基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法，采用单相交流电给主励磁机励磁，在主发电机定子侧静止坐标系下提取出一组包含转子位置信息的响应电压信号，通过采用先幅值调制后精准滤波的同步解耦方式，在旋转坐标系下进行，无需引入滤波器的相移误差，避免了位置误差补偿，在解耦过程中，将响应电压信号与同步解耦信号作乘积，采用精准消除滤波器，滤除谐波分量后得到估计位置与实际位置的误差信号，使得滤波精确性得到提高，最后经由PI调节器与积分环节计算得到转子位置信息，能够有效地实现三级式同步电机的无位置起动控制。无位置起动控制。无位置起动控制。

【技术实现步骤摘要】
基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法


[0001]本专利技术涉及电机控制
，尤其是基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法。

技术介绍

[0002]随着航空材料和电机驱动控制技术的发展，飞机的多电化进程愈发迅速，三级式同步电机的结构能满足多电飞机所必需的起动/发电一体化要求，在航空领域应用十分广泛。
[0003]准确的转子位置信息是三级式同步电机实现起动控制的前提，安装光电编码器或是旋转变压器等位置传感器是传统的获取转子位置的方式，但航空工况下，位置传感器会增加飞机的体积重量，且面对恶劣环境时易损坏、可靠性不高，由此，为提高飞机起动控制性能，无位置传感技术成为热点研究方向。
[0004]三级式同步电机的低速无位置控制策略以高频信号注入为主，但额外的信号注入不可避免地会引起转矩脉动，同时注入信号的信噪比也是需要考虑的因素，考虑到三级式同步电机的结构特性，对于主励磁机采用单相交流励磁的方式，会在电机中产生两倍于励磁频率的高频信号，以此高频信号当作间接注入的高频信号以解算转子位置角，有效避免了传统高频信号注入法存在的问题，此种在主励磁机定子侧间接注入、在主发电机定子侧提取响应信号解算转子位置角的三级式同步电机低速转子位置估计方法具有深入研究意义。
[0005]如专利公开号CN202110847960.1的中国专利申请中提出的方法，基于间接谐波注入的方式提出了一种基于q轴高频响应电压的同步解耦实现位置估计的方法，提供了一种较为简单的同步解耦信号的生成方式，然而该专利的解耦过程中谐波分布复杂，且使用多个SOGI滤波器进行多次滤波，不可避免地会引入位置角相移使得位置估计精度受限，且SOGI滤波器的参数设计与解耦过程很难做到完全匹配。针对上述问题，基于同步解耦的基本方式，实现滤波结构和解耦过程的优化是重要的研究内容。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的在于，提供一种基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法，对响应电压先幅值调制，再通过精准消除实现消除谐波，同时提取位置误差信号，实现位置估计。
[0007]技术方案：本专利技术提供的基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法，包含以下步骤：
[0008]S1、主励磁机采用单相交流励磁方式，生成脉振磁场，主励磁机转子侧电枢绕组感应到脉振磁场，经旋转整流器后为主发电机提供励磁信号，主发电机接收到励磁信号，主发电机励磁绕组产生励磁电压；
[0009]S2、将主发电机中的励磁电压二次谐波分量作为转子位置估计的间接注入谐波，
提取主发电机定子侧旋转坐标系下包含转子位置误差信息的q轴电压分量；
[0010]S3、利用主励磁机的励磁电流和q轴电压分类计算相位角，并生成同步解耦信号，通过改进同步解调方式后，采用谐波精准消除的方法，提取包含转子位置误差信息的直流分量；
[0011]S4、将转子误差信息的直流分量通过PI调节器和积分器获得转子位置估计角。
[0012]进一步的，步骤S1中，主发电机励磁绕组中的励磁电压为：
[0013][0014]其中U
f
为励磁电压的直流分量，u
fh
为二次谐波的幅值，为二次谐波的初始相位，u
nfh
为2n次谐波的幅值，为2n次谐波的初始相位，ω
ex
为主励磁机的单相励磁频率。
[0015]进一步的，步骤S2中，q轴电压分量为：
[0016][0017]其中u
q0
为直流分量，u
h
为二次谐波的幅值，为二次谐波的初始相位，u
nh
为2n次谐波的幅值，为2n次谐波的初始相位，为转子位置估计误差，θ为主发电机实际转子位置角，为估计位置角。
[0018]进一步的，步骤S3中，对提取出的q轴响应电压u
q
与同步解耦信号f
h
解耦相乘得到过程信号u
q
·
