控制电机驱动系统位置传感器故障在线诊断及自适应性容错控制 建模 (1)

摘要

摘 要

永磁同步电机PMSM由于无励磁、损耗小、效率高、结构简单以及速度准确恒定近年来在运动控制领域内得到广泛应用。但是由于PMSM系统经常工作在恶劣环境导致传感器容易出现故障。为了提高PMSM系统的安全性以及可靠性更好的实现对位置传感器故障的容错以及控制提出一种更加高效的故障检测和补偿方法。

本文介绍永磁同步电机矢量控制方法并针对旋转变压器位置传感器幅值不平衡以及正交不完善两个故障所导致的位置偏差进行故障诊断以及容错控制。根据两种故障在d、 q轴定子电流中所呈现的故障特征进行故障特征提取分析的在线诊断再通过获取的位置偏差实现自适应性容错。本文通过建模仿真证明此策略的合理有效性。

关键词永磁同步电机矢量控制位置传感器故障 自适应性容错控制

I

ABSTRACT

AB S T RA C T

Permanent magnet synchronous motor(PMSM)has been widely used in the field ofmotion control in recent years due to its lack of excitation, small loss, high efficiency,simple structure and accurate and constant speed.However, the PMSM system oftenworks in harsh environments,which makes the sensor prone to malfunction. In order toimprove the security and reliability of PMSM system, and to better realize thefault-tolerant and control of the position sensor fault,a more efficient fault detection andcompensation method is proposed.

This paper introduces in permanent magnet synchronous motor position deviationvector control method for rotary transformer position sensor amplitude unbalance andorthogonal two imperfect fault caused by the fault diagnosis and fault tolerant control.According to the fault characteristics of two kinds of faults in the stator current of D andQ axes, the on-line diagnosis of fault feature is extracted and analyzed, and then theadaptive error tolerance is achieved by the position deviation obtained.The modelingand simulation show that the strategy is reasonable and effective.

Keywo rds:PMSM,Position sensor faultAdaptive, fault-to lerant contro l

II

目录

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摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I

AB S TRAC T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II

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第一章绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1研究工作的背景与意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.2课题国内外研究历史与现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1.3本文的主要贡献与创新. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

1.4本论文的结构安排. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

第二章永磁同步电机矢量控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2.1永磁同步电机. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2.1.1永磁同步电机结构及分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

2.1.2永磁同步电机的特点和应用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.2 PMSM的数学模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.3永磁同步电机矢量控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

2.3.1 PMSM矢量控制方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

2.3.2 PMSM矢量控制系统结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

2.4 PMSM矢量控制系统建模与仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

2.5本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

第三章驱动系统位置传感器故障对系统性能的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3.1位置传感器故障导致的位置偏差原因分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3.1.1幅值不平衡所产生的转子位置偏差. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3.1.2正交不完善所产生的转子位置偏差. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.1.3幅值不平衡和正交不完善共同产生的转子位置偏差. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.2转子位置偏差对PMSM系统性能的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

3.2.1转子位置偏差对PMSM定子电流的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

3.2.2转子位置偏差对PMSM系统电磁转矩性能的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

3.3本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

第四章PMSM驱动系统位置传感器故障在线诊断与自适应性容错控制及建模仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

4.1 PMSM驱动系统位置传感器故障在线诊断. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

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4.1 PMSM驱动系统位置传感器故障自适应性容错控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

