一种k接近优化估计的电机转子初始位置检测方法和装置
阅读说明：本技术 一种k接近优化估计的电机转子初始位置检测方法和装置 (Method and device for detecting initial position of motor rotor based on K-approach optimization estimation ) 是由 栗伟周 张赞 马军磊 李瑞华 吕存杰 吴鑫鑫 田尚永 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种K接近优化估计的电机转子初始位置检测方法和装置,方法包括如下步骤：对待测电机进行标定实验,得到原始标定信号；向待测电机的主电机定子注入设定高频信号,检测主励磁机定子的电流,得到测试信号；计算各原始标定信号的聚类中心,得到中心标定信号；计算测试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离,选取与测试信号欧氏距离最近的k个中心标定信号,将k个中心标定信号所对应的标定位置中数量最多的标定位置作为待测主电机转子所在的位置,k为正整数。本发明提供的技术方案主励磁机定子的电流信号直接作为标定信号和测试信号使用,无需使用高频滤波器进行滤波,减少了信号采集的延时,能够提高对电机转子初始位置检测的准确性。(The invention provides a method and a device for detecting the initial position of a motor rotor by K-approach optimization estimation, wherein the method comprises the following steps: carrying out calibration experiment on the motor to be measured to obtain an original calibration signal; injecting a set high-frequency signal into a main motor stator of a motor to be tested, and detecting the current of the main exciter stator to obtain a test signal; calculating the clustering center of each original calibration signal to obtain a center calibration signal; calculating Euclidean distances between the test signals and the central calibration signals, selecting k central calibration signals closest to the Euclidean distances of the test signals, taking the most-numbered calibration positions in the calibration positions corresponding to the k central calibration signals as the positions of the main motor rotor to be tested, wherein k is a positive integer. According to the technical scheme provided by the invention, the current signal of the stator of the main exciter is directly used as a calibration signal and a test signal, a high-frequency filter is not required for filtering, the time delay of signal acquisition is reduced, and the accuracy of detecting the initial position of the motor rotor can be improved.)
技术领域
本发明属于电机转子初始位置检测技术领域，具体涉及一种K接近优化估计的电机转子初始位置检测方法和装置。
背景技术
三级式交流起动/发电系统在当前航空电机中扮演重要角色，系统的起动/发电一体化功能可减少一套启动装置，减轻飞机重量，提高系统的运行稳定性。随着三级式交流起动/发电系统在多电飞机中的逐步应用，无位置传感器转子位置估计成为目前航空电机研究的热点之一。
