CN113938074B - 一种基于固定时刻采样的低速段转子位置信息在线估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于固定时刻采样的多级式电励磁同步电机低速段转子位置在线估算方法，是通过在固定时刻提取主电机高频响应电流信号中的转子位置信息来实现多级式电励磁同步电机低速段转子位置在线估算，该方法不依赖于主电机电感参数，避免了凸极特性变化对位置解算的影响，求解过程简单，转子位置估算精度较高。
Description
技术领域
本发明属于交流电机无位置控制技术领域，具体为一种基于固定时刻采样的多级式电励磁同步电机低速段转子位置在线估算方法，是一种通过在固定时刻提取主电机高频响应电流信号中的转子位置信息来获取多级式电励磁同步电机低速段转子位置的估算方法。
背景技术
随着多/全电飞机对电源系统容量和密度需求的提高，一体化起动/发电系统受到的关注度越来越高。一体化起动/发电系统可以将起动/发电机运行在电动状态来起动航空发动机，起动完成后切换为发电状态为机载设备供电。该系统可以省去航空发动机专用起动设备，减轻了航空发动机-电源系统的体积和重量。在众多种类的起动/发电机中，多级式电励磁同步电机因具有发电技术成熟、可靠性高、应用范围广等优点而被重点研究。图1所示为励磁机定子采用两相励磁绕组结构的多级式电励磁同步电机结构图，其主要结构特点是包括定子、转子分别一体化组装的副励磁机、励磁机、旋转整流器和主电机等部件。
获取准确的多级式电励磁同步电机转子位置(即主电机转子位置)是成功起动航空发动机的关键条件之一。机械位置传感系统可以提供准确的转子位置信息，但发动机起动过程中苛刻的电磁和空间环境，使传感系统可靠性受到考验。此外，航空发动机负载的复杂特性使得电励磁式主电机电枢电流变化较大，导致起动过程中主电机电感参数变化较大，进而使其凸极率δ(δ＝Lq/Ld，其中Lq为主电机q轴电感，Ld为主电机d轴电感)发生显著变化。传统转子位置估算方法中，通过在主电机定子绕组中注入高频电压，对定子绕组中产生的高频响应电流进行一系列的解调与滤波处理后得到转子位置信号，转子位置信息的解调过程大都依赖于电机的凸极特性(结构凸极特性或饱和凸极特性)。
多级式电励磁同步电机起动过程中主电机凸极率变化的特性使得传统基于电机凸极特性的转子位置信号解调方法难以实现其转子位置在线精确估算，进而无法完成电机的带载起动。因此需要开展不依赖于凸极特性的多级式电励磁同步电机转子位置在线估算技术的研究。
发明内容
针对当前转子位置估算方法较难实现多级式电励磁同步电机起动过程中主电机凸极特性变化时转子位置信息在线精确提取的问题，本发明提出一种基于固定时刻采样的低速段转子位置信息在线估算方法，基于注入高频信号频率对高频响应电流进行固定时刻采样以提取转子位置信息，该方法不依赖于主电机电感参数，避免了凸极特性变化对位置解算的影响，求解过程简单，转子位置估算精度较高。
本发明的技术方案为：
一种基于固定时刻采样的多级式电励磁同步电机低速段转子位置在线估算方法，是通过在固定时刻提取主电机高频响应电流信号中的转子位置信息来实现多级式电励磁同步电机低速段转子位置在线估算，包括以下几个步骤：
步骤1：对多级式电励磁同步电机的两相励磁机施加相位互差90°的交流励磁电压，该交流励磁电压形成的励磁磁场旋转方向与电机旋转方向相反；
步骤2：在主电机估算的d轴注入高频方波信号，其表达式如下：
其中Uh是注入高频信号幅值，Th是注入高频信号周期；
步骤3：采集主电机三相电流iA、iB、iC，对其进行CLARK变换，得到αβ坐标系下的等效电流iα、iβ；
步骤4：采用带通滤波器提取电流iα、iβ中的高频响应电流信号，分别记为iαh、iβh；
