励磁机转子位置估算值作为励磁机初始位置。然后，对于后续的各控制周期，将励磁机转子位置估算值减去励磁机初始位置得到励磁机转子电旋转角度。

其中，励磁机转子电旋转角度估算仿真结果如图5所示。由于励磁机磁场旋转方向和转子旋转方向相反，所以励磁机转子位置估算值和实际值的变化方向相反，同时，由于励磁机转子位置开始估算的第一个换相期间是随机的，所以，励磁机转子位置的估算值不一定和实际值是一致的。但是，这种不一致并不影响励磁机旋转角度的估算。如图5中的仿真结果可知，励磁机旋转角度估算值和实际值是一致的，估算误差在0°附近。

例如，励磁机初始位置为70度，各控制周期励磁机转子位置估算值分别为75、78、79……。那么通过75-70＝5，78-70＝8，79-70＝9……，得到的5、8、9……即为各控制周期励磁机转子电旋转角度。

最后，根据励磁机转子电旋转角度与励磁机极对数确定励磁机转子机械旋转角度。

其中，极对数是指电机的磁极的对数。可以用励磁机转子电旋转角度除以励磁机极对数，得到励磁机转子机械旋转角度。

步骤402，根据励磁机转子机械旋转角度确定主电机转子机械旋转角度。

本申请实施例中，由于主电机与励磁机同轴安装，因此二者具有相同的机械旋转角度，也就是说，励磁机转子机械旋转角度即为主电机转子机械旋转角度。

步骤403，根据主电机转子机械旋转角度确定主电机转子位置。

首先，根据主电机转子机械旋转角度与主电机极对数确定主电机转子电旋转角度。本申请实施例中，可以将主电机转子机械旋转角度与主电机极对数的乘积作为主电机转子电旋转角度。然后，获取主电机转子初始位置。本申请实施例中，可以采用现有技术获取主电机转子初始位置。

最后，根据主电机转子电旋转角度与主电机转子初始位置确定主电机转子位置。对于各换相期间，可以基于该换相期间的主电机转子电旋转角度与主电机转子初始位置的和确定主电机转子位置。

其中，主电机转子位置估算仿真结果如图6所示。由仿真结果可知，主电机转子位置估算值和实际值是一致，估算误差在0°附近，实现了主电机转子位置的准确估算。

在本申请的另一个实施例中，反电势包括d轴反电势和q轴反电势，如图7所示，计算励磁机的反电势的过程包括以下步骤：

步骤701，根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流。

本申请实施例中，可以基于预设的坐标转换矩阵将三相定子电流转换为励磁机定子α_sβ_s轴的电压和电流。本申请实施例不限定预设的坐标转换矩阵的矩阵元素的数值。

可选的，预设的坐标转换矩阵可以为

下面以该坐标转换矩阵为例进行说明：

其中，确定励磁机定子α_sβ_s轴的电流的转换公式为：

其中，确定励磁机定子α_sβ_s轴的电压的转换公式为：

步骤702，根据励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流获取励磁机的d轴反电势和q轴反电势。

可选的，本公开实施例中可以基于公式(2)计算励磁机转子的d轴反电势和q轴反电势，公式(2)的表达式如下：

在励磁机定子电压以及励磁机参数可测或已知的情况下，可以基于公式(2)直接计算、或通过观测器获得

和

即d轴反电势和q轴反电势。

基于本申请实施例提供的方法确定的励磁机转子的d轴反电势和q轴反电势更加准确，从而提高主电机转子位置估算结果的准确性。

在本申请的另一个实施例中，如图8所示，其示出了一种确定励磁机转子位置估算值的技术过程，该技术过程包括以下步骤：

步骤801，根据励磁机的反电势确定励磁机反电势矢量。

励磁机的反电势矢量请参考图3所示。

步骤802，根据励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定励磁机转子位置估算值的补偿角度。

励磁机的反电势矢量会随着换相状态的变换而发生跳变，本申请实施例中，可以基于本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定励磁机转子位置估算值的补偿角度。

可选的，如果本控制周期的反电势矢量相对于上一控制周期的反电势矢量的位置发生了逆时针跳变，那么励磁机转子位置估算值的补偿角度为+π/3；如果本控制周期的反电势矢量相对于上一控制周期的反电势矢量的位置发生了顺时针跳变，那么励磁机转子位置估算值的补偿角度为-π/3；如果本控制周期的反电势矢量相对于上一控制周期的反电势矢量的位置未发生跳变，那么励磁机转子位置估算值的补偿角度为0。

