三级式同步电机转子位置估计系统及估计方法技术方案

本发明专利技术公开了三级式同步电机转子位置估计系统及估计方法，系统包括三级式同步电机、单相交流电源、信号采集模块和信号处理模块，三级式同步电机包括同轴设置的主励磁机、旋转整流器和主发电机；单相交流电源给主励磁机的励磁绕组通入单相交流电产生脉振磁场，在主励磁机电枢绕组中感应三相交流电，经过旋转整流器后给主发电机励磁绕组供电，并在主发电机电枢绕组感应出包含转子位置信息的高频信号，信号采集模块提取出包含转子位置信息的高频信号，再经过信号处理模块估计出转子位置角度。本发明专利技术无需额外注入其他信号，避免了传统高频信号注入方法引入电机输出转矩波动，其具有较好的鲁棒性和稳定性。

Rotor Position Estimation System and Method for Three-stage Synchronous Motor

The invention discloses a three-stage synchronous motor rotor position estimation system and estimation method, which includes three-stage synchronous motor, single-phase AC power supply, signal acquisition module and signal processing module, three-stage synchronous motor includes coaxial main exciter, rotary rectifier and main generator, and single-phase AC power supply feeds the excitation winding of main exciter into single-phase AC to generate pulse. Vibration magnetic field, which induces three-phase alternating current in armature winding of main exciter, supplies power to excitation winding of main generator after rotating rectifier, and induces high-frequency signal containing rotor position information in armature winding of main generator. Signal acquisition module extracts high-frequency signal containing rotor position information, and then estimates rotor position angle through signal processing module. The invention does not need to inject additional signals, avoids the traditional high frequency signal injection method introducing motor output torque ripple, and has good robustness and stability.

