CN115208256B - 电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法及系统，其对基于电励磁双凸极发电机的双凸极发电机可控整流发电系统，电励磁双凸极发电机处于发电工作状态时，检测所述电励磁双凸极发电机输出的三相相电压，并确定在一电周期内任一相相电压发生NCZP的次数以及转子当前所在的特征区；根据转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值确定表征转子位置的转子当前电角度值，驱动控制器根据所确定的转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态。本发明能有效实现在无位置传感器下的发电运行控制，适用于桥式变换器，满足高速运行环境，安全可靠。

Description

电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种可控整流发电控制方法及系统，尤其是一种电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法及系统，具体为电励磁双凸极发电机在无位置传感器下的可控整流发电控制方法及系统。
背景技术
电励磁双凸极发电机作为特殊结构的磁阻类电机，适合在高温、高速条件下运行。电励磁双凸极发电机在发电运行时，一般采用不控整流方式，不控整流发电控制器结构简单且不需要转子位置传感器，可以通过调节励磁电流来调节输出端电压，但是其励磁电流调节延迟性高，降低了系统的动态性能；此外，运行在不控整流发电方式下的电励磁双凸极发电机(Doubly Salient Electro-magnetic Generator，DSEG)机电能量转换率较低。
为解决上述问题，近年来DSEG的可控整流发电方式获得了广泛关注。可控整流发电能有效的提高其发电功率，并且系统调节的动态性能较不控整流发电方式有明显的改善。但是可控整流发电需要位置传感器为控制系统提供位置信息，位置传感器在恶劣运行环境下的故障率较高，故障后发电系统只能工作在不控整流发电运行方式下，使得输出功率下降，输出电压调节困难，严重时可能导致系统无法正常工作。
为了提高DSEG可控整流发电系统运行的可靠性，进行无位置传感器控制研究具有很重要的意义。目前，王开淼等公开的“A Current Self-Injection Based PositionSensorless Control for DSEG With Controlled Rectification”(IEEE Transactionson Power Electronics，2022年5月，第37卷，第3期，3308–3320 页)论文中介绍了一种基于相电流自注入法来实现电励磁双凸极发电机的无位置传感器运行控制方法，这种运行控制方法通过在非换相区中点向该非工作相绕组注入电流，然后，根据电流的大小设定阈值来确定转子位置。该方法不需要电压传感器，不需要计算注入脉冲宽度，可实施性强，能很好的实现无位置传感器稳定运行，但是该方法受限于变换器拓扑结构，在桥式拓扑中不能够使用，同时该方法不适合高速下条件下使用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法及系统，其能有效实现在无位置传感器下的发电运行控制，适用于桥式变换器，满足高速运行环境，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述电励磁双凸极发电机的可控整流发电控制方法，
对基于电励磁双凸极发电机的双凸极发电机可控整流发电系统，将所述电励磁双凸极发电机的一电周期配置形成特征区组，所述特征区组包括若干个特征区，且相邻特征区间的电角度差值相同，其中，
双凸极发电机可控整流发电系统包括用于对电励磁双凸极发电机可控整流的三相桥式整流变换器以及用于控制所述三相桥式整流变换器整流状态的驱动控制器；
电励磁双凸极发电机处于发电工作状态时，检测所述电励磁双凸极发电机输出的三相相电压，并确定在一电周期内任一相相电压发生NCZP的次数，以根据所确定三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区；
确定转子所在的特征区后，以基于转子当前所在的特征区更新电角度基值，且根据转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值确定表征转子位置的转子当前电角度值，驱动控制器基于所确定的转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态，以使得经三相桥式整流变换器得到的整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc匹配。
将一电周期配置形成的特征区组包括第一特征区、第二特征区以及第三特征区，其中，
第一特征区对应电周期的电角度为0°～60°以及300°～360°；第二特征区对应电周期的电角度为60°～180°，第三特征区对应电周期的电角度为 180°～300°。
配置用于记录转子进入第一特征区时刻的时间变量T1、用于记录转子进入第二特征区时刻的时间变量T2以及用于记录转子进入第三特征区时刻的时间变量T3；
当转子进入第一特征区时，则有：当转子进入第二特征区时，则有：当转子进入第三特征区时，则有：其中，n31为转子位于第三特征区的转速，n12为转子位于第一特征区的转速， n23为转子位于第二特征区的转速，θ′为更新得到的电角度基值；
