一种三级式同步电机转子位置估算方法与流程

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位置估算方法。

背景技术：

传统的航空发动机需要专门的起动电机带动主轴旋转，赋予航空发动机主轴一定的转速，航空发动机才能点火。这样的电源系统包含一套专门的起动机构，使得电源系统的体积和重量较大。如果使三级式同步电机同时具备起动航空发动机的能力，就可以省去专用的起动机构，实现系统起动/发电的一体化。起动/发电的一体化设计能够减轻机载重量，降低系统的复杂程度及制造成本，这对于大型飞机的发展具有重大意义。

航空发动机负载特性复杂，这使得主发电机的电枢电流在起动时变化较大，产生的电枢反应会使主发电机的凸极性消失甚至反转。传统的低速段同步电机转子位置估算方法，例如旋转高频电压注入法、脉振高频电压注入法以及高频方波电压注入法等方法普遍依赖于同步电机的凸极性，而起动过程中主发电机的凸极性会发生较大变化，故传统的同步电机转子位置估算方法在该场合适用性较差。

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位置估算方法，该方法将主励磁机与主发电机作为旋转变压器用以检测转子位置，本方法不依赖于主发电机的凸极性，信号注入和信号提取方式都比较简单，转子位置检测精度较高。

技术方案

一种三级式同步电机转子位置估算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：给三级式同步电机主励磁机的两相定子绕组施加频率为f，相位互差90°的两相励磁电压；向主发电机三相定子绕组注入高频电压uah、ubh、uch；所述注入高频电压由频率为f，相位互差90°的高频电压uαh＝v1cos(2πft)，uβh＝v1sin(2πft)经过clarke逆变换得到；

步骤2：采样主励磁机定子绕组α相与β相的电流，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f的基波励磁电流，得到iα'与iβ'；

步骤3：以低通滤波器对iα'和iβ'分别进行低通滤波，滤除iα'与iβ'中由注入的高频电压产生的高频电流分量，得到iα”与iβ”；然后求取反正切得到估算的转子位置θest；

步骤4：以误差θerror对θest的相位延迟给予补偿，得到正确的转子位置，实现对转子位置的跟踪；所述误差θerror通过离线测试得到估算的转子位置θest与真实转子位置θreal之间的误差θerror。

当主励磁机定子绕组采用三相励磁结构时，可通过clarke变换将主励磁机定子三相电流ia、ib、ic转换为两相电流iα与iβ，然后再进行步骤2。

有益效果

本发明提出的一种三级式同步电机转子位置估算方法，将主励磁机与主发电机作为旋转变压器用以检测转子位置，本方法不依赖于主发电机的凸极性，信号注入和信号提取方式都比较简单，转子位置检测精度较高。

本发明方法具有以下有益效果：

(1)本方法将主励磁机与主发电机作为旋转变压器用以检测转子位置，相比于传统的同步电机低速段转子位置估算方法，本方法不依赖于主发电机的凸极率。

(2)本方法的信号注入和信号提取方式都比较简单，可操作性较强，转子位置检测精度较高。

附图说明

图1：三级式同步电机原理图

图2：主发电机励磁电压

图3：主励磁机转子绕组电压

图4：主励磁机定子绕组α相、β相电流

图5：系统估算得到的转子位置与实际的转子位置对比图

图6：转子位置估算误差

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1：三级式同步电机的原理图如图1所示。首先对三级式同步电机主发电机的定子绕组进行励磁。向主励磁机的两相定子绕组通以幅值相同(80v)，频率相同(200hz)，相位互差90°的两相交流电。由于两相定子绕组互差的电角度也是90°，于是就会产生圆形旋转磁场，并且该旋转磁场的频率与两相交流电的频率相同。由于两相励磁机转子绕组为互差120°的三相对称绕组，主励磁机转子绕组中将会感应出三相电动势，经旋转整流器整流成带有脉动的直流后供给主发电机的励磁绕组励磁。

步骤2：向主发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发电机定子α相与β相注入幅值为10v，频率为200hz，相位互差90°的高频电压，uαh＝10cos400πt，uβh＝10sin400πt。

步骤3：对主励磁机定子绕组α相与β相的电流进行采样，得到iα与iβ，将iα与iβ分别进行一次纯延时滤波，以滤除频率为200hz的基波励磁电流，得到iα'与iβ'。

步骤4：利用低通滤波器对iα'与iβ'分别进行低通滤波，以滤除iα'与iβ'中由注入的高频电压产生的高频电流分量，可得iα”与iβ”。然后求取反正切，即并对低通滤波器等环节造成的相位延迟加上一定的补偿(该补偿可通过离线测试得到)，即可得到正确的转子位置，实现对转子位置的跟踪。为了验证该方法的可行性，根据上述原理搭建了仿真模型并进行了仿真。主发电机励磁电压如图2所示，主励磁机转子绕组电压如图3所示，主励磁机定子绕组α相、β相电流如图4所示，系统估算得到的转子位置与实际的转子位置如图5所示，转子位置估算误差如图6所示。可以看出，本方法的转子位置估算误差在起动过程中始终保持在5°电角度以内，检测精度较高。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种三级式同步电机转子位置估算方法，将主励磁机与主发电机作为旋转变压器用以检测转子位置，本方法不依赖于主发电机的凸极性，信号注入和信号提取方式都比较简单，转子位置检测精度较高。本发明方法具有以下有益效果：(1)本方法将主励磁机与主发电机作为旋转变压器用以检测转子位置，相比于传统的同步电机低速段转子位置估算方法，本方法不依赖于主发电机的凸极率。(2)本方法的信号注入和信号提取方式都比较简单，可操作性较强，转子位置检测精度较高。

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：2017.05.23
技术公布日：2017.09.05