CN103256946B - 可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可故障在线检测和容错控制功能的旋转变压器数字转换器，该方法通过电动汽车永磁同步电机控制微处理器DSP和旋转变压器的配合使用来获取电动汽车永磁同步电机（PMSM）驱动系统的PMSM转子位置，能够实时检测出PMSM驱动系统转子位置故障，同时采用卡尔曼滤波器在线辨识出转子位置误差并实现自适应容错控制，从而提高转子位置的获取精度。

Description

可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器

技术领域

本发明涉及一种旋转变压器数字转换器，更具体地说，是一种应用在电动汽车永磁同步电机（PMSM）驱动系统中具有故障在线检测和容错控制功能的旋转变压器数字转换器。

背景技术

旋转变压器因其具有稳定、高效、环境适应能力强等优势已广泛应用于电动汽车领域，旋转变压器输出信号为位置信息的模拟量，需要借助解码芯片来准确获取永磁同步电机转子位置信息的数字量。然而旋转变压器输出信号可能出现幅值不平衡、正交不完全、信号偏移、感应谐波等故障，使得旋转变压器数字转换器所获得的位置信息并非实际的转子位置，从而产生误差，影响电动汽车PMSM驱动系统的动态和静态性能。在现有技术中，虽然采用递推最小二乘法可以在线实现参数辨识并自适应补偿旋转变压器输出的位置误差，但其对参数初值的选取敏感，且易受外部噪声干扰；此外，该容错控制方案需要借助旋转变压器数字变换器专用芯片获取转子位置，导致系统成本的上升和设计复杂。

现有技术中还有利用永磁同步电机控制器中的DSP芯片生成旋转变压器的励磁信号并将旋转变压器输出的模拟信号经反正切查表获取转子位置，虽能有效降低硬件成本，避免了时间延迟现象，但该方案不具有旋转变压器的故障检测和容错控制能力，不能确保转子位置和转速获取精度；另外反正切查表法占用大量的存储资源导致运算速度变慢。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足之处，提供一种可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器，能从旋转变压器的输出信号中获取永磁同步电机转子位置，并在线检测出旋转变压器输出的转子位置故障，实现转子位置误差的自适应容错控制，从而提高转子位置的获取精度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器的特点是：以所述旋转变压器数字转换器利用旋转变压器获取永磁同步电机的转子位置，所述旋转变压器数字转换器包括：数字正弦发生器、磁信号生成模块、AD转换器、信号调理模块、位置误差检测模块、选择开关、位置误差估计模块和位置补偿模块；

所述数字正弦发生器生成数字正弦信号sinω_c，并将所述数字正弦信号sinω_c分别输出给励磁信号生成模块、信号调理模块和位置误差检测模块；

所述励磁信号生成模块将所接收的数字正弦信号sinω_c经数模转换、幅值放大和反相处理后，生成旋转变压器的励磁信号K₁sinω_c；

所述旋转变压器接收由所述励磁信号生成模块生成的励磁信号K₁sinω_c，采集所述永磁同步电机的转子位置角度信息，输出模拟量正弦信号U_sin和模拟量余弦信号U_cos至所述AD转换器；

所述AD转换器将所接收的模拟量正弦信号U_sin和模拟量余弦信号U_cos转换为数字量的数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′分别传递给所述信号调理模块和所述位置误差检测模块；

所述信号调理模块接收所述数字正弦信号sinω_c、数字量正弦信号U_sin′，以及数字量余弦信号U_cos′后进行转子位置闭环跟踪处理，获得所述永磁同步电机的转子位置角度θ，并将所述转子位置角度θ分别输出给所述选择开关、位置误差估计模块和位置补偿模块；

所述位置误差检测模块接收所述数字正弦信号sinω_c以及所述数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′，所述数字正弦信号sinω_c对所述数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′进行峰值采样和在线故障诊断，根据诊断结果输出位置故障信号或位置正常信号给所述选择开关；

所述选择开关是当接收到所述转子位置角度θ和位置故障信号时，输出触发信号给所述位置误差估计模块；当接收到所述转子位置角度θ和位置正常信号时，输出所述转子位置角度θ用于永磁同步电机的矢量控制；

所述位置误差估计模块接收所述触发信号和转子位置角度θ后启动在线位置误差估计算法实时估计转子位置误差△θ并输出给所述位置补偿模块；

所述位置补偿模块接收所述转子位置角度θ和所述转子位置误差△θ后进行转子位置自适应补偿获得补偿后的转子位置角度θ_c，所述转子位置角度θ_c用于永磁同步电机的矢量控制。

本发明可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器的特点也在于：

所述数字正弦发生器是由第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一延迟器、第二延迟器、第一增益系数运算器和第二增益系数运算器组成；

所述第一加法器将所述第二延迟器输出的S₂[n]和第一增益系数运算器输出的S₄进行相加，所获得的结果S₁传递给所述第一延迟器；

所述第二加法器将所述第一延迟器输出的S₁[n]和第一增益系数运算器输出的S₄进行相加，获得的结果S₂传递给第二延迟器；

所述第三加法器将所述第一延迟输出的S₁[n]和第二延迟器输出的S₂[n]进行相加，获得的结果S₃传递给所述第一增益系数运算器；

所述第一增益系数运算器将所述S₃乘以增益系数K₂后获得所述输出S₄；

所述第二增益系数运算器将所述第二延迟器输出的S₁[n]乘以增益系数K₃后输出数字正弦信号sinω_c。

所述励磁信号生成模块是由数模转换器、第一增益运算放大器、第二增益运算放大器、反相器、第一电压跟随器、第二电压跟随器和第四加法器组成；

所述数模转换器针对所述数字正弦信号sinω_c进行数模转换，获得模拟正弦信号sinω_ct分别传递给所述第一增益运算放大器和反相器，所述第一增益运算放大器将所接收的模拟正弦信号sinω_ct放大为电压信号Vsinω_ct后传递给所述第一电压跟随器，所述第一电压跟随器将放大后的电压信号Vsinω_ct进行隔离输出中间变量A₁给所述第四加法器；

