凸極特性變化的三級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種凸極特性變化的三級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，針對(duì)三級(jí)式電機(jī)多級(jí)組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在主發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)之間建立一個(gè)新的信號(hào)傳遞與檢測(cè)通道，如圖2所示。利用該信號(hào)傳遞通道，在主發(fā)電機(jī)定子側(cè)注入高頻信號(hào)，該信號(hào)依次通過(guò)主發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)整流器及勵(lì)磁機(jī)氣隙磁場(chǎng)，然后從勵(lì)磁機(jī)定子繞組中提取高頻響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估算。這種“主發(fā)電機(jī)注入?勵(lì)磁機(jī)檢測(cè)”的信號(hào)傳遞與檢測(cè)思路，充分利用主發(fā)電機(jī)定子繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感隨轉(zhuǎn)子位置而變化的特性，來(lái)估算主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的位置，即轉(zhuǎn)子磁極位置。該估算方法不依賴電機(jī)的凸極性，當(dāng)主發(fā)電機(jī)凸極性在起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生變化時(shí)依然適用。
【專利說(shuō)明】
凸極特性變化的Ξ級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于交流電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種航空Ξ級(jí)式同步電機(jī)（W下簡(jiǎn)稱Ξ 級(jí)式電機(jī))轉(zhuǎn)子位置估算方法，特別設(shè)及一種凸極特性變化的Ξ級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國(guó)內(nèi)外航空交流電源系統(tǒng)中多使用Ξ級(jí)式無(wú)刷同步電機(jī)下簡(jiǎn)稱Ξ級(jí)式 電機(jī))作為發(fā)電機(jī)為機(jī)載設(shè)備提供電功率能源。在我國(guó)現(xiàn)役飛機(jī)中，該發(fā)電機(jī)均無(wú)起動(dòng)航空 發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，研究具有起動(dòng)功能的起動(dòng)發(fā)電一體化系統(tǒng)，對(duì)于減小系統(tǒng)體積重量、簡(jiǎn)化系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)集成度等具有重要意義，是當(dāng)前航空電源領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn) 該電機(jī)起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，需要準(zhǔn)確獲取主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息。由于傳統(tǒng)機(jī)械式 位置傳感器面臨電磁、空間環(huán)境及安裝條件的嚴(yán)格限制，因此迫切需要在無(wú)機(jī)械式位置傳 感器條件下，開(kāi)展Ξ級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置精確估算技術(shù)的研究。
[0003] Ξ級(jí)式電機(jī)包括永磁機(jī)、勵(lì)磁機(jī)W及主發(fā)電機(jī)Ξ部分組成，勵(lì)磁機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)整流 器為主發(fā)電機(jī)提供直流勵(lì)磁電流如圖1。
[0004] 在起動(dòng)過(guò)程中，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前負(fù)載力矩的增加，主發(fā)電機(jī)電樞電流隨之增大， 主發(fā)電機(jī)的凸極性呈現(xiàn)減小直至消失及反轉(zhuǎn)的變化趨勢(shì)。此時(shí)基于凸極性的高頻注入法在 電機(jī)凸極性消失附近區(qū)域無(wú)法準(zhǔn)確獲取位置信號(hào)。
[0005] Ξ級(jí)式電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中勵(lì)磁電流和電樞電流變化較大，主發(fā)電機(jī)凸極特性在起動(dòng) 的過(guò)程中發(fā)生較大的變化，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)該類(lèi)型電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置 估算。
[0006] 當(dāng)前Ξ級(jí)式電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置定位技術(shù)主要基于電機(jī)的凸極特性，通過(guò)在主發(fā) 電機(jī)定子端施加旋轉(zhuǎn)電壓、脈振式高頻電壓、方波電壓、W及脈沖式直流電壓，然后在電機(jī) 定子端檢測(cè)電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。
[0007] 然而Ξ級(jí)式電機(jī)的機(jī)械及電磁禪合較為嚴(yán)重，同時(shí)電機(jī)的飽和特性隨電機(jī)的電流 的變化而變化，上述方法對(duì)電機(jī)的電磁干擾及凸極特性的變化較為敏感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0009]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種凸極特性變化的Ξ級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子 位置估算方法，本方法不要求電機(jī)具有凸極特性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)定位單精度較高。
[0010]技術(shù)方案
[0011] -種凸極特性變化的Ξ級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于步驟如下：
