一种三级式同步电机转子初始位置检测方法与流程

本发明属于电励磁同步电机控制技术领域，涉及一种三级式同步电机转子初始位置检测方法。

背景技术：

起动/发电一体化是未来航空电源系统的一个重要发展趋势。三级式同步电机具有功率密度高、可靠性高、维护简单等诸多优势，目前在航空大功率交流电源系统中得到了广泛应用。如果能利用发电机的电动状态来起动航空发动机，则可以省去专用的起动机，减轻机载重量，这对于多/全电飞机的发展具有重大意义。能够精确地检测出转子的初始位置是实现三级式同步电机高性能闭环起动控制的前提，不准确的转子初始位置将影响电机的起动输出转矩，使得起动性能下降而导致起动失败，甚至出现反转而损坏航空发动机。因此，三级式同步电机的起动控制对转子初始位置的检测精度要求很高。

由于三级式同步电机在起动过程中以航空发动机为负载，负载转矩很大且不允许反转，所以通过使电机转动进行转子初始位置检测的直流定位方法不再适用。基于电机凸极特性的转子初始位置检测方法能够准确检测出永磁同步电机的转子初始位置。然而当主励磁机采用两相交流励磁时，主电机励磁电流波动较大，主电机转子励磁绕组的磁链没有永磁同步电机转子的永磁磁链稳定。所以，此类方法应用于三级式同步电机时，会有较大的检测误差。基于电感饱和效应的电压矢量脉冲注入法转子初始位置检测方法在实际应用中，转子初始位置检测精度主要取决于脉冲响应电流的采集精度，这对硬件平台提出了很高的要求，实现起来较为复杂。

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，本发明提出一种三级式同步电机转子初始位置检测方法。

技术方案

一种三级式同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：为三级式同步电机主励磁机两相定子绕组施加幅值为ve，频率为fe，相位互差90°的两相交流励磁电压；再向主电机三相定子绕组分别注入高频电压uah、ubh、uch；

步骤2：采样主励磁机定子绕组两相电流，得到iα和iβ，将iα与iβ分别进行一次纯延时滤波，以滤除频率为fe的励磁电流，得到iα1与iβ1；

步骤3：对iα1与iβ1进行一次频率为(f-fe)的park变换，得到iα2与iβ2；

步骤4：利用低通滤波器对iα2与iβ2分别进行低通滤波，得iα3与iβ3；

步骤5：对iα3与iβ3求取反正切得到正确的转子初始位置。

所述高频电压由频率为f，相位互差90°的高频电压uαh＝vhcos(2πft)，uβh＝vhsin(2πft)经过clarke逆变换得到。

有益效果

本发明提出的一种三级式同步电机转子初始位置检测方法，在主电机定子侧注入旋转高频电压信号，检测主励磁机定子侧的高频电流响应信号，通过对电流信号进行滤波、park变换与反正切等处理，即可获得转子初始位置。实验结果表明，该方法能快速且准确地检测出转子初始位置，不会使转子发生转动，也不需要知道电机的参数，硬件结构简单，转子初始位置检测精度能够满足三级式同步电机的平稳起动要求。

本发明方法具有以下有益效果：

(1)本方法将主电机与主励磁机看做旋转变压器，充分利用了定转子之间的互感与转子位置之间的关系。相比于传统转子初始位置检测方法，本方法能快速且准确地检测出转子初始位置，不会使转子发生转动，也不需要知道电机的参数，硬件结构简单。

(2)本方法的信号注入和信号提取方式都比较简单，可操作性强，并且检测时间短，转子初始位置检测精度高。

附图说明

图1：三级式同步电机结构图

图2：转子初始位置检测实验波形

图3：实验平台

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

步骤1：采用两相交流励磁方式的三级式同步电机结构如图1所示。首先对三级式同步电机主电机的转子进行励磁。向主励磁机的两相定子绕组通以幅值相同(210vrms)，频率相同(200hz)，相位互差90°的两相交流励磁电压。由于两相定子绕组空间上互差的电角度也是90°，于是主励磁机内会产生一个旋转磁场，该旋转磁场在转子三相绕组中会产生三相感应电压，该三相电压经过旋转整流器整流后输出脉动的直流电，实现主电机转子励磁。

步骤2：向主电机三相定子绕组注入高频电压uah、ubh、uch，该高频电压经过clarke变换后可等效为向主电机定子α相与β相注入幅值为1v，频率为250hz，相位互差90°的高频电压信号，uαh＝cos500πt，uβh＝sin500πt。

步骤3：对主励磁机定子绕组两相电流进行采样，得到iα与iβ。iα与iβ中分别包含频率为50hz的正序分量和频率为450hz的负序分量两种响应电流以及频率为200hz的励磁电流。将iα与iβ分别进行一次纯延时滤波，以滤除励磁电流，得到iα1与iβ1。

步骤4：经过纯延时滤波后，电流信号中只剩余正序分量与负序分量。接着对iα1与iβ1进行一次频率为50hz的park变换，得到iα2与iβ2。经过park变换，电流信号中的负序分量会变成频率为500hz的负序分量，而正序分量则会变成直流量。

步骤5：利用低通滤波器对iα2与iβ2分别进行低通滤波，以滤除负序分量，得到iα3与iβ3，然后求取反正切，即即可得到正确的转子初始位置。为了验证本文提出的转子初始位置检测方法的正确性，本文用一台三级式同步电机搭建了实验平台，并进行了转子初始位置检测的实验。在实验过程中，主励磁机采用210vrms/200hz两相交流电励磁，使用旋转变压器检测转子位置，用于验证检测结果的准确性。向主电机定子注入幅值为1v，频率为250hz的旋转高频电压信号，检测主励磁机定子两相电流，并进行后续的信号处理，可得估算的转子初始位置。转子初始位置检测实验结果如图2所示。图3为实验平台。从图2中可以看出，施加旋转高频电压之后，检测得到的转子位置迅速向真实位置收敛。本方法的估算速度快，转子初始位置估算误差稳定在2°电角度之内，可以满足三级式同步电机起动时对转子位置的精度要求。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种三级式同步电机转子初始位置检测方法，在主电机定子侧注入旋转高频电压信号，检测主励磁机定子侧的高频电流响应信号，通过对电流信号进行滤波、Park变换与反正切等处理，即可获得转子初始位置。实验结果表明，该方法能快速且准确地检测出转子初始位置，不会使转子发生转动，也不需要知道电机的参数，硬件结构简单，转子初始位置检测精度能够满足三级式同步电机的平稳起动要求。

技术研发人员：祝宇杰;刘卫国;彭纪昌;孟涛;焦宁飞
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2017.12.26
技术公布日：2018.05.15