三级式无刷交流同步电机的转子位置简化估计方法
阅读说明：本技术 三级式无刷交流同步电机的转子位置简化估计方法 (Simplified estimation method for rotor position of three-stage brushless alternating current synchronous motor ) 是由 魏佳丹 王俊杰 郁钧豪 刘萍 周波 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种三级式无刷交流同步电机的转子位置简化估计方法,具体为：在单相励磁绕组中通入频率恒定的单相交流电源,使得主励磁机的转子侧感应出三相交流电源,并将三相交流电源输入至旋转整流器,将旋转整流器产生的二次谐波作为向主发电机励磁绕组间接注入的高频信号,经过主发电机定转子之间的耦合作用,在主发电机定子侧提取高频响应信号,通过延时信号处理并解调计算转子位置估计值,根据提取的感应电流,对主发电机转子初始位置的估计值进行校正；本发明对高频响应信号的频率与相位信息不敏感,位置信号解析计算过程简单,减少了起动发电系统的复杂度。(The invention provides a simplified estimation method for the rotor position of a three-stage brushless alternating current synchronous motor, which comprises the following steps: introducing a single-phase alternating current power supply with constant frequency into the single-phase excitation winding to induce a three-phase alternating current power supply at the rotor side of the main exciter, inputting the three-phase alternating current power supply into a rotary rectifier, taking a second harmonic generated by the rotary rectifier as a high-frequency signal indirectly injected into the excitation winding of the main generator, extracting a high-frequency response signal at the stator side of the main generator through the coupling action between a stator and a rotor of the main generator, processing and demodulating through a delay signal to calculate a rotor position estimation value, and correcting the estimation value of the initial position of the rotor of the main generator according to the extracted induced current; the invention is insensitive to the frequency and phase information of the high-frequency response signal, has simple position signal analysis and calculation process and reduces the complexity of starting a power generation system.)
技术领域
本发明属于电机控制技术领域。
背景技术
作为多电飞机与全电飞机的发展的核心技术，起动发电一体化系统利用电机的可逆性原理，把起动机和发电机合二为一，省去了额外的起动装置，节省了空间和成本，降低了系统的复杂度，提升了系统的可靠性和可维护性。三级式无刷交流同步电机因其结构可靠和发电调压技术成熟，是实现起动发电一体化功能的首选电机，例如多电客机B787的辅助电源系统和主电源系统都使用了三级式无刷起动发电机。
旋转整流器式三级式无刷交流同步电机去掉了电刷滑环结构，由永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流器和主发电机组成。在发电模式下，永磁副励磁机产生的三相交流电为主发电机提供直流励磁，励磁机转子感应出的三相交流电经过旋转整流器整流后为主发电机提供励磁，在飞机发动机带动下转子旋转，在定子电枢绕组中产生感应电势，输出电能为飞机上的各负载供电。目前，三级式同步电机的发电调压技术已经非常成熟，而三级式同步电机的起动控制是实现起动发电一体化的主要难点。三级式同步电机的起动控制依赖于准确的转子位置信息，通常可通过光电编码器、旋转变压器等机械式位置传感器来获得转子位置角。但是在恶劣的航空环境下，由于振动、温差大、电磁干扰等不利因素，位置传感器的准确度降低，甚至会故障失灵。而且，增设机械式位置传感器增加了系统的体积重量，增加了系统成本，降低了系统的可靠性。此外，相对于不需要位置信息的发电阶段，起动阶段时间很短，位置传感器利用率较低。
