CN113676104A - 一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，首先三级式同步电机的主励磁机励磁绕组施加频率恒定的单相交流电压，旋转整流器在主发电机励磁绕组中产生的二次谐波为间接注入的高频电压信号；然后在主发电机定子侧估计的两相同步旋转坐标系中，使用集成化双重二阶广义积分器提取含转子位置估计误差的高频响应信号及其正交信号，接着经过转子位置信息计算解调，结合初始位置扇区校正，最后得到最终的转子位置估计值；本发明提供的转子位置估计方法避免额外注入高频信号带来的转矩脉动，同时使用集成化双重二阶广义积分器作为滤波结构，避免使用带通滤波器和低通滤波器提取信号带来的相位滞后问题，位置估计精度高。

Description

一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，主要涉及一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法。

背景技术

航空发动机在外力的作用下从静止状态，加速到点火转速的过程为发动机的起动过程，此过程需要专门的起动装置起动。三级式同步起动/发电一体化系统省去了专门的起动装置，减少了飞机的体积、重量，提高了系统的可靠性和可维护性。三级式同步电机由永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流器和主发电机组成，其结构图如附图1所示。

三级式同步电机的起动控制方式一般为矢量控制，需要准确的转子位置信息，通常可通过机械式的位置传感器获得转子位置角，但额外安装位置传感器会存在诸多弊端，且位置传感器的精度受限，因此需开展基于无位置传感器起动的航空三级式同步电机位置估计方法研究。

目前，同步电机低速阶段的位置估计技术一般采用高频信号注入法，即向电机的定子侧或转子侧注入高频信号，提取含转子位置信息的高频响应信号，经过一系列的滤波、解调等信号处理获得转子位置角。对于三级式同步电机而言，由于其结构的特殊性，本身含有高频谐波，无需额外注入高频信号，但是谐波的相位未知，无法通过传统的外差法估计转子位置，并且传统的信号解耦过程引入较多的滤波环节使得位置估计精度大为下降，因此需研究一种新的航空三级式同步电机转子位置估计方法。

发明内容

发明目的：针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，无需额外注入信号，无需计算高频响应信号的相位，使用集成化滤波结构，易于实现，能够获得较为准确的转子位置。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，包括以下步骤：

步骤S1、三级式同步电机的主励磁机励磁绕组施加频率恒定的单相交流电压，旋转整流器在主发电机励磁绕组中产生的二次谐波为间接注入的高频电压信号；获取主发电机定子侧响应的高频电压信号u_qh和u_dh；

步骤S2、使用集成化双重二阶广义积分器提取含转子位置估计误差的高频响应电压信号u_qh和u_dh，并生成高频响应电压信号的正交信号qu_qh和qu_dh；

步骤S3、对步骤S2中提取的高频电压信号及正交信号进行解调，获取包含转子位置估计误差的低频信号：

u_l＝u_dh·u_qh+qu_dh·qu_qh

将所述低频信号u_l经过PI调节器和积分器，计算出转子位置角估计值

步骤S4、根据主发电机定子绕组中产生的感应电流极性，判断实际初始位置角所在扇区，并对估计出的初始位置进行调整，最终获取估计转子位置角。

进一步地，步骤S1中所述二次谐波如下：

其中ω_f为主励磁机的励磁角频率，U_fh为二次谐波电压的幅值，

为相位；主发电机定子侧响应的高频电压信号在两相估计的同步旋转坐标系中表示如下：

其中u_h为高频响应信号的幅值，

为对应的相位，

为转子位置估计误差，θ为主发电机实际的转子位置角，

为估计位置角。

进一步地，所述步骤S2中

提取步骤S1中所述主发电机定子侧响应的高频电压信号如下：

生成如下正交信号：

进一步地，对步骤S2中提取的高频电压信号及正交信号进行解调，具体如下：

步骤S3.1、将提取的高频电压信号及正交信号分别相乘如下：

步骤S3.2、将上述乘积项相加获得包含转子位置估计误差的低频信号：

步骤S3.3、将所述低频信号u_l经过PI调节器和积分器，计算出转子位置角估计值

进一步地，所述步骤S4中，当低频信号u_l中sin2Δθ收敛到0时，实际位置θ与估计位置

的误差满足：

即实际转子位置角包括

四种情况；根据主发电机定子绕组中产生的感应电流极性，判断实际的初始位置角所在扇区，并对估计出的初始位置进行调整，选择对应的

作为最终估计出的转子位置角；具体地，

根据主发电机定子绕组中产生的感应电流极性，判断初始位置角所在扇区，具体判据如下：

当i_α≤0且i_β≤0时，初始位置角θ₀处于[0,π/2]内；

当i_α＞0且i_β≤0时，初始位置角θ₀处于(π/2,π]内；

当i_α＞0且i_β＞0时，初始位置角θ₀处于(π,3π/2)内；

当i_α≤0且i_β＞0时，初始位置角θ₀处于[3π/2,2π)内。

进一步地，所述步骤S2中所述双重二阶广义积分器由两个相同的二阶广义积分器级联组成，且第一级带通滤波输出作为第二级的输入，传递函数表达式如下：

其中s为拉普拉斯算子，x为输入信号，x′代表第一级带通滤波输出信号，qx′代表第二级带通滤波输出信号，x′和qx′相位相差90°，互为正交信号；k为滤波系数，ω_n为谐振频率，且ω_n＝2ω_f。

