三级式同步电机的转子初始位置检测方法

刘卫国 祝宇杰 彭纪昌 孟涛 焦宁飞

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

起动/发电一体化是未来航空电源系统的一个重要发展趋势。三级式同步电机具有功率密度高、可靠性高、维护简单等诸多优势，目前在航空大功率交流电源系统中得到了广泛应用。如果能利用发电机的电动状态来起动航空發动机，则可以省去专用的起动机，减轻机载重量，这对于多/全电飞机的发展具有重大意义[1-4]。能够精确地检测出转子的初始位置是实现三级式同步电机高性能闭环起动控制的前提，不准确的转子初始位置将影响电机的起动输出转矩，使得起动性能下降而导致起动失败，甚至出现反转而损坏航空发动机。因此，三级式同步电机的起动控制对转子初始位置的检测精确度要求很高。由于三级式同步电机在起动过程中以航空发动机为负载，负载转矩很大且不允许反转，所以通过使电机转动进行转子初始位置检测的直流定位方法不再适用。因此，需要在三级式同步电机保持静止的情况下检测转子的初始位置。近年来，众多国内外学者对同步电机的转子初始位置检测算法进行了研究，取得了一定的成果。现阶段同步电机转子初始位置检测方法可以分为以下两类。

一类是基于电机凸极特性的转子初始位置检测方法。通过给电机注入旋转高频电压、脉振高频电压或高频方波电压，然后从高频响应电流中提取转子位置信息。由于转子凸极具有对称性，因此还需要结合永磁体的磁极方向来获取正确的转子位置。使用不同的电压注入方式通过解析电流响应信号都能够准确检测出永磁同步电机的转子初始角度。然而在主电机励磁过程中，主电机励磁电流波动较大[5]，当主励磁机采用两相交流励磁时，主电机转子励磁绕组的磁链没有永磁同步电机转子的永磁磁链稳定。所以，此类方法应用于三级式同步电机时，会有较大的检测误差。

另一类是基于电感饱和效应的电压矢量脉冲注入法转子位置检测方法。该类方法是利用d轴电感的饱和特性，通过给电机注入一系列电压矢量脉冲，根据电流的响应来搜索电机的转子位置[6-7]。理论上这种方法可以较为精确地检测出转子位置，但是在实际应用中，转子位置检测精确度主要取决于脉冲响应电流的采集精确度，这对硬件平台提出了很高的要求，实现起来较为复杂。

针对以上问题，提出了一种基于“主电机注入-主励磁机检测”的转子初始位置检测方法。该方法将主电机与主励磁机看做旋转变压器，充分利用了定转子之间的互感与转子位置之间的关系。在主电机定子中注入旋转高频电压信号，检测主励磁机定子电流并进行滤波、坐标变换与锁相环跟踪等处理，即可获得转子初始位置。实验结果证明了理论分析的正确性。

1 转子初始位置检测原理

1.1 主电机转子绕组的感应电压

采用两相交流励磁方式的三级式同步电机结构如图1所示，它由副励磁机、主励磁机与主电机组成。

从图14中可以看出，施加旋转高频电压之后，检测得到的转子位置迅速向真实位置收敛。本方法的估算速度快，转子初始位置估算误差稳定在2°电角度之内，可以满足三级式同步电机起动时对转子位置的精确度要求。

4 结 论

针对三级式同步电机多级组合的结构特点，提出了一种基于“主电机注入—主励磁机检测”的三级式同步电机转子初始位置检测的新方法。检测过程中转子保持静止，向主电机定子注入旋转高频电压，从主励磁机定子的电流响应中可提取出转子初始位置信息。本方法简单实用，不需要知道电机的准确参数，不需要额外的硬件，并且检测时间短，辨识精确度高。实验结果表明，该方法的转子初始位置检测误差小于2°电角度，能够满足三级式同步电机的平稳起动要求，且易于实现，适合工程实际应用。

参 考 文 献：

[1] 沈颂华. 航空航天器供电系统[M]. 北京航空航天大学出版社，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.旋转整流器式无刷交、直流发电机谐波电枢反应研究[J].南京航空航天大学学报，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] 南京航空航天大学.三级式无刷交流同步电机的转子初始位置估计方法：中国，201210324404.7[P].2012-09-05.

[7] 钱东祥，魏佳丹，周波，等.无刷励磁同步电机无位置传感器起动控制[J].中国电机工程学报，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，邓先明，王瑞鲜.同步电机位置及速度的无传感器检测[J]. 电机与控制学报，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. 现代同步发电机整流器励磁系统[M]. 水利电力出版社， 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.

（编辑：贾志超）