在一种可选的实现方式中，确定上一控制周期的反电势矢量与本控制周期的反电势矢量的跳变方向的过程包括：

根据励磁机在本控制周期的反电势矢量与在上一控制周期的反电势矢量的大小和象限位置确定励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向。

其中，默认逆时针跳变为正方向，通过相邻两控制周期的反电势矢量的象限位置以及大小，判断相邻两控制周期的反电势矢量的跳变方向的判断方法包括以下几种情况：

(a)如果相邻两控制周期的反电势矢量位于不同象限，则可以通过象限位置判断反电势矢量的跳变方向。

(b)如果相邻两控制周期的反电势矢量，一次出现在坐标轴上，一次出现在象限中，则可以通过坐标轴位置和象限位置判断反电势矢量的跳变方向。

(c)如果相邻两控制周期的反电势矢量位于同一坐标轴，那么未发生跳变。

(d)如果相邻两控制周期的反电势矢量位于同一象限，则需要根据象限位置以及相邻两控制周期的反电势矢量的大小进行反电势矢量的跳变方向的判断，具体方法如下：

(1)相邻两控制周期的反电势矢量同时位于第一或者第三象限，如果本控制周期的d轴反电势绝对值小于q轴反电势，且上一控制周期的d轴反电势绝对值大于q轴反电势，那么跳变方向为逆时针；如果本控制周期的d轴反电势绝对值大于q轴反电势，且上一控制周期的d轴反电势绝对值小于q轴反电势，跳变方向为顺时针；如果本控制周期和上一控制周期的d轴反电势绝对值均大于q轴反电势，或d轴反电势绝对值均小于q轴反电势，则未发生跳变。

(2)相邻两控制周期的反电势矢量同时位于第二或者第四象限，如果本控制周期的d轴反电势绝对值大于q轴反电势，且上一控制周期的d轴反电势绝对值小于q轴反电势，那么跳变方向为逆时针；如果本控制周期的d轴反电势绝对值小于q轴反电势，且上一控制周期的d轴反电势绝对值大于q轴反电势，跳变方向为顺时针；如果本控制周期和上一控制周期的d轴反电势绝对值均大于q轴反电势，或d轴反电势绝对值均小于q轴反电势，则未发生跳变。

步骤803，根据补偿角度对初始励磁机转子位置估算值进行补偿，得到补偿后的励磁机转子位置估算值，根据反电势和补偿后的励磁机转子位置估算值，得到励磁机转子位置估算误差。

其中，初始励磁机转子位置估算值为上一控制周期的励磁机转子位置估算值。

如图9所示d轴反电势和q轴反电势输入锁相环之后，锁相环可以基于d轴反电势和q轴反电势确定出补偿角度，并通过补偿角度对初始励磁机转子位置估算值进行补偿得到补偿后的励磁机转子位置估算值。

然后，将补偿后的励磁机转子位置估算值进行反馈，结合d轴反电势和q轴反电势得到励磁机转子位置估算误差。

如图3所示，图3示出了d轴反电势和q轴反电势拟合得到的反电势矢量的示意图，其中，实线是θ_er＝0°时的反电势矢量，虚线是θ_er＝20°时的反电势矢量。可以看出，当励磁机旋转的时候，其反电势矢量也随之旋转。同时可以发现，反电势矢量随着换相状态的变化而跳变，每次跳变的角度为π/3。

步骤804，将励磁机转子位置估算误差输入比例积分调节器和积分器，得到励磁机转子位置估算值。

本申请实施例中，如图9所示，通过d轴反电势和q轴反电势获取同步采样信号，基于同步采样信号和补偿后的励磁机转子位置估算值通过三角函数获得励磁机转子位置交流估算误差信号，将励磁机转子位置交流估算误差信号输入比例积分调节器和积分器，对励磁机转子位置交流估算误差信号进行解调，从而获得励磁机转子位置估算误差信号。

本申请实施例中，根据励磁机转子位置估算值的补偿角度确定本控制周期对应的锁相环模型，不同的跳变方向确定不同的锁相环模型，从而使得确定出的本控制周期励磁机转子位置估算值更加准确。

