一种航空多级式电励磁同步电机初始位置估算方法

摘要

本发明涉及一种航空多级式电励磁同步电机初始位置估算方法，属于交流电机传动控制技术领域，基于定子侧注入转子侧检测信号传递方式的主电机转子初始位置估算方法，进而为多级式电机的起动控制提供了准确的主电机初始位置信息。具有以下有益效果：(1)实现了多级式电机主电机初始位置的估算；(2)估算方法不依赖多级式电机主电机的凸极性，能方便判断转子的N，S极。

权利要求

1.一种航空多级式电励磁同步电机初始位置估算方法，其特征在于它依次含有以下步骤：(1)通过励磁机估算主电机的励磁电流，具体步骤如下：

(a)在励磁机的定子侧施加频率为fes的三相对称电压uesA，uesB，uesC对主电机的励磁绕组进行励磁，并检测稳态时励磁机的定子电流iesA，iesB，iesC，通过Clarke坐标变换得到励磁机定子αβ轴的电压和电流，然后通过励磁机定子的电压方程得到励磁机的定子磁链；

在0°到360°的范围内以2°的步长选定励磁机转子初始位置的估算值 通过励磁机的电压方程和磁链方程估算得到励磁机的转子三相电流，然后对三相电流取绝对值相加除以

2得到主电机励磁电流的估算值

(b)对不同 对应的 进行快速傅里叶分析，得到频率为6fes的谐波分量的幅值：以幅值最小时对应的 代入到励磁机的电压方程中得到励磁机转子电流的估算值，然后将估算得到的励磁机转子三相电流的绝对值相加除以2得出主电机的励磁电流；

频率为6fes的谐波分量幅值最小的位置在360°电角度内一共会出现6次，将任意一个代入到励磁机电压方程中得到励磁机转子电流估算值，然后将励磁机转子三相电流的绝对值相加除以2的方式得到主电机励磁电流；

(2)对主电机的初始位置进行估算，具体步骤如下：

(a)在励磁机的定子侧仍然施加频率为fes的三相对称电压uesA，uesB，uesC对主电机的励磁绕组进行励磁：在0°到360°的范围内，以2°的步长选定角度 作为主电机转子初始位置，即为转子轴线de轴与主电机定子A相轴线之间的夹角；

在de轴注入频率为fs的正弦电压信号，同时将选定角度 代入到励磁机的电压方程中得到励磁机转子电流的估算，然后将估算得到的励磁机转子三相电流的绝对值相加除以2得出主电机的励磁电流通过快速傅里叶分析得到 中频率为fs的谐波分量ifh的幅值，其中两个幅值最大处的对应着主电机转子的N极或者S极与主电机定子A相轴线之间的夹角；

(b)在这两个幅值最大处分别注入相同的正向脉冲电压信号，同时将这两个幅值最大处对应的角度 代入到励磁机的电压方程中得到励磁机转子电流的估算，然后将估算得到的励磁机转子三相电流的绝对值相加除以2得出主电机的励磁电流当正向脉冲电压信号注入时，如果出现负向变化，那么此时对应的 即为主电机转子的N极与主电机定子A相轴线之间的夹角，也就是主电机转子的初始位置。

说明书

一种航空多级式电励磁同步电机初始位置估算方法

技术领域

[0001] 本发明属于交流电机传动控制技术领域，具体涉及一种航空多级式电励磁同步电机初始位置估算方法。

背景技术

[0002] 多电发动机是多电/全电飞机的核心系统之一。与传统发动机相比，多电发动机性能更好，可靠性更高，代表了未来航空发动机的发展趋势。起动/发电功能一体化是先进多电发动机的重要特征之一。起/发一体化取消了传统飞机的引气系统，淘汰了引气系统沉重的管道、活门和控制机构，免去了与气源系统相关的维修。同时，由于电功率提取比气源功率提取更高效，所以飞机可以节省大量的燃油。起/发一体化为飞机带来了更轻的重量、更少的维修、更低的运营成本和更高的可靠性。目前，多家公司已将起/发一体化作为新型多电飞机设计及传统飞机改型的重要方向，我国也将该项技术作为支撑全新大型飞机的新型多电发动机的一项关键技术。考虑到对现有航空发电机技术的延续与接轨，目前在中、大型飞机上最常用也是国外已经实现装机的是基于多级式(两级式或三级式)电励磁同步电机(以下简称多级式电机)的起/发系统，其主要结构特点是包括定、转子分别一体化组装的励磁机、旋转整流器和主电机等部件，其中，励磁机为电枢旋转式发电机，其定子绕组有多种结构形式；主电机为带有阻尼绕组的电励磁同步电机，旋转整流器与励磁机及主电机同轴安装；副励磁机为磁极旋转式永磁同步电机。由于多级式电机的发电技术已经成熟，目前的研究主要集中在起动控制上。

