CN113783493B - 一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法，静止状态下给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励磁，转子侧感应出交流电经旋转整流器产生的高频谐波，为主发电机励磁绕组注入高频信号；通过带通滤波器提取主发电机电枢绕组中感应的高频响应电流信号，经一阶全通滤波器获得与高频响应信号正交的信号，对高频响应信号及正交信号一次进行平方和与开方运算，得到转子初始位置角的正余弦值绝对值，结合在主发电机定子侧检测出的感应电流还原初始位置角正余弦值的极性，由反正切函数计算出转子初始位置角；本发明能够快速准确地估计出转子初始位置，无需额外注入信号，不依赖电机参数，硬件结构简单，易于实现。

Description

一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，主要涉及一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法。

背景技术

三级式同步电机是航空交流电源系统中应用最为广泛的航空发电机，是实现起动/发电一体化系统的首选电机。三级式同步电机由永磁副励磁机、主励磁机以及主发电机组成，其中主励磁机输出经旋转整流器整流为主发电机提供直流励磁。三级式同步电机作起动机运行时，永磁副励磁机不参与工作，主励磁机的励磁绕组通入单相交流电产生脉振磁场，转子上感应出三相交流电经过旋转整流器整流后给主发电机励磁，主发电机的定子绕组通入三相交流电，电机开始起动；作发电机运行时，永磁副励磁机输出三相交流电，经整流器整流后给主励磁机提供直流励磁，主励磁机发出三相交流电，其频率由转速决定。

三级式同步起动发电机的矢量控制，需要准确的转子位置信息。如果转子位置角不够精确，那么施加的电压矢量就会存在偏差进而影响电机的输出转矩，甚至导致电机反转损坏发动机。因此，三级式同步电机的无位置传感器起动控制技术应运而生。其中，能够准确估计出三级式同步起动电机静止时的初始位置是实现无位置传感器起动控制的关键。

同步电机初始位置估计方法主要由以下两种：1)基于电机凸极特性的转子初始位置检测法。通过给电机额外注入高频信号，提取含转子位置信息的高频响应信号。此外，这种方法还需要判断永磁体的磁极方向来获取最终的初始位置。对于三级式同步电机而言，励磁电流不稳定，存在较大波动，该方法准确度不高。2)电压矢量脉冲注入法。该方法利用d轴电感的饱和效应，通过给电机注入一系列的电压脉冲矢量，根据响应电流计算出转子位置。然而该方法对电流采样精度要求高，实施复杂。因此，亟需研究新的三级式同步起动发电机的初始位置估计方法。

发明内容

发明目的：为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法，可以获得准确的转子初始位置估计值，无需额外注入信号，无需增加额外的硬件开销，方法简单，易于实施，检测精度高。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法，所述同步起动发电机包括同轴相连的永磁副励磁机、主励磁机和主发电机；所述主励磁机励磁方式为单相交流励磁，转子侧感应出的三相交流电经旋转整流器整流后为主发电机提供直流励磁；具体位置估计方法包括：

步骤S1、三级式同步起动发电机静止时，给主励磁机施加频率恒定的单相交流电压；转子侧感应出的交流电压经旋转整流器产生二次谐波如下：

其中，ω_f为励磁电流角频率，U_fh为二次谐波电压的幅值，为相位，所述二次谐波信号注入至主发电机励磁绕组；

步骤S2、根据主发电机电枢绕组的电流，通过带通滤波器提取主发电机定子侧高频响应电流信号，使用一阶全通滤波器获得与高频响应电流信号正交的信号；具体地，

采用带通滤波器提取主发电机定子侧高频响应电流信号，在两相静止坐标系下表示为：

式中，i_αh和i_βh分别为两相静止坐标系的高频感应电流，i_h为感应电流的幅值，θ₀为主发电机初始位置角。采用一阶全通滤波器获得与高频响应电流信号i_αh正交的信号qi_αh、与高频响应电流信号i_βh正交的信号qi_βh如下：

步骤S3、对步骤S2提取的高频响应信号和正交信号进行解析计算如下：

步骤S3.1、对所述高频响应信号和正交信号进行平方和运算如下：

步骤S3.2、对步骤S3.1中的运算结果进行开方，获得含初始位置角正余弦值的绝对值：

步骤S3.3、根据主发电机电枢绕组检测的电流信号，还原步骤S3.2中获得的绝对值信号：

步骤S3.4、获得电机的转子初始位置角：

步骤S4、由主发电机定子绕组中感应电流的极性判断转子初始位置角的正余弦值极性；

当主发电机不通电时，设置主发电机逆变器输出零矢量，逆变器三个桥臂的上开关管处于开通状态，在主发电机励磁磁场建立过程中，为感应电流提供流通路径；由感应电流的极性判断转子位置角所在扇区，得出初始位置角的正余弦值极性如下：

