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基于励磁机定子直轴电流定点采样的航空多级式起动/发电机低速段转子位置估算方法

中国电机工程学报 2024年第15期44卷 6169-6180,I0028页

作者：张小科焦宁飞毛帅刘卫国高昕樊昱琨西北工业大学自动化学院陕西省西安市710072

航空多级式起动/发电机起动时,需要准确的主电机转子位置,而位置传感器受体积、重量等制约,需要开展转子位置估算研究。该文基于多级式电机结构特征,通过分析转子位置在主励磁机定子电流中的表征,提出一种基于两相励磁机定子直轴电流定... 详细信息

航空多级式起动/发电机起动时,需要准确的主电机转子位置,而位置传感器受体积、重量等制约,需要开展转子位置估算研究。该文基于多级式电机结构特征,通过分析转子位置在主励磁机定子电流中的表征,提出一种基于两相励磁机定子直轴电流定点采样的低速段转子位置估算方法。该方法在起动时分三步实施:首先,实时采集主励磁机定子两相电流,并变换到定子磁场同步旋转dq坐标系;其次,对直轴电流定点采样,提取包含转子位置信息的正余弦信号,通过锁相环获得主励磁机转子位置增量;然后,结合主电机与主励磁机同轴安装特征及主电机初始位置,获取主电机实时转子位置,并实现低速段无位置传感器起动。该方法无需高频信号注入和滤波器,不依赖主电机凸极性且锁相环鲁棒性强。最后,实验验证了所提方法的有效性和较高的估算精度。

关键词：航空多级式起动/发电机两相励磁机定点采样转子位置估算

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电感参数对IPMSM转子位置估算的影响

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电机与控制学报 2014年第7期18卷 60-64,71页

作者：于艳君柴凤高宏伟程树康哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院黑龙江哈尔滨150001

在低速和零速情况下,内置式永磁同步电机(IPMSM)的无位置传感器控制通常基于高频电压注入法,利用电机d、q轴电感的不同来实现。定子电流的变化会造成d、q轴电感的变化,进而影响电机转子位置的估算精度。研究了一种基于PWM高频载波信号... 详细信息

在低速和零速情况下,内置式永磁同步电机(IPMSM)的无位置传感器控制通常基于高频电压注入法,利用电机d、q轴电感的不同来实现。定子电流的变化会造成d、q轴电感的变化,进而影响电机转子位置的估算精度。研究了一种基于PWM高频载波信号的转子位置估算方法,以10极/12槽IPMSM样机为例,分析了磁饱和及交叉耦合对电机电感参数及转子位置估算的影响,建立了考虑磁饱和及交叉耦合情况下的内置式永磁同步电机模型,并构建了系统的仿真模型和实验平台。仿真和实验结果证明了理论分析的正确性。

关键词：内置式永磁同步电机转子位置估算电感参数饱和凸极性交叉耦合凸极性

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多级式电励磁同步电机转子位置估算及起动控制方法研究

多级式电励磁同步电机转子位置估算及起动控制方法研究

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作者：孟涛西北工业大学

学位级别：博士

随着多/全电飞机对电源系统容量和密度需求的提高,一体化起动/发电系统受到的关注度越来越高。一体化起动/发电系统可以将起动/发电机运行在电动状态来起动航空发动机,起动完成后切换为发电状态为机载设备供电。该系统可以省去航空发动... 详细信息

