CN113904603B - 三级式无刷交流同步电机转子位置估计的外差计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级式无刷交流同步电机转子位置估计的外差计算方法，用主励磁机输出的交流电经旋转整流器产生的高次谐波向主发电机励磁绕组间接注入高频电压信号，使用二阶广义积分器从主发电机定子侧估计的同步旋转坐标系q轴中提取含转子位置估计误差的高频响应信号u_qh及其正交信号qu_qh，采用外差计算，将高频响应信号与同频余弦信号cos(ω_ht)相乘，正交信号与同频正弦信号sin(ω_ht)相乘，所得乘积相加得到含转子位置的低频信号u_ql，由PI调节器和积分器计算转子位置角。本发明提出的转子位置辨识方法，无需获取高频响应信号相位信息，避免使用滤波器引起的位置角相移，转子位置角估计精度较高。

Description

三级式无刷交流同步电机转子位置估计的外差计算方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种三级式无刷交流同步电机转子位置估计的外差计算方法。

背景技术

三级式无刷交流同步电机结构可靠，发电调压技术成熟，是实现飞机起动/发电一体化系统的首选电机。三级式无刷交流同步电机起动运行一般使用矢量控制方式，矢量控制的实现需要准确的转子位置角来进行坐标变换。复杂恶劣的航空环境下，机械式位置传感器得到的转子位置角的精度受到影响，进而影响航空发动机的起动。因此，三级式无刷交流同步电机起动阶段高精度的转子位置辨识是近年来的研究热点。

同步电机低速阶段的位置辨识方法一般为高频信号注入法。传统的高频信号注入法在永磁同步电机的定子侧注入高频信号，并提取含转子位置估计误差的高频响应信号，与同频同相的解耦信号相乘，经过一系列的解调、滤波处理得到转子位置估计值。对于三级式无刷交流同步电机而言，从定子侧注入高频信号会加大起动阶段的转矩脉动，并且多个滤波器的使用会使估计的位置信号滞后，位置估计精度下降。因此，可从主发电机转子侧间接注入高频信号，然而间接注入的高频信号产生的响应信号未知，给位置信号解耦带来了困难。所以，有必要研究一种新的位置信号辨识方法，减少滤波器的使用，提高位置辨识精度。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的问题，本发明提出一种三级式无刷交流同步电机的转子位置的外差计算方法，本发明采用以下技术方案：

一种三级式无刷交流同步电机转子位置估计的外差计算方法，主励磁机输出的三相交流电经旋转整流器产生的高次谐波为向主发电机励磁绕组间接注入的高频电压信号。在主发电机定子侧使用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，与幅值解调信号相乘，经过外差计算解调，得到含转子位置的低频信号，由PI调节器和积分器计算出转子位置。

可选地，所述高频响应信号的主励磁机励磁频率为ω_f，主发电机定子侧响应的高频电压信号在两相静止坐标系下表示为：

式中，u_h为高频响应信号的幅值，ω_h＝2ω_f为2倍的主励磁机励磁角频率，t为时间变量，为对应的相位，θ为主发电机实际的转子位置角；

在同步旋转坐标系下，q轴含转子位置估计误差的高频响应信号为：

式中，为估计位置角，/>为转子位置估计误差。

可选地，所述高频响应信号的频率为二阶广义积分器的谐振频率，提取q轴的高频响应信号及其正交信号，所述正交信号的表达式为：

式中，u_h为高频响应信号的幅值，ω_h＝2ω_f为2倍的主励磁机励磁角频率，t为时间变量，为对应的相位，Δθ为转子位置估计误差。

可选地，所述两相解调信号分别为：

式中，f _hcos为同频余弦信号，f _hsin为同频正弦信号，ω_h＝2ω_f为2倍的主励磁机励磁角频率，t为时间变量。

可选地，所述外差计算解调包含以下计算步骤：

(1)高频响应信号与同频余弦信号相乘。正交信号与同频正弦信号相乘，得到：

式中，u_qh、qu_qh为高频响应信号，f _hcos为同频余弦信号，f _hsin为同频正弦信号，ω_h＝2ω_f为2倍的主励磁机励磁角频率，t为时间变量，u_h为高频响应信号的幅值，为对应的相位，Δθ为转子位置估计误差，

(2)乘积项相加得含转子估计误差的低频信号表达式为：

(3)将所得低频信号经过PI调节器和积分器计算出转子位置估计值。

有益效果：

(1)本发明提出的一种三级式无刷交流同步电机转子位置估计的外差计算方法，利用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，方法简单，易于实现，无需额外注入高频信号。