进一步地，步骤S2中采用的一阶全通滤波器传递函数如下：

进一步地，所述步骤S4中根据感应电流的极性判断转子位置角所在扇区，进而判断出初始位置角的正余弦值极性，具体如下：

当i_α大于等于0时，转子初始位置角θ₀处于[π/2,3π/2]内，此时cosθ₀小于等于0；

当i_α小于0时，转子初始位置角θ₀处于(0,π/2)或(3π/2,2π)内，此时cosθ₀大于0；

当i_β大于等于0时，转子初始位置角θ₀处于[π,2π]内，此时sinθ₀小于等于0；

当i_β小于0时，转子初始位置角θ₀处于(0,π)内，此时sinθ₀大于0。

有益效果：本发明提供的三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法应用于三级式同步电机初始位置检测，检测精度较高，且仅利用电流传感器，无需额外的硬件开销，减少系统复杂度。同时该方法无需额外注入信号，无需对估计出的位置进行校正，方法简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明中三级式同步起动发电机的结构框图；

图2是本发明中三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法的原理框图；

图3是本发明中初始位置在不同扇区下感应电流的仿真波形图；

图4是本发明中初始位置正余弦值极性判断的示意图；

图5是本发明中的α轴高频响应电流及其正交信号的仿真波形图；

图6是本发明中的不同初始位置检测结果的仿真波形图。

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，本发明中采用的三级式同步起动发电机包括同轴相连的永磁副励磁机、主励磁机和主发电机。主励磁机励磁方式为单相交流励磁，转子侧感应出的三相交流电经旋转整流器整流后为主发电机提供直流励磁。

本发明提供的转子初始位置估计方法具体原理框图如图2所示。三级式同步起动发电机静止时，给主励磁机施加频率恒定的单相交流电压。使用带通滤波器和一阶全通滤波器，提取主发电机定子侧高频响应电流信号及其正交信号，结合检测出的感应电流计算出电机的转子初始位置角。具体方法如下：

步骤S1、三级式同步起动发电机静止时，给主励磁机施加频率恒定的单相交流电压；转子侧感应出的交流电压经旋转整流器产生二次谐波如下：

其中，ω_f为励磁电流角频率，U_fh为二次谐波电压的幅值，为相位，所述二次谐波信号注入至主发电机励磁绕组；

步骤S2、根据主发电机电枢绕组的电流，通过带通滤波器提取主发电机定子侧高频响应电流信号，使用一阶全通滤波器获得与高频响应电流信号正交的信号；具体地，

采用带通滤波器提取主发电机定子侧高频响应电流信号，在两相静止坐标系下表示为：

式中，i_αh和i_βh分别为两相静止坐标系的高频感应电流，i_h为感应电流的幅值，θ₀为主发电机初始位置角。采用一阶全通滤波器获得与高频响应电流信号i_αh正交的信号qi_αh、与高频响应电流信号i_βh正交的信号qi_βh如下：

一阶全通滤波器传递函数如下：

获得的与高频响应电流信号正交的信号如下：

步骤S3、对步骤S2提取的高品响应信号和正交信号进行解析计算如下：

步骤S3.1、对所述高频响应信号和正交信号进行平方和运算如下：

步骤S3.2、对步骤S3.1中的运算结果进行开方，获得含初始位置角正余弦值的绝对值：

步骤S3.3、根据主发电机电枢绕组检测的电流信号，还原步骤S3.2中获得的绝对值信号：

步骤S3.4、获得电机的转子初始位置角：

步骤S4、由主发电机定子绕组中感应电流的极性判断转子初始位置角的正余弦值极性；

当主发电机不通电时，设置主发电机逆变器输出零矢量，逆变器三个桥臂的上开关管处于开通状态，在主发电机励磁磁场建立过程中，为感应电流提供流通路径；由感应电流的极性判断转子位置角所在扇区，具体判据如下：