在本申请的另一个实施例中，示出了本身实施例中的一种仿真示意图，

请参考图10，其示出了图1中的励磁机与主电机组成的无刷励磁系统的示意图，该示意图中，α_sβ_s坐标系固定在定子上，α_rβ_r坐标系固定在转子上，

坐标系为α_rβ_r坐标系的估算坐标系(上标“e”表示估算)，dq坐标系为交直轴坐标系，其与α_sβ_s坐标系重合。

其中，u_esA，u_esB，u_esC为励磁机定子相电压；i_esA，i_esB，i_esC为励磁机定子相电流；i_era，i_erb，i_erc为励磁机转子相电流；i_f为主电机励磁电流；

θ_er为励磁机转子位置，θ_er＝θ_er0+ω_ert，θ_er0为励磁机初始位置，ω_ert为励磁机电角速度；

为励磁机转子位置估算值，

为励磁机转子初始位置估算值；Δθ_er为励磁机转子位置估算值和实际值之差，

基于图10中示出的无刷励磁系统的示意图可以得到励磁机的电压方程：

式中，

为励磁机定子α_sβ_s轴电压；u_erd、u_erq为励磁机转子dq轴电压；

为励磁机定子α_sβ_s轴电流；i_erd，i_erq为励磁机转子dq轴电流；R_es为励磁机电子电阻；R_er为励磁机转子电阻；L_es为励磁机定子电感；L_er为励磁机转子电感；M_em为励磁机定转子互感。

无刷励磁系统可以使用图11所示的三相桥式整流电路来分析。e_era，e_erb，e_erc为励磁机转子等效感应电势；L_r为励磁机转子等效换相电感；D₁-D₆为二极管。为了说明无刷励磁系统的主要特征，作如下假设：旋转整流器中的二极管为理想二极管；励磁机转子等效换相电阻忽略不计；主电机励磁电感足够大，励磁电流为直流。

等效感应电势可以表示为：

式中：E_m为励磁机转子等效感应电势幅值；ω_er为励磁机转子等效感应电势角频率，θ_e1＝ω_e1t。

一般情况下，多级式电励磁无刷同步电机的三相桥式整流电路共阴极组中处于交流电位最高的二极管导通，共阳极组中处于交流电位最低的二极管导通。当共阴极组中处于最高电位或共阳极组中处于最低电位的二极管开始变化时，三相桥式整流电路进入换相状态。对于三相桥式整流电路，通常有两种换相模式，分别是换相模式I和换相模式II。

下面对换相模式I进行分析：

当多级式电励磁无刷同步电机的三相桥式整流电路处于换相模式I的时候，电路中的电压电流波形如图12所示。在0时刻以前，共阴极组中D₁处于最高电位，共阳极组中D₂处于最低电位，因此D₁，D₂导通，等效电路如图13所示，此时-i_era＝i_erc＝i_f，i_erb＝0，三相桥式整流电路处于非换相状态。当t＝0时，e_era＝e_erb，由于L_γ的存在，D₁中的电流不能立即回到0，因此，D₁，D₃进入换相状态，等效电路如图14所示，换相过程持续的电角度定义为换相角γ(γ＝ω_e1t₁)。当t＝t₁时，D₁，D₃换相结束，共阴极组电流全部从D₃流过，共阳极组电流全部从D₂流过，三相桥式整流电路再次进入非换相状态，如图15所示。在一个周期内，换相模式I下，二极管的工作情况如表1所示：

