电励磁双凸极电机无位置传感器控制技术研究

发布时间：2020-05-10 23:34

【摘要】：随着多电飞机(MEA)的发展,航空起动发电机(SG)技术成为航空电源系统的关键技术。电励磁双凸极电机(DSEM)定转子均为凸极结构,转子上无永磁体及绕组,结构简单可靠,适合高温高速运行;此外,DSEM通过改变励磁电流即可实现发电输出电压调节,而且故障时通过切除励磁电流即可实现灭磁。因此,DSEM可构成一种极具竞争力的航空起动发电机。DSEM起动阶段电动运行的换相需要准确的电机转子位置信息,发电阶段发电运行的速度检测也可通过转子位置信息获取。传统电机系统中机械位置传感器的安装一方面增大了体积、成本,另一方面位置传感器是脆弱部件,易受高温、振动等环境因素的影响,降低了系统可靠性。因此,研究DSEM无位置传感器控制技术具有重要意义。本文针对DSEM电动运行的全速度范围无位置传感器控制技术展开研究,采用理论分析、仿真研究和实验验证相结合的方法,重点对DSEM转子初始位置估计及初始无反转起动方法、低速无位置传感器起动技术、低速阶段电机起动性能的提升及中高速DSEM无位置传感器控制技术进行研究。转子初始位置估计是实现电机无位置传感器运行的基础。根据DSEM自感随转子位置变化的特性,本文首先研究了基于检测脉冲注入的转子初始位置估计方法,并分析了检测脉冲宽度的选取准则。针对DSEM采用电励磁的特点,提出了一种基于励磁建压过程的转子初始位置估计技术,其利用DSEM三相电枢绕组与励磁绕组之间互感曲线的几何相似关系推导得到了转子初始位置角估计表达式。基于估计得到的转子初始位置角,本文提出DSEM边界扇区的概念,并研究了确保电机初始无反转起动的第一个加速脉冲选取方法。低速阶段无位置传感器起动技术是电机无位置传感器运行的难点。本文研究了“三段式”无位置传感器起动方法在DSEM的应用,详细分析了DSEM转子预定位位置,并在此基础上提出一种简化的DSEM“三段式”无位置传感器起动技术。根据DSEM自感随转子位置变化的特点,重点研究了基于脉冲注入的DSEM无位置传感器起动技术,提出了三种方法:(1)基于两相串联自感比较的无位置传感器起动技术;(2)基于当前导通相与换相导通相串联自感比较的无位置传感器起动技术;(3)基于两相自感比较的无位置传感器起动技术;并从转子位置估计精度、起动阶段输出电磁转矩、鲁棒性三个角度对所提起动方法进行了对比分析。现有基于脉冲注入的无位置传感器起动方法中一个脉冲注入周期仅进行一次转子扇区估计,存在一定换相延迟,获取DSEM实时转子位置角是消除上述换相延迟的有效途径。本文对起动阶段的DSEM转子位置角估计方法进行研究,根据DSEM三相电枢绕组自感曲线的几何相似关系推导得到了转子位置角的估计表达式,并研究了起动阶段DSEM绕组自感的测量方法。此外,本文还对DSEM非理想线性自感引起的转子位置角估计误差进行了分析,提出了一种基于DSEM边界扇区的补偿策略。在此基础上,为提高电机起动性能,本文对转子位置估计所需注入检测脉冲产生的电磁转矩进行了分析,提出了一种不产生负电磁转矩的检测脉冲优化选取方法。起动完成后,电机将长期运行于中高速阶段,该转速范围的无位置传感器控制对系统稳定运行至关重要。根据DSEM反电势随转子位置变化的特性,本文提出一种基于非导通相电压检测的中高速DSEM无位置传感器控制技术,其通过比较非导通相电压与换相阀值的大小关系进行换相位置估计,并对该无位置传感器控制模式下的DSEM提前角度换相控制进行了研究。由于DSEM最佳提前换相角的选取与电机参数、直流母线电压等多个参数相关,实际系统难以直接计算获得,根据最佳提前换相角下系统给定电流达到其最小值的特点,本文提出一种无需电机参数的DSEM提前换相角自优化控制方法。此外,考虑到电机中性点一般不引出,本文提出一种基于线电压差的DSEM中高速无位置传感器控制技术,并对磁阻反电势、低通滤波器引起的换相误差进行了分析,提出一种基于调节换相阀值的统一相位补偿策略。本文在一套基于RT-LAB半实物仿真系统的12/8极三相DSEM实验平台上验证了上述研究内容的正确性,为实现DSEM航空起动发电系统的无位置传感器控制奠定理论与技术基础。
【图文】：

主磁场

表示 A、B 或 C）相为例，，单相输出转矩为2p pfp p p fpr pf12dL dLT i i id dT T 磁阻转矩分量2ppr p12dLT id 及励磁转矩分量pfpf p fdLT i id ，一般情况下，D比磁阻转矩大得多。动方程e LdT T B Jdt L为负载转矩，B 为摩擦系数，J 为系统转动惯量。SEM 的工作原理EM 励磁绕组中通入一直流电时，电机内部主磁场建立，如图 2.2 所示，其过定子轭、定子极、转子极和转子轭构成闭合回路。若按照一定的导通顺通电，电机产生一定的电磁转矩而转动。

照片,实验平台,照片,转子初始位置

图 2.18 实验平台照片A B CDSEM BLDCUdcUf驱动电路采样调理ia、ibif示波器主功率电路励磁功率电路ua、ub、uc图 2.19 实验平台结构框图注入的转子初始位置估计实验结果进行基于检测脉冲注入的转子初始位置估计实子初始位置估计实验结果。子初始位于扇区 1 的实验波形，下面以此为例
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V242;TM31

【参考文献】