一种带转速起动过程三级式电机转子位置估算方法与流程

本发明属于航空起动发电一体化系统起动控制，涉及一种带转速起动过程三级式电机转子位置估算方法。具体而言，是利用主发电机与永磁机反电势实现带转速起动过程中三级式电机转子位置在线估算的方法，该方法通过施加励磁电压使主发电机产生反电势，并利用反电势法完成主发电机转子位置估算，同时利用反电势法完成永磁机转子位置估算，通过永磁机与主发电机极对数对应关系，间接获取三级式电机转子估算位置。

背景技术：

1、三级式电机由三个电机级联组成，主要包括主发电机、励磁机、永磁机、旋转整流器，旋转整流器与各电机转子同轴安装，其结构示意图如图1所示。该电机与起动控制器配合，实现发动机起动。在起动发动机过程中，起动控制器通过对励磁机励磁电压和主发电机定子电压的控制完成电机升速起动，永磁机不参与起动过程。由于三级式电机中主发电机是主要力矩输出的电机，故主发电机转子位置即是三级式电机转子位置。

2、转子位置是同步电机起动控制过程中关键信号之一，为获取三级式电机转子位置，传统做法是在电机转轴上安装旋转变压器，同时在起动控制器中添加配套解码电路。实际工程应用中，三级式电机与起动控制器距离较远，且三级式电机工作环境复杂，位置信号传输过程极易受到干扰，系统可靠性较差。为此相关学者开展转子位置估算技术研究，通过电机电气参数完成位置估算。

3、转子位置估算方法可分为两类，适用于零低速段的高频注入法和适用于中高速段的反电势法。在整个起动过程中，首先通过高频注入法完成零低速段转子位置估算，当电机上升到一定转速后，同时进行反电势法估算转子位置，通过加权平均法完成估算方法过渡，随后停止高频信号注入，由反电势法完成后续转子位置估算。

4、反电势法通常是利用电机定子电流及电感参数完成转子位置估算，若电机中无电流信号，则难以完成转子位置估算。在三级式电机起动发动机过程中，存在带转起动工况，即发动机冷运完成后停车，三级式电机停止功率输出，在发动机惯量特性及摩擦力的综合作用下转速缓慢下降，由于转动惯量较大，需要较长时间才能达到静止状态。为满足发动机快速起动需求，需要在转速未降到零前进行再次起动。由于此时主发电机中无电流信号，现有方法无法完成转子位置估算，及无法完成发动机起动。专利cn202111160755.4所提方法需要使用与电机同轴安装的旋转变压器完成转子位置估算校正，无法实现无旋转变压器工况下的带转速起动控制。专利cn202110757494.8所提方法需要额外增加一套三相全桥功率电路完成对永磁机的控制，通过永磁机电气信号完成永磁机低速段转子位置估算，且该方法未提及带转速起动转子位置估算解决方法。

5、永磁机与主发电机同轴连接，且在起动过程中不接负载，在发动机缓慢降速的过程中，其定子绕组具有一定的反电势，可以用来完成转子位置估算，利用永磁机与主电机极对数对应关系，可以得到同周期变化的转子位置信号。但永磁机与主发电机安装过程存在机械误差，利用永磁机估算转子位置变换得到的主发估算转子位置无法直接用于主发电机起动控制过程。

6、在电机降速过程中，若给励磁机施加一定的励磁电压，主发电机定子端可以检测到三相反电势，利用反电势法即可获取主发电机估算位置。此时将永磁机端转换得到的主发电机估算转子位置进行校正，即可得到用于起动控制的主发电机转子位置，进而实现三级式电机带转工况下无位置起动控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对三级式电机带转起动过程中主发电机转子位置估算困难的问题，本发明提出一种带转速起动过程三级式电机转子位置估算方法，利用主发电机与永磁机反电势实现带转速起动过程中三级式电机转子位置在线估算。该方法通过施加励磁电压使主发电机产生反电势，并利用反电势法完成主发电机转子位置估算，同时利用反电势法完成永磁机转子位置估算，通过永磁机与主发电机极对数对应关系，间接获取主发电机转子估算位置。

2、本发明技术方案如下：

3、一种带转速起动过程三级式电机转子位置估算方法，包括以下步骤：

4、步骤一：控制三级式电机启动，当电机达到转速一时，终止启动，电机转速缓慢下降；

5、步骤二：在电机降速过程中，采集永磁机三相反电势，根据永磁机反电势及永磁机与主发电机极对数对应关系，计算主发电机估算转子位置一

6、步骤三：获取机械安装误差δθmm；

7、步骤四：根据机械安装误差δθmm对主发电机估算转子位置一进行校正得到主发电机估算转子位置三

8、步骤五：计算主发电机估算转速值，根据主发电机估算转速值对三级式电机进行起动控制。

9、进一步，所述步骤一中，具体过程如下：给定起动指令，起动控制器对励磁机施加恒频交流电，并采用转速电流双闭环的矢量控制方式起动三级式电机，当电机达到转速一时，给定终止起动指令，控制器停止功率输出，电机在负载惯量和摩擦力作用下缓慢降速；其中，控制过程中的主发电机转子位置由传统“高频注入法+反电势法”相结合的方式获取。