4.2集成位置传感器故障在线诊断与容错控制的PMSM驱动系统建模. . . . . . . . .24

4.2.1正交不完善和幅值不平衡发生时. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

4.2.2容错控制算法接入后. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

4.3本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

第五章全文总结与展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

5.1全文总结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

5.2后续工作展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

外文资料原文. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

外文资料译文. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

IV

第一章绪论

第一章绪论

1.1研究工作的背景与意义

稀土资源是保证电动机的初始运行状态得到合理控制的重要资源而我国在稀土资源领域技术层面的革新使得很多系统资源可以凭借其永久性磁感应的优势对市场价格进行合理有效的控制并且保证稀土资源的应用可以适应永久性磁性资源剩余价值的实现要求凭借其高骄顽力的优势适应磁性技术性工业资源的生产制造特点使电机驱动系统的基础性技术支持可以得到更高质量的维护。应用同步电机对电机驱动装置实施技术性维护并从提升技术运用可靠性的方面对永磁性电机实施磁性分析 以便全部的技术性运行方案都可以在磁性特点得到合理维护的情况下进一步适应磁场环境中的转子运行特点使全部的磁性资源都可以在磁场的有效控制之下得到技术性处理增强转子资源的损耗控制质量。目前一些转子物质的技术性控制措施是保证电机驱动装置铜资源应用价值的关键。因此在具备永磁性质的电动机装置使用方面社会层面的经济发展水平很大程度上决定了相关科研工作的推进模式 因此在社会领域关于提升电力资源应用需求较高的情况下从环保节能的角度实施电机驱动技术的研发和应用对提升我国电机驱动系统的技术研发方向设计具备较强的指导意义。另外我国尖端科技工作领域的技术研发趋势也可以客观上带动电机驱动领域技术研发水平的提高因此电机驱动系统的技术优化工作目前在我国社会拥有良好的科研基础。以旋转变压器作为位置传感器的永磁同步电机 由于旋转变压器加工和安装误差、励磁与输出调理电路器件的温度漂移等非线性影响[4] 使得旋转变压器正、余弦绕组输出出现幅值不平衡和正交不完善故障[5] 导致基于旋转变压器获取的电机转子位置产生偏差继而引起PMSM电磁转矩和转速出现持续振荡当故障程度过大时可能直接危及PMSM驱动系统的稳定运行。为此国内外学者对于PMSM驱动系统存在的幅值不平衡、正交不完善位置传感器故障进行了深入研究并已取得了可供借鉴的研究成果。

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电子科技大学学士学位论文

针对PMSM驱动系统亟需研究并提出集成位置传感器故障定位与识别、故障程度评估及自适应容错控制于一体且不受逆变器死区效应影响的PMSM驱动系统位置传感器故障综合解决方案实现其安全可靠运行。本文首先分析正交不完善与幅值不平衡位置传感器故障导致PMSM转子位置偏差和定子电流振荡的原因再分析位置偏差对PMSM定子d、 q轴电流的影响提出基于定子q轴电流提取位置传感器故障引起的脉动分量通过故障模式定位、识别及故障程度评估实现不受逆变器死区效应影响的位置传感器故障在线诊断并基于位置误差的实时计算实现位置传感器故障的自适应容错控制。在上述工作的基础上架构集成位置传感器故障在线诊断与自适应容错控制于一体的PMSM驱动系统通过建议的PMSM驱动系统建模与仿真研究、系统实验测试证实提出的位置传感器故障综合解决方案的合理有效性。

1.2课题国内外研究历史与现状

转子获取技术的快速发展使得很多电动机装置可以凭借传感器的技术研发要求进行技术检测工作的推进。在诸多转子获取技术方面PMSM转子技术是较为常见的技术类型而一些技术检测工作的执行也必须保证可以与传感器资源的技术应用要求保持一致。 目前理论研究工作领域在实施传感器资源的检测技术应用的过程中需要对更多的转子技术应用位置进行控制并使转子可以凭借其方位优势对传感器的各类技术应用条件进行适应。在这一过程中不同技术特征的传感器资源会对转子方位形成不同的影响。因此传感器资源在电力资源压力出现变化的情况下需要使用光电编码技术更好的实施传感器的基础性技术处理并

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第一章绪论

根据转子及定子的技术应用要求对现有的电力资源磁感环境加以控制 以便电机的驱动系统可以更好的适应变压器的技术控制要求并使所有的光电编码资源都能在电机频率得到合理控制的情况下对电源装置实施优化处理保证全部的电动机装置都可以在转子资源的合理调配之下饲养电动机装置驱动的环境要求。

正常情况下电机驱动系统的各项技术性要求都需要对变压器装置进行优化利用体系的构建首先要使用旋转变压器对当前电子资源应用过程中的电压输出特点加以分析并按照现有的转子驱动技术对当前转子的具体转换角度实施研究 以便全部的旋转性质的变压器装置都可以在信号资源的合理控制之下保证其应用性能。在变压器使用过程中可以按照现有的电动机装置电势特征对具体的变压器技术性信号资源误差规律加以研究 以便全部的电势资源都可以适应转角技术的变化需要并使全部的电力资源转换规律都可以在信号资源性能得到合理控制的情况下进行更好的应用 以便电机驱动装置的全部技术性应用工作都可以在函数技术的应用过程中对损耗性因素实施合理的判断保证电机驱动技术的技术性工作可以实现成本的合理控制。可以从提升变压器装置运行效率的角度实施具体的旋转变压器技术优化措施的设计并根据数据资源的传输特点对具体的变压器资源函数关系加以判断 以便所有的电力系统构造特点都可以适应变压器资源的旋转规律控制要求并保证所有的技术性应用方案都可以按照旋转变压器的技术应用特点实施处置提升电动机基础性装置的结构控制质量。要根据现有的转子资源变化类型对具体的转子角度实施急速旋转模式的控制根据转角的有限性特点对变压器装置的对极处理技术实施完整的应用 以便变压器装置可以凭借技术编码的优势进行进一步的技术优化。

