凸极特性变化的三级式起动发电机转子位置估算研究

Three-stage aviation brushless synchronous generators, which are widely used in airplanes of our country, have no function of starting aircraft engines. In order to achieve the starting function for these machines, accurate rotor position information is required. Since position sensors are strictly restricted by electromagnetic, space environment and installation conditions, it is significant to carry out the research of rotor position estimation without position sensors. The saliency of the main generator may change, disappear or even reverse during start-up process, so traditional rotor position estimation methods using high-frequency signal injection based on machine saliency are no longer applicable. The project team intend to use the multi-stage-structure characteristics of the three-stage machine to estimate the rotor position, using the proposed idea of injecting high-frequency signal in the main generator side and detecting high-frequency response signal in the exciter side. Under the premise of the change mechanism analysis of the inductance and saliency characteristics of the main generator, the project team intend to carry out the research of high-frequency signal transfer mechanism through the main generator, rotating rectifier and exciter, and then study the injected high-frequency signal selection and small signal detection methods to achieve accurate rotor position estimation for the main generator. This research eliminates the dependency on the machine saliency for rotor position estimation methods using high-frequency signal injection, and provide theoretical reference for the aviation sensorless integrated starter generator.

我国飞机广泛应用的三级式航空无刷同步发电机均无起动航空发动机的功能，要实现该电机的起动功能需要获取准确的转子位置信息。由于位置传感器面临电磁、空间环境及安装条件的严格限制，开展无位置传感器条件下的电机转子位置估算研究具有重要意义。在电机起动发动机过程中，主发电机凸极特性显著变化、消失甚至反转，使得传统基于电机凸极特性的高频注入转子位置估算方法不再适用。项目组针对该电机多级式组合结构的特点，提出在主发电机侧注入高频信号、在励磁机侧检测高频响应信号的思路，进行电机转子位置的估算。拟在分析主发电机电感参数及凸极特性变化机理的基础上，开展高频信号在主发电机、旋转整流器及励磁机之间传递机理研究，并基于此选择高频注入信号、研究高频弱信号检测方法，实现主发电机转子位置的精确估算。该研究突破了传统基于高频信号注入的转子位置估算方法对电机凸极性的依赖，为实现无位置传感器航空无刷起动发电一体化提供理论参考。

开展三级式电机转子位置估算研究，可以为起动发电一体化和我国大型飞机交流电源系统的发展提供技术支持与参考。 .三级式电机起动过程中凸极性变化显著，导致现有转子位置估算方法失效。本项目依据“主电机注入-励磁机检测”思路，研究凸极性变化的三级式电机转子位置估算方法。.开展基于“主电机注入-励磁机检测”的转子位置信号传递机理研究。对高频信号在三级式电机内部传递机理进行研究，建立旋转整流器模型并对旋转整流器故障进行辨识，构建高频信号在旋转整流器中的逆向传递模型。.开展三级式电机初始转子位置估算方法研究。提出基于主电机定转子互感的初始转子位置估算方法，向主电机定子和轴注入高频/低频电压信号，在励磁机定子侧提取转子位置正余弦信号来估算初始转子位置；提出基于主电机定子注入-转子检测和转子注入-定子检测的转子初始位置估算方法。.开展三级式电机低速段转子位置估算方法研究。向主电机定子侧注入旋转高频电压，在励磁机定子侧提取高频响应电流，经处理实现低速段转子位置在线估算。分析了旋转整流器在励磁机定子侧产生的谐波并提取励磁机转子位置信息，由三级式电机转子同轴安装的特性间接得到主电机转子位置。分析了励磁机转子位置估算误差对励磁系统电流估算结果的影响，给出基于主电机励磁电流估算值和估算六边形轨迹的主电机转子位置估算方法。提出基于最小二乘估算器的主电机参数估算方法，实现主电机参数估算算法在主电机转子位置估算中的解耦。所提方法均不依赖主电机凸极性。.本项目所提转子位置估算方法具有自主知识产权，为起动发电一体化系统无位置传感器起动技术提供支持，突破了传统基于高频信号注入转子位置估算对电机凸极性的依赖，解决了三级式电机起动过程中凸极性变化造成现有转子位置估算方法失效的难题。发表学术论文32篇，其中SCI索引12篇，已授权国家发明专利15项，培养硕士5名，博士6名，获陕西省优秀博士论文1篇。