10、进一步，所述步骤二中，计算主发电机估算转子位置一具体步骤如下：

11、步骤2.1：采集永磁机三相反电势，记为epma、epmb、epmc，对永磁机三相反电势进行clark变换，得到等效两相反电势，记为epmα、epmβ；

12、步骤2.2：利用如下公式对永磁机等效两相反电势进行归一化处理：

13、

14、其中，取为归一化的永磁机等效两相反电势；

15、步骤2.3：利用如下公式获取用于估算永磁机转子位置的中间变量：

16、

17、其中，表示当前时刻永磁机估算位置，i为自然数；

18、步骤2.4：利用锁相环对步骤2.3中的中间变量进行闭环调节处理，得到下一时刻永磁机估算转子位置通过循环计算，持续获取永磁机估算转子位置

19、步骤2.5：利用主发电机与永磁机极对数对应关系，对步骤2.4得到的永磁机转子位置进行变换得到主发电机估算转子位置一变换公式如下：

20、

21、其中，pmm为主发电机极对数，ppm为永磁机极对数。

22、进一步，所述步骤三中，机械安装误差δθmm获取方式如下：

23、步骤3.1：起动控制器对励磁机定子施加小幅值直流励磁电压，所述小幅值直流励磁电压经励磁机转子及旋转整流器后在主发电机转子上产生励磁磁场，由于主发电机在缓慢减速，所述主发转子励磁磁场会切割主发定子绕组产生三相反电势；

24、步骤3.2：采集主发电机三相反电势emma、emmb、emmc，对主发电机三相反电势进行clark变换，得到等效两相反电势emmα、emmβ；

25、步骤3.3：利用如下公式对主发电机等效两相反电势进行归一化处理：

26、

27、其中，e′mmα、e′mmβ为归一化的主发电机等效两相反电势；

28、步骤3.4：利用如下公式获取用于估算主发电机转子位置二的中间变量：

29、

30、其中，表示当前时刻由主发电机反电势估算到的主发电机转子位置二；

31、步骤3.5：利用锁相环对步骤3.3中的中间变量进行闭环调节处理，得到下一时刻主发电机估算转子位置二和中间变量θmmtemp(j+1)，通过循环计算，持续获取主发电机估算转子位置二

32、步骤3.6：对和作差，得到连续保存100个采样值，求其平均值，将所述平均值作为机械安装误差值δθmm并保存。

33、进一步，所述步骤四中，主发电机估算转子位置三计算公式如下：

34、

35、进一步，所述步骤四中还包括：停止对励磁机定子施加小幅值直流励磁电压，使主发电机估算转子位置二失效。

36、进一步，所述步骤五中，对主发电机估算转子位置三进行微分处理，得到主发电机估算转速值

37、进一步，所述步骤五中，根据主发电机估算转速值对三级式电机进行起动控制具体过程如下：

38、步骤5.1，当主发电机估算转速值在5％～30％额定转速区间且收到起动指令时，采用转速电流双闭环的矢量控制方式完成三级式电机带转启动，将主发电机估算转子位置三作为控制过程中所需主发电机转子位置；

39、步骤5.2，当主发电机估算转速值小于5％额定转速且收到起动指令时，判定指令无效，待电机完全静止后，返回步骤一；

40、步骤5.3，当主发电机估算转速值大于30％额定转速且收到起动指令时，等待电机继续降速至30％额定转速以下，返回步骤5.1。

41、进一步，所述步骤一中，转速一为10％～50～额定转速。

42、进一步，所述步骤三中，小幅值直流励磁电压为额定励磁电压的3％～10％。

43、本发明的有益效果：

44、本发明提出一种带转速起动过程三级式电机转子位置估算方法，利用主发电机与永磁机反电势实现带转速起动过程中三级式电机转子位置在线估算。该方法通过施加励磁电压使在负载惯量作用下缓慢减速的主发电机产生反电势，并利用反电势法完成主发电机转子位置估算，同时利用反电势法完成永磁机转子位置估算，通过永磁机与主发电机极对数对应关系，间接获取三级式电机转子估算位置。所提方法解决了三级式电机带转速工况下转子位置估算问题，算法鲁棒性强，易于工程化应用。