一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法

1.本发明涉及交流电机传动控制技术领域，具体涉及一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法。


背景技术：

2.多级式(两级式或三级式)无刷同步电机(以下简称多级式电机)作为起动发电机目前已广泛应用于多电飞机的起动发电一体化系统。由于多级式电机作为发电机已经使用多年，其发电技术成熟可靠，起动控制是目前的研究热点。以三级式电机为例，其结构如图1所示。三级式电机由主电机、励磁机、副励磁机同轴安装组成(两级式电机没有副励磁机)。其中，励磁机和主电机转子通过旋转整流器连接。起动时，首先给励磁机定子通入三相交流电压，从而在励磁机转子上感应出三相交流电流。通过旋转整流器整流后，主电机获得直流励磁电流，进而可通过逆变器驱动主电机起动。
3.主电机的转子位置是起动控制的关键信息，一般通过在多级式电机上加装机械位置传感器获取。但是，由于多级式电机工作环境恶劣，导致了机械位置传感器故障率上升。同时，由于多级式电机在发电运行的时候并不需要位置传感器，加装机械位置传感器增加系统的成本、体积、重量，不利于起动发电一体化系统的可靠性以及功率密度的提升。因此，多级式电机的无位置传感器起动控制具有重要的研究价值。
4.高频信号注入法是常用的无位置传感器控制算法之一，在永磁同步电机上已经得到了广泛的应用。但是，对于多级式电机来说，由于主电机凸极特性可变，导致传统的高频信号注入法不再适用。
5.此外，由于旋转整流器特殊的非线性工作特性，给励磁机转子带来了大量的高次谐波，这些谐波中包含了励磁机的转子位置信息。因此，可通过这些谐波进行励磁机转子位置估算。同时由于主电机和励磁机同轴安装，因此，在获得了励磁机转子位置后，可以通过极对数变换得到主电机的转子位置。但是，现有方法在理论推导过程中，均涉及了低转速的近似条件，因此相应的方法只适用于低速阶段，限制了励磁机作为主电机位置传感器运行的转速范围。


