[发明专利]三级式无刷交流同步电机的转子初始位置估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三级式无刷交流同步电机，特别涉及该电机的转子初始位置估计方法。

背景技术

飞机起动/发电系统的高速化、集成化、高可靠性和高功率密度是现代飞机电源系统的发展趋势。起动/发电系统使发电机与起动机实现了统一，从而革除了传统的起动机，有效简化了发动机附件，减轻了重量，提高了机动性和可靠性。

变频交流电源系统是民用飞机领域的研发重点和热点。新型变频交流电源系统多采用三级式无刷交流同步电机，该电机包括主电机、交流励磁机和永磁副励磁机，借助旋转整流器实现了整个电机的无刷化。三级式无刷交流同步电机作为电动机运行时，向交流励磁机的励磁绕组中通入单相交流电，交流励磁机的转子三相绕组中产生变化的感应电势，经过旋转整流器整流后为主电机提供励磁，同时主电机的定子三相绕组中通入三相交流电，两者产生的磁势相互作用可使机组起动；作为发电机运行时，永磁发电机输出三相交流电，经外接整流器整流后为交流励磁机提供直流励磁，根据机组转速的变化，主电机将输出不同频率的三相交流电。

三级式无刷交流同步电机在航空电源系统中的发电控制技术已非常成熟，近年来国内外学者针对三级式无刷交流起动/发电机的起动控制技术展开了研究。为了实现三级式无刷交流同步电机的起动控制，通常采用光电式和霍尔式位置传感器获取转子位置信息。然而，在航空应用中，恶劣的环境（如高温、低温、化学制品和震动）易引起位置传感器连接器、电缆或传感器零件等器件的故障，降低了转子位置信息的精度以及系统的机械鲁棒性；此外，电机体积的严格要求限制了传感器的安装空间，并且位置传感器的信号传输易引入干扰。为解决这些问题，三级式无刷交流同步电机的无位置传感器控制技术应运而生。三级式无刷交流同步电机采用矢量控制实现无位置传感器起动时，转子初始位置检测直接影响电机能否顺利起动，因此，三级式无刷交流同步电机的初始位置估计方法是无位置传感器起动控制技术的关键。

常规的电励磁同步电机初始位置估计方法主要包括：1)定子侧不通电，转子侧投入直流励磁，在转子电流从零增大到稳态值过程中检测定子绕组中感应电压，计算磁通的幅值和相位，获取转子磁极位置；2)在静止转子绕组中通入交流电流或直流脉动电流方法，检测定子三相短路绕组中产生的感应电流及转子电流，构造出一种初始转子位置估计器。然而，三级式无刷交流同步电机处于静止状态时，交流励磁机若采用恒定的直流励磁，交流励磁机的转子三相绕组中无法产生感应电势，主电机无法获得励磁电流，故主电机定子三相绕组中亦不能产生感应电势；交流励磁机若采用单相交流励磁，则主电机电枢绕组的感应电势是带有缺口的馒头波，并且主电机的转子励磁电流不可直接测取。综上，三级式无刷交流同步电机不能直接沿用常规的电励磁同步电机的转子初始位置估计方法。目前，国内外对三级式无刷交流同步电机的初始位置估计技术的研究甚少，文献[1]～[3]提出了基于扩展卡尔曼滤波器的三级式无刷交流同步电机的无传感器控制策略，低速时采用信号注入法预估电机转子位置信息，中高速时采用扩展卡尔曼滤波器预估电机的转子位置信息，但未提及电机静止时转子初始位置估计方法；专利[4]中亦提出了一种新型的三级式无刷交流同步电机的无位置传感器的控制方法，静止及低速时采用旋转高频信号注入法，中、高速时采用电压模式的位置估计方法，但是低速时存在N、S极判断的问题，而该专利中并未阐述N、S极的判断方法。

其中提到的参考文献分别是：

[1]L.Idkhajine,E.Monmasson,A.Maalouf.FPGA-based Sensorless controller for Synchronous Machine using an Extended Kalman Filter[C].EPE'09 13th European Conference on,2009.

[2]A.Maalouf，L.Idkhajine,S.Le Ballois,E.Monmasson.Field programmable gate array-based sensorless control of a brushless synchronous starter generator for aircraft application[J].Electric Power Applications,IET.2011(5):181~192.