有益效果：本发明具备以下优点：

(1)本发明提出的一种航空三级式同步电机的转子位置估计方法，利用旋转整流器产生的二次谐波作为间接注入的高频信号，提取高频响应信号及其正交信号，避免额外注入高频信号带来的转矩脉动；

(2)本发明在信号提取和解调过程中，使用集成化双重二阶广义积分器作为滤波结构，避免使用带通滤波器和低通滤波器提取信号带来的相位滞后问题，位置估计精度高；

(3)本发明通过非同步解调的方法计算出转子位置，该方法对转速频率及高频响应信号不敏感，方法简单，易于实施。

附图说明

图1是本发明提供的航空三级式同步电机的系统结构图；

图2是基于本发明方法的三级式同步电机无位置传感器起动控制原理框图；

图3a是本发明提供的双重二阶广义积分器的结构图；

图3b是本发明提供的双重二阶广义积分器的伯德图；

图4是本发明实施例中提取出的d轴高频响应信号及其正交信号的仿真波形图；

图5是本发明实施例中提取出的q轴高频响应信号及其正交信号的仿真波形图；

图6是基于本发明方法的转子位置实际值、转子位置估计值、位置估计误差、转速的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明采用的航空三级式同步电机系统结构，由永磁副励磁机、主励磁机、主发电机和旋转整流器组成。

图2为基于本发明方法的三级式同步电机无位置传感器起动控制的原理框图。主励磁机不控，为恒定励磁，主发电机采用i_d＝0的转速电流双闭环矢量控制，给定转速和估计出的转速相减作为转速调节器的输入，估计出的转子位置用以进行坐标变换。

下面给出基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法。

步骤S1、三级式同步电机的主励磁机励磁绕组施加频率恒定的单相交流电压，旋转整流器在主发电机励磁绕组中产生的二次谐波为间接注入的高频电压信号，所述二次谐波如下：

其中ω_f为主励磁机的励磁角频率，U_fh为二次谐波电压的幅值，

为相位；主发电机定子侧响应的高频电压信号在两相估计的同步旋转坐标系中表示如下：

其中u_h为高频响应信号的幅值，

为对应的相位，

为转子位置估计误差，θ为主发电机实际的转子位置角，

为估计位置角；

步骤S2、在所述两相估计的同步旋转坐标系中，使用集成化双重二阶广义积分器提取含转子位置估计误差的高频响应电压信号，并生成高频响应电压信号的正交信号；其中所述双重二阶广义积分器由两个相同的二阶广义积分器级联组成，且第一级带通滤波输出作为第二级的输入，传递函数表达式如下：

其中s为拉普拉斯算子，x为输入信号，x′代表第一级带通滤波输出信号，qx′代表第二级带通滤波输出信号，x′和qx′相位相差90°，互为正交信号；k为滤波系数，ω_n为谐振频率，且ω_n＝2ω_f；

提取步骤S1中所述主发电机定子侧响应的高频电压信号如下：

生成如下正交信号：

步骤S3、对步骤S2中提取的高频电压信号及正交信号进行解调，具体如下：

步骤S3.1、将提取的高频电压信号及正交信号分别相乘如下：

步骤S3.2、将上述乘积项相加获得包含转子位置估计误差的低频信号：

步骤S3.3、将所述低频信号u_l经过PI调节器和积分器，计算出转子位置角估计值

步骤S4、当步骤S3.2中所述低频信号u_l中sin2Δθ收敛到0时，实际位置θ与估计位置

的误差满足：

即实际转子位置角包括

四种情况；根据主发电机定子绕组中产生的感应电流极性，判断实际初始位置角所在扇区，并对估计出的初始位置进行调整，选择对应的

作为最终估计出的转子位置角。

为验证本发明方法，使用MATLAB/Simulink软件搭建了仿真模型进行验证，对应仿真条件为：转速给定为斜坡给定，在4s内由静止起动到200rpm，主励磁机励磁频率100Hz。转子位置估计环节包括以下步骤：

向主励磁机励磁绕组中施加频率为100Hz的单相交流电，主发电机逆变器输出零矢量，逆变器三个开关管的上桥臂导通，为感应电流提供通路。检测感应电流，根据感应电流极性判断初始位置所在扇区。扇区判断依据为：