确定转子当前电角度值为：
其中，nave为转子的平均速度，θ为转子当前电角度值；θ′(t)为更新电角度基值θ′的时刻，积分的区间上限t为当前时刻。
配置用于记录A相电压发生NCZP次数的A相过零标志值Sak、用于记录B相电压发生NCZP次数的B相过零标志值Sbk以及用于记录C相电压发生NCZP次数的C相过零标志值Sck，并配置用于表征转子所处特征区状态的第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs；
在一个电周期内，根据三相相电压发生NCZP的次数，确定转子当前所在的特征区时，则有：
当A相过零标志值Sak的值为2且C相过零标志值Sck为1时，则将第三特征区状态标志位Scs配置为1，以表征转子当前进入第三特征区；
当B相过零标志值Sbk的值为2且A相过零标志值Sak为1时，则将第一特征区状态标志位Sas配置为1，以表征转子当前进入第一特征区；
当C相过零标志值Sck的值为2且B相过零标志值Sbk的值为1时，则将第二特征区状态标志位Sbs配置为1，以表征转子当前进入第二特征区。
当A相过零标志值Sak的值为2且C相过零标志值Sck不为1时，则将C 相过零标志值Sck配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0；
当B相过零标志值Sbk的值为2且A相过零标志值Sak不为1时，则将A 相过零标志值Sak配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0；
当C相过零标志值Sck的值为2且B相过零标志值Sbk不为1时，则将B 相过零标志值Sbk配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0。
还包括用于向驱动控制器加载导通角度β的电压调节器，其中，
电压调节器根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc间的误差产生导通角度β；驱动控制器根据导通角度β以及转子当前电角度值产生桥式整流驱动信号，以通过桥式整流驱动信号控制三相桥式整流变换器的工作状态。
一种电励磁双凸极发电机的可控整流发电控制系统，用于实施可控整流发电控制，包括用形成双凸极发电机可控整流发电控制系统的三相桥式整流器、驱动控制器、相电压检测单元以及位置转速确定单元，其中，
相电压检测单元，用于检测电励磁双凸极发电机发电工作时的三相相电压；
位置转速确定单元，确定在一电周期内任一相相电压发生NCZP的次数，以根据所确定三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区；确定转子所在的特征区后，以基于转子当前所在的特征区更新电角度基值，且根据转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值确定表征转子位置的转子当前电角度值；
驱动控制器，根据所确定的转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态，以使得经三相桥式整流变换器得到的整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc匹配。
还包括用于向驱动控制器加载导通角度β的电压调节器，其中，
电压调节器根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc间的误差产生导通角度β；驱动控制器根据导通角度β以及转子当前电角度值产生桥式整流驱动信号，以通过桥式整流驱动信号控制三相桥式整流变换器的工作状态。
还包括位置检测误差补偿单元，其中，
位置检测误差补偿单元根据导通角度β以及转子的平均速度产生一角度误差补偿量αcom，位置转速确定单元根据角度误差补偿量αcom对确定的转子当前电角度进行误差补偿，以得到转子当前补偿后电角度值；
驱动控制根据转子当前补偿后电角度值以及导通角度β产生相应的桥式整流补偿后驱动信号，以利用桥式整流补偿后驱动信号控制三相桥式整流变换器的整流状态。
还包括对电励磁双凸极发电机进行电励磁控制的电励磁控制单元，其中，
所述电励磁控制单元包括励磁电流选择单元、励磁电流调节器、不对称整流桥以及相励磁电流检测单元；
励磁电流选择单元根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压 U*dc间的误差产生励磁目标相电流，励磁电流调节器接收励磁目标相电流与励磁检测电流If间的励磁电流误差，并通过不对称整流桥将励磁实际电流加载到电励磁双凸极发电机。
本发明的优点：利用三相桥式整流变换器与电励磁双凸极发电机配合，电励磁双凸极发电机发电工作时，根据三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区，进而确定表征转子位置的转子当前电角度值，驱动控制器可基于转子当前电角度值能实现对三相桥式整流变换器整流控制；确定表征转子位置的转子当前电角度值时，不依赖于位置传感器获取转子的位置，能避免使用位置传感器所产生的问题，即能有效实现在无位置传感器下的发电运行控制，满足高速运行环境中的使用，适用于桥式变换器，安全可靠。
附图说明
图1为本发明电励磁双凸极发电机与三相桥式整流桥整流变换器的拓扑图。
图2为图1中电路拓扑工作时的波形图。
图3为图1中电路拓扑工作于0～α°电角度时的等效电路示意图。
