CN113676101B - 基于解耦信号的三级式无刷交流同步电机位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于解耦信号的三级式无刷交流同步电机位置估计方法，所述方法具体为：输入单相交流电源至主励磁机的励磁绕组中，使得主励磁机转子侧感应出三相交流电源，所述旋转整流器将三相交流电源整流成含有偶次谐波高频分量的直流电源，将旋转整流器的输出输入至主发电机中，为主发电机的励磁绕组提供直流励磁，根据在主发电机电枢绕组中检测到的感应电流和提取的高频响应信号，生成与高频响应信号同步的同步解耦信号，采用外差法对同步解耦信号进行解调，实现主发电机转子位置角的估计。本发明无需额外使用滤波器，易于实施，能够获得较为准确的同步解耦信号。

Description

基于解耦信号的三级式无刷交流同步电机位置估计方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域

背景技术

起动发电一体化系统能够省去专门的起动装置，节省成本，减少系统的体积重量，是多电/全电飞机的核心技术。旋转整流器式三级式无刷交流同步电机去除了电刷滑环结构，主励磁机的输出经旋转整流器整流后为主发电机提供励磁，提高了系统的可靠性。目前，多电飞机B787的主电源系统使用了4台250kVA三级式无刷交流同步电机实现起动发电一体化系统。

现阶段，三级式无刷交流同步电机的发电调压技术较为成熟，起动控制是三级式同步电机实现起动/发电一体化的关键技术。三级式同步电机的起动控制依赖于准确的转子位置角度，通常可通过光电编码器、旋转变压器等位置传感器来获取转子位置信息。然而复杂恶劣的航空环境下，位置传感器的使用受限，因此需开展三级式无刷交流同步电机无位置传感器的起动控制研究。

传统的同步电机低速起动阶段的位置估计通常使用高频信号注入法，在主发电机定子侧注入高频信号，在同一侧提取含转子位置信息的高频响应信号，并通过外差法进行幅值调制，获取电机转子位置。定子侧注入高频信号的方法为提高信噪比，保证位置估计精度，需增大注入的高频信号的幅值，这会引起起动时的转矩脉动。根据三级式同步电机结构的特殊性，可以从主励磁机侧间接向主发电机转子绕组注入高频信号，然而间接注入的高频信号及产生的响应信号相位信息未知，无法直接通过外差法解调计算转子位置。因此，三级式无刷交流同步电机位置估计过程中的同步解耦信号生成方法具有很大的研究意义。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种信号的三级式无刷交流同步电机位置估计方法。

技术方案：本发明提供了一种基于解耦信号的三级式无刷交流同步电机位置估计方法，所述三级式无刷交流同步电机包括依次同轴设置的主励磁机，旋转整流器和主发电机；所述方法具体为：输入单相交流电源至主励磁机的励磁绕组中，使得主励磁机转子侧感应出三相交流电源，所述旋转整流器将三相交流电源整流成含有偶次谐波高频分量的直流电源，将旋转整流器输出的电压输入至主发电机中，为主发电机的励磁绕组提供直流励磁，根据在主发电机电枢绕组中检测到的感应电流和提取的高频响应信号，生成与高频响应信号同步的同步解耦信号，采用外差法对同步解耦信号进行解调，实现主发电机转子位置角的估计。

进一步的，所述主励磁机的励磁绕组中的励磁电流i_ef为：

ω_ex为励磁电流角频率，I_ef为励磁电流有效值，t为时间变量；

所述三相交流电源的感应电势为分别为e_exa,e_exb,e_exc；e_exa,e_exb,e_exc的表达式为：

式中M_ef为主励磁机定转子绕组之间互感的最大值，θ_e0为主励磁机初始位置的电角度；

所述旋转整流器的输出电压u_f为：

式中，U_f为直流分量，u_n为2n次谐波电压的幅值，是2n次谐波电压的相位。

进一步的，所述同步解耦信号u_fh为：

其中，sgn(.)为符号函数，u_αh和u_βh分别表示高频响应信号在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量，u_αh和u_βh的表达式为：

为高频响应信号的相位，u_h为高频响应信号的幅值分量，θ为主发电机转子位置角。

进一步的，当三级式无刷交流同步电机处于零速静止阶段时，sgn(u_fh)的表达式为：

其中，i_α和i_β为在主发电机电枢绕组中检测到的感应电流在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量；