发明内容
发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种三级式无刷交流同步电机的转子位置简化估计方法。
技术方案：本发明提供了一种三级式无刷交流同步电机的转子位置估计方法，具体为：在单相励磁绕组中通入频率恒定的单相交流电源，使得主励磁机的转子侧感应出三相交流电源，并将三相交流电源输入至旋转整流器，将旋转整流器产生的二次谐波作为向主励磁机间接注入的高频信号，经过主发电机定转子之间的耦合作用，在主发电机定子侧提取感应电流和高频信号；根据提取的感应电流，对主发电机转子初始位置的估计值进行校正；根据校正后的初始位置以及对提取的高频响应信号依次进行延时信号处理和解调处理，计算得到主发电机转子在起动运行过程中的位置。
进一步的，所述对高频响应信号进行延时信号处理具体为：
步骤1：将提取的高频信号转换至两相静止坐标系中得到高频信号在两相静止坐标系的α轴分量uah和β轴分量uβh：
其中，uh为高频响应信号的幅值，为高频响应信号的相位，θ为主发电机实际的转子位置角；ωex为主励磁机定子绕组中励磁电流的角频率；
步骤2：分别将uah和uβh延时90°电角度，得到ua的正交信号quah和uβ的正交信号quβ：
进一步的，所述解调处理具体为：
步骤A：基于如下公式计算含有转子位置信息的低频余弦信号：
步骤B：基于如下公式计算含有转子位置信息的低频正弦信号：
uβl＝2(uah·uβh+quah·quβh)
步骤C，对低频余弦信号ual进行标幺化，得到幅值为1的低频余弦信号u'al＝cos(2θ)；对低频正弦信号uβl进行标幺化，得到幅值为1的低频正弦信号u'βl＝sin(2θ)：
步骤D，将u′al和u′al输入至锁相环，锁相环输出主发电机转子的位置。
进一步的，所述锁相环中包括PI调节器，所述PI调节器的输入为：
其中为主发电机转子位置的估计值；
将PI调节器的输出传送至积分器，将积分器的输出结果为主发电机转子位置的估计值。
进一步的，对主发电机转子初始位置的估计值进行校正具体为：
在主发电机定子侧提取感应电流，根据如下判断依据确定主发电机转子的初始位置所在扇区：
当iα≤0且iβ≤0时，初始角度处于[0,0.5π]之间；
当iα＞0且iβ≤0时，初始角度处于(0.5π,π]之间；
当iα＞0且iβ＞0时，初始角度处于(π,1.5π)之间；
当iα≤0和iβ＞0时，初始角度处于[1.5π,2π)之间；
其中，iα为提取感应电流在两相静止坐标系下的α轴分量，iβ为提取感应电流在两相静止坐标系下的β轴分量；
如果锁相环输出的主发电机转子的初始位置所在扇区与根据感应电流确定的扇区不一致，则将锁相环输出的主发电机转子的初始位置的估计值加上π/2，π或3π/2，使得锁相环输出的主发电机转子的初始位置所在扇区与根据感应电流确定的扇区一致，从而实现了对主发电机转子初始位置估计值的校正。
有益效果：
(1)本发明在三级式无刷交流同步电机起动阶段无需位置传感器就可获得准确的转子位置角度，减少了起动发电系统的复杂度。
(2)本发明无需额外注入高频信号，避免传统高频注入法引起的转矩脉动，且无需对主励磁机进行控制，降低了控制系统的复杂性。
(3)本发明使用非同步解调的方法进行位置估计，对转速频率不敏感，同时无需低通滤波器，易于实施，位置估计精度高。
附图说明
图1是本发明适用的三级式同步电机系统结构示意图；
图2是本发明的原理框图；
图3是本发明的位置角度计算使用的锁相环原理框图；
图4是本发明的主发电机励磁绕组的电压仿真波形图；
图5是本发明的主发电机励磁绕组的电压谐波FFT分析结果图；
图6是本发明的主发电机电枢绕组α轴的高频响应信号及通过延时得到的正交信号仿真波形；
图7为本发明的转速波形仿真，位置估计角度和实际转子角度的对比以及位置估计误差的仿真波形图；其中(a)是本发明的转速波形仿真图，(b)是位置估计角度和实际转子角度的对比图，(c)是位置估计误差的仿真波形图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明对应的三级式同步电机结构示意图，其中起动阶段永磁副励磁机不参与工作，主发电机和主励磁机通过旋转整流器同轴相连，所述的主励磁机的励磁绕组为单相励磁绕组，在该单相励磁绕组通入频率恒定的单相交流电，励磁绕组中通入的单相交流电产生的脉振磁场在主励磁机转子侧电枢绕组中感应出三相交流电，经过旋转整流器整流后给主发电机励磁绕组提供直流励磁，利用旋转整流器产生的二次谐波作为向主发电机励磁绕组间接注入的高频信号，经过主发电机定转子间的耦合作用，在主发电机定子侧感应出包含转子位置信息的高频信号，通过延时获得与该高频信号正交的信号，经过转子位置信息的计算解调，结合初始位置校正，实现起动过程中的转子位置估计。