图4为图1中电路拓扑工作于α°～β°电角度时的等效电路示意图。
图5为图1中电路拓扑工作于β°～120°电角度时的等效电路示意图。
图6为图1中电路拓扑工作于120°～120°+α°电角度时的等效电路示意图。
图7为图1中电路拓扑工作于120°+α°～120°+β°电角度时的等效电路示意图。
图8为图1中电路拓扑工作于120°+β°～240°电角度时的等效电路示意图。
图9为图1中电路拓扑工作于240°～240°+α°电角度时的等效电路示意图。
图10为图1中电路拓扑工作于240°+α°～240°+β°电角度时的等效电路示意图。
图11为图1中电路拓扑工作于240°+β°～360°电角度时的等效电路示意图。
图12为本发明确定转子与特征区的流程图。
图13为本发明确定转子当前电角度值时的流程图。
图14为本发明双凸极发电机可控整流发电控制系统的系统框图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
对电励磁双凸极发电机，为了能有效实现在无位置传感器下的发电运行控制，适用于桥式变换器，本发明电励磁双凸极发电机的可控整流发电控制方法，具体地：
对基于电励磁双凸极发电机的双凸极发电机可控整流发电系统，将所述电励磁双凸极发电机的一电周期配置形成特征区组，所述特征区组包括若干个特征区，且相邻特征区间的电角度差值相同，其中，
双凸极发电机可控整流发电系统包括用于对电励磁双凸极发电机可控整流的三相桥式整流变换器以及用于控制所述三相桥式整流变换器整流状态的驱动控制器；
电励磁双凸极发电机处于发电工作状态时，检测所述电励磁双凸极发电机输出的三相相电压，并确定在一电周期内任一相相电压发生NCZP的次数，以根据所确定三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区；
确定转子所在的特征区后，以基于转子当前所在的特征区更新电角度基值，且根据转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值确定表征转子位置的转子当前电角度值，驱动控制器基于所确定的转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态，以使得经三相桥式整流变换器得到的整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc匹配。
具体地，双凸极发电机可控整流发电系统为基于电励磁双凸极发电机的发电系统，电励磁双凸极发电机具体可以采用现有常用的形式，电励磁双凸极发电机的具体情况可以根据实际需要选择。对于双凸极发电机可控整流发电系统，利用三相桥式整流变换器对电励磁双凸极发电机进行可控整流，三相桥式整流桥式变换器即为桥式变换器，三相桥式整流变换器与电励磁双凸极发电机间连接拓扑图，可以参考图1的说明。当采用三相桥式整流变换器对电励磁双凸极发电机进行可控整流时，则需要利用驱动控制器控制所述三相桥式整流变换器的整流状态。
本技术领域人员周知，对于电励磁双凸极发电机，存在一电周期，所述电周期的电角度为0°～360°，在采用三相桥式整流变换器对电励磁双凸极发电机进行可控整流时，为了能适应在无位置传感器下的发电运行控制，将一电周期配置成特征区组，特征区组内包括若干特征区，且相邻特征区间的电角度差值相同。对特征区组内特征区的情况，下述说明中会进行具体情况进行解释说明。
发电运行控制时，即电励磁双凸极发电机需要处于发电工作状态，当电励磁双凸极发电机处于发电工作状态时，检测所述电励磁双凸极发电机输出的三相相电压，具体地，可以采用本技术领域常用的技术手段检测电励磁双凸极发电机输出的三相相电压，如通过电压传感器等方式检测获取三相相电压。
在检测获取电励磁双凸极发电机输出的三相相电压后，确定在一电周期内任一相相电压发生NCZP的次数，相电压发生NCZP即为负向过零点，具体是指相电压从正向过零到负向的状态，在确定任一相的相电压后，根据所述相电压的波形变化，即可确定当前相电压发生NCZP的次数，具体确定得到相电压NCZP次数的方式以及过程可以根据实际需要选择，此处不再赘述。
在一个电周期内，根据所确定三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区，即需要根据三相相电压发生NCZP相对应的状态，才能具体确定转子当前所在的特征区。
具体实施时，在配置得到特征区组后，对特征区内的任一特征区，一般需配置一相应的电角度基值，电角度基值的情况与所正对应特征区的电角度分布等相关。本发明实施例中，根据转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值确定表征转子位置的转子当前电角度值，当确定表征转子位置的转子当前电角度值后，驱动控制器基于所确定的转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态，以使得经三相桥式整流变换器得到的整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc匹配。
在确定转子当前电角度值后，驱动控制器可以采用现有常用的技术手段控制三相桥式整流变换器的整流状态，控制三相桥式整流变换器的整流状态具体是指控制对电励磁双凸极发电机输出电压的整流状态。整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc匹配，具体是指整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc相等，或者，两者的差值位于一个允许的范围内，具体匹配的情况可以根据实际需要选择，以能满足实际应用的场景需求为准，此处不再赘述。