技术实现要素：

6.为解决现有技术存在的问题，实现多级式同步电机起动过程中的主电机转子位置估算，并消除传统方法的低转速限制，本发明在深入分析励磁机转子磁链和励磁机转子位置关系的基础上，提出了一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法，该方法既具有传统方法中利用励磁机作为主电机位置传感器的优势，又在理论上消除了低转速限制，扩展了励磁机作为主电机位置传感器运行的转速范围，从而能够在更大范围内为多级式电机的起动控制提供准确的主电机转子位置信息。
7.本发明的技术方案为：
8.一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法，包括以下步骤：
9.步骤1：在励磁机定子侧施加三相对称电压u
esa
，u
esb
，u
esc
，并采集励磁机的三相定子电流i
esa
，i
esb
，i
esc
；
10.步骤2：根据步骤1中在励磁机定子侧施加三相对称电压值，以及采集得到的励磁机的三相定子电流值，计算得到励磁机的d轴转子磁链ψ
erd
和q轴转子磁链ψ
erq
，进而得到励磁机转子综合磁链ψs；
11.步骤3：在励磁机转子综合磁链ψs极大值出现的时刻，记录对应时刻的ψ
erd
和ψ
erq
，并将ψ
erd
和ψ
erq
输入锁相环中，通过以下补偿规则对锁相环估算角度进行补偿：
12.(1)在第一次检测到ψs的极大值时刻，锁相环输出的估算角度补偿值为零；
13.(2)后续每次检测到ψs的极大值时，在上次检测到ψs极大值对应锁相环输出估算角度补偿的基础上增加π/3；
14.由经过补偿后的锁相环估算角度，获得励磁机转子位置估算值
15.步骤4：将步骤3得到的励磁机转子位置估算值换算成主电机转子位置估算值，实现基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算。
16.进一步的，步骤2中，根据以下过程得到励磁机转子综合磁链ψs：
17.步骤2.1：根据步骤1中在励磁机定子侧施加三相对称电压值u
esa
，u
esb
，u
esc
，以及采集得到的励磁机的三相定子电流值i
esa
，i
esb
，i
esc
，根据公式
[0018][0019][0020]
得到励磁机在αsβs坐标系下电压电流
[0021]
步骤2.2：根据公式
[0022][0023]
获得励磁机d轴转子磁链ψ
erd
和q轴转子磁链ψ
erq
，其中l
es
为励磁机定子电感，r
es
为励磁机定子电阻；
[0024]
步骤2.3：根据公式
[0025][0026]
计算励磁机转子综合磁链ψs。
[0027]
进一步的，步骤4中，通过以下步骤将励磁机转子位置估算值换算成主电机转子位
置估算值：
[0028]
步骤4.1：将励磁机转子位置估算值减去其初始值获得励磁机转子旋转角度估算值；
[0029]
步骤4.2：励磁机转子旋转角度估算值除以励磁机极对数，再乘以主电机极对数，获得主电机转子旋转角度估算值；
[0030]
步骤4.3：将主电机转子旋转角度估算值和主电机转子初始位置相加，获得主电机转子位置估算值。
[0031]
进一步的，步骤3中，ψ
erd
、ψ
erq
和转子位置θ
er
的对应关系为
[0032][0033]
式中，if为主电机励磁电流，m
em
为励磁机定转子互感，n为检测到ψs极大值的次数。
[0034]
一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述方法。
[0035]
一种计算机系统，包括：一个或多个处理器，上述计算机可读存储介质，用于存储一个或者多个程序，当所述一个或者多个程序被所述一个或者多个处理器执行时，使得所述一个或者多个处理器实现上述方法。
[0036]
有益效果
[0037]
本发明提出的基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法，既具有传统方法中利用励磁机作为主电机位置传感器的优势，又在理论上消除了低转速限制，扩展了励磁机作为主电机位置传感器运行的转速范围，从而能够在更大范围内为多级式电机的起动控制提供准确的主电机转子位置信息，实现了多级式无刷同步电机无位置传感器起动控制。
[0038]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0039]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0040]
图1：三级式电机结构图；
[0041]
图2：无刷励磁系统示意图；
[0042]
图3：主电机转子位置估算仿真结果。
具体实施方式
[0043]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0044]
本实施例采用matlab/simulink对本发明方法进行仿真验证。
[0045]
设定主电机的转子初始位置为50
°
电角度，当时间为0-0.5s时，电机处于静止状态，当时间为0.5s-4s时，电机处于匀加速状态，从0rpm加速到1000rpm，励磁机为2对极，主电机为3对极。下面介绍实施例包含的具体步骤：
[0046]
1.通过仿真软件自带的三相电源模块在励磁机的定子绕组上施加50v/400hz的三相对称电压u
esa
，u
esb
，u
esc
，并采集励磁机三相定子电流i
esa
，i
esb
，i
esc
。
[0047]
三级式电机的无刷励磁系统示意图如图2所示。其中，u
esa
，u
esb
，u
esc
和i
esa
，i
esb
，i
esc
分别为励磁机定子电压和电流，i
era
，i
erb
，i
erc
为励磁机转子电流，if为主电机励磁电流。αsβs坐标系和dq坐标系都固定在励磁机定子上，坐标系为估算坐标系。θ
er
为励磁机转子位置实际值，为励磁机转子位置估算值，δθ
er
为励磁机转子位置估算值和实际值之间的误差。
[0048]
然后计算励磁机转子磁链，具体步骤如下：
[0049]
(1.1).通过电流传感器采集励磁机三相定子电流i
esa
，i
esb
，i
esc
，通过式(1)和式(2)所示的坐标变换得到励磁机在αsβs坐标系下电压电流
[0050][0051][0052]
(1.2).通过式(3)获得励磁机d轴转子磁链ψ
erd
和q轴转子磁链ψ
erq
。
[0053][0054]
式中，和分别为励磁机定子αsβs轴的电压和电流，l
es
为励磁机定子电感，r
es
为励磁机定子电阻。
[0055]
2.通过励磁机转子磁链获得励磁机转子位置估算时刻，具体步骤如下：
[0056]