如图2所示，是本发明对应的三级式同步电机起动控制框图。在起动阶段主励磁机无需控制，主发电机采用基于转子磁链定向的矢量控制，结合转子位置估计环节获得转子位置信息。图中，iA、iB、iC为主发电机采样的三相定子电流，经过Clarke变换得到α，β轴电流iα和iβ，iα和iβ经过Park变换得到直轴电流id和交轴电流iq。在电流PI闭环中，给定为0，设置iq从0开始线性增加到额定值从而实现电机的软起动。电流环的PI调节器输出直轴电压ud和交轴电压uq，经过反Park变换得到两相静止坐标系下的αβ轴电压uα和uβ，输入SVPWM(空间矢量调制)模块。转子位置估计模块使用两个相同的带通滤波器(BPF)从主发电机的定子侧α，β轴电压uα和uβ中采集得到包含转子位置角度的高频响应信号，对这两个信号分别延时90°得到其对应的正交信号。一方面，每相的高频响应信号及其正交信号进行平方和运算，然后把得到的结果相减得到含转子位置信息的低频余弦信号；另一方面，每相的高频响应信号与其正交信号相乘，然后把得到的结果放大2倍后，相加得到含转子位置信息的低频正弦信号。将得到的低频正余弦信号进行标幺化，然后将其输出至锁相环计算出转子位置估计值，结合初始位置校正加上校正的角度θcom得到最终的位置估计值。(本实施例中校正值可以放入锁相环中，也可以在锁相环计算出转子位置估计值后对估计值加上校正的角度θcom)
如图3所示，是转子位置估计过程中的锁相环结构，将含转子位置信息的低频正余弦信号作为输入，将u'αl和u'βl分别乘以2倍估计角度的正弦值和余弦值，结果相减后输入PI调节器，再经过积分器，计算出转子位置估计角度。
为了验证所述方法的有效性，对实施例中的三级式无刷交流同步电机及其对应工况进行MATLAB/Simulink仿真。其工况为：主励磁机励磁频率为400Hz，给定主发电机定子电流id *＝0，iq *＝25A。以下为具体实施流程：
(1)谐波信号产生
主励磁机定子绕组通入幅值和频率恒定的单相交流电，主励磁机的励磁电流为：
其中，ωex＝2πf1为励磁角频率，f1为主励磁机励磁频率，Ife是励磁电流有效值，t为时间变量；取单相航空中频交流电源的400Hz为主励磁机励磁频率。因旋转整流器非线性特性在主发电机励磁绕组中产生的谐波电压可表示为：
式中，un为2n次谐波电压的幅值，是2n次谐波电压的相位；谐波电压次数为励磁频率的偶数倍，谐波最大值对应二次谐波800Hz。
本发明在MATLAB/Simulink环境下仿真得到主发电机励磁绕组电压的波形如图4所示，从中可以看出含有高次谐波分量。
主发电机励磁绕组电压的FFT分析结果如图5所示，幅值最大的谐波频率为800Hz，对应二次谐波，用作向主发电机励磁绕组间接注入的高频电压信号。
(2)高频响应信号产生
主发电机励磁绕组上的二次谐波分量经过主发电机定转子耦合后，在主发电机定子侧电枢绕组中感应出包含转子位置信息的高频信号，在两相静止坐标系上可表示为：
其中，uh为高频响应电压幅值，为高频响应电压相位，θ为主发电机实际的转子位置角。
(3)转子位置估计
用带通滤波器提取上述高频响应信号，经过以下处理：
1)分别对两相静止坐标系的高频电压信号延时90°得到与其高频部分正交的信号：
2)分别将两相静止坐标系的高频电压信号和对应的正交信号进行平方和计算：
两相平方和相减得到低频余弦信号：
3)高频响应信号与其对应的正交信号相乘，得到的两相乘积信号为：
两相乘积信号相加之后乘以2，得到的低频正弦信号为：
4)把上述得到的低频正余弦信号进行标幺化，得到幅值为1的低频正余弦信号，标幺化计算过程为：
5)标幺化结果作为锁相环的两路输入，锁相环计算得到转子估计角度：
锁相环中PI调节器的输入为：
其中，θ为实际位置角度，为估计位置角度。当估计位置角度收敛于实际位置角度时，有或这4种情况，因此需要对估计出的初始位置进行校正。
(4)初始位置角度校正
初始状态下，电机处于静止状态，在主发电机励磁建立的过程中，提取主发电机转子测得感应电流在两相静止坐标系下α轴和β轴的分量iα和iβ，检测电流iα和iβ的正负极性，确定初始位置所在扇区，其判断依据为：
当iα≤0且iβ≤0时，初始角度处于[0,0.5π]之间；
当iα＞0且iβ≤0时，初始角度处于(0.5π,π]之间；
当iα＞0且iβ＞0时，初始角度处于(π,1.5π)之间；
当iα≤0和iβ＞0时，初始角度处于[1.5π,2π)之间；
根据判断出的初始位置所在扇区后，选择或这4种情况中对应的角度作为最终估计出的转子位置初始角度，如果锁相环输出的初始角度扇区与根据感应电流极性确定的扇区不一致，则进行校正，即估计的角度加上π/2或π或3π/2，使得校正后的角度所在扇区与根据感应电流极性确定的扇区一致，校正后的初始角度为最终估计出的转子初始位置角。
如图6所示为主发电机电枢绕组α轴的高频响应信号及通过延时得到的正交信号仿真波形，二者相位相差90°电角度。
如图7所示，初始位置设为5rad，电机从零速起动到200rpm低速运行阶段，位置估计误差较小，可以实现三级式无刷交流同步电机从静止开始的起动过程，说明本发明具有可行性。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。