三級式同步電機的轉子初始位置檢測方法

劉衛國 祝宇杰 彭紀昌 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/發電一體化是未來航空電源系統的一個重要發展趨勢。三級式同步電機具有功率密度高、可靠性高、維護簡單等諸多優勢，目前在航空大功率交流電源系統中得到了廣泛應用。如果能利用發電機的電動狀態來起動航空發動機，則可以省去專用的起動機，減輕機載重量，這對于多/全電飛機的發展具有重大意義[1-4]。能夠精確地檢測出轉子的初始位置是實現三級式同步電機高性能閉環起動控制的前提，不準確的轉子初始位置將影響電機的起動輸出轉矩，使得起動性能下降而導致起動失敗，甚至出現反轉而損壞航空發動機。因此，三級式同步電機的起動控制對轉子初始位置的檢測精確度要求很高。由于三級式同步電機在起動過程中以航空發動機為負載，負載轉矩很大且不允許反轉，所以通過使電機轉動進行轉子初始位置檢測的直流定位方法不再適用。因此，需要在三級式同步電機保持靜止的情況下檢測轉子的初始位置。近年來，眾多國內外學者對同步電機的轉子初始位置檢測算法進行了研究，取得了一定的成果。現階段同步電機轉子初始位置檢測方法可以分為以下兩類。

一類是基于電機凸極特性的轉子初始位置檢測方法。通過給電機注入旋轉高頻電壓、脈振高頻電壓或高頻方波電壓，然后從高頻響應電流中提取轉子位置信息。由于轉子凸極具有對稱性，因此還需要結合永磁體的磁極方向來獲取正確的轉子位置。使用不同的電壓注入方式通過解析電流響應信號都能夠準確檢測出永磁同步電機的轉子初始角度。然而在主電機勵磁過程中，主電機勵磁電流波動較大[5]，當主勵磁機采用兩相交流勵磁時，主電機轉子勵磁繞組的磁鏈沒有永磁同步電機轉子的永磁磁鏈穩定。所以，此類方法應用于三級式同步電機時，會有較大的檢測誤差。

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

針對以上問題，提出了一種基于“主電機注入-主勵磁機檢測”的轉子初始位置檢測方法。該方法將主電機與主勵磁機看做旋轉變壓器，充分利用了定轉子之間的互感與轉子位置之間的關系。在主電機定子中注入旋轉高頻電壓信號，檢測主勵磁機定子電流并進行濾波、坐標變換與鎖相環跟蹤等處理，即可獲得轉子初始位置。實驗結果證明了理論分析的正確性。

1 轉子初始位置檢測原理

1.1 主電機轉子繞組的感應電壓

采用兩相交流勵磁方式的三級式同步電機結構如圖1所示，它由副勵磁機、主勵磁機與主電機組成。

從圖14中可以看出，施加旋轉高頻電壓之后，檢測得到的轉子位置迅速向真實位置收斂。本方法的估算速度快，轉子初始位置估算誤差穩定在2°電角度之內，可以滿足三級式同步電機起動時對轉子位置的精確度要求。

4 結 論

針對三級式同步電機多級組合的結構特點，提出了一種基于“主電機注入—主勵磁機檢測”的三級式同步電機轉子初始位置檢測的新方法。檢測過程中轉子保持靜止，向主電機定子注入旋轉高頻電壓，從主勵磁機定子的電流響應中可提取出轉子初始位置信息。本方法簡單實用，不需要知道電機的準確參數，不需要額外的硬件，并且檢測時間短，辨識精確度高。實驗結果表明，該方法的轉子初始位置檢測誤差小于2°電角度，能夠滿足三級式同步電機的平穩起動要求，且易于實現，適合工程實際應用。

參 考 文 獻：

[1] 沈頌華. 航空航天器供電系統[M]. 北京航空航天大學出版社，2005：11.

[2] EMADI A， EHSANI M. Aircraft power systems：technology， state of the art，and future trends[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 2000， 15（1）： 28.

[3] WEIMER J A. The role of electric machines and drives in the more electric aircraft[C]//IEEE International Electric Machines and Drives Conference. Madison， WI， USA： IEEE， 2003： 11.

[4] ELBULUK M E， KANKAM M D. Potential startergenerator technologies for future aerospace applications[J]. IEEE Aerospace and Electrical System Magazine， 1996， 11（10）： 17.

[5] 王瑾，嚴仰光.旋轉整流器式無刷交、直流發電機諧波電樞反應研究[J].南京航空航天大學學報，2000，32（3）：257.

WANG Jin， YAN Yangguang. Study on harmonic armature reaction of brushless AC & DC generator[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautic， 2000， 32（3）：257.

[6] 南京航空航天大學.三級式無刷交流同步電機的轉子初始位置估計方法：中國，201210324404.7[P].2012-09-05.

[7] 錢東祥，魏佳丹，周波，等.無刷勵磁同步電機無位置傳感器起動控制[J].中國電機工程學報，2015，35（2）：477.

QIAN Dongxiang， WEI Jiadan， ZHOU Bo， et al. Sensorless control of brushless synchronous machinesin the starting mode[J]. Proceedings of the CSEE，2015， 35（2）：477.

[8] JIAO N， LIU W， MENG T， et al. Design and control of a two-phase brushless exciter for aircraft woundrotor synchronous starter/generator in the starting mode[J]. Power Electronics IEEE Transactions on， 2016， 31（6）：4452.

[9] JIAO N， LIU W， MENG T， et al. Detailed excitation control methods for two-phase brushless exciter of the woundrotor synchronous starter/generator in the starting mode[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2017， 53（1）：115.

[10] 王磊，鄧先明，王瑞鮮.同步電機位置及速度的無傳感器檢測[J]. 電機與控制學報，2012，16（5） ：57.

WANG Lei， DENG Xianming， WANG Ruixian. Rotor position and speed detection of synchronous motor without mechanical sensor[J]. Electric Machines and Control， 2012， 16（5）： 57.

[11] 李基成. 現代同步發電機整流器勵磁系統[M]. 水利電力出版社， 1987.：69.

[12] GRIFFO A， WROBEL R， MELLOR P H， et al.Design and characterization of a three-phase brushless exciter for aircraft starter/generator[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2013， 49（5）：2106.

（編輯：賈志超）