综上，本发明在进行发电控制时，对电励磁双凸极发电机的转子位置，不依赖于位置传感器获取转子的位置，避免使用位置传感器所产生的问题，根据三相相电压发生NCZP的状态，可确定转子当前所在的特征区，进而确定表征转子位置的转子当前电角度值，从而可基于转子当前电角度值能实现对三相桥式整流变换器整流控制，即能有效实现在无位置传感器下的发电运行控制，适用于桥式变换器。
图1中，对电励磁双凸极发电机，包括A相绕组、B相绕组以及C相绕组，其中，A相绕组可等效为A相绕组电感La、A相绕组电阻Ra以及励磁感应电势ea，B相绕组可等效为B相绕组电感Lb、B相绕组电阻Rb以及励磁感应电势eb，C相绕组可等效为C相绕组电感Lc、C相绕组电阻Rc以及励磁感应电势ec。A相绕组、B相绕组以及C相绕组采用星型连接，连接后得到中性点N。电励磁双凸极发电机的励磁绕组可等效为励磁电感Lf、励磁电阻Rf以及励磁电流if，励磁绕组的具体情况可与现有相一致，此处不再赘述。
对于三相桥式整流变换器，具体包括功率管Q1～功率管Q6，以及功率管 Q1～功率管Q6相对应的寄生续流二极管D1～D6，功率管Q1～功率管Q6一般采用IGBT器件。功率管Q1、功率管Q4位于同一桥臂，功率管Q3、功率管Q6位于同一桥臂，功率管Q5、功率管Q2位于同一桥臂，三相桥式整流变压器与电励磁双凸极发电机的具体连接配合可以参考图1的拓扑。此外，还包括电容C1以及负载RL，电容C1与三相桥式整流变换器的桥臂并联，通过电容 C1能得到整流后直流母线电压Udc。
图1中，A相绕组与三相桥式整流变换器的桥臂连接形成节点A，B相绕组与三相桥式整流变换器的桥臂连接形成节点B，C相绕组与三相桥式整流变换器的桥臂连接形成节点C；节点A，节点B和节点C相应的节点电压分别与中性点N的电压做差，再经过低通滤波器滤波，以能分别得到相电压ua，相电压ub以及相电压uc，具体得到相电压ua，相电压ub以及相电压uc的方式以及过程与现有相一致，此处不再赘述。
为了便于说明相电压发生NCZP(Negative crossing zero point)的情况，以图2中的控制逻辑来驱动三相桥式整流变换器，以调节电励磁双凸极发电机的发电运行。图2中，将电励磁双凸极发电机的一个电周期分为9个区间，其中，Ka＝60°，Kb＝180°，Kc＝300°，α和功率相关，是二极管续流的角度，一般为0°～20°，β为导通角度；α＜β。下面对每个区间对应的发电运行状态进行具体说明。
区间1(0°～α°)：在此区间，功率管Q1、功率管Q2和二极管D2开通，此时，二极管D2处于续流状态，ua＝ub>0，uc<0；等效电路电流流通路径如图11 所示。
区间2(α°～β°)：在此区间，二极管D2关断，功率管Q1和功率管Q2持续开通，此时，电容C1给A相绕组和C相绕组储能，ua>ub>0，uc<0；等效电路电流流通路径如图3所示。
区间3(β°～120°)：在此区间，功率管Q1和功率管Q2关断，二极管D4和二极管D5开通，此时，A相绕组和C相绕组释放能量，进行机电能量转换；在此区间，ua<0，uc>0，其中，在β°～Ka时，ub>0，在Ka～120°时，ub<0。可以得到，在电角度Ka位置，发生相电压ub的NCZP；同时，在电角度β°位置处，发生相电压ua的NCZP。等效电路电流流通路径如图4所示。
区间4(120°～120°+α°)：在此区间，功率管Q3、功率管Q4和二极管D5开通，此时，二极管D5处于续流状态，ub＝uc>0，ua<0；等效电路电流流通路径如图5所示。
区间5(120°+α°～120°+β°)：在此区间，二极管D5关断，功率管Q3和功率管Q4持续开通，此时，电容C1给A相绕组和B相绕组储能，ub>uc>0， ua<0；等效电路电流流通路径如图6所示。
区间6(120°+β°～240°)：在此区间，功率管Q3和功率管Q4关断，二极管D1和二极管D6开通，此时，A相绕组和B相绕组释放能量，进行机电能量转换。在此区间，ub<0，ua>0，其中，在120°+β°～Kb时，uc>0，在Kb～240°时，uc<0。可以得到：在电角度Kb位置发生相电压uc的NCZP；同时，在 120°+β°位置处发生相电压ub的NCZP；等效电路电流流通路径如图7所示。
区间7(240°～240°+α°)：在此区间，功率管Q5、功率管Q6和二极管D1开通，此时，二极管D1处于续流状态，uc＝ua>0，ub<0；等效电路电流流通路径如图8所示。
区间8(240°+α°～240°+β°)：在此区间，二极管D1关断，功率管Q5和功率管Q6持续开通，此时，电容C1给B相绕组和C相绕组储能，uc>ua>0，ub<0；等效电路电流流通路径如图9所示。
区间9(240°+β°～360°)：在此区间，功率管Q5和功率管Q6关断，二极管D2和二极管D3开通，此时，B相绕组和C相绕组释放能量，进行机电能量转换。在此区间，uc<0，ub>0，其中，在240°+β°～Kc时，ua>0，在Kc～240°时，ua<0。可以得到：在电角度Kc位置，发生相电压ua的NCZP；同时，在 240°+β°位置处，发生相电压uc的NCZP。等效电路电流流通路径如图11所示。
具体实施时，驱动控制器控制三相桥式整流变换器的整流状态，具体是指控制上述功率管Q1～功率管Q6的开关状态，以及二极管D1～二极管D6的续流状态。