全电飞机的发展为三级式交流起动/发电系统提出了更高的要求，以无位置传感器转子为代表的新型三级式同步电机系统优势明显，其可在不需要位置传感器的情况下获得转子位置，降低系统成本，消除因位置传感器故障带来的系统风险，研究在无位置传感器的情况下获得转子初始位置信息，具有较高的价值和意义。
目前对三级式交流电机定子初始位置的检测方法主要有如下几种：
第一种是将电励磁转子同步启动/发电机的结构视为一个旋转变压器，将旋转电压信号注入主发电机的定子，检测主励磁机的励磁电流，然后处理电流信号以估计主发电机的转子位置；
第二种是首先向估计的d轴注入高频方波电压通过电流传感器得到高频电流响应；然后将估计的q轴电流响应分解，将其与固定频率余弦调制波相乘后经低通滤波器得到转子位置误差，再通过位置***得到转子位置初始值；最后基于磁路饱和效应通过外加电流偏置法进行磁极极性辨识；
第三种是高频信号注入法，即将脉振信号、旋转信号等高频信号注入到主电机的定子后检测主励磁机定子输出的高频信号，根据检测到的高频信号来确定主电机转子的初始位置。
上述三种方法中高频信号注入法与另外两种相比具有操作简单、效率高的优势，但是现有的高频注入法对主电机转子初始位置检测的结果准确性较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种K接近优化估计的电机转子初始位置检测方法和装置，用于解决在采用现有的高频信号注入法检测主电机转子初始位置时检测结果准确性较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种K接近优化估计的电机转子初始位置检测方法，包括如下步骤：
步骤一：对待测电机进行标定实验：
首先建立包含多个主电机标定位置的标定位置集，然后当主电机定子的位置在各标定位置上时，向主电机定子注入设定高频信号并检测主励磁机定子的电流，将检测到的主励磁机定子的电流作为原始标定信号，得到原始标定信号集；
步骤二：向待测电机的主电机定子注入设定高频信号，检测主励磁机定子的电流，将得到电流作为测试信号；
步骤三：计算原始标定信号集中各原始信号的聚类中心，得到各标定位置的中心标定信号；计算测试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离；选取与测试信号欧氏距离最近的k个中心标定信号，将k个中心标定信号所对应的标定位置中数量最多的标定位置作为待测主电机转子所在的位置；k为正整数。
进一步的，所述步骤一中当主电机转子的位置在各标定位置上时，向主电机定子注入设定高频信号后检测m个周期的主励磁机定子的电流；所述步骤三中，每个原始标定信号计算n个聚类中心；m和n均为正整数，且m>n。
进一步的，计算测试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离时采用的公式为：
其中d为测试信号qi与中心标定信号pZ的欧氏距离，qi为第i个测试信号，pZj为中心标定信号pZ的第j个元素。
进一步的，在计算测试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离时，先对各中心标定信号和所述测试信号进行归一化处理。
一种K接近优化估计的电机转子初始位置检测装置，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机程序；所述处理器执行该计算机程序时实现如下步骤：
步骤一：对待测电机进行标定实验：
首先建立包含多个主电机标定位置的标定位置集，然后当主电机定子的位置在各标定位置上时，向主电机定子注入设定高频信号并检测主励磁机定子的电流，将检测到的主励磁机定子的电流作为原始标定信号，得到原始标定信号集；
步骤二：向待测电机的主电机定子注入设定高频信号，检测主励磁机定子的电流，将得到电流作为测试信号；
步骤三：计算原始标定信号集中各原始信号的聚类中心，得到各标定位置的中心标定信号；计算测试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离；选取与测试信号欧氏距离最近的k个中心标定信号，将k个中心标定信号所对应的标定位置中数量最多的标定位置作为待测主电机转子所在的位置；k为正整数。
进一步的，所述步骤一中当主电机转子的位置在各标定位置上时，向主电机定子注入设定高频信号后检测m个周期的主励磁机定子的电流；所述步骤三中，每个原始标定信号计算n个聚类中心；m和n均为正整数，且m>n。
进一步的，计算测试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离时采用的公式为：
其中d为测试信号qi与中心标定信号pZ的欧氏距离，qi为第i个测试信号，pZj为中心标定信号pZ的第j个元素。