当i_α大于等于0时，转子初始位置角θ₀处于[π/2,3π/2]内，此时cosθ₀小于等于0；

当i_α小于0时，转子初始位置角θ₀处于(0,π/2)或(3π/2,2π)内，此时cosθ₀大于0；

当i_β大于等于0时，转子初始位置角θ₀处于[π,2π]内，此时sinθ₀小于等于0；

当i_β小于0时，转子初始位置角θ₀处于(0,π)内，此时sinθ₀大于0。

得出初始位置角的正余弦值极性如下：

为了验证所述方法的有效性，对实施例中的三级式同步电机及其对应工况在MATLAB/Simulink环境下进行仿真，设置主励磁机励磁频率为100Hz。

如图3所示，在主发电机励磁磁场建立过程中，定子电流在两相静止坐标下的仿真波形，虚线对应β轴感应电流，实线对应α轴感应电流。对应的初始位置分别为1rad，2rad，4rad，5.5rad，处于不同扇区，对应不同的电流极性。

图4为初始位置正余弦值极性判断示意图，从图中可知，初始位置角的余弦值极性与α轴感应电流极性相反，初始位置角的正弦值极性β轴感应电流极性相反。

图5为高频响应电流信号及其正交信号的仿真波形，虚线为高频响应电流信号仿真波形，实线为使用一阶全通滤波器提取的正交信号仿真波形，二者相位相差90°电角度，相互正交。

图6为不同初始位置检测结果，对应的初始位置分别为虚线为电机静止时实际的初始位置，实线为估计出的初始位置，实际初始位置分别为1rad，2rad，4rad，5.5rad，处于不同扇区。在0.1s进行初始位置估计，检测精度非常快速准确，仿真结果误差不到1×10^{- 7}rad。

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 (3)

1.一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法，所述同步起动发电机包括同轴相连的永磁副励磁机、主励磁机和主发电机；所述主励磁机励磁方式为单相交流励磁，转子侧感应出的三相交流电经旋转整流器整流后为主发电机提供直流励磁；其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、三级式同步起动发电机静止时，给主励磁机施加频率恒定的单相交流电压；转子侧感应出的交流电压经旋转整流器产生二次谐波如下：

其中，ω_f为励磁电流角频率，U_fh为二次谐波电压的幅值，为相位，注入至主发电机励磁绕组；

步骤S2、根据主发电机电枢绕组的电流，通过带通滤波器提取主发电机定子侧高频响应电流信号，使用一阶全通滤波器获得与高频响应电流信号正交的信号；具体地，

采用带通滤波器提取主发电机定子侧高频响应电流信号，在两相静止坐标系下表示为：

式中，i_αh和i_βh分别为两相静止坐标系的高频感应电流，i_h为感应电流的幅值，θ₀为主发电机初始位置角；采用一阶全通滤波器获得与提取出的高频响应电流信号i_αh正交的信号qi_αh、与提取出的高频响应电流信号i_βh正交的信号qi_βh如下：

步骤S3、对步骤S2提取的高频响应信号和正交信号进行解析计算如下：

步骤S3.1、对所述高频响应信号和正交信号进行平方和运算如下：

步骤S3.2、对步骤S3.1中的运算结果进行开方，获得含初始位置角正余弦值的绝对值：

步骤S3.3、根据主发电机电枢绕组检测的电流信号，还原步骤S3.2中获得的绝对值信号：

步骤S3.4、获得电机的转子初始位置角：

步骤S4、由主发电机定子侧感应电流的极性判断转子初始位置角的正余弦值极性；

当主发电机不通电时，设置主发电机逆变器输出零矢量，逆变器三个桥臂的上开关管处于开通状态，在主发电机励磁磁场建立过程中，为感应电流提供流通路径；由感应电流的极性判断转子位置角所在扇区，得出初始位置角的正余弦值极性如下：

2.根据权利要求1所述的一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法，其特征在于，所述步骤S2中采用的一阶全通滤波器传递函数如下：

3.根据权利要求1所述的一种三级式同步起动发电机的转子初始位置估计方法，其特征在于，所述步骤S4中根据感应电流的极性判断转子位置角所在扇区，进而判断出初始位置角的正余弦值极性，具体如下：

当i_α大于等于0时，转子初始位置角θ₀处于[π/2,3π/2]内，此时cosθ₀小于等于0；

当i_α小于0时，转子初始位置角θ₀处于(0,π/2)或(3π/2,2π)内，此时cosθ₀大于0；

当i_β大于等于0时，转子初始位置角θ₀处于[π,2π]内，此时sinθ₀小于等于0；

当i_β小于0时，转子初始位置角θ₀处于(0,π)内，此时sinθ₀大于0。