三级式同步电机低速阶段无位置传感器起动控制高频信号注入法的对比
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薛 哗 魏佳丹 周 波
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180483
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导语
三级式同步电机具有结构成熟、可靠性高和维护成本低等优点，可有效实现起动/发电一体化的功能，在民用飞机变频交流电源系统的应用日益广泛，其结构如图1所示。针对航空三级式同步电机无位置传感器起动控制中，通过主发电机直接注入高频信号带来的起动转矩波动、响应信息提取困难、易受扰动等问题，提出一种通过三级式同步电机的主励磁机间接注入高频信号的方法。
主励磁机工作在旋转变压器状态，采用400Hz航空电源给主励磁机励磁，提取三级式同步电机中由旋转整流器产生的六次谐波作为间接注入主发电机的高频信号，解算出转子位置。
分析了三级式同步电机无位置控制系统中的励磁频率的影响特性，和主励磁机侧注入高频信号的方法对比，该方法无需额外的信号注入，且控制方式简单。最后在一台由绕线式异步电机和电励磁同步电机同轴组成的三级式同步电机模拟机组上进行实验，验证了该方法的有效性，并且有较高的位置估计精度。
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研究背景所
在三级式同步电及起动的零速和低速阶段，电机反电动势信号较小难以直接测量，常见位置估计主要借鉴永磁同步电机的无位置检测方法，利用主发电机转子凸极结构特性，采用高频信号注入法估计主发电机转子位置角度。但是基于主发电机高频信号注入的位置传感器控制方法中，注入信号幅值受到严格的限制，注入信号的幅值过大会在主发电机起动控制中产生明显的转矩脉动。然而为了增强高频响应信号的辨识度，又需要提高注入信号的幅值，且主发电机侧注入高频信号的方式受TSSM起动控制的影响，导致高频响应信号的信噪比较低，影响位置估计的精度。
针对主发电机侧注入高频信号带来的转矩扰动较大的问题，主励磁机侧注入高频信号可以有效减少三级式同步电机的输出转矩，但仍然需要提高信号幅值，且增加了起动控制的结构复杂性。因此，本文分析了起动时三级式电机处于零速或低速状态下的无位置传感器的位置检测问题，结合旋转整流器的非线性工作特点，提出了一种间接高频信号注入方式如图2所示，并和主励磁机定子侧直接注入高频信号的方法进行对比分析，研究起动过程注入信号和转速频率变化的频率特性以及低速起动阶段的转子位置估计精度。
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论文所解决的问题及意义
首先建立了三级式同步电机的高频信号模型，推导出旋转整流器输出侧产生谐波幅值的解析式，推导出换相重叠以及励磁频率对谐波幅值的影响。然后通过对三级式同步电机无位置传感器控制的结构进行系统分析，建立了基于三级式同步电机数学模型以及起动控制的模型，利用非同步解调的算法来估计转子位置，对间接注入高频信号的方法进行仿真验证，位置还原过程如图3所示。
分析了间接高频信号注入法中，频率特性对转子位置估计精度的影响。最后和主励磁机定子侧注入高频信号进行了仿真以及实验的对比，论证了该方法无需额外的注入信号，因此消除了注入高频信号带来的转矩波动，并且实验证明具有较高的位置估计精度。
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主励磁机为三相交流励磁，工作在旋转变压器状态；提出了三级式同步电机的高频信号模型，分析得到频率变化对高频谐波信号幅值会产生同步增减的影响。分析了三级式同步电机无位置传感器控制系统中的频率影响特性。最后，提出了新型的高频信号注入法，采用400Hz航空电源给主励磁机励磁，提取其中旋转整流器产生的六次谐波作为高频信号，对比从主励磁机定子侧注入高频信号方法，简化了励磁控制结构，无需额外注入信号，避免在起动过程中引入较大的主发电机输出转矩。
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结论
基于三级式同步电机本身的结构特性，本文提出一种适用于低速起动阶段基于间接高频注入法的无位置传感器控制方法，对比了该方法和从主励磁机定子侧注入高频信号的无位置传感器控制方法，完成了仿真模型的建立和实验平台的搭建。
实验结果表明，基于间接高频注入法的位置检测方法可以有效实现TSSM的无位置传感器起动控制，相比主励磁机定子侧高频信号注入法中主励磁机的控制方式，主励磁机直接用航空电源励磁的控制方式，简单且无需额外注入高频信号。
同时相比传统的高频信号注入法，由于取消了在主发电机定子侧注入的高频信号，消除了该注入高频信号产生的转矩波动，能够使得无位置传感器起动输出的转矩脉动降低。起动的低速运行阶段间接高频注入法转子位置估计误差平均值在0.12rad以内，具有更好的估计精度，如图4所示。
薛 哗, 魏佳丹, 周 波. 三级式同步电机低速阶段无位置传感器起动控制高频信号注入法的对比[J]. 电工技术学报, 2018, 33(12): 2703-2712.
Xue Hua, Wei Jiadan, Zhou Bo. Comparative Investigation on Sensorless Control of Three-Stage Synchronous Motor Based on High-Frequency Injection Method at Low Speed[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2703-2712.
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