由上述说明可知，在一个完整的电周期内，每一相的相电压会发生两次 NCZP。为了确定每一相相电压发生NCZP的情况，配置用于记录A相电压发生NCZP次数的A相过零标志值Sak、用于记录B相电压发生NCZP次数的B 相过零标志值Sbk以及用于记录C相电压发生NCZP次数的C相过零标志值 Sck，其中，A相过零标志值Sak、B相过零标志值Sbk以及C相过零标志值Sck相应的取值为0，1或2，当取值为0时，即未发生NCZP；当取值为1时，即发生一次NCZP；当取值为2时，即发生两次NCZP。
具体实施时，根据上述说明，将一电周期配置形成的特征区组包括第一特征区、第二特征区以及第三特征区，其中，
第一特征区对应电周期的电角度为0°～60°以及300°～360°；第二特征区对应电周期的电角度为60°～180°，第三特征区对应电周期的电角度为 180°～300°。
本发明实施例中，特征区组包括第一特征区、第二特征区以及第三特征区时，则相邻特征区之间间隔的电角度为120°。具体实施时，将特征区组配置为第一特征区、第二特征区以及第三特征区后，配置用于表征转子所处特征区状态的第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs。具体地，
在一个电周期内，根据三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区时，则有：
当A相过零标志值Sak的值为2且C相过零标志值Sck为1时，则将第三特征区状态标志位Scs配置为1，以表征转子当前进入第三特征区；
当B相过零标志值Sbk的值为2且A相过零标志值Sak为1时，则将第一特征区状态标志位Sas配置为1，以表征转子当前进入第一特征区；
当C相过零标志值Sck的值为2且B相过零标志值Sbk的值为1时，则将第二特征区状态标志位Sbs配置为1，以表征转子当前进入第二特征区。
由上述说明可知，在一个电周期内，由于任一相电压均会发生两次NCZP；但发生两次NCZP时，仅有一次NCZP可以作为特征点对转子位置进行定位与估计。因此，根据三相相电压发生NCZP的状态，具体是指根据三相相电压发生NCZP相对次数，来确定相应的特征点。
图12中，当A相过零标志值Sak的值为2且C相过零标志值Sck为1时，即为A相发生两次NCZP后且在C相发生一次NCZP下，C相发生NCZP的位置作为特征点，此时，即有将第三特征区状态标志位Scs配置为1，以表征转子当前进入第三特征区。
具体实施时，当B相过零标志值Sbk的值为2且A相过零标志值Sak为1 时、以及当C相过零标志值Sck的值为2且B相过零标志值Sbk的值为1时，均为确定相应特征点的判断过程，即实现根据三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区。
如图12所示，当A相过零标志值Sak的值为2且C相过零标志值Sck不为1时，则将C相过零标志值Sck配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0；
当B相过零标志值Sbk的值为2且A相过零标志值Sak不为1时，则将A 相过零标志值Sak配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0；
当C相过零标志值Sck的值为2且B相过零标志值Sbk不为1时，则将B 相过零标志值Sbk配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0。
本发明实施例中，将第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位 Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0，即在发生NZCP时，转子不在第一特征区、第二特征区以及第三特征区。具体实施时，当A相过零标志值 Sak的值为2且C相过零标志值Sck不为1时，则将C相过零标志值Sck配置为1，则方便将整个转子位置检测进入稳态，提高后续检测时的可靠性。
具体工作时，比如电励磁双凸极发电机刚起动时，所述电励磁双凸极发电机转子的起始位置并不确定，因此，一开始第一个NCZP发生时，给A相过零标志值Sak、B相过零标志值Sbk或C相过零标志值Sck赋值，并不能保证当前相电压发生NCZP对应的是特征点的那一次(一个周期有两次NCZP)。当某一相电压发生NCZP但未检测到时，也即存在漏检情况，此时，出现了混乱，采用上述赋值配置的方式，可自动调节到稳态，从而可以确保后续可以快速确定到相电压发生NZCP对应的特征点。
如图13所示，配置用于记录转子进入第一特征区时刻的时间变量T1、用于记录转子进入第二特征区时刻的时间变量T2以及用于记录转子进入第三特征区时刻的时间变量T3；
当转子进入第一特征区时，则有：当转子进入第二特征区时，则有：当转子进入第三特征区时，则有：其中，n31为转子位于第三特征区的转速，n12为转子位于第一特征区的转速， n23为转子位于第二特征区的转速，θ′为更新得到的电角度基值；
确定转子当前电角度值为：
其中，nave为转子的平均速度，θ为转子当前电角度值。