当三级式无刷交流同步电机处于低速起动阶段时，sgn(u_fh)的表达式为：

为主发电机转子位置角的估计值。

有益效果：

(1)本发明方法应用在三级式无刷交流同步电机起动阶段的位置估计过程，可准确生成同步解耦信号。

(2)本发明方法无需额外的滤波器，避免使用滤波器对生成的同步解耦信号造成相移，本发明生成的同步解耦信号相位精度较高。

(3)本发明方法仅检测主发电机定子侧感应电流和定子侧电枢绕组电压，易于实施，减少系统控制复杂性。

附图说明

图1是本发明方法适用的三级式无刷交流同步电机结构示意图；

图2是基于本发明方法的三级式无刷交流同步电机无位置传感器起动控制框图；

图3是本发明的方法流程图；

图4是零速静止阶段主发电机定子侧α轴高频响应信号和生成的同步解耦信号仿真波形图；

图5是低速起动阶段主发电机定子侧α轴高频响应信号和生成的同步解耦信号仿真波形图；

图6是基于本发明方法的三级式无刷交流同步电机无位置传感器起动控制的转速、位置估计角度和实际转子角度的对比以及位置估计误差仿真结果图；其中(a)为主发电机的转速曲线图；(b)为采用本发明的方法估计位置角度和实际转子位置角度的对比图；(c)为置估计误差仿真结果图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明方法适用的三级式无刷交流同步电机的结构示意图如图1所示，永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流器和主发电机同轴相连。其中，主励磁机定子侧为单相励磁绕组，在该励磁绕组通入一定频率的单相交流电(主励磁机采用单相交流励磁)，转子侧感应出的三相交流电经过旋转整流器整流后产生含有偶次谐波高频分量的直流电，为主发电机提供励磁，含有偶次谐波高频分量的直流电中的二次谐波分量为向主发电机励磁绕组间接注入的高频激励信号。结合在主发电机定子侧检测到的感应电流和提取的高频响应电压，生成与高频响应信号同步的同步解耦信号。采用外差法对同步解耦信号进行解调，实现转子位置角的估计。

如图2所示基于本发明的三级式无刷交流同步电机无位置传感器起动控制框图，由于永磁副励磁机不参与起动过程，因此略去永磁副励磁机。把用带通滤波器提取出的高频响应信号与基于本发明方法生成的同步解耦信号相乘进行幅值调制，用低通滤波器滤除高频部分获得含转子位置信息的低频分量，将其输入锁相环计算出转子位置。具体过程为：

三级式无刷交流同步电机起动时，主励磁机励磁方式为幅值和频率恒定的单相交流励磁，其励磁电流为：

I_ef为励磁电流有效值，ω_ex为励磁电流角频率；

转子侧产生的三相感应电势为：

式中，M_ef为主励磁机定转子绕组间互感的最大值，I_ef为励磁电流有效值，ω_ex为励磁电流角频率，ω_er为主励磁机转子电角频率，θ_e0为主励磁机初始位置的电角度。由于在起动初始阶段，转速对应的频率太低，因此可忽略与转速成正比的切割电势，简化的感应电势为：

经过旋转整流器整流后，给主发电机励磁绕组注入的电压为：

式中，U_f为励磁电压中的直流分量，u_n为2n次谐波电压的幅值，是2n次谐波电压的相位，其中二次谐波为用于转子位置估计的高频激励信号。主发电机定子侧电枢绕组感应出包含转子位置信息的高频响应信号，在两相静止坐标系上可表示为：

式中，u_h为高频响应信号的幅值，为高频响应信号的相位，θ为主发电机转子位置角。u_αh和u_βh分别表示高频响应信号在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量，通过从主发电机电流环输出的α、β轴分量u_α和u_β中使用两个相同的带通滤波器提取高频响应信号u_αh和u_βh，通过对二者的平方和进行开方运算获取同步解耦信号绝对值，然后对该绝对值信号进行正负极性还原得到最终的同步解耦信号：