[0003] 为实现多级式电机的起动控制，主电机的初始位置必不可少。起动时，由于多级式电机的负载为航空发动机，负载转矩特别大，所以传统的转子直流强迫定位方式不再适用。在永磁同步电机的无位置传感器控制技术当中，目前已经提出了许多转子初始位置估算的方法。这些方法都是基于永磁同步电机转子的凸极性，通过在定子绕组注入电信号，然后分析定子相应的电响应信号得到转子的初始位置。对于多级式电机来说，其主电机的凸极性与永磁同步电机有着很大的不同，因此这些方法不再适用。相比于永磁同步电机来说，多级式电机主电机的励磁绕组上的电信号也可以用来进行转子初始位置的估算。因此，对于多级式电机的主电机来说，可以从定子侧注入电信号，然后在转子侧检测响应信号，从而得到主电机的转子初始位置。基于这种信号传递方式的估算方法不依赖于电机的凸极性，而且非常容易判断转子的N，S极。虽然这类估算方法已经提出了很多，但是，通常都只适用于转子电信号可以直接测量的电励磁同步电机。由于多级式电机结构的特殊性，导致主电机转子侧的电信号无法直接获得，所以现有的方法无法直接使用。定子侧注入转子侧检测的信号传递方式应用于主电机转子初始位置估算的前提是能够对主电机转子侧的电信号进行估算。

发明内容

[0004] 要解决的技术问题

[0005] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种航空多级式电励磁同步电机初始位置估算方法，解决航空多级式电励磁同步电机起动过程中主电机的转子初始位置估算问题，进而为多级式电机的起动控制提供了准确的主电机初始位置信息。

[0006] 技术方案

[0007] 一种航空多级式电励磁同步电机初始位置估算方法，其特征在于它依次含有以下步骤：

[0008] (1)通过励磁机估算主电机的励磁电流，具体步骤如下：

[0009] (a)在励磁机的定子侧施加频率为fes的三相对称电压uesA，uesB，uesC对主电机的励磁绕组进行励磁，并检测稳态时励磁机的定子电流iesA，iesB，iesC，通过Clarke坐标变换得到励磁机定子αβ轴的电压和电流，然后通过励磁机定子的电压方程得到励磁机的定子磁链；

[0010] 在0°到360°的范围内以2°的步长选定励磁机转子初始位置的估算值 通过励磁机的电压方程和磁链方程估算得到励磁机的转子三相电流，然后对三相电流取绝对值相加除以2得到主电机励磁电流的估算值

[0011] (b)对不同 对应的 进行快速傅里叶分析，得到频率为6fes的谐波分量的幅值：

[0012] 以幅值最小时对应的 代入到励磁机的电压方程中得到励磁机转子电流的估算值，然后将估算得到的励磁机转子三相电流的绝对值相加除以2得出主电机的励磁电流；

[0013] 频率为6fes的谐波分量幅值最小的位置在360°电角度内一共会出现6次，将任意一个代入到励磁机电压方程中得到励磁机转子电流估算值，然后将励磁机转子三相电流的绝对值相加除以2的方式得到主电机励磁电流；

[0014] (2)对主电机的初始位置进行估算，具体步骤如下：

[0015] (a)在励磁机的定子侧仍然施加频率为fes的三相对称电压uesA，uesB，uesC对主电机的励磁绕组进行励磁：

[0016] 在0°到360°的范围内，以以2°的步长选定角度 作为主电机转子初始位置，即为转子轴线de轴与主电机定子A相轴线之间的夹角；

[0017] 在de轴注入频率为fs的正弦电压信号，同时将选定角度 代入到励磁机的电压方程中得到励磁机转子电流的估算，然后将估算得到的励磁机转子三相电流的绝对值相加除以2得出主电机的励磁电流

[0018] 通过快速傅里叶分析得到 中频率为fs的谐波分量ifh的幅值，其中两个幅值最大处的 对应着主电机转子的N极或者S极与主电机定子A相轴线之间的夹角；

[0019] (b)在这两个幅值最大处分别注入相同的正向脉冲电压信号，同时将这两个幅值最大处对应的角度 代入到励磁机的电压方程中得到励磁机转子电流的估算，然后将估算得到的励磁机转子三相电流的绝对值相加除以2得出主电机的励磁电流