表1

时段

0-t<sub>1</sub>

t<sub>1</sub>-t<sub>2</sub>

t<sub>2</sub>-t<sub>3</sub>

t<sub>3</sub>-t<sub>4</sub>

t<sub>4</sub>-t<sub>5</sub>

t<sub>5</sub>-t<sub>6</sub>

共阴极组中导通的二极管

D<sub>1</sub>，D<sub>3</sub>

D<sub>3</sub>

D<sub>3</sub>

D<sub>3</sub>

D<sub>3</sub>，D<sub>5</sub>

D<sub>5</sub>

共阳极组中导通的二极管

D<sub>2</sub>

D<sub>2</sub>

D<sub>2</sub>，D<sub>4</sub>

D<sub>4</sub>

D<sub>4</sub>

D<sub>4</sub>

时段

t<sub>6</sub>-t<sub>7</sub>

t<sub>7</sub>-t<sub>8</sub>

t<sub>8</sub>-t<sub>9</sub>

t<sub>9</sub>-t<sub>10</sub>

t<sub>10</sub>-t<sub>11</sub>

t<sub>11</sub>-t<sub>12</sub>

共阴极组中导通的二极管

D<sub>5</sub>

D<sub>5</sub>

D<sub>5</sub>，D<sub>1</sub>

D<sub>1</sub>

D<sub>1</sub>

D<sub>1</sub>

共阳极组中导通的二极管

D<sub>4</sub>，D<sub>6</sub>

D<sub>6</sub>

D<sub>6</sub>

D<sub>6</sub>

D<sub>6</sub>，D<sub>2</sub>

D<sub>2</sub>

由图12可以看出，在非换相期间，i_era，i_erb，i_erc与励磁电流i_f成倍数关系，分析较为简单，下面主要对换相期间的i_era，i_erb，i_erc进行计算。

以D₁，D₃换相期间为例，在D₁，D₃换相期间(0-t₁)，由图14可得：

对上式进行变换可求得D₁，D₃换相期间的di_era/dt、di_erb/dt、di_erc/dt为：

考虑到电机转速较低，通过上式所示的坐标变换可近似求得D₁，D₃换相期间的di_erd/dt、di_erq/dt为：

可见，在D₁，D₃换相期间，di_erd/dt、di_erq/dt中包含励磁机转子位置信息。其余二极管换相期间的di_erd/dt、di_erq/dt计算具有相似的过程，本申请实施例中，表2中示出了不同二极管导通时di_erd/dt、di_erq/dt的计算表达式。

表2

仍以D₁，D₃换相期间为例，将励磁机转子位置估算值减去2π/3后的余弦值和正弦值分别和di_erd/dt、di_erq/dt相乘并相加，如下式所示：

当Δθ_er很小的时候，近似有

因此，通过锁相环，可将Δθ_er收敛到0，从而实现对励磁机转子位置θ_er的跟踪。

如前所述，di_erd/dt、di_erq/dt反电势矢量随着换相过程的变化而跳变。如果下一次换相过程为D₂，D₄换相，那么di_erd/dt、di_erq/dt的表达式变为

为获得Δθ_er，需要将励磁机转子位置估算值减去π/3后的余弦值和正弦值分别和di_erd/dt、di_erq/dt相乘并相加，如下式所示

当Δθ_er很小的时候，近似有

相比于D₁，D₃换相，追踪的角度值跳变了π/3，这和图6所示的反电势矢量跳变是一致的。根据上述分析，通过上式所示的励磁机电压方程获得di_erd/dt、di_erq/dt，然后通过锁相环，并补偿di_erd/dt、di_erq/dt反电势矢量跳动角度，即可进行励磁机转子位置估算，并可进一步进行主电机转子位置估算。

下面对换相模式II进行分析：

当多级式电励磁无刷同步电机的三相桥式整流电路处于换相模式II的时候，电路中的电压电流波形如图16所示。

参考对换相模式I的解析过程，本申请实施例在表3中示出了在换相模式II下的不同二极管导通时di_erd/dt、di_erq/dt的计算表达式。

表3

应该理解的是，虽然上述实施例中的流程图中的各个步骤之间上下连接依次显示，但是这些步骤并不是必然按照自上向下的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，上述流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图17所示，提供了一种主电机转子位置估算装置1700，该装置应用于多级式电励磁无刷同步电机，所述多级式电励磁无刷同步电机包括同轴安装的主电机和励磁机，包括：采集模块1701，计算模块1702，第一位置估计模块1703和第二位置估计模块1704，其中：

采集模块1701，用于在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；

计算模块1702，用于根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；

第一位置估计模块1703，用于根据反电势确定励磁机转子位置估算值；

第二位置估计模块1704，用于根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，反电势包括d轴反电势和q轴反电势，计算模块1702具体用于：根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流；根据励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流获取励磁机的d轴反电势和q轴反电势。

在本申请的一个实施例中，第一位置估计模块1703具体用于：

根据反电势确定励磁机反电势矢量；根据励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定励磁机转子位置估算值的补偿角度；根据补偿角度对初始励磁机转子位置估算值进行补偿，得到补偿后的励磁机转子位置估算值，初始励磁机转子位置估算值为上一控制周期的励磁机转子位置估算值；根据反电势和补偿后的励磁机转子位置估算值，得到励磁机转子位置估算误差；将励磁机转子位置估算误差输入比例积分调节器和积分器，得到励磁机转子位置估算值。