【技术实现步骤摘要】
三级式同步电机转子位置估计系统及估计方法
本专利技术属于电机控制
，特别涉及一种三级式同步电机转子位置估计系统及估计方法。
技术介绍
近年来，变频交流电源系统已经广泛用于多电、全电飞机，成为航空电源技术发展的主要方向。在航空、军事领域对电源系统的可靠性要求较高，而旋转整流器式的无刷励磁同步电机采用主励磁机的输出经过整流后给主发电机励磁，摒弃了电刷滑环结构，较大程度地提高了可靠性。由于主发电机与发动机相连，具有起动/发电一体化功能，省去了额外的起动装置，节省了空间以及成本，目前许多民用飞机以及战斗机如A380、B787和F22上都采用了三级式同步电机。发电阶段，主励磁机采用直流励磁，励磁机转子感应出三相交流电，输出经过旋转整流器给主发电机励磁。现阶段，三级式同步电机的起动控制是其实现起动/发电一体化的一个重要难点。在起动控制中，获得转子位置角度是必要的，通常可通过光电编码器、霍尔位置传感器以及磁编码器等传感器来获取转子位置信息。然而，在温度变化大以及电磁干扰的恶劣航空条件下，会出现传感器的位置检测不准确甚至故障的问题，且传感器的设置增加了系统的体积、重量和成本，因此，无位置传感器的起动控制研究是三级式同步电机发展的重点方向。传统的起动阶段的位置估计方法可分为两种，一种是转子预定位法，通过施加特定角度电压矢量，使得转子的d轴与A相重合，但三级式同步电机与发动机相连，始终存在一个较大的负载，难以实现转子预定位；另一种是利用主发电机转子凸极结构特性，注入高频、低频的正弦或方波等信号，最终从电机定子端提取出包含转子位置信息的信号，解算出转子位置角度，然而额外注入信号，无法避免的会导致电机起动转矩脉动，且控制结构复杂。
技术实现思路
专利技术目的：提供一种三级式同步电机转子位置估计系统及估计方法，其直接提取包含转子位置信息的谐波信号，简化了控制结构，消除了额外注入信号带来的起动阶段的转矩脉动，且拥有较好的位置估计精度。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：三级式同步电机转子位置估计系统，包括三级式同步电机、单相交流电源、信号采集模块和信号处理模块，其中，三级式同步电机包括同轴设置的主励磁机、旋转整流器和主发电机；其中，单相交流电源给主励磁机的励磁绕组通入单相交流电产生脉振磁场，经过定转子耦合，在主励磁机电枢绕组中感应三相交流电，经过旋转整流器后给主发电机励磁绕组供电，经过主发电机定转子间的耦合作用，在主发电机电枢绕组感应出包含转子位置信息的高频信号，通过信号采集模块提取出包含转子位置信息的高频信号，再经过信号处理模块估计出转子位置角度。优选的，主励磁机为旋转电枢式电励磁同步电机，定子为直流励磁绕组，转子侧为电枢绕组。优选的，主发电机定子侧为电枢绕组，转子侧为励磁绕组。优选的，信号采集模块包括两个相同的带通滤波器。优选的，信号处理模块包括第一平方计算模块、第二平方计算模块、乘法器、加法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、放大器和锁相环，带通滤波器输出的两相静止坐标系上的高频谐波信号分别输入第一平方计算模块和第二平方计算模块，然后经过加法器后输入第一低通滤波器后输入锁相环；另一方面两相高频谐波信号均输入乘法器，再输出至第二低通滤波器，然后经过放大器后输入锁相环；锁相环输出即为估计的转子位置角度。本专利技术另一实施例中，三级式同步电机转子位置估计系统及估计方法，包括以下步骤：(1)在主励磁机定子侧通入单相交流电产生脉振磁场；(2)主励磁机转子侧电枢绕组中感应出三相交流电，经过旋转整流器后给主发电机励磁绕组供电；(3)主发电机励磁绕组上的电流谐波分量经过主发电机定转子耦合后，在主发电机定子侧电枢绕组感应出包含转子位置信息的高频信号；(4)信号采集模块采集包含主发电机转子位置的信号；(5)信号处理模块估计出主发电机转子位置角度。进一步的，步骤(1)中主励磁机采用单相交流电源励磁，单相交流励磁电流在主励磁机空间内产生一个脉振磁场，其脉振磁势的基波分量分解为相同转速的一个正向旋转磁势波和一个反向旋转磁势波，其转速大小n1为：n1＝60f1/p(1)；其中p为主励磁机极对数，主励磁机励磁电流为：其中，ω1＝2πf1为励磁角频率，f1为主励磁机励磁频率，Ife是励磁电流有效值。进一步的，步骤(2)中在主励磁机转子侧感应出的电势简化为：其中，ω1＝2πf1为励磁角频率，f1为主励磁机励磁频率，Ife是励磁电流有效值，Mfe是主励磁机励磁绕组和电枢绕组的最大互感值，ω是主励磁机转子转速对应的角频率；eAE、eBE、eCE分别为主励磁机转子侧三相感应电势。进一步的，步骤(3)中，在主发电机电枢绕组感应出的包含转子位置信息的高频谐波信号在两相静止坐标系上的分量uɑh、uβh为：其中，Uh为两相静止坐标系上高频谐波电压信号的幅值，为滞后的角度，ωh′是高频响应信号的频率，θ是转子实际位置角度。进一步的，步骤(5)中信号处理模块接收到信号采集模块输出的高频信号后，进行转子位置角度估计，具体估计方法为：(51)分别对两相静止坐标系上的高频电压信号做平方差，然后输入第一低通滤波器得：其中，KLPF为滤波器衰减系数；(52)将两相静止坐标系上的高频电压信号相乘，然后输入第二低通滤波器得：(53)将步骤(52)中第二滤波器输出的电压信号乘以2，然后和步骤(51)中第一滤波器输出的电压信号，同时输入给锁相环，锁相环的两个输入记为：(54)锁相环对接收的输入信号进行计算处理，得到转子位置估计角度；锁相环中PI端口的输入为的函数：其中，θ为实际角度，为估计角度，设实际角度与估计角度的差值为锁相环收敛到0时，则此时2△θ＝mπ(m＝0,1,2....)，故因此实际的角度θ等于或因此需要对估计出的初始位置进行校正，位置角度校正方法为：三级式同步电机静止状态下，在主发电机励磁磁场的建立过程中，在主发电机定子绕组中会流过感应电流，根据楞次定律，感应电流的极性和主发电机转子绕组产生的励磁磁场方向相反，因此可通过感应电流的极性，判断转子位置角度处在哪个象限：(1)转子位置处于(0，π/2)第一象限时，α轴、β轴感应电流都为负；(2)转子位置处于(π/2，π)第二象限时，α轴感应电流为正、β轴感应电流为负；(3)转子位置处于(π，3π/2)第三象限时，α轴、β轴感应电流都为正；(4)转子位置处于(3π/2，2π)第四象限时，α轴感应电流为负、β轴感应电流为正；通过感应电流正负极性的判断，可以得到转子位置对应的象限，在和中选择对应的角度，作为最终估计出的初始位置角度。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术应用在三级式同步电机起动阶段的无位置传感器技术，可准确估算转子位置角度。(2)本专利技术无需额外的信号注入，避免引入新的谐波分量和转矩脉动，降低了控制系统的复杂性。(3)本专利技术无需电压、位置传感器，极大地减小了电机系统的体积、质量和成本，提高了稳定性和可靠性。附图说明图1是本专利技术系统结构示意图；图2是本专利技术信号采集模块和信号处理模块结构示意图；图3是本专利技术的转子位置角度计算的锁相环结构示意图；图4是本专利技术方法流程图；图5是本专利技术的三级式同步电机中旋转整流器输入和输出电压波形图；图6是本专利技术的主发电机励磁绕组的电压谐波FFT分析结果；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三级式同步电机转子位置估计系统，其特征在于：包括三级式同步电机、单相交流电源、信号采集模块和信号处理模块，其中，三级式同步电机包括同轴连接的主励磁机、旋转整流器和主发电机；其中，单相交流电源给主励磁机的励磁绕组通入单相交流电产生脉振磁场，经过定转子耦合，在主励磁机电枢绕组中感应三相交流电，经过旋转整流器后给主发电机励磁绕组供电，经过主发电机定转子间的耦合作用，在主发电机电枢绕组感应出包含转子位置信息的高频信号，通过信号采集模块提取出包含转子位置信息的高频信号，再经过信号处理模块估计出转子位置角度。