f
h
，其中同步解耦信号为k
h
为同步解耦信号的幅值，对应过程信号为
[0019][0020]其中k
nfh
为2n次谐波的幅值，为2n次谐波的相位，该过程信号由三部分组成，分别为含转子位置误差Δθ的直流信号、二次谐波交流信号和含转子位置误差Δθ的2n次谐波交流信号。
[0021]进一步的，步骤S3中，采用精准消除滤波器，消除u
q
·
f
h
中的二次谐波交流信号和含转子位置误差Δθ的2n次谐波交流信号，完整地保留包含转子位置误差Δθ的直流分量u
ql
：
[0022][0023]进一步的，步骤S3中，设计精准消除滤波器中心频率ω
c
＝2ω
ex
时，对于直流分量的增益为1，且无滤波器相移；对于ω
c
的倍频谐波即2nω
ex
次谐波增益为0，精确消除过程信号u
q
·
f
h
中的谐波分量，提取出所需的直流分量u
ql
。
[0024]有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0025](1)本专利技术方法在旋转坐标系下进行，采用先幅值调制后精准滤波的同步解耦方式，不会引入滤波器的相移误差，无需位置误差补偿；
[0026](2)本专利技术方法的解耦过程中，谐波分析频率明确，采用精准消除滤波器，滤波精确性高，滤波效果好，对于位置信息的提取十分契合；
[0027](3)本专利技术方法仅使用一个精准消除滤波器，相较于传统采用两个SOGI滤波器的方法，不会引入额外的系统参数，且仅引入一个极点，对位置估计闭环系统性能影响较小，使得系统有充足的稳定裕度和带宽，动态性能和稳态性能良好。
附图说明
[0028]图1是本专利技术中三级式同步电机结构示意图；
[0029]图2是本专利技术中三级式同步电机无位置传感器启动控制框图；
[0030]图3是本专利技术中主力发电励磁电压的FFT分析结果图；
[0031]图4是本专利技术中精准消除滤波器的结构图；
[0032]图5是本专利技术中无位置传感器启动过程估计位置、实际位置和位置角误差仿真结果图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图及具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0034]本专利技术提供的基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法，采用的三级式无刷交流同步电机的结构示意图如图1所示，电机结构包括副励磁机、主励磁机、旋转整流器和主发电机四个部分，电机起动过程中，副励磁机不参与工作，此时为两级式结构。
[0035]本专利技术的三级式同步电机无位置起动控制方法原理框图如图2所示，主励磁机为给定单相励磁，主发电机采用i
d
＝0的磁场定向控制，q轴为电流环，电机为恒转矩起动，Park变换采用估计位置角，以此实现闭环控制，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，包含以下步骤：S1、主励磁机采用单相交流励磁方式，生成脉振磁场，主励磁机转子侧电枢绕组感应到脉振磁场，经旋转整流器后为主发电机提供励磁信号，主发电机接收到励磁信号，主发电机励磁绕组产生励磁电压；S2、将主发电机中的励磁电压二次谐波分量作为转子位置估计的间接注入谐波，提取主发电机定子侧旋转坐标系下包含转子位置误差信息的q轴电压分量；S3、利用主励磁机的励磁电流和q轴电压分类计算相位角，并生成同步解耦信号，通过改进同步解调方式后，采用谐波精准消除的方法，提取包含转子位置误差信息的直流分量；S4、将包含转子误差信息的直流分量通过PI调节器和积分器获得转子位置估计角。2.根据权利要求1所述的基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，步骤S1中，主发电机励磁绕组中的励磁电压为：其中U
f
为励磁电压的直流分量，u
fh
为二次谐波的幅值，为二次谐波的初始相位，u
nfh
为2n次谐波的幅值，为2n次谐波的初始相位，ω
ex
为主励磁机的单相励磁频率。3.根据权利要求2所述的基于谐波精准消除的三级式同步电机转子位置估计方法，其特征在于，步骤S2中，q轴电压分量为：其中u
q0
为直流分量，u
h
为二次谐波的幅值，为二次谐波的初始相位，u
nh
为2n次谐波的幅值，为2n次谐波的初始相位，为转子位置估计误差，θ为主发电机实际转子位置角，为估计位置角。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏佳丹，蔡正友，郁钧豪，刘萍，周波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：