基于信号逆传递的多级式无刷电机初始位置检测方法与流程

本发明属于交流电机传动控制技术领域，涉及一种基于信号逆传递的多级式无刷电机初始位置检测方法，基于高频信号从主发电机逆向传递至励磁机的多级式无刷电机转子初始位置检测方法，是一种在主发电机定子alpha相绕组和beta相绕组单独注入高频信号，在励磁机定子电流中提取含有主发电机初始位置信息的检测方法。

背景技术：

基于多级式无刷电机的起动/发电一体化系统能省去专门的起动机构，有效减小飞机重量。多级式无刷电机(以下简称多级式电机)作为目前飞机交流电源系统中常用的发电机，由于结构成熟、可靠性高，受到起动/发电一体化技术研究人员的青睐。准确获取主发电机转子初始位置是多级式电机顺利起动航空发动机的前提条件。多级式电机是一种高功率密度组合电机，其运行环境及安装条件使传统机械式位置传感器的使用受到限制，后期维护成本较高。因此需要在无机械位置传感器的条件下，开展多级式电机转子初始位置检测技术的研究。

多级式电机(以三级式电机为例)主要有主发电机、励磁机、永磁机及旋转整流器四部分组成，机载电源向励磁机定子供电，此时励磁机转子上感应的三相电经旋转整流器向主发电机提供励磁电流，永磁机不参与起动过程。励磁机定子采用两相绕组结构时三级式电机结构图如图1所示。

传统的电机转子初始位置检测方法主要基于电机的凸极特性，通常在电机定子侧注入高频的旋转电压、方波电压等，然后在定子电流中提取位置信号。采用这种方法进行初始位置检测时，需要施加合适的高频电压，因为施加的电压偏小则会影响检测精度，电压较大则会对电机带来不必要的冲击，有损电机本体结构。多级式电机中主发电机的凸极特性受励磁电流和电枢电流的影响较大，图2和图3分别为主发电机凸极率δ(δ＝lq/ld，其中lq为电机q轴电感，ld为电机d轴电感)随电枢电流和励磁电流的变化曲线。采用传统方法进行初始位置检测时，所施加电压的大小往往使主发电机处于凸极特性不明显的状态，很难得到精度较高的位置信号。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于信号逆传递的多级式无刷电机初始位置检测方法，解决当前转子初始位置检测方法较难实现多级式电机初始位置精确检测的问题。

技术方案

一种基于信号逆传递的多级式无刷电机初始位置检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：固定电机转子，使其不与定子发生相对转动；

步骤2：对励磁机施加励磁电压，所述励磁机定子绕组为两相励磁绕组结构；

步骤3：在主发电机定子三相绕组上施加两次不同的高频电压信号uah(t)、ubh(t)、uch(t)，该高频信号由αβ坐标系下的不同的高频方波电压uαh(t)和uβh(t)经clark反变换至abc坐标系下得到；

第一次施加给定高频电压uαh1(t)、uβh1(t)表达式如下：

uβh1(t)＝0

其中uh、th为αβ坐标系下主发电机α轴注入高频电压的幅值和周期；

步骤4：在励磁机定子侧检测两相定子电流ieα1、ieβ1，求得电流矢量ies1幅值平方和电流值中含有与主发电机转子位置相关的高频响应信号；

步骤5：提取中的高频响应信号ieαh，具体如下：

1)在周期为th方波信号的上升沿即t＝nth和下降沿即t＝nth+th/2，提取的值，分别记为ieαh(k-1)、ieαh(k+1)，对提取到的值进行做差运算，得到信号：

iδeαh＝(ieαh(k-1)-ieαh(k+1))/2，iδeαh为与主发电机转子位置有关的余弦函数；所述n＝0,1,2,3...；

2)用低通滤波器对iδeαh进行滤波处理，得到并保存电机当前位置所对应电角度的余弦值iδeαh_cos；

步骤6：第二次施加给定高频电压uαh2(t)、uβh2(t)，其表达式如下：

uαh2(t)＝0

其中uh、th为αβ坐标系下主发电机β轴注入高频电压的幅值和周期，与α轴注入高频电压的周期及幅值相同；

步骤7：在励磁机定子侧检测两相定子电流ieα2、ieβ2，求得电流矢量ies2幅值平方和电流值中含有与主发电机转子位置相关的高频响应信号；

步骤8：提取中的高频响应信号ieβh，具体如下：

1)在周期为th方波信号的上升沿和下降沿提取的值，分别记为ieβh(k-1)、ieβh(k+1)，对提取到的值进行做差运算，得到信号iδeβh＝(ieβh(k-1)-ieβh(k+1))/2，iδeβh为与主发电机转子位置有关的正弦函数；