本发明实施例中，利用定时器对转子进入第一特征区、第二特征区或第三特征区的时间记录，通过时间变量T1记录转子进入第一特征区的时刻，通过时间变量T2记录转子进入第二特征区的时刻，通过时间变量T3记录转子进入第三特征区的时刻；即根据上述第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs确定转子所在的特征区后将读取定时器的时刻赋值给相应的时间变量，如确定进入第一特征区，则将读取定时器当前的时刻赋值给时间变量T1，其余情况类推，此处不再赘述。当然，在具体实施时，时间变量T2、时间变量T3内还存储上一次转子分别进入第二特征区、第三特征区相应的时刻。
由上述说明可知，不同特征区的电角度基值不同，图13中，示出了特征区组具体配置为第一特征区、第二特征区以及第三特征区的情况。具体实施时，确认任一相发生两次NZCP时，则转子只会进入第一特征区、第二特征区或第三特征区中的一个。
根据第一特征区、第二特征区以及第三特征区相应的电角度分布可知，当转子进入第一特征区时，则有：其中，时间变量T1为记录转子进入第一特征区的时刻，时间变量T1为所记录转子进入第三特征区的时间；当转子进入第一特征区时，电角度基值θ′为θ′＝60°。
转子位于第一特征区，并得到转子进入第一特征区的转速n1以及电角度基值为θ′＝60°后，即可计算转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值θ′确定表征转子位置的转子当前电角度值，则有：
其中，计算平均转速nave时，n12、n23为转子在进入第一特征区前，在第二特征区以及第三特征区相应的平均转速。在得到平均转速nave后，根据更新后的电角度基值θ′即可确定转子位置的转子当前电角度值θ。θ′(t)为更新电角度基值θ′的时刻，积分的区间上限t为当前时刻。
同理，可以得到转子进入第二特征区、以及第三特征区的情况，具体可以参考上述说明，此处不再赘述。
如图14所示，可得到电励磁双凸极发电机的可控整流发电控制系统，具体地：用于实施可控整流发电控制，包括用形成双凸极发电机可控整流发电控制系统的三相桥式整流器、驱动控制器、相电压检测单元以及位置转速确定单元，其中，
相电压检测单元，用于检测电励磁双凸极发电机发电工作时的三相相电压；
位置转速确定单元，确定在一电周期内任一相相电压发生NCZP的次数，以根据所确定三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区；确定转子所在的特征区后，以基于转子当前所在的特征区更新电角度基值，且根据转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值确定表征转子位置的转子当前电角度值；
驱动控制器，根据所确定的转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态，以使得经三相桥式整流变换器得到的整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc匹配。
具体地，相电压检测单元，可采用本技术领域常用的技术手段检测电励磁双凸极发电机发电工作时的三相相电压，具体检测三相相电压的具体方式可以根据需要选择，此处不再赘述。
位置转速确定单元，主要确定在一电周期内任一相相电压发生NCZP的次数以及确定表征转子位置的转子当前电角度值的过程，具体过程可以参考上述说明，此处不再赘述。
具体实施时，还包括用于向驱动控制器加载导通角度β的电压调节器，其中，
电压调节器根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc间的误差产生导通角度β；驱动控制器根据导通角度β以及转子当前电角度值产生桥式整流驱动信号，以通过桥式整流驱动信号控制三相桥式整流变换器的工作状态。
本发明实施例中，电压调节器可采用现有常用的PI调节形式，电压调节器根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc间的误差产生导通角度β，具体采用PI调节产生导通角度β的方式与现有相一致，此处不再赘述。具体实施时，转子当前电角度是基于确定基准点(基准点即电角度的参考点，也就是转子位置电角度为0度时对应图2的横坐标为零。)的一个转子角度，转子当前电角度与现有利用位置传感器检测的转子位置具有相同的含义，因此，驱动控制器可以采用现有常用的技术手段实现基于转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态。
具体工作时，驱动控制器根据导通角度β以及转子当前电角度值产生桥式整流驱动信号，其中，驱动控制器根据导通角度β以及转子当前电角度值产生桥式整流驱动信号的方式以及过程可与现有相一致，以能具体产生得到所需的桥式整流驱动信号为准。根据桥式整流驱动信号控制三相桥式整流变换器的工作状态，具体可以参考上述以及图3～图11的说明，此处不再赘述。
进一步地，还包括位置检测误差补偿单元，其中，
位置检测误差补偿单元根据导通角度β以及转子的平均速度nave产生一角度误差补偿量αcom，位置转速确定单元根据角度误差补偿量αcom对确定的转子当前电角度进行误差补偿，以得到转子当前补偿后电角度值；
驱动控制根据转子当前补偿后电角度值以及导通角度β产生相应的桥式整流补偿后驱动信号，以利用桥式整流补偿后驱动信号控制三相桥式整流变换器的整流状态。
本发明实施例中，位置检测误差补偿单元根据导通角度β以及平均转速 nave产生角度误差补偿量αcom，位置转速确定单元根据角度误差补偿量αcom对确定的转子当前电角度进行误差补偿，以得到转子当前补偿后电角度值。具体工作时，驱动控制根据转子当前补偿后电角度值以及导通角度β产生相应的桥式整流补偿后驱动信号，以利用桥式整流补偿后驱动信号控制三相桥式整流变换器的整流状态，即可以提高对三相桥式整流变换器整流状态控制的精度与可靠性。