随着多/全电飞机对电源系统容量和密度需求的提高,一体化起动/发电系统受到的关注度越来越高。一体化起动/发电系统可以将起动/发电机运行在电动状态来起动航空发动机,起动完成后切换为发电状态为机载设备供电。该系统可以省去航空发动机专用起动设备,减轻了航空发动机-电源系统的体积和重量。在众多种类的起动/发电机中,多级式电励磁同步电机因具有发电技术成熟、可靠性高、应用范围广等优点而被重点研究。获取准确的转子位置信号是多级式电励磁同步电机成功起动航空发动机的关键条件之一。机械位置传感系统可以提供准确的转子位置信息,但发动机起动过程中苛刻的电磁和空间环境,使传感系统可靠性受到考验。为此,开展无机械位置传感器情况下的转子位置估算技术研究对于航空一体化起动发电系统可靠性的提升具有重要意义。由于本文研究的多级式电励磁同步电机零低速段负载特性特殊,主电机参数变化明显,导致使用传统基于电机凸极特性的转子位置估算方法难以实现转子位置的准确估算。针对如何实现多级式电励磁同步电机转子位置(主电机转子位置)准确估算的问题,本文利用多级式电励磁同步电机多级结构特性,从励磁机侧入手,开展零低速段主电机转子位置估算技术研究。与此同时,针对现有基于转速全闭环的起动控制方法应用于带特定航空发动机力矩特性起动的多级式电励磁同步电机系统控制时存在转矩冲击的问题,开展多级式电励磁同步电机平滑起动控制方法的研究。首先,本文建立了由励磁机、旋转整流器及主电机励磁绕组组成的励磁系统等效电路,依据等效电路推导出励磁机转子电流表达式。利用傅里叶变换得到转子电流中各谐波成分的分布情况。根据电磁感应原理,推导出励磁机转子谐波磁场在励磁机定子绕组中感应出的谐波电流表达式,获取了励磁机定子电流完整表达式。其次,采用“主电机注入——励磁机检测”的方式,对运行在零低速段的多级式电励磁同步电机进行转子位置估算。提出了基于主电机定转子间互感的转子初始位置估算方法和低速段转子位置在线估算方法。分析了注入信号在多级式电励磁同步电机中的传递机理。根据励磁机定子电流谐波分析结果,确定了励磁机最佳励磁频率及主电机注入信号频率。通过向主电机定子两相静止坐标系下等效α 轴和β轴注入高频/低频电压信号,在励磁机定子电流提取转子位置正余弦信号的方式,利用反正切运算估算转子初始位置。在此基础上,向主电机定子绕组注入旋转高频电压信号,利用升降沿采样函数代替传统滤波器来提取励磁机定子绕组中高频响应电流信号,经过锁相环处理后实现了低速段转子位置在线估算。实验结果表明了所提转子初始位置估算方法和低速段转子位置估算方法估算精度较高,且不依赖于主电机凸极特性。然后,通过对励磁机转子谐波磁动势在定子绕组中感应谐波电流的深入分析,提出了一种基于励磁机定子谐波电流的低速段转子位置估算方法。分析了该特定频率谐波与励磁机转子位置间的关系,推导出其详细表达式。依据分析结果,确定了最佳励磁频率和采样步长。采用固定时刻采样函数提取谐波中励磁机转子位置信息,经锁相环处理后实现了励磁机转子位置的在线估算。利用主电机与励磁机极对数关系获取了主电机转子位置。所提方法适用于低速阶段且不需要高频信号注入,避免了传统估算方法中因高频信号注入带来高频振动、高频损耗等问题。实验结果表明了该方法不受主电机参数变化的影响,转子位置估算精度较高。最后,针对特定航空发动机力矩特性下多级式电励磁同步电机初始起动不平滑及由此引起的转子位置估算误差较大的问题,提出了一种基于电流/转速分时段闭环的起动控制方法。采用电流闭环转速开环的控制方式使电机由静止起动,检测到电机加速至某一较低转速后,切换为电流/转速双闭环控制完成后续起动过程。实验结果表明了该方法不存在初始起动转矩冲击,运行过程中转子位置估算精度较高。在实验平台上实现了特定航空发动机力矩特性下多级式电励磁同步电机无位置传感器平滑起动。

关键词：多级式电励磁同步电机变凸极率谐波分析高频信号注入转子位置估算平滑起动控制

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基于励磁系统的三级式无刷同步起动/发电机转子位置估算方法研究

基于励磁系统的三级式无刷同步起动/发电机转子位置估算方法研究

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作者：毛帅西北工业大学

学位级别：博士

航空起动/发电一体化系统是多电飞机的重要技术特征之一。三级式无刷同步电机(以下简称三级式电机)应用范围广、发电技术成熟,开展基于三级式电机的起动/发电一体化系统的研究对多电飞机技术的普及和促进具有重要作用。三级式电机起动... 详细信息