在本申请的一个实施例中，第一位置估计模块1703具体用于：根据励磁机在本控制周期的反电势矢量与在上一控制周期的反电势矢量的大小和象限位置确定励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向。

在本申请的一个实施例中，第二位置估计模块1704具体用于：

根据励磁机转子位置估算值确定励磁机转子机械旋转角度；

根据励磁机转子机械旋转角度确定主电机转子机械旋转角度；

根据主电机转子机械旋转角度确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，第二位置估计模块1704具体用于：

根据主电机转子机械旋转角度与主电机极对数确定主电机转子电旋转角度；

获取主电机转子初始位置；

根据主电机转子电旋转角度与主电机转子初始位置确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，第二位置估计模块1704具体用于：

将励磁机转子位置估算值的初始值确定为励磁机初始位置；

将励磁机转子位置估算值减去励磁机初始位置得到励磁机转子电旋转角度；

根据励磁机转子电旋转角度与励磁机极对数确定励磁机转子机械旋转角度。

关于主电机转子位置估算装置的具体限定可以参见上文中对于主电机转子位置估算方法的限定，在此不再赘述。上述主电机转子位置估算装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，其内部结构图可以如图18所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储主电机转子初始位置、主电机极对数以及励磁机极对数等。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种主电机转子位置估算方法。

本领域技术人员可以理解，图18中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该计算机程序被该处理器执行时实现：

在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；

根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；

根据反电势确定励磁机转子位置估算值；

根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，反电势包括d轴反电势和q轴反电势，该计算机程序被该处理器执行时实现：

根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流；

根据励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流获取励磁机的d轴反电势和q轴反电势。

在本申请的一个实施例中，该计算机程序被该处理器执行时实现：

根据反电势确定励磁机反电势矢量；根据励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定励磁机转子位置估算值的补偿角度；根据补偿角度对初始励磁机转子位置估算值进行补偿，得到补偿后的励磁机转子位置估算值，初始励磁机转子位置估算值为上一控制周期的励磁机转子位置估算值；根据反电势和补偿后的励磁机转子位置估算值，得到励磁机转子位置估算误差；将励磁机转子位置估算误差输入比例积分调节器和积分器，得到励磁机转子位置估算值。

在本申请的一个实施例中，该计算机程序被该处理器执行时实现：

根据励磁机在本控制周期的反电势矢量与在上一控制周期的反电势矢量的大小和象限位置确定励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向。

在本申请的一个实施例中，该计算机程序被该处理器执行时实现：

根据励磁机转子位置估算值确定励磁机转子机械旋转角度；

根据励磁机转子机械旋转角度确定主电机转子机械旋转角度；

根据主电机转子机械旋转角度确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，该计算机程序被该处理器执行时实现：

根据主电机转子机械旋转角度与主电机极对数确定主电机转子电旋转角度；

获取主电机转子初始位置；

根据主电机转子电旋转角度与主电机转子初始位置确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，该计算机程序被该处理器执行时实现：

将励磁机转子位置估算值的初始值确定为励磁机初始位置；

将励磁机转子位置估算值减去励磁机初始位置得到励磁机转子电旋转角度；

根据励磁机转子电旋转角度与励磁机极对数确定励磁机转子机械旋转角度。

本申请实施例提供的计算机设备，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；

根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的反电势；

根据反电势确定励磁机转子位置估算值；

根据励磁机转子位置估算值确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，反电势包括d轴反电势和q轴反电势，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据三相定子电流和三相对称电压计算励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流；

根据励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流获取励磁机的d轴反电势和q轴反电势。

在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据反电势确定励磁机反电势矢量；根据励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定励磁机转子位置估算值的补偿角度；根据补偿角度对初始励磁机转子位置估算值进行补偿，得到补偿后的励磁机转子位置估算值，初始励磁机转子位置估算值为上一控制周期的励磁机转子位置估算值；根据反电势和补偿后的励磁机转子位置估算值，得到励磁机转子位置估算误差；将励磁机转子位置估算误差输入比例积分调节器和积分器，得到励磁机转子位置估算值。

在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据励磁机在本控制周期的反电势矢量与在上一控制周期的反电势矢量的大小和象限位置确定励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向。