同步解耦信号的正负极性为高频响应信号极性除以主发电机转子位置角正余弦值极性：

sgn(.)为符号函数。

同步解耦信号极性还原包括以下两个阶段：

(1)零速静止阶段

零速静止时，初始位置角的极性通过检测主发电机励磁建立过程中定子侧感应电流的极性来确定。其判断依据为：

当i_α＜0且i_β＜0时，初始角度处于(0，0.5π)之间，cosθ₀>0，sinθ₀>0；

当i_α＞0且i_β＜0时，初始角度处于(0.5π，π)之间，cosθ₀<0，sinθ₀>0；

当i_α＞0且i_β＞0时，初始角度处于(π，1.5π)之间，cosθ₀<0，sinθ₀<0；

当i_α＜0和i_β＞0时，初始角度处于(1.5π，2π)之间，cosθ₀>0，sinθ₀<0；

式中，i_α和i_β为分别为两相静止坐标系上主发电机定子侧感应电流在α轴和β周上的分量，θ₀为主发电机静止时的转子位置角。上述判据可归纳为：

由于u_αh和u_βh存在较多过零点，在过零点附近极性判断可能会失效，所以需先判断|u_αh|和|u_βh|的大小，选取幅值较大的一相进行极性还原。最终得到的极性还原计算式为：

(2)低速起动阶段

在低速起动阶段，同步解耦信号极性的计算式为：

式中，为估计出的转子位置角度。同样的，选取|u_αh|和|u_βh|中幅值较大的进行极性还原。最终得到的极性还原计算式为：

图3是本发明方法生成同步解耦信号的流程图，包括静止阶段和低速阶段两个阶段。

为了验证所述方法的有效性，对实施例中的三级式无刷交流同步电机及其对应工况进行MATLAB/Simulink仿真。其工况为：主励磁机励磁频率为100Hz，给定主发电机定子电流i_d ^*＝0，i_q ^*＝25A。

图4是本发明通过MATLAB仿真得到的零速静止阶段α轴高频响应信号和生成的同步解耦信号仿真波形图，实线为高频响应信号，虚线为生成的同步解耦信号，二者相位一致。

图5是本发明通过MATLAB仿真得到的低速起动阶段α轴高频响应信号和得到的同步解耦信号仿真波形图，实线为高频响应信号，虚线为生成的同步解耦信号，二者相位一致。

图6是基于本发明方法的转速、位置估计角度和实际转子角度的对比、位置估计误差仿真结果图。其中在转子位置对比仿真结果图中，虚线代表实际位置，实线代表估计位置。在0.2s时根据检测的感应电流极性还原计算出的同步解耦信号极性，用以估计静止时转子的初始位置，经过0.2s完成初始位置估计，电机开始转动，使用估计出的转子位置还原同步解耦信号极性。从仿真结果可知，在电机从静止起动到200rpm过程中，转子位置估计误差始终维持在0.05rad以内，生成的同步解耦信号与高频响应信号的相位具有良好的一致性。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (2)

1.基于解耦信号的三级式无刷交流同步电机位置估计方法，其特征在于，所述三级式无刷交流同步电机包括依次同轴设置的主励磁机，旋转整流器和主发电机；所述方法具体为：输入单相交流电源至主励磁机的励磁绕组中，使得主励磁机转子侧感应出三相交流电源，所述旋转整流器将三相交流电源整流成含有偶次谐波高频分量的直流电源，将旋转整流器输出的电压输入至主发电机中，为主发电机的励磁绕组提供直流励磁，根据在主发电机电枢绕组中检测到的感应电流和提取的高频响应信号，生成与高频响应信号同步的同步解耦信号，采用外差法对同步解耦信号进行解调，实现主发电机转子位置角的估计；

所述同步解耦信号u_fh为：

其中，sgn(.)为符号函数，u_αh和u_βh分别表示高频响应信号在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量，u_αh和u_βh的表达式为：

为高频响应信号的相位，u_h为高频响应信号的幅值分量，θ为主发电机转子位置角；

当三级式无刷交流同步电机处于零速静止阶段时，sgn(u_fh)的表达式为：

其中，i_α和i_β为在主发电机电枢绕组中检测到的感应电流在两相静止坐标系下的α轴分量和β轴分量；

当三级式无刷交流同步电机处于低速起动阶段时，sgn(u_fh)的表达式为：

为主发电机转子位置角的估计值。

2.根据权利要求1所述的基于解耦信号的三级式无刷交流同步电机位置估计方法，其特征在于，所述主励磁机的励磁绕组中的励磁电流i_ef为：

ω_ex为励磁电流角频率，I_ef为励磁电流有效值，t为时间变量；

所述三相交流电源的感应电势为分别为e_exa,e_exb,e_exc；e_exa,e_exb,e_exc的表达式为：

式中M_ef为主励磁机定转子绕组之间互感的最大值，θ_e0为主励磁机初始位置的电角度；

所述旋转整流器的输出电压u_f为：

式中，U_f为直流分量，u_n为2n次谐波电压的幅值，是2n次谐波电压的相位。