2)用低通滤波器对iδeβh进行滤波处理，得到并保存电机当前位置所对应电角度的正弦值iδeβh_sin；

步骤9：使用反正切函数即可得到转子位置信号θ＝arctan(iδeβh_sin/iδeαh_cos)，其中，iδeαh_cos、iδeβh_sin分别由骤5.2和步骤8.2得到。

所述步骤2中：当励磁机定子为三相绕组结构时，将两相励磁电压进行反clark变换即得到等效三相绕组励磁电压，以该励磁电压对三相绕组施加励磁电压；所述步骤4中：将采集的三相绕组励磁电流进行clark变换即得到等效的两相励磁电流。

有益效果

本发明提出的一种基于信号逆传递的多级式无刷电机初始位置检测方法，通过向主发电机定子alpha轴和beta轴分别单独注入高频方波信号，对应的响应信号经旋转整流器逆向传递到励磁机，在励磁机定子电流中提取主发转子初始位置信号的方法，该方法利用主发电机定子绕组和励磁绕组之间的互感随转子位置变化而变化的特性，不依赖于主发电机的凸极效应，解算过程比较简单，转子初始位置检测精度较高。

本发明具有以下优点：1)充分利用主发电机电枢绕组和励磁绕组之间的互感随转子位置变化的特性，避免受主发电机凸极性变化的影响，对电励磁电机具有较普遍的适用性；2)解算过程相对简单且初始位置检测精度较高。

附图说明

图1：三级式电机结构图

图2：电感随励磁电流变化曲线

图3：电感随电枢电流变化曲线

图4：高频信号注入后励磁机定子电流波形

图5：初始位置为0.698rad、alpha轴注入高频电压时提取的响应信号波形

图6：初始位置为0.698rad、beta轴注入高频电压时提取的响应信号波形

图7：初始位置为0.698rad时估算值与实际值的对比曲线

图8：初始位置为1.92rad时估算值与实际值的对比曲线

图9：初始位置为3.665rad时估算值与实际值的对比曲线

图10：初始位置为5.497rad时估算值与实际值的对比曲线

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例包含的具体步骤如下：

步骤1：使用磁粉制动器固定电机，使电机转子与定子间不发生相对转动。

步骤2：所用多级式电机的励磁机为两相励磁结构，对励磁机施加幅值、频率相同，初始相位相差90°电角的交流电，其幅值为80v，频率为350hz。

步骤3：在主发电机定子三相绕组上施加两次不同的高频电压信号uah(t)、ubh(t)、uch(t)，该高频信号由αβ坐标系下的不同的高频方波电压uαh(t)和uβh(t)经clark反变换至abc坐标系下得到。

第一次施加给定高频电压uαh1(t)、uβh1(t)，其表达式如下：

uβh1(t)＝0

其中th＝0.0008s。

步骤4：在励磁机定子侧检测两相定子电流ieα1、ieβ1，求得电流矢量ies1幅值平方和电流值中含有与主发电机转子位置相关的高频响应信号。

步骤5：提取中的高频响应信号ieαh，具体如下：

5.1)在周期为th方波信号的上升沿(即t＝nth,n＝0,1,2,3..，.)和下降沿(即t＝nth+th/2,n＝0,1,2,3...)提取的值，分别记为ieαh(k-1)、ieαh(k+1)，对提取到的值进行作差运算，得到信号iδeαh＝(ieαh(k-1)-ieαh(k+1))/2，iδeαh为与主发电机转子位置有关的余弦函数；

5.2)用低通滤波器对iδeαh进行滤波处理，得到并保存电机当前位置所对应电角度的余弦值iδeαh_cos，所用低通滤波器截止频率为30hz。

步骤6：第二次施加给定高频电压uαh2(t)、uβh2(t)，其表达式如下：

uαh2(t)＝0

其中th＝0.0008s，与α轴注入高频电压的周期相同。

步骤7：在励磁机定子侧检测两相定子电流ieα2、ieβ2，求得电流矢量ies2幅值平方和电流值中含有与主发电机转子位置相关的高频响应信号。

步骤8：提取中的高频响应信号ieβh，具体如下：

8.1)在周期为th方波信号的上升沿和下降沿提取的值，分别记为ieβh(k-1)、ieβh(k+1)，对提取到的值进行作差运算，得到信号iδeβh＝(ieβh(k-1)-ieβh(k+1))/2，iδeβh为与主发电机转子位置有关的正弦函数；

8.2)用低通滤波器对iδeβh进行滤波处理，得到并保存电机当前位置所对应电角度的正弦值iδeβh_sin，所用低通滤波器截止频率为30hz。

步骤9：使用反正切函数即可得到转子位置信号θ＝arctan(iδeβh_sin/iδeαh_cos)，其中，iδeαh_cos、iδeβh_sin分别由骤6.2和步骤9.2得到。

图6～图10为本实例中估算位置与实际位置对比图，从图中可以看出待位置估算稳定后，初始位置估算误差基本在0.01rad只内，满足实际情况下电机起动时位置精度要求。