一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法

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1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种电机转子初始位置快速估算方法。

背景技术：

2.电励磁同步电机具有功率密度较高、励磁可调、故障条件下可灭磁等优点被广泛应用于航空航天及其他工业领域。目前多采用基于转子磁场定向的矢量控制方式实现对同步电机的高性能控制，这就需要获取准确的转子位置信息。传统基于位置传感器的转子位置获取方式不仅增加了系统成本、尺寸和重量，而且对使用环境有着比较严格的要求，而这降低了其适用范围和系统的可靠性。
3.转子位置估算技术通过检测电机三相绕组中携带转子位置信息的电压/电流等有效信号，并采用一定的控制算法来实现对转子位置较为精准的估算，可以避免上述限制，代表了三相pmsm系统的发展趋势。根据转子位置估算技术的运行机理，主要分为零低速和中高速段下的两类转子位置估算方法，零低速段时主要根据电机凸极性并以辅助信号实现对转子位置信息的提取，中高速段主要通过基波反电动势或电机的磁链来实现对转子位置的估算。其中，中高速段的转子位置估算技术较为成熟。
4.传统零低速时进行转子位置估算，主要利用电机凸极性，并注入高频辅助电压信号，通过提取包含转子位置信息的响应信号，对转子位置进行估算。在零速静止时的转子位置估算还包括对转子磁链方向的辨识。传统零低速转子位置估算步骤主要包括：1、旋转或高频信号注入；2、带通滤波器对响应信号进行提取；3、信号解调；4、低通滤波器获取信号包络；5、锁相环或反正切法对转子位置进行估算；6、初始转子位置估算时需要对磁极极性进行二次辨识。
5.由上述步骤可以看出，传统方法中对转子初始位置辨识时，具有以下缺点：1、所用方法复杂，响应信号数据运算量较大，对处理器要求较高；2、零速静止状态对磁极方向需要二次辨识。