具体实施时，误差主要是对于三相电压检测时滤波造成的，因此，主要是滤波器产生的相电压相位延迟，造成NCZP延迟发生，延迟情况和相电压的频率分布和滤波器参数有关系，进行误差补偿也即是对滤波器的相频补偿。具体地，可以采用本技术领域常用的技术手段通过角度误差补偿量αcom对确定的转子当前电角度进行误差补偿，角度误差补偿量αcom即为滤波造成的相移，补偿即为针对相移进行补偿，具体误差补偿得到转子当前补偿后电角度值的方式以及过程可以根据实际需要选择，如可以采用现有常用的相频补偿方式，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
进一步地，还包括对电励磁双凸极发电机进行电励磁控制的电励磁控制单元，其中，
所述电励磁控制单元包括励磁电流选择单元、励磁电流调节器、不对称整流桥以及相励磁电流检测单元；
励磁电流选择单元根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压 U*dc间的误差产生励磁目标相电流，励磁电流调节器接收励磁目标相电流与励磁检测电流If间的励磁电流误差，并通过不对称整流桥将励磁实际电流加载到电励磁双凸极发电机。
本发明实施例中，对电励磁双凸极发电机的励磁控制方式以及过程可与现有相一致，因此，励磁电流选择单元、励磁电流调节器、不对称整流桥以及相励磁电流检测单元可采用现有常用的形式，具体配合实现对电励磁双凸极发电机的励磁控制过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
现有技术中，电励磁双凸极发电机针对无位置控制运行方法主要分为两大类，一种是基于脉冲注入法，一种是基于感应电势(电压)或者磁链的方法。脉冲注入法是先注入脉冲，然后检测相应电流，从这个方法本身来说需要的检测周期很长，因此，在高速运行中该方法会失效。而本发明所基于相电压确定转子的位置状态，检测周期短，高速运行时依然可以准确的计算出转子位置。
综上，本发明利用三相桥式整流变换器与电励磁双凸极发电机配合，电励磁双凸极发电机发电工作时，根据三相相电压发生NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区，进而确定表征转子位置的转子当前电角度值，驱动控制器可基于转子当前电角度值能实现对三相桥式整流变换器整流控制；确定表征转子位置的转子当前电角度值时，不依赖于位置传感器获取转子的位置，能避免使用位置传感器所产生的问题，即能有效实现在无位置传感器下的发电运行控制，满足高速运行环境中的使用，适用于桥式变换器，安全可靠。

Claims (9)

1.一种电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法，其特征是，
对基于电励磁双凸极发电机的双凸极发电机可控整流发电系统，将所述电励磁双凸极发电机的一电周期配置形成特征区组，所述特征区组包括若干个特征区，且相邻特征区间的电角度差值相同，其中，
双凸极发电机可控整流发电系统包括用于对电励磁双凸极发电机可控整流的三相桥式整流变换器以及用于控制所述三相桥式整流变换器整流状态的驱动控制器；
电励磁双凸极发电机处于发电工作状态时，检测所述电励磁双凸极发电机输出的三相相电压，并确定在一电周期内任一相相电压发生负向过零点NCZP的次数，以根据所确定三相相电压发生负向过零点NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区；
确定转子所在的特征区后，以基于转子当前所在的特征区更新电角度基值，且根据转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值确定表征转子位置的转子当前电角度值，驱动控制器基于所确定的转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态，以使得经三相桥式整流变换器得到的整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc匹配；
将一电周期配置形成的特征区组包括第一特征区、第二特征区以及第三特征区，其中，
第一特征区对应电周期的电角度为0°～60°以及300°～360°；第二特征区对应电周期的电角度为60°～180°，第三特征区对应电周期的电角度为180°～300°。
2.根据权利要求1所述电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法，其特征是：配置用于记录转子进入第一特征区时刻的时间变量T1、用于记录转子进入第二特征区时刻的时间变量T2以及用于记录转子进入第三特征区时刻的时间变量T3；
当转子进入第一特征区时，则有：
Figure FDA0004121768230000011
当转子进入第二特征区时，则有：
Figure FDA0004121768230000012
当转子进入第三特征区时，则有：
Figure FDA0004121768230000013
其中，n31为转子位于第三特征区的转速，n12为转子位于第一特征区的转速，n23为转子位于第二特征区的转速，θ′为更新得到的电角度基值；
确定转子当前电角度值为：
Figure FDA0004121768230000021
其中，nave为转子的平均速度，θ为转子当前电角度值；θ′(t)为更新电角度基值θ′的时刻，积分的区间上限t为当前时刻。
