本發(fā)明屬于交流電機(jī)傳動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種變凸極特性的三級(jí)電勵(lì)磁式無刷同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法。

背景技術(shù)：

起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)能省去專門的起動(dòng)機(jī)構(gòu)，有效減小飛機(jī)重量。三級(jí)電勵(lì)磁式無刷同步電機(jī)(以下簡稱三級(jí)式電機(jī))作為目前飛機(jī)交流電源系統(tǒng)中常用的發(fā)電機(jī)，由于結(jié)構(gòu)成熟、可靠性高，受到起動(dòng)/發(fā)電一體化技術(shù)研究人員的青睞。在起動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確獲取是三級(jí)式電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火的關(guān)鍵。復(fù)雜多變航空環(huán)境使傳統(tǒng)機(jī)械式位置傳感器的使用受到限制，且需要一定的維護(hù)成本。因此需要在無機(jī)械位置傳感器的條件下，開展三級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置精確估算技術(shù)的研究。

三級(jí)式電機(jī)主要有主發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、永磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流器四部分組成，機(jī)載電源向勵(lì)磁機(jī)定子供電，此時(shí)勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上感應(yīng)的三相電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器向主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流，永磁機(jī)不參與起動(dòng)過程。勵(lì)磁機(jī)定子采用兩相繞組結(jié)構(gòu)時(shí)三級(jí)式電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載特性復(fù)雜，起動(dòng)過程中主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和電樞電流有較大的變化，上述電流的變化導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)電感參數(shù)變化較大，使得主發(fā)電機(jī)的凸極特性發(fā)生顯著變化。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法主要基于電機(jī)的凸極特性，通常在電機(jī)定子側(cè)注入高頻的旋轉(zhuǎn)電壓、方波電壓等，然后檢測定子電流，經(jīng)過一系列的解調(diào)與濾波處理后得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

三級(jí)式電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致其機(jī)械及電磁耦合比較嚴(yán)重，加之起動(dòng)過程凸極性變化顯著，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置估算方法較難實(shí)現(xiàn)三級(jí)式電機(jī)精確的位置估算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種變凸極特性的三級(jí)電勵(lì)磁式無刷同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，解決當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置估算方法較難實(shí)現(xiàn)三級(jí)式電機(jī)精確位置估算的問題。通過向主發(fā)電機(jī)定子注入不同頻率的高頻方波信號(hào)，在勵(lì)磁機(jī)定子電流中提取主發(fā)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法，該方法不依賴于主發(fā)電機(jī)的凸極特性，解算過程比較簡單，轉(zhuǎn)子位置估算精度較高。

技術(shù)方案

一種變凸極特性的三級(jí)電勵(lì)磁式無刷同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：對(duì)勵(lì)磁機(jī)的定子繞組上施加勵(lì)磁電壓，所述勵(lì)磁機(jī)定子繞組為兩相勵(lì)磁結(jié)構(gòu)；

步驟2：在主發(fā)電機(jī)定子三相繞組上施加高頻電壓信號(hào)uah(t)、ubh(t)、uch(t)；所述高頻電壓信號(hào)由αβ坐標(biāo)系下幅值相同、頻率不同的高頻方波電壓uαh(t)、uβh(t)經(jīng)clark反變換至abc坐標(biāo)系下得到；

所述

其中：tαh、tβh為對(duì)應(yīng)αβ坐標(biāo)系下主發(fā)電機(jī)α軸和β軸的高頻電壓周期；

步驟3：三級(jí)式電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下起動(dòng)，在勵(lì)磁機(jī)定子側(cè)檢測得到兩相定子電流iα和iβ，求得電流矢量is幅值

步驟4、提取is中兩種頻率的高頻響應(yīng)信號(hào)：

4.1)使用帶通濾波器提取電壓周期為tαh的高頻方波電壓在勵(lì)磁機(jī)定子繞組上的高頻響應(yīng)信號(hào)iαh，iαh的包絡(luò)線為與主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的正弦函數(shù)；

4.2)使用帶通濾波器提取電壓周期為tβh的高頻方波電壓在勵(lì)磁機(jī)定子繞組上的高頻響應(yīng)信號(hào)iβh，iβh的包絡(luò)線為與主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的余弦函數(shù)；