技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法，通过在电励磁电机转子励磁绕组反并联二极管，运行前不加励磁电流，在α/β两相或abc三相静止坐标系下，向定子绕组注入一周方波电压信号，并在每个方波电压信号注入结束时采集定子绕组电流，将其变换到与注入方波电压信号相同方向后存入数组，并根据数组对应电流最大或最小值进行转子d轴负向或正向所在位置进行估算。该方法简单可靠，可以有效减小数据运算量，估算精度较高，且根据响应电流幅值可以直接完成转子初始位置估算，不需要对转子磁极进行二次辨识。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
8.步骤1：构建电励磁同步电机转子初始位置快速估算结构，包括电励磁电机和二极管组，所述二极管组由一个或多个二极管串联或并联组成，且二极管组的负极k和正极a分
别与转子励磁绕组的正端e+和负端e-相连；
9.步骤2：在静止坐标系下，不加励磁电流，从任意起始位置θ0开始，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值相同、脉宽相同的方波电压，其中n为选择注入的点数；
10.具体为：在三级式同步起动/发电机静止时，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压，每两个电角度注入方波电压的时间间隔t＞＞τ，其中τ为电机的电流响应时间常数，以保证响应电流在下个电角度注入电压时下降到0；
[0011][0012]
式中，u表示注入的方波电压，t
on
表示注入方波电压的脉宽；
[0013]
在每个方波电压注入结束后，立即对响应电流进行采样，并将响应电流通过坐标变换至与注入方波电压相同的电角度方向，分别记为i
d0
、i
d1
、i
d2
、...i
d(n-1)
，并将其存入数组id[n]；
[0014][0015]
其中i
a_n
、i
b_n
、i
c_n
分别为第n个角度方向注入电压生的定子三相电流，i
α_n
、i
β_n
为变换到两相αβ静止坐标系下的电流，i
dn
表示电流响应幅值；
[0016]
步骤2：忽略二极管导通压降，则励磁绕组反并联二极管在注入一周方波电压时，会有半周导通，半周截止；设二极管半周截止时，d轴等效电感为l
d1
,半周导通时，d轴等效电感为l
d2
，则对于电励磁电机，有：
[0017][0018]
其中ld为电机d轴设计电感值，m
af
为转子励磁绕组与定子相绕组互感最大值，l
fd
为转子励磁绕组自感；
[0019]
(1)当电励磁电机的电感有如下关系：
[0020][0021]
其中lq为电机q轴设计电感值；
[0022]
对步骤1中得到的数组id[n]进行排序，得到最大值为id[k],k∈{0,1,2...，n-1}，
则id[k]为d轴负向位置时的电流响应，因而d轴正向位置，即转子初始位置为：
[0023][0024]
(2)当电励磁电机的电感满足关系或时：
[0025]
对步骤1中得到的数组id[n]进行排序，得到最小值为id[k],k∈{0,1,2...，n-1}，则id[k]为d轴正向位置时的电流响应，即转子初始位置为：
[0026]
θ
0_r
＝k*
△
θ
ꢀꢀ
0≤k《n
[0027]
进一步地，步骤1中，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压时，还间隔固定电角度顺时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压。
[0028]
进一步地，所述n＝128。
[0029]
进一步地，所述电励磁同步电机还包括航空三级式电励磁无刷同步电机。
[0030]
进一步地，所述电励磁电机为航空三级式电励磁无刷同步电机时，是向主发电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压。
[0031]
本发明的有益效果如下：
[0032]
本发明方法易于普及，在αβ两相或abc三相静止坐标系下实现了对零速静止时电励磁电机的转子初始位置估算，避免了对复杂转子位置估算算法的依赖，同时不需要对磁极信息进行二次判断。所提方法实现简单易行，有助于提高电励磁电机零速初始转子位置估算的精确度，有助于实现不同电励磁电机转子初始位置的快速估算。
附图说明
[0033]
图1为本发明电励磁同步电机转子初始位置快速估算结构示意图。
[0034]
图2为本发明电励磁同步电机转子初始位置快速估算方波电压注入示意图。
[0035]
图3本发明为电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法流程图。
[0036]
图4为本发明实施例某电励磁同步电机转子在不同位置时的初始位置快速估算结果图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0038]
为了克服现有技术的不足，结合电励磁同步电机转子初始位置估算过程中方法简单可靠、计算量小以及磁极一次性辨识到位的需求，本发明提供一种实现操作方便灵活、应用范围广的电励磁电机转子初始位置估算方法，估算精度高，无需对转子磁极进行二次辨识。
[0039]
一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法，包括如下步骤：
[0040]
步骤1：构建电励磁同步电机转子初始位置快速估算结构，包括电励磁电机和二极管组，所述二极管组由一个或多个二极管串联或并联组成，且二极管组的负极k和正极a分别与转子励磁绕组的正端e+和负端e-相连；
[0041]
步骤2：在静止坐标系下，不加励磁电流，从任意起始位置θ0开始，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值相同、脉宽相同的方波电压，其中n为选择注入的点数；
[0042]
具体为：在三级式同步起动/发电机静止时，选取初始注入位置θ0＝0，取n＝128,间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压，每两个电角度注入方波电压的时间间隔t＞＞τ，其中τ为电机的电流响应时间常数，以保证响应电流在下个电角度注入电压时下降到0；
[0043][0044]
在每个方波电压注入结束后，立即对响应电流进行采样，并将响应电流通过坐标变换至与注入方波电压相同的电角度方向，分别记为i
d0
、i
d1
、i
d2
、...i
d127
，并将其存入数组id[128]；
[0045][0046]
其中i
a_n
、i
b_n
、i
c_n
分别为第n个角度方向注入电压生的定子三相电流，i
α_n
、i
β_n
为变换到两相αβ静止坐标系下的电流；
[0047]
步骤2：忽略二极管导通压降，则励磁绕组反并联二极管在注入一周方波电压时，会有半周导通，半周截止；设二极管半周截止时，d轴等效电感为l
d1
,半周导通时，d轴等效电感为l
d2
，则对于电励磁电机，有：
[0048][0049]
其中ld、lq分别为电机dq轴设计电感值，m
af
为转子励磁绕组与定子相绕组互感最大值，l
fd
为转子励磁绕组自感；
[0050]
(1)当电励磁电机的电感有如下关系：
[0051]
[0052]
对步骤1中得到的数组id[n]进行排序，得到最大值为id[k],k∈{0,1,2...，127}，则id[k]为d轴负向所在位置时的电流响应，因而d轴正向位置，即转子初始位置为：
[0053][0054]
(2)当电励磁电机的电感满足关系或时：
[0055]
对步骤1中得到的数组id[128]进行排序，得到最小值为id[k],k∈{0,1,2...，127}，则id[k]为d轴正向位置时的电流响应，即转子初始位置为：
[0056]
θ
0_r
＝k*
△
θ0≤k《n
[0057]
步骤1中，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压，还包括间隔固定电角度顺时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压。
[0058]
注入电压的幅值u1、脉宽t1、每两个电角度注入方波电压的时间间隔t、注入选择点数n的大小根据实际电机需求可做调整。
[0059]
所述电励磁同步电机还包括航空三级式电励磁无刷同步电机。所述电励磁电机为航空三级式电励磁无刷同步电机时，是向主发电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压。
[0060]
具体实施例：
[0061]
实施例中所用电励磁同步电机电感满足关系电励磁同步电机在零速静止状态下为加载状态，且在注入一周方波电压时，电机转子不会转动。实施例包含的具体步骤如下：
[0062]
1：在静止坐标系下，不加励磁电流，从任意起始位置θ0开始，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值相同、脉宽相同的方波电压，其中n为选择注入的点数，n越大，估算精度越高。依据相应方波电压的响应电流信号幅值对零速静止状态下的转子初始位置θ
0_r
进行估算。具体为：
[0063]
1.1在三级式同步起动/发电机静止时，母线电压为u
dc
＝70v，选取初始注入位置θ0＝0，取n＝128,间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值u1＝35，脉宽t1＝200μs的方波电压，每两个电角度方向上注入方波电压的时间间隔t＝14ms，以保证响应电流在下个电角度注入电压时下降到0。
[0064]
根据坐标变换公式
[0065][0066]
在每个方波电压下降沿时刻，通过传感器采集定子三相电流，记为i
a_n
、i
b_n
、i
c_n
。计算与方波电压在相同方向上的响应电流，分别记为i
d0
、i
d1
、i
d2
、...i
d127
，并将其存入数组id[128]。
[0067]
1.2对数组id[128]中的最大值进行查，假设为i
max
＝id[k]。
[0068]
2：i
max
为d轴负向所在位置时的电流响应，因而d轴正向位置，即转子初始位置为：
[0069][0070]
本发明步骤1中，n也可选取为其他值，n越大，理论上估算精度越高，估算时间相应加长。
[0071]
本发明步骤1中，也可顺时针向定子绕组注入一周方波电压，其他信号处理过程与逆时针方向注入时相类似。
[0072]
本发明采用航空航空三级式电励磁无刷同步电机时，是向主发电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压。
[0073]
本发明采用电励磁电机的电感若满足关系或时，对步骤1中得到的数组id[128]进行排序，得到最小值为id[k],k∈{0,1,2...，127}，则id[k]为d轴正向位置时的电流响应，即转子初始位置为：
[0074]
θ
0_r
＝k*
△
θ
ꢀꢀ
0≤k《n。

