一种基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法

1.本发明属于同步电机转子位置估算技术领域，涉及一种基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，具体涉及一种利用励磁机定子电流平方和，无高频信号注入的多级式无刷同步电机全速段的转子位置估算方法。


背景技术：

2.多级式无刷同步电机具有发电品质好且可靠性高的优势，因此其作为发电机已在航空飞机电源系统中得到了广泛的应用。多级式无刷同步电机的起动发电一体化则是使多级式无刷同步电机首先工作在电动状态以带动航空发动机起动，起动完成后再由发动机带动并运行在发电状态为机载设备供电。多级式无刷同步电机起动发电一体化的实现能够省去发动机专用起动机，减小系统体积重量，提升集成度，对航空飞机电源系统的发展具有重要意义。
3.多级式无刷同步电机一般由同轴安装的永磁副励磁机、励磁机、旋转整流器和主电机组成，即常见的三级是无刷同步电机，其结构示意图如图1所示。在某些应用场景中也存在省去永磁副励磁机的情况，构成两级式无刷同步电机。两者核心部件与运行原理基本相同，可统称为多级式无刷同步电机。
4.多级式无刷同步电机在起动阶段需要准确的转子位置信息以带动航空发动机，在发电阶段同样需要位置信息以提高功率因数。多级式无刷同步电机转子位置在线估算能够克服传统的机械式位置传感器可靠性低，系统体积重量增加等问题，提升系统可靠性，减少系统体积重量。
5.传统的针对多级式无刷同步电机低速段的转子位置估算方法多基于主电机的凸极性，当多级式无刷同步电机工作在电动状态时，主电机凸极性会发生变化，导致传统方法失效。而不依赖主电机凸极性的方法大多存在计算量较大的问题。当多级式无刷同步电机工作在发电状态时，多基于主电机反电势估算转子位置，但是该类方法在低速段无法应用。
6.综上所述，目前尚没有一种能够同时满足多级式无刷同步电机在起动和发电阶段转子位置估算需求的方法。


技术实现要素：

7.要解决的技术问题
8.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，克服现有技术中依赖电机凸极性、高频注入方法复杂且计算量高、估算方法无法在全速段应用等问题。本发明方法，不依赖电机凸极性、计算量小，且能在全速段工作。
9.技术方案
10.一种基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，其特征在于步骤如下：
11.计算励磁机定子电流平方和i
es2
：
[0012][0013]
其中：i
ea
,i
eb
为励磁机a,b两相定子电流；
[0014]
对励磁机a,b两相定子电流连续采样，并计算定子电流平方和，获取励磁机定子电流平方和的极小值；
[0015]
计算得出当前励磁机的转子基频fr：
[0016][0017]
其中：t1,t2为相邻两个励磁机定子电流平方和极小值对应的时间；
[0018]
获取励磁机转速与主电机转子位置：
[0019]
首先利用转子基频与励磁机励磁频率fe计算得到励磁机转速ne：
[0020][0021]
其中励磁机极对数为n，励磁机励磁磁场旋转方向与电机旋转磁场相反；
[0022]
将主电机转速与主电机极对数相乘后进行积分，得到的结果以2π求余，再结合主电机转子位置初始值θ
m0
即得到主电机转子位置θm，即为多级式无刷同步电机转子位置。
[0023]
所述励磁机a,b两相定子电流i
ea
,i
eb
利用电流传感器采集获得。
[0024]
所述多级式无刷同步电机转子位置是指多级式无刷同步电机中主电机的转子位置。
[0025]
所述多级式无刷同步电机包括同轴安装的三相励磁机、旋转整流器和主电机。
[0026]
一种所述基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法的应用，其特征在于：应用于获取多级式无刷同步电机的全速段转子位置。
[0027]
有益效果
[0028]
本发明提出的一种基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，获取励磁机定子电流平方和励磁机励磁频率。通过励磁机定子电流平方和的相邻两个极小值之间的关系，可以求取励磁机转子基频，从而计算出电机转速。利用获取的电机转速，结合主电机初始位置，即可估算出多级式无刷同步电机的转子位置。本发明所提方法无需高频信号注入，不受主电机凸极性影响，估算精度较高且能够在全速段应用，且信号提取及位置估算方法简单，对处理器性能要求较低。
附图说明
[0029]
图1为多级式起动发电系统结构示意图；
[0030]
图2为多级式无刷同步电机全速段转子位置估算方法流程图；
[0031]
图3为励磁机定子电流平方和波形；
[0032]
图4为主电机转子位置估算值、实际值；
[0033]
图5为估算误差
具体实施方式
[0034]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0035]
实施例中多级式无刷同步电机的励磁机为三相励磁机。励磁机为6对极，主电机为3对极。下面以电机运行在起动状态，转速为200r/min的情况为例进行详细说明。
[0036]
1：获取励磁机定子电流平方和。
[0037]
(1.1)利用电流传感器采集励磁机a,b两相定子电流，记为i
ea
,i
eb
，c相电流利用下式计算得到。
[0038]iec
＝-i
ea-i
eb
[0039]
(1.2)计算励磁机定子电流平方和i
es2
，如下式所示。
[0040][0041]
所获取的励磁机定子电流平方和如图3所示。图中能够看出励磁机定子电流平方一个周期内存在一个极小值，且周期稳定，方便提取，能够用于计算励磁机转子基频。
[0042]
2：获取励磁机转子基频
[0043]
(2.1)对励磁机a,b两相定子电流连续采样，连续计算励磁机定子电流平方和，获取励磁机定子电流平方和的极小值。
[0044]
(2.2)获取相邻两个励磁机定子电流平方和极小值对应的时间t1,t2。
[0045]
(2.3)利用(2.2)中得到的时间计算得出当前励磁机的转子基频fr，如下式所示。
[0046][0047]
本实施例中得到的转子基频为60hz。
[0048]
步骤3：获取励磁机转速与主电机转子位置
[0049]
3.1利用转子基频与励磁机励磁频率fe计算得到励磁机转速ne，如下式所示。
[0050][0051]
其中励磁机极对数为n，励磁机励磁磁场旋转方向与电机旋转方向相反。
[0052]
3.2由于励磁机与主电机同轴安装，因此主电机转速nm与励磁机转速相同，将主电机转速与主电机极对数相乘后进行积分，得到的结果以2π求余，再结合主电机转子位置初始值θ
m0
即可得到主电机转子位置θm，即为多级式无刷同步电机转子位置，结果如图4所示。图中可以看出估算结果能够实时跟踪实际位置，估算误差较小，证明了所提方法的实用性，能够满足多级式无刷同步电机起动与发电阶段的控制需求。

