三級(jí)式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法

劉衛(wèi)國 祝宇杰 彭紀(jì)昌 孟濤 焦寧飛

Abstract：Aiming at the problems that， possibility of rotor rotating during estimation process， high demand for hardware and poor estimation precision of present initial rotor position estimation methods for three-stage synchronous starter/generator， according to the working principle of rotory transformer， an initial rotor position estimation method which is based on “injecting at main machine， detecting at main exciter” was analyzed， and the derivation process was given.By injecting rotating high frequency voltage into main machines stator， the initial rotor position was derived from main exciters stator current after filtering， coordinate transformation and phase-locked loop tracking. Experimental results show that the proposed method can keep rotor standstill， machine parameters and extra hardwares are not needed.The estimation error is below 2° electrical angle， which satisfies three-stage synchronous machines need for smooth startup.

Keywords：three-stage synchronous machines; initial rotor position estimation; high frequency voltage signal injection; rotory transformer; excitation current pulsating

0 引 言

起動(dòng)/發(fā)電一體化是未來航空電源系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢。三級(jí)式同步電機(jī)具有功率密度高、可靠性高、維護(hù)簡單等諸多優(yōu)勢，目前在航空大功率交流電源系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。如果能利用發(fā)電機(jī)的電動(dòng)狀態(tài)來起動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，則可以省去專用的起動(dòng)機(jī)，減輕機(jī)載重量，這對于多/全電飛機(jī)的發(fā)展具有重大意義[1-4]。能夠精確地檢測出轉(zhuǎn)子的初始位置是實(shí)現(xiàn)三級(jí)式同步電機(jī)高性能閉環(huán)起動(dòng)控制的前提，不準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子初始位置將影響電機(jī)的起動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩，使得起動(dòng)性能下降而導(dǎo)致起動(dòng)失敗，甚至出現(xiàn)反轉(zhuǎn)而損壞航空發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，三級(jí)式同步電機(jī)的起動(dòng)控制對轉(zhuǎn)子初始位置的檢測精確度要求很高。由于三級(jí)式同步電機(jī)在起動(dòng)過程中以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩很大且不允許反轉(zhuǎn)，所以通過使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置檢測的直流定位方法不再適用。因此，需要在三級(jí)式同步電機(jī)保持靜止的情況下檢測轉(zhuǎn)子的初始位置。近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者對同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置檢測算法進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。現(xiàn)階段同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法可以分為以下兩類。

一類是基于電機(jī)凸極特性的轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法。通過給電機(jī)注入旋轉(zhuǎn)高頻電壓、脈振高頻電壓或高頻方波電壓，然后從高頻響應(yīng)電流中提取轉(zhuǎn)子位置信息。由于轉(zhuǎn)子凸極具有對稱性，因此還需要結(jié)合永磁體的磁極方向來獲取正確的轉(zhuǎn)子位置。使用不同的電壓注入方式通過解析電流響應(yīng)信號(hào)都能夠準(zhǔn)確檢測出永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始角度。然而在主電機(jī)勵(lì)磁過程中，主電機(jī)勵(lì)磁電流波動(dòng)較大[5]，當(dāng)主勵(lì)磁機(jī)采用兩相交流勵(lì)磁時(shí)，主電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的磁鏈沒有永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁磁鏈穩(wěn)定。所以，此類方法應(yīng)用于三級(jí)式同步電機(jī)時(shí)，會(huì)有較大的檢測誤差。

另一類是基于電感飽和效應(yīng)的電壓矢量脈沖注入法轉(zhuǎn)子位置檢測方法。該類方法是利用d軸電感的飽和特性，通過給電機(jī)注入一系列電壓矢量脈沖，根據(jù)電流的響應(yīng)來搜索電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置[6-7]。理論上這種方法可以較為精確地檢測出轉(zhuǎn)子位置，但是在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子位置檢測精確度主要取決于脈沖響應(yīng)電流的采集精確度，這對硬件平臺(tái)提出了很高的要求，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。

針對以上問題，提出了一種基于“主電機(jī)注入-主勵(lì)磁機(jī)檢測”的轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法。該方法將主電機(jī)與主勵(lì)磁機(jī)看做旋轉(zhuǎn)變壓器，充分利用了定轉(zhuǎn)子之間的互感與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系。在主電機(jī)定子中注入旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)，檢測主勵(lì)磁機(jī)定子電流并進(jìn)行濾波、坐標(biāo)變換與鎖相環(huán)跟蹤等處理，即可獲得轉(zhuǎn)子初始位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性。

1 轉(zhuǎn)子初始位置檢測原理

1.1 主電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電壓

采用兩相交流勵(lì)磁方式的三級(jí)式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由副勵(lì)磁機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)與主電機(jī)組成。

從圖14中可以看出，施加旋轉(zhuǎn)高頻電壓之后，檢測得到的轉(zhuǎn)子位置迅速向真實(shí)位置收斂。本方法的估算速度快，轉(zhuǎn)子初始位置估算誤差穩(wěn)定在2°電角度之內(nèi)，可以滿足三級(jí)式同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)對轉(zhuǎn)子位置的精確度要求。

4 結(jié) 論

針對三級(jí)式同步電機(jī)多級(jí)組合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種基于“主電機(jī)注入—主勵(lì)磁機(jī)檢測”的三級(jí)式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測的新方法。檢測過程中轉(zhuǎn)子保持靜止，向主電機(jī)定子注入旋轉(zhuǎn)高頻電壓，從主勵(lì)磁機(jī)定子的電流響應(yīng)中可提取出轉(zhuǎn)子初始位置信息。本方法簡單實(shí)用，不需要知道電機(jī)的準(zhǔn)確參數(shù)，不需要額外的硬件，并且檢測時(shí)間短，辨識(shí)精確度高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的轉(zhuǎn)子初始位置檢測誤差小于2°電角度，能夠滿足三級(jí)式同步電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)要求，且易于實(shí)現(xiàn)，適合工程實(shí)際應(yīng)用。

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（編輯：賈志超）