[0012] 步驟1:對(duì)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁;所述勵(lì)磁定子繞組為二相；
[0013] 步驟2:在估計(jì)的主發(fā)電機(jī)d軸繞組中注入高頻信號(hào)V心=Vcos( ω ht)，交軸中注入 電壓Vq<=〇,該脈振電壓在估計(jì)轉(zhuǎn)子軸線上形成一個(gè)高頻脈振磁場(chǎng)；所述高頻信號(hào)大于 化監(jiān)；
[0014]步驟3 :在勵(lì)磁機(jī)定子繞組中檢測(cè)由高頻信號(hào)而產(chǎn)生的高頻響應(yīng)信號(hào)
?α、ie為兩相勵(lì)磁電流；
[001引步驟4:采用FFT對(duì)Is進(jìn)行分析，得到與主發(fā)電機(jī)高頻注入電壓同頻率的電流4·^：;;，^;
[0016] 步驟5:當(dāng)賽_&、&取到最大值的估計(jì)轉(zhuǎn)子d軸位置即為真實(shí)轉(zhuǎn)子位置。
[0017] 當(dāng)步驟1中勵(lì)磁定子繞組為Ξ相時(shí)，在步驟3之前，首先將Ξ相勵(lì)磁電流Ia、Ib和Ic 轉(zhuǎn)換為ia、ie兩相勵(lì)磁電流，然后再進(jìn)行步驟3。
[001引所述將S相勵(lì)磁電流Ia、Ib和Ic轉(zhuǎn)換為ia、i廁相勵(lì)磁電流，采用化A服的方法。 [0019]有益效果
[0020] 本發(fā)明提出的一種凸極特性變化的Ξ級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，針對(duì)Ξ級(jí)式電 機(jī)多級(jí)組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在主發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)之間建立一個(gè)新的信號(hào)傳遞與檢測(cè)通道，如 圖2所示。利用該信號(hào)傳遞通道，在主發(fā)電機(jī)定子側(cè)注入高頻信號(hào)，該信號(hào)依次通過(guò)主發(fā)電 機(jī)氣隙磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)整流器及勵(lì)磁機(jī)氣隙磁場(chǎng)，然后從勵(lì)磁機(jī)定子繞組中提取高頻響應(yīng)信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估算。運(yùn)種"主發(fā)電機(jī)注入-勵(lì)磁機(jī)檢測(cè)"的信號(hào)傳遞與檢測(cè)思路，充分 利用主發(fā)電機(jī)定子繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感隨轉(zhuǎn)子位置而變化的特性，來(lái)估算主發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁繞組的位置，即轉(zhuǎn)子磁極位置。該估算方法不依賴電機(jī)的凸極性，當(dāng)主發(fā)電機(jī)凸極性在 起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生變化(凸極性消失及凸極性反轉(zhuǎn))時(shí)依然適用。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1Ξ級(jí)式航空無(wú)刷同步起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。
[0022] 圖2"主發(fā)電機(jī)注入-勵(lì)磁機(jī)檢測(cè)"方式的高頻信號(hào)傳遞通道。
[0023] 圖3主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流波形。
[0024] 圖4勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流波形。
[0025] 圖5勵(lì)磁機(jī)定子繞組電流波形。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0027] 本實(shí)施例通過(guò)在主發(fā)電機(jī)定子端施加脈振式高頻電壓，之后在勵(lì)磁機(jī)定子繞組上 提取該脈振式高頻電壓，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。依次含有W下步驟：（兩相勵(lì)磁結(jié)構(gòu)和Ξ相 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)原理相同本發(fā)明W兩相勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的Ξ級(jí)式電機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明）
[00%] 1、首先要對(duì)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁，將互差90度的交流電通入兩相勵(lì)磁機(jī)定 子繞組中，上述交流電壓將在勵(lì)磁機(jī)定子繞組上形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上將感 應(yīng)出Ξ相交流電壓，最后通過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器得到一個(gè)直流電實(shí)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。
[0029] 2、將一個(gè)脈振式高頻電壓注入到估計(jì)的主發(fā)電機(jī)d軸繞組中，并從勵(lì)磁機(jī)定子繞 組提取該高頻信號(hào)之后通過(guò)檢測(cè)算法調(diào)制估計(jì)的d軸位置，最后實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)。
[0030] 3、使用相應(yīng)的閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程中W第2項(xiàng)提出的轉(zhuǎn)子位置 檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子為檢測(cè)進(jìn)行閉環(huán)控制。
[0031] Ξ級(jí)式電機(jī)勵(lì)磁的具體做法是：
[0032] a、對(duì)勵(lì)磁機(jī)定子繞組通入兩相互差90度的交流電，Va = Vesin( ω et)、Ve = VeC〇s (Wet)其中Ve為勵(lì)磁機(jī)通入交流電的幅值We為勵(lì)磁機(jī)通入交流電的頻率，該交流電在勵(lì)磁 機(jī)定子繞組上形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將會(huì)在勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)得過(guò)到Ξ相電，經(jīng) 旋轉(zhuǎn)整流器整流得到一個(gè)脈動(dòng)的直流電實(shí)現(xiàn)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。