步驟5、提取高頻信號(hào)的包絡(luò)線：

5.1)在周期為tαh方波信號(hào)的上升沿和下降沿提取iαh的值，分別記為iαh(m-1)、iαh(m+1)，得到iαh的包絡(luò)線iα_h＝(iαh(m-1)-iαh(m+1))/2；

5.2)在周期為tβh方波信號(hào)的上升沿和下降沿提取iβh的值，分別記為iβh(m-1)、iβh(m+1)，得到iβh的包絡(luò)線iβ_h＝(iβh(m-1)-iβh(m+1))/2；

步驟6：計(jì)算兩個(gè)高頻信號(hào)在傳遞電路上的阻抗值zαh≈(r+j2πfαhl)，zβh≈(r+j2πfβhl)，其中r為dq坐標(biāo)系下d軸等值電路總電阻，l為dq坐標(biāo)系下d軸等值電路總電感平均值，fαh＝1/tαh、fβh＝1/tβh為所對(duì)應(yīng)高頻信號(hào)的頻率；

步驟7：計(jì)算α、β軸高頻信號(hào)下的阻抗比k＝zαh/zβh，以此阻抗比k對(duì)iα_h進(jìn)行幅值變換，使變換后的包絡(luò)線幅值與iβ_h相同：即kiα_h_m＝iβ_h_m，其中iα_h_m、iβ_h_m分別為α和β軸包絡(luò)線幅值；

步驟8：使用反正切函數(shù)即得到與轉(zhuǎn)子位置線性相關(guān)的位置信號(hào)θ＝arctan(iα_h/(kiβ_h))或者θ＝arctan((kiα_h)/iβ_h)；

計(jì)算θr＝θ+θ(n)，得到主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置θr，其中，θ(n)是由于旋轉(zhuǎn)整流器及濾波器帶來的估算誤差，與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，可通過離線測試得到θ(n)詳細(xì)表達(dá)式，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

當(dāng)步驟1中勵(lì)磁機(jī)定子為三相繞組結(jié)構(gòu)時(shí)，先檢測勵(lì)磁機(jī)三相勵(lì)磁電流ia、ib、ic，對(duì)ia、ib、ic進(jìn)行clark變換得到等效兩相勵(lì)磁電流iα、iβ，再進(jìn)行步驟3及其后續(xù)步驟。

有益效果

本發(fā)明提出的一種變凸極特性的三級(jí)電勵(lì)磁式無刷同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，是基于不同頻率高頻信號(hào)注入的變凸極特性的三級(jí)電勵(lì)磁式無刷同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，是一種在主發(fā)電機(jī)定子繞組注入不同頻率的旋轉(zhuǎn)方波，在勵(lì)磁機(jī)定子側(cè)檢測含有主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的高頻響應(yīng)電流信號(hào)的位置估算方法。

本發(fā)明所述的三級(jí)式電機(jī)位置估算方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)將電勵(lì)磁式電機(jī)看作旋轉(zhuǎn)變壓器，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的輸入和輸出繞組，充分利用主發(fā)電機(jī)電樞繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感隨轉(zhuǎn)子位置變化的特性，避免受主發(fā)電機(jī)凸極性變化的影響，對(duì)繞線式電機(jī)具有較普遍的適用性；2)。解算過程相對(duì)簡單且估算精度較高。

附圖說明

圖1：三級(jí)式電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2：高頻信號(hào)注入后勵(lì)磁機(jī)定子電流波形

圖3：主發(fā)電機(jī)alpha相高頻電壓在勵(lì)磁機(jī)上的電流響應(yīng)信號(hào)波形

圖4：主發(fā)電機(jī)beta相高頻電壓在勵(lì)磁機(jī)上的電流響應(yīng)信號(hào)波形

圖5：勵(lì)磁機(jī)定子電流提取的主發(fā)電機(jī)注入高頻信號(hào)響應(yīng)包絡(luò)線

圖6：估算位置與實(shí)際位置對(duì)比圖

圖7：估算位置與實(shí)際位置誤差曲線

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

實(shí)施例包含的具體步驟如下：

步驟1：所用三級(jí)式電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)為兩相勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，對(duì)勵(lì)磁機(jī)施加幅值、頻率相同，初始相位相差90°電角的交流電，其幅值為80v，頻率為200hz；