在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据励磁机转子位置估算值确定励磁机转子机械旋转角度；

根据励磁机转子机械旋转角度确定主电机转子机械旋转角度；

根据主电机转子机械旋转角度确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据主电机转子机械旋转角度与主电机极对数确定主电机转子电旋转角度；

获取主电机转子初始位置；

根据主电机转子电旋转角度与主电机转子初始位置确定主电机转子位置。

在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

将励磁机转子位置估算值的初始值确定为励磁机初始位置；

将励磁机转子位置估算值减去励磁机初始位置得到励磁机转子电旋转角度；

根据励磁机转子电旋转角度与励磁机极对数确定励磁机转子机械旋转角度。

本实施例提供的计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种主电机转子位置估算方法，其特征在于，应用于多级式电励磁无刷同步电机，所述多级式电励磁无刷同步电机包括同轴安装的主电机和励磁机，所述方法包括：

在所述励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集所述励磁机的三相定子电流；

根据所述三相定子电流和所述三相对称电压计算所述励磁机的反电势；

根据所述反电势确定所述励磁机反电势矢量；

根据所述励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定所述励磁机转子位置估算值的补偿角度；

根据所述补偿角度对初始励磁机转子位置估算值进行补偿，得到补偿后的励磁机转子位置估算值，所述初始励磁机转子位置估算值为上一控制周期的励磁机转子位置估算值；

根据所述反电势和所述补偿后的励磁机转子位置估算值，得到励磁机转子位置估算误差；

将所述励磁机转子位置估算误差输入比例积分调节器和积分器，得到所述励磁机转子位置估算值；

根据所述励磁机转子位置估算值确定所述主电机转子位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反电势包括d轴反电势和q轴反电势，所述根据所述三相定子电流和所述三相对称电压计算所述励磁机的反电势，包括：

根据所述三相定子电流和所述三相对称电压计算所述励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流；

根据所述励磁机的定子α_sβ_s轴的电压和电流获取所述励磁机的d轴反电势和q轴反电势。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定所述励磁机转子位置估算值的补偿角度之前，所述方法还包括：

根据所述励磁机在本控制周期的反电势矢量与在上一控制周期的反电势矢量的大小和象限位置确定所述励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述励磁机转子位置估算值确定所述主电机转子位置，包括：

根据所述励磁机转子位置估算值确定所述励磁机转子机械旋转角度；

根据所述励磁机转子机械旋转角度确定所述主电机转子机械旋转角度；

根据所述主电机转子机械旋转角度确定所述主电机转子位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述主电机转子机械旋转角度确定所述主电机转子位置，包括：

根据所述主电机转子机械旋转角度与主电机极对数确定所述主电机转子电旋转角度；

获取主电机转子初始位置；

根据所述主电机转子电旋转角度与所述主电机转子初始位置确定所述主电机转子位置。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述励磁机转子位置估算值确定所述励磁机转子机械旋转角度，包括：

将所述励磁机转子位置估算值的初始值确定为所述励磁机初始位置；

将所述励磁机转子位置估算值减去所述励磁机初始位置得到所述励磁机转子电旋转角度；

根据所述励磁机转子电旋转角度与励磁机极对数确定所述励磁机转子机械旋转角度。

7.一种主电机转子位置估算装置，其特征在于，应用于多级式电励磁无刷同步电机，所述多级式电励磁无刷同步电机包括同轴安装的主电机和励磁机，所述装置包括：

采集模块，用于在所述励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集所述励磁机的三相定子电流；

计算模块，用于根据所述三相定子电流和所述三相对称电压计算所述励磁机的反电势；

第一位置估计模块，用于根据所述反电势确定所述励磁机反电势矢量；

根据所述励磁机在本控制周期的反电势矢量相对于在上一控制周期的反电势矢量的跳变方向确定所述励磁机转子位置估算值的补偿角度；

根据所述补偿角度对初始励磁机转子位置估算值进行补偿，得到补偿后的励磁机转子位置估算值，所述初始励磁机转子位置估算值为上一控制周期的励磁机转子位置估算值；

根据所述反电势和所述补偿后的励磁机转子位置估算值，得到励磁机转子位置估算误差；

将所述励磁机转子位置估算误差输入比例积分调节器和积分器，得到所述励磁机转子位置估算值；

第二位置估计模块，用于根据所述励磁机转子位置估算值确定所述主电机转子位置。

8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6任一所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一所述的方法。

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