(2.1).通过式(4)对计算励磁机转子综合磁链ψs。
[0057][0058]
(2.2).检测ψs每次极大值出现的时刻，即为励磁机转子位置估算时刻。
[0059]
3.通过励磁机转子磁链估算励磁机转子位置，具体步骤如下：
[0060]
(3.1).在ψs极大值出现的时刻，记录对应时刻的ψ
erd
和ψ
erq
；ψ
erd
、ψ
erq
和转子位置的对应关系如(5)所示。由于ψ
erd
、ψ
erq
的推导中不需要对低速近似，因此，本方法从理论上消除了低转速限制。
[0061][0062]
式中，if为主电机励磁电流，m
em
为励磁机定转子互感，n为检测到ψs极大值的次数。
[0063]
(3.2).将ψ
erd
和ψ
erq
输入锁相环中，并对锁相环输出估算角度进行补偿，补偿规则具体如下：
[0064]
(3.2.1).在第一次检测到ψs的极大值时刻，锁相环输出的估算角度补偿值为零，即不进行补偿；
[0065]
(3.2.2).后续每次检测到ψs的极大值时，在上次检测到ψs极大值对应锁相环输出估算角度补偿的基础上增加π/3。
[0066]
即第一次检测到ψs的极大值时，对锁相环输出的估算角度补偿值为0，第2次检测到ψs的极大值时，对锁相环输出的估算角度补偿值为π/3，依次类推，第n次检测到ψs的极大值时，对锁相环输出的估算角度补偿值为(n-1)π/3。
[0067]
(3.2.3).由经过补偿后的锁相环估算角度，获得励磁机转子位置估算值
[0068]
4.将励磁机转子位置估算值换算成主电机转子位置估算值，具体步骤如下：
[0069]
(4.1).将励磁机转子位置估算值减去其初始值获得励磁机转子旋转角度估算值；
[0070]
(4.2).励磁机转子旋转角度估算值除以励磁机极对数3，再乘以主电机极对数2，获得主电机转子旋转角度估算值；
[0071]
(4.3).将主电机转子旋转角度估算值和主电机转子初始位置相加，获得主电机转子位置估算值。
[0072]
通过以上步骤即可实现基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算。主电机转子位置估算仿真结果如图3所示。由仿真结果可知，主电机转子位置估算值和实际值是一致，估算误差在5
°
以内，实现了主电机转子位置估算。
[0073]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在励磁机定子侧施加三相对称电压u
esa
，u
esb
，u
esc
，并采集励磁机的三相定子电流i
esa
，i
esb
，i
esc
；步骤2：根据步骤1中在励磁机定子侧施加三相对称电压值，以及采集得到的励磁机的三相定子电流值，计算得到励磁机的d轴转子磁链ψ
erd
和q轴转子磁链ψ
erq
，进而得到励磁机转子综合磁链ψ
s
；步骤3：在励磁机转子综合磁链ψ
s
极大值出现的时刻，记录对应时刻的ψ
erd
和ψ
erq
，并将ψ
erd
和ψ
erq
输入锁相环中，通过以下补偿规则对锁相环估算角度进行补偿：(1)在第一次检测到ψ
s
的极大值时刻，锁相环输出的估算角度补偿值为零；(2)后续每次检测到ψ
s
的极大值时，在上次检测到ψ
s
极大值对应锁相环输出估算角度补偿的基础上增加π/3；由经过补偿后的锁相环估算角度，获得励磁机转子位置估算值步骤4：将步骤3得到的励磁机转子位置估算值换算成主电机转子位置估算值，实现基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算。2.根据权利要求1所述一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法，其特征在于：步骤2中，根据以下过程得到励磁机转子综合磁链ψ
s
：步骤2.1：根据步骤1中在励磁机定子侧施加三相对称电压值u
esa
，u
esb
，u
esc
，以及采集得到的励磁机的三相定子电流值i
esa
，i
esb
，i
esc
，根据公式，根据公式得到励磁机在α
s
β
s
坐标系下电压电流步骤2.2：根据公式获得励磁机d轴转子磁链ψ
erd
和q轴转子磁链ψ
erq
，其中l
es
为励磁机定子电感，r
es
为励磁机定子电阻；步骤2.3：根据公式计算励磁机转子综合磁链ψ
s
。
3.根据权利要求1所述一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法，其特征在于：步骤4中，通过以下步骤将励磁机转子位置估算值换算成主电机转子位置估算值：步骤4.1：将励磁机转子位置估算值减去其初始值获得励磁机转子旋转角度估算值；步骤4.2：励磁机转子旋转角度估算值除以励磁机极对数，再乘以主电机极对数，获得主电机转子旋转角度估算值；步骤4.3：将主电机转子旋转角度估算值和主电机转子初始位置相加，获得主电机转子位置估算值。4.根据权利要求1所述一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法，其特征在于：步骤3中，ψ
erd
、ψ
erq
和转子位置θ
er
的对应关系为式中，i
f
为主电机励磁电流，m
em
为励磁机定转子互感，m为检测到ψ
s
极大值的次数。5.一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，其特征在于：所述指令在被执行时用于实现权利要求1至4任一所述方法。6.一种计算机系统，包括：一个或多个处理器，权利要求5所述计算机可读存储介质，用于存储一个或者多个程序，其特征在于：当所述一个或者多个程序被所述一个或者多个处理器执行时，使得所述一个或者多个处理器实现权利要求1至4任一所述方法。

技术总结
本发明提出一种基于励磁机转子磁链的多级式无刷同步电机转子位置估算方法，首先在励磁机定子侧施加三相对称电压，并采集励磁机的三相定子电流；根据三相对称电压值和三相定子电流，得到励磁机的d轴转子磁链和q轴转子磁链，进而得到励磁机转子综合磁链；在综合磁链极大值出现的时刻，记录对应时刻的d轴转子磁链和q轴转子磁链，并输入锁相环中，对锁相环估算角度进行补偿，获得励磁机转子位置估算值；将励磁机转子位置估算值换算成主电机转子位置估算值。该方法既具有利用励磁机作为主电机位置传感器的优势，又消除了低转速限制，扩展了励磁机作为主电机位置传感器运行的转速范围，从而能够在更大范围内为多级式电机的起动控制提供准确的主电机转子位置信息。控制提供准确的主电机转子位置信息。控制提供准确的主电机转子位置信息。


技术研发人员：毛帅 马崇钊 刘卫国
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/9/9