步驟2：主發(fā)電機(jī)αβ坐標(biāo)系下的高頻方波電壓，其幅值為10v，α軸電壓頻率為2khz，β軸電壓頻率為1khz，經(jīng)clark反變換得到直接施加在主發(fā)電機(jī)定子三相繞組上的高頻電壓信號(hào)uah(t)、ubh(t)、uch(t)，uαh(t)、uβh(t)如下：

對(duì)應(yīng)tαh＝0.0005s、tβh＝0.001s。

步驟3：給定轉(zhuǎn)速范圍為[0,400rpm]，起動(dòng)三級(jí)式電機(jī)，在勵(lì)磁機(jī)定子側(cè)檢測兩相定子電流iα、iβ，求取電流矢量is幅值

步驟4：提取is中兩種頻率的高頻響應(yīng)信號(hào)，具體如下：

4.1)使用帶通濾波器提取電壓周期為tαh＝0.0005s的高頻方波電壓在勵(lì)磁機(jī)定子繞組上的高頻響應(yīng)信號(hào)iαh，所用帶通濾波器帶寬為[1950hz，2050hz]；

4.2)使用帶通濾波器提取電壓周期為tβh＝0.001s的高頻方波電壓在勵(lì)磁機(jī)定子繞組上的高頻響應(yīng)信號(hào)iβh，所用帶通濾波器帶寬為[950hz，1050hz]。

步驟5：提取高頻信號(hào)的包絡(luò)線，具體如下：

5.1)在周期為tαh方波信號(hào)的上升沿和下降沿提取iαh的值，分別記為iαh(m-1)、iαh(m+1)，得到iαh的包絡(luò)線iα_h＝(iαh(m-1)-iαh(m+1))/2；

5.2)在周期為tβh方波信號(hào)的上升沿和下降沿提取iβh的值，分別記為iβh(m-1)、iβh(m+1)，得到iβh的包絡(luò)線iβ_h＝(iβh(m-1)-iβh(m+1))/2；

步驟6：依據(jù)三級(jí)式電機(jī)電感、電阻參數(shù)，求得r＝2.68ω，l＝0.01228h，進(jìn)而得到兩種高頻信號(hào)在傳遞電路上的阻抗值zαh≈154.34，zβh≈77.22。

步驟7：計(jì)算注入高頻信號(hào)下的阻抗比k＝zαh/zβh＝0.50，利用阻抗比k對(duì)任一包絡(luò)線進(jìn)行幅值變換，使變換后的包絡(luò)線幅值相同，即0.50iα_h_m＝iβ_h_m，其中iα_h_m、iβ_h_m分別為包絡(luò)線iα_h、iβ_h的幅值(若k＝zβh/zαh，則有iα_h_m＝kiβ_h_m)。

步驟8：使用反正切函數(shù)即可得到與轉(zhuǎn)子位置線性相關(guān)的位置信號(hào)θ，其中θ＝arctan(iα_h/(kiβ_h))(或者θ＝arctan((kiα_h)/iβ_h))。進(jìn)而可得主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置θr＝θ+θ(n)，通過離線測試得到旋轉(zhuǎn)整流器及濾波器帶來的位置估算偏差θ(n)＝0.00n1(rad)，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。

若勵(lì)磁機(jī)定子采用三相繞組結(jié)構(gòu)，步驟1中先檢測到勵(lì)磁機(jī)三相勵(lì)磁電流ia、ib、ic，經(jīng)clark變換后轉(zhuǎn)換為兩相勵(lì)磁電流iα、iβ，再進(jìn)行步驟3及其后續(xù)步驟。

圖4為本實(shí)例中估算位置與實(shí)際位置對(duì)比圖，從圖中可以看出估算位置比較精確。

圖5為本實(shí)例中估算位置與實(shí)際位置誤差曲線，從圖中可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算誤差基本在0.1rad之內(nèi)，滿足實(shí)際情況下電機(jī)起動(dòng)時(shí)位置精度要求。