步骤5：对电流iαh、iβh进行固定时刻采样，获取转子位置正、余弦信号：
5.1)在时刻t1＝kTh+Th/4,k＝0,1,2,3...，提取iαh、iβh对应的电流值，得到与主电机转子位置相关的正、余弦信号，分别记为ft1(cosθr)、ft1(sinθr)，其中θr为主电机真实转子位置信号；
5.2)在时刻t2＝kTh+3Th/4,k＝0,1,2,3...提取iαh、iβh对应的电流值，得到与主电机转子位置相关的正、余弦信号，分别记为ft2(cosθr)、ft2(sinθr)；
5.3)对步骤5.1和步骤5.2中得到的与主电机转子位置相关的正、余弦信号进行做差处理，消除直流偏量，得到用于估算转子位置的有效正、余弦信号表达式如下：
步骤6：获取转子真实位置与估算位置估算误差如下：
其中为当前时刻转子估算位置，/>为上一时刻转子估算位置；其中采用基于锁相环的信号处理方法对上述估算误差进行闭环处理，获取转子估算位置/>
步骤7：起动多级式电励磁同步电机，起动过程中重复步骤3～步骤6，实现电机转子位置在线估算；其中起动过程中使用id＝0控制策略。
有益效果
多级式电励磁同步电机起动过程中主电机凸极率发生变化，使得传统基于电机凸极特性(结构凸极特性或饱和凸极特性)的转子位置信号解算方法较难获取精确的转子位置信息。本发明所采用的基于注入高频信号频率进行固定时刻采样的转子位置信号提取方法不依赖于电机凸极特性，解算过程简单，转子位置估算精度较高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：励磁机定子采用两相绕组结构时多级式电励磁同步结构图；
图2：转子位置信号解算过程；
图3：主电机αβ坐标系下高频响应电流信号；
图4：用于估算转子位置的有效正、余弦信号；
图5：起动过程低速阶段转子估算位置与真实位置对比；
图6：起动过程低速阶段转子位置估算误差；
图7：起动过程低速阶段电机估算转速与真实转速对比；
图8：起动过程低速阶段电机转速估算误差。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
对于多级式电励磁同步电机，本实施例通过在固定时刻提取其中主电机高频响应电流信号中的转子位置信息来实现多级式电励磁同步电机低速段转子位置在线估算，包括以下几个步骤：
步骤1：对多级式电励磁同步电机中的两相励磁机施加相位互差90°的交流励磁电压，该交流励磁电压形成的励磁磁场旋转方向与电机旋转方向相反；本实施例中励磁电压幅值为Ues＝210V，励磁频率为fes＝250Hz。
步骤2：在多级式电励磁同步电机中的主电机估算的d轴上注入高频方波信号，其表达式如下：
其中，高频信号幅值Uh＝3V，高频信号周期Th＝1kHz。
步骤3：采集主电机三相电流iA、iB、iC，对其进行CLARK变换，得到αβ坐标系下等效电流iα、iβ。
步骤4：采用带通滤波器提取电流iα、iβ中高频响应电流信号，分别记为iαh、iβh，其中，带通滤波器采用的是Butterworth二阶带通滤波器，带通频率为50Hz～2kHz。
步骤5：对电流iαh、iβh进行固定时刻采样，获取转子位置正、余弦信号，具体如下：
5.1)在时刻t1＝(k+1/4)ms,k＝0,1,2,3...，提取iαh、iβh对应的电流值，得到与主电机转子位置相关的正、余弦信号，分别记为ft1(cosθr)、ft1(sinθr)，其中，θr为主电机真实转子位置信号；
5.2)在时刻t2＝(k+3/4)ms,k＝0,1,2,3...，提取iαh、iβh对应的电流值，可得到与主电机转子位置相关的正、余弦信号，分别记为ft2(cosθr)、ft2(sinθr)，其中，θr为主电机真实转子位置信号；