航空起动/发电一体化系统是多电飞机的重要技术特征之一。三级式无刷同步电机(以下简称三级式电机)应用范围广、发电技术成熟,开展基于三级式电机的起动/发电一体化系统的研究对多电飞机技术的普及和促进具有重要作用。三级式电机起动控制需要准确的主电机转子位置信息,而机械位置传感器会导致系统体积、重量、成本增加,可靠性下降。因此,主电机转子位置估算方法具有重要研究意义。传统的基于高频信号注入的转子位置估算方法依赖于电机确定的凸极性,主电机凸极性可变的特点使得传统方法存在失效的风险。同时,持续的高频信号注入会带来损耗、噪声和转矩波动,并造成主电机起动转矩下降。针对这些问题,提出了基于三级式电机无刷励磁系统的主电机转子位置估算方法。该方法主要利用无刷励磁系统的转子电流特征以及机械结构特征对主电机转子位置进行估算,摆脱了对主电机凸极性的依赖且不需要持续的高频信号注入。围绕该方法,主要开展了无刷励磁系统特征研究,主电机旋转角度估算方法研究,主电机转子初始位置估算方法研究,以及中高速区主电机转子位置估算方法研究。首先,利用三相桥式整流电路对两种常见换相模式下的四种无刷励磁系统转子电流的特征进行了解析分析。由于无刷励磁系统转子电流无法直接测量,所以对其估算方法进行了阐述。同时,对估算过程中的误差来源进行了讨论,着重对纯积分器以及励磁机参数引入误差的机理进行了分析,并研究了这些误差对无刷励磁系统转子电流估算结果的影响。其次,开展了主电机旋转角度估算方法研究。分析了励磁机转子位置估算误差与无刷励磁系统转子电流估算结果特征的对应关系。考虑无刷励磁系统转子电流估算误差对此对应关系影响的不同,提出了两类励磁机转子位置估算依据以及对应的励磁机旋转角度估算方法和无刷励磁系统转子电流估算误差处理方法。由无刷励磁系统的机械特征可知,主电机和励磁机具有相同的机械旋转角度。因此,两种励磁机旋转角度估算方法即为两种主电机旋转角度估算方法。对这两种方法进行了仿真验证,并进一步在搭建的三级式电机起动控制实验平台上进行了实验验证,表明了所提两种主电机旋转角度估算方法的有效性。同时,给出了两种方法的对比分析。然后,开展了主电机转子初始位置估算方法研究。根据信号传递方向的不同提出了两种主电机转子初始位置估算方法。方法一为主电机定子注入-转子检测的初始位置估算方法,其可行性基于主电机励磁电流可估算的特点。此法分两步进行:首先注入正弦信号对主电机转子初始位置进行预估,然后注入阶跃信号进行极性判断。方法二为主电机转子注入-定子检测的初始位置估算方法,利用励磁机上电时主电机逐渐上升的励磁电流作为注入信号,通过分析主电机定子绕组产生的感应电势来估算主电机转子初始位置。对两种主电机转子初始位置估算方法进行了仿真和实验验证,仿真和实验结果均表明了所提两种方法的有效性。同时,给出了两种方法的对比分析。通过将主电机转子初始位置估算方法和主电机旋转角度估算方法进行组合,实现了主电机在低速时的转子位置估算,并通过仿真和实验验证了其有效性。最后,开展了中高速区主电机转子位置估算方法研究。在对主电机参数估算数学模型及最小二乘法基本原理和特点分析的基础上,利用零低速区主电机转子位置的估算结果以及滑模观测器的强鲁棒性,提出了主电机参数估算算法在主电机转子位置估算算法中的解耦嵌入方案。同时,对参数估算算法本身的有效性进行了分析,提出了基于两个独立最小二乘估算器的主电机参数估算方法,避免了传统方法中最小二乘估算器之间的耦合问题。在此基础上,进一步分析了利用滑模观测器观测扩展反电势实现中高速区主电机转子位置估算的方法。对参数估算方法和中高速区主电机转子位置估算方法进行了仿真和实验验证,表明了所提方法的有效性。

关键词：航空起动/发电机三级式无刷同步电机无刷励磁系统转子位置估算参数估算

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同步调相机高速段转子位置估算算法研究

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电气传动 2020年第2期50卷 97-102页

作者：吴凯高桂革咸哲龙章辰翔上海电机学院电气学院上海201306 上海电气电站集团发电机厂上海201306

大型同步调相机在运行过程中,需要对转子位置进行快速高精度的检测。位置检测的精度、速度直接影响同步调相机运行的稳定性、效率等各项参数。针对传统锁相环磁链法在调相机高速段受低频谐波干扰大的问题,引入了二阶广义积分滤波器和模... 详细信息