[0020] 当正向脉冲电压信号注入时， 如果出现负向变化，那么此时对应的 即为主电机转子的N极与主电机定子A相轴线之间的夹角，也就是主电机转子的初始位置。

[0021] 有益效果

[0022] 本发明提出的一种航空多级式电励磁同步电机初始位置估算方法，基于定子侧注入转子侧检测信号传递方式的主电机转子初始位置估算方法，进而为多级式电机的起动控制提供了准确的主电机初始位置信息。

[0023] 具有以下有益效果：

[0024] (1)实现了多级式电机主电机初始位置的估算；

[0025] (2)估算方法不依赖多级式电机主电机的凸极性，能方便判断转子的N，S极。

附图说明

[0026] 图1：三级式电机结构图

[0027] 图2：不同 对应的2400Hz谐波幅值

[0028] 图3：主电机励磁电流的测量值和估算值：a.测量值；b.在 (或者90°,150°,210°,270°，330°)时的估算值。

[0029] 图4：主电机定子注入电压时的励磁电流响应：a.注入正弦电压时，不同 对应的1000Hz谐波幅值；b.注入脉冲电压时， 对应的励磁电流响应；c.注入脉冲电压时，对应的励磁电流响应。

具体实施方式

[0030] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0031] 为验证本发明方法，采用Matlab/Simulink进行仿真验证，多级式电机的结构如图1所示。仿真中采用Simscape语言搭建了多级式电机主电机与励磁机的仿真模型，利用Simulink自带的二极管搭建了旋转整流器，励磁机的转子绕组通过旋转整流器和主电机的励磁绕组相连接。由于副励磁机在本方法中不起作用，所以在仿真模型中不进行考虑。设定励磁机的转子初始位置为30°电角度，主电机的转子初始位置为50°电角度。下面介绍实施例包含的具体步骤：

[0032] 1.通过仿真软件自带的电源模块在励磁机的定子绕组上施加230V/400Hz的三相对称电压对主电机的励磁绕组进行励磁，主电机定子绕组开路。通过主电机励磁电流估算值中2400Hz谐波的幅值得到可用于主电机励磁电流估算的6个励磁机转子位置信息，具体步骤如下：

[0033] (1.1).在0°到360°范围之内以2°的步长给定励磁机转子初始位置的估算值 当电路达到稳态的时候，通过公式(1)～(6)得到主电机励磁电流的估算值

[0034]

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[0037]

[0038]

[0039]

[0040] 其中，uesα，uesβ和iesα，iesβ分别为励磁机定子αβ轴的电压和电流，Les为励磁机定子总自感，Mesr为励磁机定转子互感，Res为励磁机定子电阻， 为励磁机转子dq轴电流的估算值， 为励磁机转子电流的估算值。

[0041] (1.2).对估算得到的主电机励磁电流 进行快速傅里叶分析，得到主电机励磁电流估算值中2400Hz谐波的幅值如图2所示。可以看出在 为30°，90°，150°，210°，270°或330°时，2400Hz谐波的幅值均达到最小值。

[0042] (1.3).在30°，90°，150°，210°，270°或330°中任取一个进行主电机励磁电流估算，得到的估算结果如图3所示。可以看出，使用30°，90°，150°，210°，270°或330°中的任意一个均可以得到和主发电机励磁电流测量值误差非常小的估算值。

[0043] 2.通过仿真软件自带的电源模块在励磁机的定子绕组上施加230V/400Hz的三相对称电压对主电机的励磁绕组进行励磁，然后在主电机的定子绕组上分别注入正弦电压和脉冲电压，通过估算的主电机励磁电流响应得到主电机的转子初始位置，具体步骤如下：

[0044] (2.1).在0°到360°范围之内以2°的步长选定 通过仿真软件自带的电源模块在选定 对应的de轴上注入20V/1000Hz的正弦电压，当电路达到稳态的时候，通过公式(1)～(6)估算得到的主电机励磁电流。

[0045] (2.2).对估算得到的主电机励磁电流 进行快速傅里叶分析，得到主电机励磁电流估算值中1000Hz谐波ifh的幅值如图4.a所示。可以看出，在 和 处，1000Hz谐波的幅值均达到了最大值。

[0046] (2.3).分别在 和 对应的de轴上注入幅值为10V，持续时间为1ms，占空比为50％的脉冲电压信号，通过公式(1)～(6)估算得到的主电机励磁电流响应如图4.b和图4.c所示。由于 对应的估算的主电机励磁电流出现负向变化，所以主电机转子初始位置的估算值为50°。

[0047] 综上，最终得到主电机的初始位置估算值为50°。