[0033] 第2項(xiàng)中脈振式高頻注入法的具體做法是：
[0034] a、向Ξ級(jí)式電機(jī)主發(fā)電機(jī)定子繞組中注入高頻電壓信號(hào)，在估計(jì)的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系直 軸中注入Vd' =Vcos( Wht)，交軸中注入電壓Vq' =0。該脈振電壓在估計(jì)轉(zhuǎn)子軸線上形成一個(gè) 高頻脈振磁場(chǎng)。所述高頻信號(hào)大于化監(jiān)；
[0035] b、若將主發(fā)電機(jī)定子繞組等效為d軸線圈和q軸線圈，在估計(jì)的d軸線圈上形成一 個(gè)脈振磁場(chǎng)，通過(guò)變壓器原理，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上將感應(yīng)出一個(gè)同頻率的高頻電壓。
[0036] C、主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組上的直流電將禪合進(jìn)去一個(gè)與注入脈振電壓同頻率的高頻 脈振電流，該脈振電流通過(guò)整流器的二極管，按當(dāng)前導(dǎo)通相依次禪合入勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子Ξ相繞 組。
[0037] d、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上的高頻脈振分量將會(huì)影響到勵(lì)磁機(jī)定子繞組勵(lì)磁電流。
[003引 e、采集α、β兩相勵(lì)磁電流，令
，對(duì)L進(jìn)行分析即可得到與主發(fā)電機(jī)高 頻注入電壓同頻率的電流每。
[0039] f、按照變壓器原理，當(dāng)取到最大值的估計(jì)轉(zhuǎn)子d軸位置即為真實(shí)轉(zhuǎn)子位置。
[0040] 具體實(shí)施例的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括:整流電路、濾波電路、Ξ相全橋逆變器、 單相Η橋逆變器，隔離驅(qū)動(dòng)電路、電流采集電流、中央控制器和人機(jī)接口電路。本系統(tǒng)采用旋 轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，同時(shí)驗(yàn)證所估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的正確性。為驗(yàn)證本發(fā)明方法，采 用MGTR0L公司的2ΡΤ115-Τ/2ΡΤ15-Ρ加載臺(tái)和一臺(tái)Ξ級(jí)式同步電機(jī)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[0041] 依次含有W下步驟：
[0042] 1、在勵(lì)磁機(jī)定子繞組中通入兩相交流電，使主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組獲得勵(lì)磁電 流。
[0043] 2、待主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流穩(wěn)定之后，在主發(fā)電機(jī)A軸注入一個(gè)2KHz、30vrms的高頻電 壓，Vd' =30*cos(0.0005*t)，Vq' =0。是估計(jì)的d軸指向A相軸線。
[0044] 主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流波形如圖3所示。
[0045] 3、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組波形如圖4所示。采集α、β兩相勵(lì)磁電流，4
Ia、Ie 波形如圖5所示。
[0046] 4、對(duì)Is進(jìn)行FFT分析即可得到與主發(fā)電機(jī)高頻注入電壓同頻率的電流霉^*&。
[0047] 5、調(diào)節(jié)估計(jì)d軸位置，尋找使幅值最大處即為真實(shí)的轉(zhuǎn)子軸線，之后通過(guò)分析 餐,黎:&相角即可分另|JN、S級(jí)。
[004引6、W直接轉(zhuǎn)矩角控制策略進(jìn)行起動(dòng)控制。
[0049]在起動(dòng)過(guò)程中重復(fù)步驟2-5,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種凸極特性變化的三級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于步驟如下： 步驟1:對(duì)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁;所述勵(lì)磁定子繞組為二相； 步驟2:在估計(jì)的主發(fā)電機(jī)d軸繞組中注入高頻信號(hào)Vd' =Vcos( c〇ht)，交軸中注入電壓 V</=0,該脈振電壓在估計(jì)轉(zhuǎn)子軸線上形成一個(gè)高頻脈振磁場(chǎng);所述高頻信號(hào)大于1KHZ; 步驟3:在勵(lì)磁機(jī)定子繞組中檢測(cè)由高頻信號(hào)而產(chǎn)生的高頻響應(yīng)信號(hào)ie為兩相勵(lì)磁電流； 步驟4:采用FFT對(duì)18進(jìn)行分析，得到與主發(fā)電機(jī)高頻注入電壓同頻率的電流 步驟5:當(dāng)/5_:&%取到最大值的估計(jì)轉(zhuǎn)子d軸位置即為真實(shí)轉(zhuǎn)子位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述凸極特性變化的三級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于： 當(dāng)步驟1中勵(lì)磁定子繞組為三相時(shí)，在步驟3之前，首先將三相勵(lì)磁電流I a、Ib和I。轉(zhuǎn)換 為ia、ie兩相勵(lì)磁電流，然后再進(jìn)行步驟3。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述凸極特性變化的三級(jí)式電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于： 所述將三相勵(lì)磁電流Ia、Ib和I。轉(zhuǎn)換為ihie兩相勵(lì)磁電流，采用CLARK的方法。
【文檔編號(hào)】H02P101/30GK105871276SQ201610316267
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】彭紀(jì)昌, 劉衛(wèi)國(guó), 焦寧飛, 孫承浩
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)