【技术特征摘要】
1.三级式同步电机转子位置估计系统，其特征在于：包括三级式同步电机、单相交流电源、信号采集模块和信号处理模块，其中，三级式同步电机包括同轴连接的主励磁机、旋转整流器和主发电机；其中，单相交流电源给主励磁机的励磁绕组通入单相交流电产生脉振磁场，经过定转子耦合，在主励磁机电枢绕组中感应三相交流电，经过旋转整流器后给主发电机励磁绕组供电，经过主发电机定转子间的耦合作用，在主发电机电枢绕组感应出包含转子位置信息的高频信号，通过信号采集模块提取出包含转子位置信息的高频信号，再经过信号处理模块估计出转子位置角度。2.根据权利要求1所述的三级式同步电机转子位置估计系统，其特征在于：主励磁机为旋转电枢式电励磁同步电机，定子为单相励磁绕组，转子侧为电枢绕组。3.根据权利要求1所述的三级式同步电机转子位置估计系统，其特征在于：主发电机定子侧为电枢绕组，转子侧为励磁绕组。4.根据权利要求1所述的三级式同步电机转子位置估计系统，其特征在于：信号采集模块包括两个相同的带通滤波器。5.根据权利要求1所述的三级式同步电机转子位置估计系统，其特征在于：信号处理模块包括第一平方计算模块、第二平方计算模块、乘法器、加法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、放大器和锁相环，带通滤波器输出的两相静止坐标系上的高频谐波信号分别输入第一平方计算模块和第二平方计算模块，然后经过加法器后输入第一低通滤波器后输入锁相环；另一方面两相高频谐波信号均输入乘法器，再输出至第二低通滤波器，然后经过放大器后输入锁相环；锁相环输出即为估计的转子位置角度。6.三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在主励磁机定子侧通入单相交流电产生脉振磁场；(2)主励磁机转子侧电枢绕组中感应出三相交流电，经过旋转整流器后给主发电机励磁绕组供电；(3)主发电机励磁绕组上的电流谐波分量经过主发电机定转子耦合后，在主发电机定子侧电枢绕组感应出包含转子位置信息的高频信号；(4)信号采集模块采集包含主发电机转子位置的信号；(5)信号处理模块估计出主发电机转子位置角度。7.根据权利要求6所述的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于：步骤(1)中主励磁机采用单相交流电源励磁，单相交流励磁电流在主励磁机空间内产生一个脉振磁场，其脉振磁势的基波分量分解为...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏佳丹，薛哗，鲁恒，周波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32