3.根据权利要求1或2所述电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法，其特征是，
配置用于记录A相电压发生负向过零点NCZP次数的A相过零标志值Sak、用于记录B相电压发生负向过零点NCZP次数的B相过零标志值Sbk以及用于记录C相电压发生负向过零点NCZP次数的C相过零标志值Sck，并配置用于表征转子所处特征区状态的第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs；
在一个电周期内，根据三相相电压发生负向过零点NCZP的次数，确定转子当前所在的特征区时，则有：
当A相过零标志值Sak的值为2且C相过零标志值Sck为1时，则将第三特征区状态标志位Scs配置为1，以表征转子当前进入第三特征区；
当B相过零标志值Sbk的值为2且A相过零标志值Sak为1时，则将第一特征区状态标志位Sas配置为1，以表征转子当前进入第一特征区；
当C相过零标志值Sck的值为2且B相过零标志值Sbk的值为1时，则将第二特征区状态标志位Sbs配置为1，以表征转子当前进入第二特征区。
4.根据权利要求3所述电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法，其特征是，
当A相过零标志值Sak的值为2且C相过零标志值Sck不为1时，则将C相过零标志值Sck配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0；
当B相过零标志值Sbk的值为2且A相过零标志值Sak不为1时，则将A相过零标志值Sak配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0；
当C相过零标志值Sck的值为2且B相过零标志值Sbk不为1时，则将B相过零标志值Sbk配置为1，且第一特征区状态标志位Sas、第二特征区状态标志位Sbs以及第三特征区状态标志位Scs均配置为0。
5.根据权利要求1或2所述电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制方法，其特征是，还包括用于向驱动控制器加载导通角度β的电压调节器，其中，
电压调节器根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc间的误差产生导通角度β；驱动控制器根据导通角度β以及转子当前电角度值产生桥式整流驱动信号，以通过桥式整流驱动信号控制三相桥式整流变换器的工作状态。
6.一种电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制系统，其特征是，用于实施权利要求1所述的可控整流发电控制，包括用形成双凸极发电机可控整流发电控制系统的三相桥式整流器、驱动控制器、相电压检测单元以及位置转速确定单元，其中，
相电压检测单元，用于检测电励磁双凸极发电机发电工作时的三相相电压；
位置转速确定单元，确定在一电周期内任一相相电压发生负向过零点NCZP的次数，以根据所确定三相相电压发生负向过零点NCZP的状态，确定转子当前所在的特征区；确定转子所在的特征区后，以基于转子当前所在的特征区更新电角度基值，且根据转子经过所有特征区的平均转速以及更新后的电角度基值确定表征转子位置的转子当前电角度值；
驱动控制器，根据所确定的转子当前电角度值控制三相桥式整流变换器的整流状态，以使得经三相桥式整流变换器得到的整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc匹配。
7.根据权利要求6所述电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制系统，其特征是，还包括用于向驱动控制器加载导通角度β的电压调节器，其中，
电压调节器根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc间的误差产生导通角度β；驱动控制器根据导通角度β以及转子当前电角度值产生桥式整流驱动信号，以通过桥式整流驱动信号控制三相桥式整流变换器的工作状态。
8.根据权利要求7所述电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制系统，其特征是，还包括位置检测误差补偿单元，其中，
位置检测误差补偿单元根据导通角度β以及转子的平均速度产生一角度误差补偿量αcom，位置转速确定单元根据角度误差补偿量αcom对确定的转子当前电角度进行误差补偿，以得到转子当前补偿后电角度值；
驱动控制根据转子当前补偿后电角度值以及导通角度β产生相应的桥式整流补偿后驱动信号，以利用桥式整流补偿后驱动信号控制三相桥式整流变换器的整流状态。
9.根据权利要求6至8任一项所述电励磁双凸极发电机无位置传感器的控制系统，其特征是，还包括对电励磁双凸极发电机进行电励磁控制的电励磁控制单元，其中，
所述电励磁控制单元包括励磁电流选择单元、励磁电流调节器、不对称整流桥以及相励磁电流检测单元；
励磁电流选择单元根据整流后直流母线电压Udc与目标直流母线电压U*dc间的误差产生励磁目标相电流If *，励磁电流调节器接收励磁目标相电流If *与励磁检测电流If间的励磁电流误差，并通过不对称整流桥将励磁实际电流加载到电励磁双凸极发电机。
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