CN113904604B - 三级式同步电机转子位置估计的直接解调计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三级式同步电机转子位置估计的直接解调计算方法，所述三级式无刷交流同步电机的主励磁机方法采用单相交流励磁，将旋转整流器产生的二次谐波为向主发电机励磁绕组间接注入的高频电压信号，在主发电机定子侧通过带通滤波器级联二阶广义积分器提取含转子位置信息的高频响应信号及其正交信号，将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，将所得乘积相加得到含转子位置信息的低频信号，再由锁相环计算出转子位置，最后结合初始位置校正得到最终的转子位置估计值。本发明所述的转子位置估计直接解调计算方法，对高频响应信号的相位和转速不敏感，避免使用低通滤波器，提升了系统动态性能，转子位置估计精度较高。
Description
技术领域
本发明属于交流电机控制技术领域，特别涉及一种三级式同步电机转子位置估计的直接解调计算方法。
背景技术
航空三级式同步电机是目前应用最为广泛的航空起动发电机。由于起动阶段使用机械式的位置传感器存在许多缺点，所以无位置传感器技术成为目前三级式同步电机起动控制的研究热点。在中高速阶段，永磁同步电机和电励磁同步电机基于反电势的位置估计方法已经较为成熟，可以直接应用到三级式同步电机中来，而在零低速域内，反电势过小，无法准确地估计出转子位置并且无法实现电机从静止状态起动。
在零低速域内，同步电机的转子位置估计一般采用高频信号注入法，即向定子侧注入高频信号，从响应信号中获取转子位置信息。传统的高频信号注入基于锁相环估计转子位置的方法中，提取出的高频响应信号与同频同相信号相乘进行幅值调制，获得含转子位置信息的低频信号，由锁相环计算出转子位置，在此过程中需使用多个带通滤波器和低通滤波器，系统的动态性能受限，并且较多滤波器的使用会使位置信号产生较大相移，增大了位置估计误差。因此，为提高航空三级式同步电机零低速域内无位置传感器起动控制的性能，亟需一种动态性能好，滤波环节少，位置估计误差小的位置估计方法。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提出一种三级式同步电机转子位置估计的直接解调计算方法，采用以下技术方案：
对所述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，设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；使用级联的带通滤波器和二阶广义积分器在主发电机定子侧提取含转子位置信息的高频响应信号及其正交信号，经过直接解调计算获得转子位置信息，结合初始位置校正得到最终的转子位置估计值。
可选地，所述主发电机定子侧感应出的高频响应电压在两相静止坐标系下表示为：
式中，uh为高频响应信号的幅值，ωh为高频响应信号角频率，是主励磁机的励磁角频率的两倍，为对应的相位，θ为主发电机实际的转子位置角。
可选地，所述级联的带通滤波器和二阶广义积分器的第一级的带通滤波器抑制其他谐波分量，第二级的二阶广义积分器提取高频响应信号与正交信号，正交信号表达式为：
可选地，所述的转子位置信息的直接解调计算方法包含以下步骤：
(1)将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，得表达式：
(2)将αβ两轴所得乘积项分别相加，得到含转子位置信息的两相低频信号的表达式为：
(3)将两相低频信号通过标幺化把幅值固定为1，两相低频信号标幺化表达式为：
(4)将标幺化之后的低频信号输入锁相环，锁相环中PI调节器输入的误差信号表达式为：
式中为转子位置估计误差，经过PI调节器和积分器计算出转子位置估计值，当sinΔθ收敛到0时，/>对应/>这2种情况，此时需对估计出的初始位置进行扇区校正，把校正后的位置角作为最终的转子位置估计值。
可选地，所述初始位置校正方法在主发电机励磁磁场建立过程中检测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θ0所在扇区；当αβ两轴感应电流的极性都为负时，判定初始位置角θ0的范围在(0,π/2)，所在扇区为第一扇区；当α轴的感应电流极性为正，β轴的感应电流极性为负时，判定初始位置角θ0的范围在(π/2,π)，所在扇区为第二扇区；当αβ两轴感应电流的极性都为正时，判定初始位置角θ0的范围在(π,3π/2)，所在扇区为第三扇区；当α轴的感应电流极性为负，β轴的感应电流极性为正时，判定初始位置角θ0的范围在(3π/2,2π)，所在扇区为第四扇区；根据扇区判断的结果，对估计出的初始位置进行调整，选择对应的或/>作为最终估计出的转子位置。
有益效果：
本发明提出的一种三级式同步电机转子位置估计的直接解调计算方法，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，提取含转子位置信息的高频响应信号及其正交信号来估计转子位置，方法简单，易于实施，无需额外的硬件开销；本方法无需使用低通滤波器，提升了系统的动态性能，同时减少位置信号相移，位置估计精度较高。
附图说明
图1：航空三级式同步电机的系统结构图；
图2：基于本发明方法的航空三级式同步电机的起动控制原理框图；
图3：α轴高频响应信号及其正交信号的仿真波形；
图4：高频响应信号及其正交信号与同频正余弦信号相乘所得信号的仿真波形；
图5：含转子位置信息的两相低频信号仿真波形；
图6：标幺化之后的两相低频信号仿真波形；
图7：实际转子位置和估计转子位置、位置估计误差、转速的仿真波形；
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是航空三级式同步电机的系统结构图，永磁副励磁机不参与起动过程，主励磁机为单相交流励磁，转子输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。