5.3)对步骤5.1和步骤5.2中得到的与主电机转子位置相关的正、余弦信号进行做差处理，消除直流偏量，得到用于估算转子位置的有效正、余弦信号表达式如下：
步骤6：获取转子真实位置与估算位置估算误差如下：
其中，为当前时刻转子估算位置，/>为上一时刻转子估算位置。采用基于锁相环的信号处理方法对上述估算误差进行闭环处理，便可获取转子估算位置/>
步骤7：使用id＝0控制策略起动多级式电励磁同步电机，起动过程中重复步骤3～步骤6，实现电机转子位置在线估算。
图5、图6为该方法估算转子位置与真实位置对比结果，图7、图8为估算转速与真实转速对比结果。从图中可以看出转子位置估算误差在0.1rad之内，转速估算误差在3r/min之内，满足实际情况下多级式电励磁同步电机起动阶段转子位置精度及转速精度要求。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种基于固定时刻采样的低速段转子位置信息在线估算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对多级式电励磁同步电机的两相励磁机施加相位互差90°的交流励磁电压，该交流励磁电压形成的励磁磁场旋转方向与电机旋转方向相反；
步骤2：在主电机估算的d轴注入高频方波信号，其表达式如下：
其中Uh是注入高频信号幅值，Th是注入高频信号周期；
步骤3：采集主电机三相电流iA、iB、iC，对其进行CLARK变换，得到αβ坐标系下的等效电流iα、iβ；
步骤4：提取电流iα、iβ中的高频响应电流信号，分别记为iαh、iβh；
步骤5：对电流iαh、iβh进行固定时刻采样，获取转子位置正、余弦信号，并对转子位置正、余弦信号分别进行做差处理，消除直流偏量，得到用于估算转子位置的有效正、余弦信号f(sinθr)和f(cosθr)，其中θr为主电机真实转子位置信号；
所述步骤5中对电流iαh、iβh进行固定时刻采样，获取转子位置正、余弦信号过程为：
步骤5.1：在时刻t1＝kTh+Th/4,k＝0,1,2,3...，提取iαh、iβh对应的电流值，得到与主电机转子位置相关的正、余弦信号，分别记为ft1(cosθr)、ft1(sinθr)；
步骤5.2：在时刻t2＝kTh+3Th/4,k＝0,1,2,3...，提取iαh、iβh对应的电流值，得到与主电机转子位置相关的正、余弦信号，分别记为ft2(cosθr)、ft2(sinθr)；
步骤5.3：对步骤5.1和步骤5.2中得到的与主电机转子位置相关的正、余弦信号进行做差处理，消除直流偏量，得到用于估算转子位置的有效正、余弦信号表达式如下：
步骤6：获取转子真实位置与估算位置估算误差如下：
其中为上一时刻转子估算位置，得到当前时刻转子估算位置/>与转子真实位置θr(k)的估算误差Δθr(k)；再对估算误差Δθr(k)进行闭环处理，获取转子估算位置
步骤7：起动多级式电励磁同步电机，起动过程中重复步骤3～步骤6，实现电机转子位置在线估算。
2.根据权利要求1所述一种基于固定时刻采样的低速段转子位置信息在线估算方法，其特征在于：步骤4中采用带通滤波器提取电流iα、iβ中高频响应电流信号。
3.根据权利要求2所述一种基于固定时刻采样的低速段转子位置信息在线估算方法，其特征在于：带通滤波器采用Butterworth二阶带通滤波器。
4.根据权利要求1所述一种基于固定时刻采样的低速段转子位置信息在线估算方法，其特征在于：步骤6中采用基于锁相环的信号处理方法对估算误差Δθr(k)进行闭环处理，获取转子估算位置
5.根据权利要求1所述一种基于固定时刻采样的低速段转子位置信息在线估算方法，其特征在于：步骤7中，起动过程中使用id＝0控制策略。
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