除此之外现有的电机驱动技术还可以按照观点编码技术的应用要求实现传感器技术的合理应用。在当前的技术运行模式下需要对现有的光电传播技术实施完整的应用并且根据技术运行的原理对具体的机械位移特点加以研究使全部的位移技术优势都可以适应脉冲信号资源的转换技术应用特点切实保证所有的转子资源都能在方位信息得到合理控制的情况下适应传感器资源的技术应用要求 以便技术处理方案可以在光电子元的编码技术应用过程中适应电机驱动技术的发展要求并使全部的技术运行方案都可以在光电转换技术完成基础性输出的过程中适应电机装置的驱动性运行水平为光电编码装置的进一步优化创造合理的技术控制环境。要对现有的观点资源同步技术实施完整的技术性处理并根据当前的电机驱动系统运行模式对光电子元的元器件实施运行方案的明确以便电机驱动装置可以在基础性电子资源控制的过程中对电子驱动系统实施同步技术的完整应用保证全部的技术控制方案都能在二极管资源的应用过程中得

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电子科技大学学士学位论文

到高效的处置提升电器原件的转速控制水平。可以使用基础性辨别技术对电动机装置实施高水平的转速控制并根据当前电动机装置的反向运行技术特点对全部的编码器装置实施技术控制方案的应用可以对现有的编码器资源实施光学技术的分析并结合编码器资源的感应式技术运行方案对具体的电磁技术特点进行控制使相关电机驱动体系的质量检测技术可以适应电磁资源信号输出的增量控制要求为技术应用性能的控制创造更加多元的技术控制环境。

传感器资源的应用还可以根据电机驱动技术应用领域的霍尔效应应用特点对现有的转子位置变化规律加以分析是全部的霍尔效应原理都能在转子方位得到合理控制的情况下适应基础性信息资源的处理要求是电机驱动系统的技术研发工作都能按照线性输出的技术特点加以控制保证传感器资源可以在霍尔效应得到合理分析的情况下提升应用水平。电机驱动装置是实施基础性设计的过程中需要从结构控制的角度出发对具体的安装性工作加以分析并且结合电动机装置的体积特点对所有的体积消耗工作加以研究使电力资源的功率控制工作可以具备更加完整的技术应用环境。可以对现阶段电力资源应用技术的运行频率加以分析并根据霍尔效应的技术应用要求对具体的传感器资源操作技术实施应用方案的明确保证相关传感器资源的控制策略可以更好的适应客观技术应用频率的要求并使技术控制特点可以适应传感器控制技术的旋转控制要求。编码器资源的技术应用特点还必须保证与传感器的具体技术运行优势相适应并根据技术运行过程中的电动机装置抗震要求对具体的电机应用环境实施控制使电机高速运转过程中的技术控制措施可以得到更加全面完整的应用保证电动机的驱动技术可以适应信号资源的计算和处理要求为相关信号资源的绝对值控制措施提供更加完整的驱动技术应用方案。

本文主要研究以旋转变压器为位置传感器的PMSM驱动系统 肖跃华等[8]对

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第一章绪论

旋转变压器输出的正、余弦信号离线傅里叶变换研究表明:正交不完善和幅值不平衡故障会导致旋转变压器输出的正、余弦信号中存在特定次数的异常谐波通过对特定次异常谐波的幅值拟合获得位置偏差补偿多项式并据此实施容错控制但该方案无法实现位置传感器故障的在线诊断和自适应容错控制。文献[11,12]研究表明:旋转变压器出现幅值不平衡和正交不完善故障后其解调芯片输出的电机转子位置将围绕电机转子真实位置呈现出周期性振荡通过提取位置波动部分并对其进行区间积分实现了故障程度的确定再根据故障程度计算出位置偏差实施容错控制。在上述研究工作基础上 S H Hwang等[13]通过分析旋转变压器正交不完善与幅值不平衡故障所引起的电机定子d轴电流脉动设计PI调节器获取故障程度并对解调芯片输出的转子位置误差进行补偿抑制了定子d轴电流脉动然而针对电动汽车PMSM驱动系统实验结果表明:较之定子q轴电流脉动分量位置传感器故障引起的定子d轴电流脉动分量故障特征不明显难以有效提取导致位置传感器故障诊断精度不高和容错控制效果欠佳的技术不足。江战红等[14]基于卡尔曼滤波算法实现了旋转变压器正交不完善与幅值不平衡故障所导致位置偏差的估计和容错控制。文建平等[15]利用双同步解耦锁相环设计了集成正交不完善与幅值不平衡故障在线诊断与容错控制功能的旋转变压器数字转换器但仍存在实现复杂的不足。此外现有的研究成果均未探究逆变器死区效应对位置传感器故障诊断精度及容错控制性能的影响。

变压器在驱动系统的模拟量得到明确的状态下可以根据当前变压器旋转性能的实际特点对具体的技术控制策略加以研究使所有的电器原件装置都可以适应变压器技术控制的具体要求并保证基础性技术分析方案可以在电器资源的模

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