当i_α≤0且i_β≤0时，初始位置角θ₀处于[0,π/2]内；

当i_α＞0且i_β≤0时，初始位置角θ₀处于(π/2,π]内；

当i_α＞0且i_β＞0时，初始位置角θ₀处于(π,3π/2)内；

当i_α≤0且i_β＞0时，初始位置角θ₀处于[3π/2,2π)内。

步骤2：扇区判断完成后，逆变器正常工作，利用集成化双重二阶广义积分器提取主发电机定子侧两相旋转坐标系中含转子位置估计误差的高频响应信号及其正交信号。提取出的高频响应信号及其正交信号的表达式为：

式中，u_h为高频响应信号的幅值，

为对应的相位，θ为主发电机实际的转子位置角，

为估计位置角，

为转子位置估计误差。图3为双重二阶广义积分器的结构图和伯德图，两个输出的相位相差90°电角度，相互正交。

图4为使用双重二阶广义积分器提取出的d轴高频响应信号及其正交信号的仿真波形图，图5为提取出的q轴高频响应信号及其正交信号的仿真波形图，高频响应信号和正交信号相位相差90°电角度。

步骤3：对提取出的信号进行计算解调，具体过程为

提取的高频响应电压信号相乘，对应的两相正交信号也相乘，得到

将乘积项相加得到包含转子位置估计误差的低频信号

包含转子位置估计误差的低频信号经过PI调节器和积分器计算出转子位置估计值

步骤4：根据步骤1扇区判断的结果，对估计出的初始位置进行调整，选择对应的

作为最终估计出的转子位置。

图6为转子位置实际值、转子位置估计值、位置估计误差、转速的仿真波形图。其中，估计转子位置在0.5s时根据步骤1的扇区判断结果对估计出的初始位置进行扇区校正，电机从静止开始起动到200rpm，位置估计误差始终维持在0.05rad以内，具有较高的位置估计精度，可以满足电机无位置传感器的起动要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、三级式同步电机的主励磁机励磁绕组施加频率恒定的单相交流电压，旋转整流器在主发电机励磁绕组中产生的二次谐波为间接注入的高频电压信号；获取主发电机定子侧响应的高频电压信号u_qh和u_dh；

步骤S2、使用集成化双重二阶广义积分器提取含转子位置估计误差的高频响应电压信号u_qh和u_dh，并生成高频响应电压信号的正交信号qu_qh和qu_dh；

步骤S3、对步骤S2中提取的高频电压信号及正交信号进行解调，获取包含转子位置估计误差的低频信号：

u_l＝u_dh·u_qh+qu_dh·qu_qh

将所述低频信号u_l经过PI调节器和积分器，计算出转子位置角估计值

步骤S4、根据主发电机定子绕组中产生的感应电流极性，判断实际初始位置角所在扇区，并对估计出的初始位置进行调整，最终获取估计转子位置角。

2.根据权利要求1所述的一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，步骤S1中所述二次谐波如下：

其中ω_f为主励磁机的励磁角频率，U_fh为二次谐波电压的幅值，

为相位；主发电机定子侧响应的高频电压信号在两相估计的同步旋转坐标系中表示如下：

其中u_h为高频响应信号的幅值，

为对应的相位，

为转子位置估计误差，θ为主发电机实际的转子位置角，

为估计位置角。

3.根据权利要求1所述的一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，所述步骤S2中

提取步骤S1中所述主发电机定子侧响应的高频电压信号如下：

生成如下正交信号：

4.根据权利要求3所述的一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，对步骤S2中提取的高频电压信号及正交信号进行解调，具体如下：

步骤S3.1、将提取的高频电压信号及正交信号分别相乘如下：

步骤S3.2、将上述乘积项相加获得包含转子位置估计误差的低频信号：

步骤S3.3、将所述低频信号u_l经过PI调节器和积分器，计算出转子位置角估计值

5.根据权利要求4所述的一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，所述步骤S4中，当低频信号u_l中sin2Δθ收敛到0时，实际位置θ与估计位置

的误差满足：

即实际转子位置角包括

四种情况；根据主发电机定子绕组中产生的感应电流极性，判断实际的初始位置角所在扇区，并对估计出的初始位置进行调整，选择对应的

作为最终估计出的转子位置角；具体地，

根据主发电机定子绕组中产生的感应电流极性，判断初始位置角所在扇区，具体判据如下：

当i_α≤0且i_β≤0时，初始位置角θ₀处于[0,π/2]内；

当i_α＞0且i_β≤0时，初始位置角θ₀处于(π/2,π]内；

当i_α＞0且i_β＞0时，初始位置角θ₀处于(π,3π/2)内；

当i_α≤0且i_β＞0时，初始位置角θ₀处于[3π/2,2π)内。

6.根据权利要求1所述的一种基于集成化滤波的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，所述步骤S2中所述双重二阶广义积分器由两个相同的二阶广义积分器级联组成，且第一级带通滤波输出作为第二级的输入，传递函数表达式如下：

其中s为拉普拉斯算子，x为输入信号，x′代表第一级带通滤波输出信号，qx′代表第二级带通滤波输出信号，x′和qx′相位相差90°，互为正交信号；k为滤波系数，ω_n为谐振频率，且ω_n＝2ω_f。

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