图2是基于本发明方法的航空三级式同步电机的起动控制框图，控制方式为矢量控制，估计出的转子位置用来实现坐标变换。
为了验证本发明方法的有效性，在MATLAB/Simulink对实施例进行仿真，其工况为励磁频率100Hz，主发电机电流环给定参考电流id *＝0，iq *＝25A。具体实施步骤为：
步骤1：主励磁机施加恒定频率励磁，由于旋转整流器非线性特性，主发电机励磁绕组产生二次谐波，在主发电机定子侧感应出的高频响应电压，表达式为：
式中，uh为高频响应信号的幅值，ωh为高频响应信号角频率，是主励磁机的励磁角频率的两倍，为对应的相位，θ为主发电机实际的转子位置角。
步骤2：将级联的带通滤波器和二阶广义积分器提取高频响应信号与正交信号。正交信号表达式为：
图3为仿真所得的α轴高频响应信号及其正交信号的波形，二者频率为200Hz，为励磁频率的2倍，相位相差90°电角度，相互正交。
步骤3：经过转子位置估计的直接解调计算环节，所述计算解调具体过程为
(1)将高频响应信号与同频余弦信号相乘，将正交信号与同频正弦信号相乘，得表达式：
图4为高频响应信号及其正交信号与同频正余弦信号相乘所得信号的仿真波形。
(2)αβ轴所得乘积项分别相加，得到含转子位置信息的两相低频信号，表达式为：
图5为含转子位置信息的两相低频信号仿真波形，虚线对应α轴，实线对应β轴，随着转速的上升，二者的幅值下降。
(3)将两相低频信号通过标幺化把幅值固定为1，有利于PI参数的整定，标幺化过程表达式为：
图6为标幺化之后的两相低频信号仿真波形，其虚线对应α轴，实线对应β轴。经过标幺化后，二者的幅值恒为1，PI参数的整定不受转速影响。
(4)将标幺化之后的低频信号输入锁相环，锁相环中PI调节器输入的误差信号表达式为：
式中为转子位置估计误差，经过PI调节器和积分器计算出转子位置估计值。当sinΔθ收敛到0时，/>对应/>这2种情况，此时需对估计出的初始位置进行扇区校正，把校正后的位置角作为最终的转子位置估计值。
步骤4：对估计出的位置进行扇区校正。在主发电机励磁磁场建立过程中检测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θ0所在扇区，具体判据如表1所示：
表1
| 扇区 | iα | iβ | θ0 |
| Ⅰ | - | - | (0,π/2) |
| Ⅱ | + | - | (π/2,π) |
| Ⅲ | + | + | (π,3π/2) |
| Ⅳ | - | + | (3π/2,2π) |
根据扇区判断的结果，对估计出的初始位置进行调整，选择对应的θ或作为最终估计出的转子位置。
图7为实际转子位置和估计转子位置、位置估计误差、转速的仿真波形，其中虚线为电机实际转子位置角，实线为电机估计转子位置角。在本实施例中，设置电机静止时的初始位置为1rad，经过初始位置校正后，电机开始起动。电机从零速静止起动到200rpm这一过程中，位置估计误差始终保持在3°电角度以内，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 (2)
1.一种三级式同步电机转子位置估计的直接解调计算方法，其特征在于，对所述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，设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；使用级联的带通滤波器和二阶广义积分器在主发电机定子侧提取含转子位置信息的高频响应信号及其正交信号，经过直接解调计算获得转子位置信息，结合初始位置校正得到最终的转子位置估计值；
所述主发电机定子侧感应出的高频响应电压在两相静止坐标系下表示为：
式中，uh为高频响应信号的幅值，ωh为高频响应信号角频率，是主励磁机的励磁角频率的两倍，φh为对应的相位，θ为主发电机实际的转子位置角；
所述级联的带通滤波器和二阶广义积分器的第一级的带通滤波器抑制其他谐波分量，第二级的二阶广义积分器提取高频响应信号与正交信号，正交信号表达式为
所述的转子位置信息的直接解调计算方法包含以下步骤：
(1)将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，得表达式：
(2)将αβ两轴所得乘积项分别相加，得到含转子位置信息的两相低频信号的表达式为：
(3)将两相低频信号通过标幺化把幅值固定为1，两相低频信号标幺化表达式为：
(4)将标幺化之后的低频信号输入锁相环，锁相环中PI调节器输入的误差信号表达式为：
式中，为转子位置估计误差，经过PI调节器和积分器计算出转子位置估计值；当sinΔθ收敛到0时，/>对应/>或/>这2种情况，此时需对估计出的初始位置进行扇区校正，将校正后的位置角作为最终的转子位置估计值。
2.根据权利要求1所述的三级式同步电机转子位置估计的直接解调计算方法，其特征在于，所述初始位置校正方法在主发电机励磁磁场建立过程中检测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θ0所在扇区；当αβ两轴感应电流的极性都为负时，判定初始位置角θ0的范围在(0,π/2)，所在扇区为第一扇区；当α轴的感应电流极性为正，β轴的感应电流极性为负时，判定初始位置角θ0的范围在(π/2,π)，所在扇区为第二扇区；当αβ两轴感应电流的极性都为正时，判定初始位置角θ0的范围在(π,3π/2)，所在扇区为第三扇区；当α轴的感应电流极性为负，β轴的感应电流极性为正时，判定初始位置角θ0的范围在(3π/2,2π)，所在扇区为第四扇区；根据扇区判断的结果，对估计出的初始位置进行调整，选择对应的或/>作为最终估计出的转子位置。
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