技术特征：
1.一种基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，其特征在于步骤如下：计算励磁机定子电流平方和i
es2
：其中：i
ea
,i
eb
为励磁机a,b两相定子电流；对励磁机a,b两相定子电流连续采样，并计算定子电流平方和，获取励磁机定子电流平方和的极小值；计算得出当前励磁机的转子基频f
r
：其中：t1,t2为相邻两个励磁机定子电流平方和极小值对应的时间；获取励磁机转速与主电机转子位置：首先利用转子基频与励磁机励磁频率f
e
计算得到励磁机转速n
e
：其中励磁机极对数为n，励磁机励磁磁场旋转方向与电机旋转磁场相反；将主电机转速与主电机极对数相乘后进行积分，得到的结果以2π求余，再结合主电机转子位置初始值θ
m0
即得到主电机转子位置θ
m
，即为多级式无刷同步电机转子位置。2.根据权利要求1所述基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，其特征在于：所述励磁机a,b两相定子电流i
ea
,i
eb
利用电流传感器采集获得。3.根据权利要求1所述基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，其特征在于：所述多级式无刷同步电机转子位置是指多级式无刷同步电机中主电机的转子位置。4.根据权利要求1所述基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，其特征在于：所述多级式无刷同步电机包括同轴安装的三相励磁机、旋转整流器和主电机。5.一种权利要求1～4任一项所述基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法的应用，其特征在于：应用于获取多级式无刷同步电机的全速段转子位置。

技术总结
本发明涉及一种基于定子电流的多级式电机全速段转子位置估算方法，获取励磁机定子电流平方和励磁机励磁频率。通过励磁机定子电流平方和的相邻两个极小值之间的关系，可以求取励磁机转子基频，从而计算出电机转速。利用获取的电机转速，结合主电机初始位置，即可估算出多级式无刷同步电机的转子位置。本发明所提方法无需高频信号注入，不受主电机凸极性影响，估算精度较高且能够在全速段应用，且信号提取及位置估算方法简单，对处理器性能要求较低。低。低。


技术研发人员：李欣昱 刘卫国 毛帅 马崇钊 涂文聪
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.06.24
技术公布日：2023/10/11