大型同步调相机在运行过程中,需要对转子位置进行快速高精度的检测。位置检测的精度、速度直接影响同步调相机运行的稳定性、效率等各项参数。针对传统锁相环磁链法在调相机高速段受低频谐波干扰大的问题,引入了二阶广义积分滤波器和模糊控制对传统锁相环进行了改进,有效提高了位置检测对谐波的滤除能力和检测速度、精度。对于从低速位置传统锁相环检测模块切换到高速改进锁相环位置检测模块时误差较大的问题,设计柔性切换位置估算模块。最后,在Matlab软件中搭建相应的位置估算系统,通过对比仿真验证了所设计的位置估算方法的正确性。

关键词：同步调相机转子位置估算锁相环模糊PID

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基于线间反电动势的无刷直流电机转子位置估算

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电气传动 2008年第11期38卷 17-20页

作者：李自成程善美蔡凯华中科技大学控制科学与工程系湖北武汉430074

在对传统的反电动势过零法和转子磁链G函数法估算转子位置分析的基础上,提出了一种利用线间反电动势过零原理并构造F函数来对转子位置进行估算的全新方法,并用于无位置传感器无刷直流电机控制。对线间反电动势过零检测与转子位置信号之... 详细信息

在对传统的反电动势过零法和转子磁链G函数法估算转子位置分析的基础上,提出了一种利用线间反电动势过零原理并构造F函数来对转子位置进行估算的全新方法,并用于无位置传感器无刷直流电机控制。对线间反电动势过零检测与转子位置信号之间的对应关系进行了深入的分析,揭示了每一个线间反电动势的过零点即为对应的换相点。利用线间反电动势的倒数构造F函数来估算换相时刻。仿真结果表明,提出的转子位置估算方法计算简单方便,具有较高的精度,可以在全速范围内实现对转子位置的准确估算。

关键词：线间反电动势转子位置估算无位置传感器控制无刷直流电机

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考虑死区效应补偿的永磁同步电机转子位置估算方法研究

考虑死区效应补偿的永磁同步电机转子位置估算方法研究

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作者：马猛杰湖南大学

学位级别：硕士

永磁同步电机具有体积小、效率高、转矩密度高及调速性能优等优点,近年来被广泛应用于国防军工、电动汽车、家用电器等领域。在永磁同步电机的矢量控制中,需要安装机械式位置传感器来获得电机的实时转子位置信息,而机械式位置传感器的... 详细信息

永磁同步电机具有体积小、效率高、转矩密度高及调速性能优等优点,近年来被广泛应用于国防军工、电动汽车、家用电器等领域。在永磁同步电机的矢量控制中,需要安装机械式位置传感器来获得电机的实时转子位置信息,而机械式位置传感器的安装增加了系统的成本和体积,降低了系统可靠性,严重限制了永磁电机系统在特殊环境下的推广使用,因此基于转子位置估算的无位置传感器控制技术受到了广泛研究。在永磁同步电机中高速范围内,常采用基于扩展反电动势的模型法来估算转子位置。受逆变器死区效应的影响,电机定子电压电流中出现大量谐波分量,严重影响了基于模型法的转子位置估算精度,使得估算的转子位置中存在谐波误差,降低了系统控制性能。为提高转子位置估算精度,本文针对逆变器死区效应补偿方法进行了以下研究:首先,介绍了永磁同步电机的结构和分类,建立了理想条件下电机在三种坐标系中的数学模型,并对常用的矢量控制方法进行了分析,为位置估算方法奠定基础。其次,在阐述滑模控制理论的基础上,研究了基于滑模观测器的转子位置估算方法。为了削弱滑模系统中的抖振现象,采用sigmoid函数代替传统符号函数,并利用归一化正交锁相环来提取转子位置信息。仿真验证了滑模观测器能够有效的估算电机转子位置信息。再次,针对逆变器死区效应造成电机定子电流中出现6k±1次谐波,进而导致估算转子位置中出现6k次谐波的问题,提出了一种新型的基于谐波观测器的死区补偿方法,有效抑制了估算转子位置的谐波脉动。该方法通过二阶广义积分器构造6k±1次谐波电流补偿器,并将其与基波电流控制器并联,在不影响基波电流控制目标的前提下,实现了对定子电流中6k±1次谐波的有效抑制,进而抑制了估算转子位置中的6k次谐波。相比于基于谐波注入的传统死区补偿方法仅能抑制指定次谐波的缺点,所提出方法能够有效抑制估算转子位置中的6k次谐波,且无需复杂变换过程,计算量小。通过仿真验证了本文所提出的死区补偿方法对提高转子位置估算精度的有效性。最后,在1.5kW的永磁同步电机实验平台上进行了台架实验,包括稳态工况实验与加减速、加减载动态工况实验。实验结果表明本文所提出的基于谐波观测器的死区补偿方法能够有效补偿逆变器死区效应造成的转子位置估算误差,且较传统补偿方法具有更高的转子位置估算精度。