技术特征：

1.一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：构建电励磁同步电机转子初始位置快速估算结构，包括电励磁电机和二极管组，所述二极管组由一个或多个二极管串联或并联组成，且二极管组的负极k和正极a分别与转子励磁绕组的正端e+和负端e-相连；步骤2：在静止坐标系下，不加励磁电流，从任意起始位置θ0开始，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值相同、脉宽相同的方波电压，其中n为选择注入的点数；具体为：在三级式同步起动/发电机静止时，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压，每两个电角度注入方波电压的时间间隔t＞＞τ，其中τ为电机的电流响应时间常数，以保证响应电流在下个电角度注入电压时下降到0；式中，u表示注入的方波电压，t
on
表示注入方波电压的脉宽；在每个方波电压注入结束后，立即对响应电流进行采样，并将响应电流通过坐标变换至与注入方波电压相同的电角度方向，分别记为i
d0
、i
d1
、i
d2
、...i
d(n-1)
，并将其存入数组i
d
[n]；其中i
a_n
、i
b_n
、i
c_n
分别为第n个角度方向注入电压生的定子三相电流，i
α_n
、i
β_n
为变换到两相αβ静止坐标系下的电流，i
dn
表示电流响应幅值；步骤2：忽略二极管导通压降，则励磁绕组反并联二极管在注入一周方波电压时，会有半周导通，半周截止；设二极管半周截止时，d轴等效电感为l
d1
,半周导通时，d轴等效电感为l
d2
，则对于电励磁电机，有：其中l
d
为电机d轴设计电感值，m
af
为转子励磁绕组与定子相绕组互感最大值，l
fd
为转子励磁绕组自感；(1)当电励磁电机的电感有如下关系：
其中l
q
为电机q轴设计电感值；对步骤1中得到的数组i
d
[n]进行排序，得到最大值为i
d
[k],k∈{0,1,2...，n-1}，则i
d
[k]为d轴负向位置时的电流响应，因而d轴正向位置，即转子初始位置为：(2)当电励磁电机的电感满足关系或时：对步骤1中得到的数组i
d
[n]进行排序，得到最小值为i
d
[k],k∈{0,1,2...，n-1}，则i
d
[k]为d轴正向位置时的电流响应，即转子初始位置为：θ
0_r
＝k*
△
θ
ꢀꢀ
0≤k<n。2.根据权利要求1所述的一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法，其特征在于，所述步骤1中，间隔固定电角度逆时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压时，还间隔固定电角度顺时针向电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压。3.根据权利要求1所述的一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法，其特征在于，所述n＝128。4.根据权利要求1所述的一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法，其特征在于，所述电励磁同步电机还包括航空三级式电励磁无刷同步电机。5.根据权利要求1所述的一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法，其特征在于，所述电励磁电机为航空三级式电励磁无刷同步电机时，是向主发电机定子绕组注入一周幅值为u1，脉宽为t1的方波电压。

技术总结

本发明公开了一种电励磁同步电机转子初始位置快速估算方法，通过在电励磁电机转子励磁绕组反并联二极管，运行前不加励磁电流，在α/β两相或abc三相静止坐标系下，向定子绕组注入一周方波电压信号，并在每个方波电压信号注入结束时采集定子绕组电流，将其变换到与注入方波电压信号相同方向后存入数组，并根据数组对应电流最大或最小值进行转子d轴负向或正向所在位置进行估算。该方法简单可靠，可以有效减小数据运算量，估算精度较高，且根据响应电流幅值可以直接完成转子初始位置估算，不需要对转子磁极进行二次辨识。要对转子磁极进行二次辨识。要对转子磁极进行二次辨识。