进一步的，在计算测试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离时，先对各中心标定信号和所述测试信号进行归一化处理
本发明所提供的技术方案，首先以高频信号注入法为基础，向主电机定子注入设定高频信号并检测主励磁机定子的电流信号，结合主励磁机定子的电流信号得到主电机转子的初始位置。本发明提供的技术方案采用K接近优化估计算法计算主电机转子的初始位置，主励磁机定子的电流信号直接作为标定信号和测试信号使用，无需使用高频滤波器进行滤波，减少了信号采集的延时，因此得到的主电机转子初始位置更加准确，能够解决在采用现有的高频信号注入法检测主电机转子初始位置时检测结果准确性较低的问题。
附图说明
图1是本发明方法实施例中实施例中三级式同步电机系统的示结构示意图；
图2是本发明方法实施例中K接近优化估计的电机转子初始位置检测方法的流程图。
具体实施方式
方法实施例：
本实施例提供一种K接近优化估计的电机转子初始位置检测方法，用于对三级式同步电机转子的初始位置进行检测，解决现有技术中对三级式同步电机转子初始位置检测结果不准确的问题。
本实施例所提供的K接近优化估计的电机转子初始位置检测方法，其用于检测的三级式同步电机系统如图1所示，包括主发电机、主励磁机和负励磁机，其检测流程如图2所示，如下步骤：
步骤一：对同步电机进行试验标定。
本实施例中在对同步电机进行试验标定的方法为：
首先建立标定位置集，标定位置集包含主电机转子的标定位置，标定位置在设定位置范围取值内。本实施例标定位置集中的标定位置在0到90度之间取值，每间隔0.5度设置一个标定位置，即标定位置集为{0,0.5,1，……89.5,90}。
然后将主电机的转子设置到其中一个标定位置上，向主电机定子注入设定高频信号并检测m个主励磁机定子的电流，将该主励磁机定子的电流作为该标定位置的原始标定信号；
最后将主电机转子调节到其他标定位置上，按照上述方法依次得到各标定位置的原始标定信号，从而得到与上述标定位置集相对应的原始标定信号集。
主励磁机定子的电流信号直接作为标定信号和测试信号使用，无需使用高频滤波器进行滤波。
步骤二：向待测主电机定子注入设定高频信号，对其主励磁机定子的电流进行检测，得到主励磁机定子的电流，将其作为测试信号；
步骤三：采用K近邻优化估计法，建立主电机转子初始位置解算模型，判断主电机转子初始位置。
本实施例中判断主电机转子初始位置的方法为：
首先对原始标定信号集中的各原始标定信号进行聚类，得到各原始标定信号的聚类中心。本实施例中每个原始标定信号包括m个周期的励磁电流，因此在计算原始标定信号的聚类中心时，每个原始标定信号计算n个聚类中心，每个原始标定信号的聚类中心即为相应标定位置的中心标定信号，从而得到各标定位置的中心标定信号，每个标定位置对应有n个中心标定信号。
本实施例中m为大于1的正整数，n为小于m的正整数。
然后计算测试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离，从中心标定信号集中选出与测试信号之间欧氏距离最近的k个中心标定信号；获取该k个中心标定信号所对应的标定位置，将其中出现次数最多的标定位置作为待测主电机转子所在的位置。本实施例中k的取值为3，作为其他实施方式，k可取值其他正整数。
计算试信号与各中心标定信号之间的欧氏距离时所采用的计算公式为：
其中d为测试信号qi与中心标定信号pZ的欧氏距离，qi为第i个测试信号，pZj为中心标定信号pZ的第j个元素。
为了减少计算量，在计算待测主电机转子所在位置与标定位置集中各标定位置之间的欧氏距离时，先先对中心标定信号集中的各中心标定信号和所述测试信号进行归一化处理，归一化处理时所采用的公式为：
其中X为待归一化处理的信号，Xnorm为信号X归一化处理后的信号，Xmix为待处理信号中的最小信号，Xmax为待处理信号中最大的信号。
本实施例中采用Kmeans聚类计算原始标定信号的聚类中心，以其中一个原始标定信号为例，该原始标定信号聚类中心的计算方法包括如下步骤：
(1)从该标定位置的m个周期的原始标定信号中随机选取n个聚类中心；
(2)分别计算m个周期的原始标定信号到n个聚类中心点的欧式距离，确定m个周期的原始标定信号中距离每个随机选取的聚类中心点最近的原始标定信号，将m个原始标定信号划分为n个组别；
(3)计算n个组别新的聚类中心；
(4)重复上述步骤(2)和步骤(3)，直到n个聚类中心点不再变化，即得到该原始标定信号的聚类中心。
上述采用Kmeans聚类计算原始标定信号的聚类中心时，计算欧式距离的方式与计算待测主电机转子所在位置与标定位置集中各标定位置之间的欧氏距离公式一致。
系统实施例：
本实施例提供一种K接近优化估计的电机转子初始位置检测装置，包括存储器和处理器，存储器上存储有用于在处理器上执行的计算机程序；处理器执行该计算机程序时实现如上述方法实施例中所提供的K接近优化估计的电机转子初始位置检测方法。