关键词：永磁同步电机转子位置估算死区效应补偿转子位置误差抑制二阶广义积分器

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基于增益控制的永磁同步电机低速转子位置估算方法

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微特电机 2024年第1期52卷 63-69页

作者：李文真许宇豪西安航空学院车辆工程学院西安710077 西安航空学院电子工程学院西安710077

当永磁同步电机工作在零低速域内时,受系统延迟时间的影响,采用高频脉振方波电压注入的传统差分解调法会出现系统失稳和动态性能下降的问题。提出了误差系数标幺下的增益控制策略。分析了不同延迟时间下传统差分解调法的开环增益变化趋... 详细信息

当永磁同步电机工作在零低速域内时,受系统延迟时间的影响,采用高频脉振方波电压注入的传统差分解调法会出现系统失稳和动态性能下降的问题。提出了误差系数标幺下的增益控制策略。分析了不同延迟时间下传统差分解调法的开环增益变化趋势,得出了延迟时间会影响增益幅值和符号的结论;通过求解延迟时间变化时的实际开环增益表达式,并用实际增益值对误差函数进行标幺,提升了系统的稳定性和收敛性。实验结果表明,该方法不仅提升了位置估算系统的稳定性,而且收敛速度快。

关键词：永磁同步电机增益控制方波注入转子位置估算

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大容量燃机发电机组高速段转子位置估算算法研究

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新一代信息技术 2019年第16期2卷 66-74页

作者：陈德志徐余法梁旭彪上海电机学院电气学院上海201306 上海电气电站集团发电机厂上海201306

大容量燃机发电机组在运行过程中,需要对转子位置进行快速高精度的检测。检测位置的精度、速度直接影响到大容量燃机发电机组运行的稳定性、效率等各项参数。针对传统锁相环磁链法在燃机高速段受低频谐波干扰大的问题,引入了二阶广义积... 详细信息

大容量燃机发电机组在运行过程中,需要对转子位置进行快速高精度的检测。检测位置的精度、速度直接影响到大容量燃机发电机组运行的稳定性、效率等各项参数。针对传统锁相环磁链法在燃机高速段受低频谐波干扰大的问题,引入了二阶广义积分滤波器以及模糊控制对传统锁相环进行了改进。有效提高了位置检测对谐波的滤除能力和检测速度、精度。对于从低速位置传统锁相环检测模块切换到高速改进锁相环位置检测模块时误差较大的问题,设计柔性切换位置估算模块。最后,在MATLAB软件中搭建相应的位置估算系统,通过对比仿真验证了所设计的位置估算方法的正确性。

关键词：大容量燃机转子位置估算锁相环模糊PID

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基于模糊推理规则的开关磁阻电机转子位置估算研究

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燕山大学学报 2006年第6期30卷 518-521页

作者：王向高颖苏春建河北科技大学信息科学与工程学院河北石家庄050054 河北科技大学材料科学与工程学院河北石家庄050054 燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004

由于电机间接转子位置角度估计方法中存在一定误差,采用一般的控制策略难以实现电机性能的良好控制。为了提高电机的转速控制精度和抑制转矩脉动,在分析开关磁阻电机的非线性数学模型的基础上,研究了模糊转子位置估算方法,提出了一种新... 详细信息

由于电机间接转子位置角度估计方法中存在一定误差,采用一般的控制策略难以实现电机性能的良好控制。为了提高电机的转速控制精度和抑制转矩脉动,在分析开关磁阻电机的非线性数学模型的基础上,研究了模糊转子位置估算方法,提出了一种新的无位置传感器转子位置估算方法:基于模糊推理规则的转子位置估算,并对此方法的误差信号进行了分析。

关键词：转子位置估算开关磁阻电机模糊推理规则

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