(2)本发明方法避免了使用带通滤波器和低通滤波器带来相移的问题，转子位置辨识精度高。

(3)本发明方法无需计算高频响应信号的相位，解调信号生成方法简单。

附图说明

图1：三级式无刷交流同步电机系统的结构图

图2：实施例中基于本发明方法的三级式无刷交流同步电机起动阶段原理框图；

图3：提取出的高频响应信号及其正交信号波形；

图4：与同频正余弦信号相乘之后的高频信号及其正交信号波形；

图5：起动过程中实际转子位置、估计转子位置、位置估计误差波形；

图6：起动过程中实际转速、估计转速波形；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述。

图1为三级式无刷交流同步电机系统的结构图，主励磁机为单相交流励磁，永磁副励磁机不参与起动过程。

图2为实施例中基于本发明方法的三级式无刷交流同步电机起动阶段原理框图，控制法为i_d＝0的矢量控制，给定的转速为斜率恒定的斜坡函数，控制恒加速度起动，辨识出的转子位置用以进行坐标变换和计算转速。

为了验证所述的转子位置估计外差计算法，用MATLAB/Simulink进行仿真验证。实施例依次含有以下步骤：

(1)本例中，主励磁机施加频率恒为ω_f＝100Hz的单相交流电，在主发电机定子侧响应的高频电压信号为：

式中，ω_h＝2ω_f为2倍的主励磁机励磁角频率，t为时间变量，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。同步旋转坐标系下，q轴含转子位置估计误差的高频响应信号为

式中，为估计位置角，/>为转子位置估计误差。

(2)使用二阶广义积分器，提取q轴的高频响应信号及其正交信号

二阶广义积分器的传递函数为

式中s为Laplace算子，x为输入信号，x′和qx′是两个输出信号，二者相位相差90°，互为正交信号，k为滤波系数，谐振频率设为ω_h。

图3为提取出的高频响应信号及其正交信号波形，实线对应高频响应信号u_qh，虚线对应正交信号qu_qh二者相差90°电角度，相互正交。

(3)高频响应信号与同频余弦信号相乘，正交信号与同频正弦信号相乘

其中，解调所用的同频正余弦信号为

图4中，实线对应高频信号与同频正余弦信号相乘的信号波形，虚线对应正交信号与同频余弦信号相乘的信号波形，系统稳定时，二者的和为包含转子位置估计误差的定值。

(5)得到的乘积项相加，得到含转子位置估计误差的低频信号

(6)含转子位置估计误差的低频信号输入PI调节器，输出经积分器得到转子位置估计角。

图5为起动过程中实际转子位置、估计转子位置、位置估计误差波形，图6为起动过程中实际转速、估计转速波形。在电机从静止起动到200rpm时，位置估计误差始终保持在2°以内，具有较高的位置估计精度。

以上所述仅是本发明的优选实施例，仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本领域的技术人员而言，在本发明的精神和原则范围内做出的若干等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种三级式无刷交流同步电机转子位置估计的外差计算方法，其特征在于，用主励磁机输出的三相交流电经旋转整流器产生的高次谐波向主发电机励磁绕组间接注入高频电压信号；在主发电机定子侧使用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后分别与幅值解调信号相乘，经过外差计算解调，得到含转子位置的低频信号，由PI调节器和积分器计算出转子位置；

所述高频响应信号的主励磁机励磁频率为ω_f，主发电机定子侧响应的高频电压信号在两相静止坐标系下表示为：

式中，u_h为高频响应信号的幅值，ω_h＝2ω_f为2倍的主励磁机励磁角频率，t为时间变量，为对应的初始相位，θ为主发电机实际的转子位置角；

在同步旋转坐标系下，q轴含转子位置估计误差的高频响应信号为：

式中，为估计位置角，/>为转子位置估计误差；

所述高频响应信号的频率为二阶广义积分器的谐振频率，提取q轴的高频响应信号及其正交信号，所述正交信号的表达式为：

所述幅值解调信号分别为：

式中，f_hcos为同频余弦信号，f_hsin为同频正弦信号；

所述外差计算解调包含以下计算步骤：

(1)高频响应信号与同频余弦信号相乘，正交信号与同频正弦信号相乘，得到：

式中，u_qh、qu_qh为高频响应信号；

(2)乘积项相加得含转子估计误差的低频信号表达式为：

(3)将所得低频信号经过PI调节器和积分器计算出转子位置估计值。