所述反相器将所接收的模拟正弦信号sinω_ct转换为电压信号sin（ω_ct+π）后传递给第二增益运算放大器，所述第二增益运算放大器将反相后的电压信号sin（ω_ct+π）放大为电压信号Vsin（ω_ct+π）后传递给所述第二电压跟随器，所述第二电压跟随器将放大后的Vsin（ω_ct+π）进行隔离输出中间变量B₁给所述第四加法器；

所述第四加法器将所接收的中间变量A₁减去所接收的中间变量B₁后输出旋转变压器所需要的励磁信号K₁sinω_ct。

所述信号调理模块由第一乘法器、第二乘法器、第一余弦信号发生器、第一正弦信号发生器、第五加法器、第一峰值检测器、PI调节器、积分器和第三延迟器构成的转子位置闭环跟踪回路组成；

所述第一乘法器将所接收的数字量正弦信号U_sin′与所述第一余弦信号发生器生成的前一时刻的余弦信号cos(Φ[n-1])相乘后获得中间变量A₂输出给第五加法器；

所述第二乘法器将所接收的数字量余弦信号U_cos′与所述第一正弦信号发生器生成的前一时刻正弦信号sin(Φ[n-1])相乘后获得中间变量B₂输出给第五加法器；

所述第五加法器将所接收的中间变量A₂减去中间变量B₂获得转子位置误差U_err传递给所述第一峰值检测器；

所述第一峰值检测器根据所接收的数字正弦信号sinω_ct对转子位置误差U_err进行峰值采样输出采样结果K₁sin(θ-Φ)给所述PI调节器；

所述PI调节器将所接收的采样结果K₁sin(θ-Φ)通过比例积分调节获得转速ω输出给所述积分器；

所述积分器将所接收的转速ω进行积分获得转子位置角度当前估计值Φ[n]输出给所述第三延迟器；

所述第三延迟器将所接收的当前转子位置角度估计值Φ[n]延迟一个采样周期Ts后输出前一时刻转子位置角度估计值Φ[n-1]传递给所述第一正弦信号发生器和第一余弦信号发生器；

当所述PI调节器使得K₁sin(θ-Φ)趋于零时，所述积分器输出转子位置角度θ。

所述位置误差检测模块是由第二峰值检测器、平方和加法器、信号增益系数平方运算器、第六加法器、阈值设定模块和比较器组成；

所述第二峰值检测器根据所接收的数字正弦信号sinω_ct对所述数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′进行峰值采样输出采样结果U_sin″和U_cos″传递给所述平方和加法器；

所述平方和加法器将所接收的采样结果U_sin″和U_cos″进行求平方和运算输出中间变量K₄传递给所述第六加法器；

所述第六加法器将所接收的中间变量K₄减去所述信号增益系数平方运算器输出的增益系数K₁ ²获得故障表征信号ε传递给所述比较器；

所述比较器将所接收的故障表征信号ε与设定阈值模块设定的阈值δ进行比较，当ε>δ时，则输出位置故障信号；当ε≤δ时，则输出位置正常信号。

所述位置误差估计模块是由转速波动计算模块、参数辨识模块和位置误差计算模块组成；

所述转速波动计算模块是由第四延迟器、第七加法器、第三增益运算放大器、低通滤波器和第八加法器组成；所述第四延迟器接收所述转子位置角度的第n时刻采样值θ[n]后延迟一个采样周期Ts后输出θ[n-1]传递给所述第七加法器；所述第七加法器将所接收的转子位置角度θ[n]减去θ[n-1]获得微分增量△θ[n]输出给第三增益运算放大器；所述第三增益运算放大器将所接收的微分增量△θ[n]除以采样周期Ts后获得转速ω′传递给所述第八加法器和所述低通滤波器；所述低通滤波器将输入的转速ω′进行低通滤波后输出稳态转速ω给所述第八加法器和所述参数辨识模块；所述第八加法器将输入的转速ω′减去稳态转速ω后输出转速波动分量△ω传递给所述参数辨识模块；

所述参数辨识模块根据所接收的转速波动分量△ω、稳态转速ω和转子位置角度θ利用卡尔曼滤波器方法对所述转速波动分量△ω按式(1)进行在线辨识参数ψ_p，p=1，2，3，4,并将所辨识的参数ψ_p传递给所述位置误差计算模块；

△ω′(i)=ωψ₁cosθ_i-ωψ₂sinθ_i+2ωψ₃cos2θ_i-2ωψ₄sin2θ_i    (1)

式(1)中，△′ω(i)是第i次转子位置角度采样值θ_i时的转速波动分量观测值；

所述位置误差计算模块利用所接收的转子位置角度θ和参数向量ψ_p按式(2)计算获得转子位置误差△θ：

△θ=ψ₁sinθ_i+ψ₂cosθ_i+ψ₃sin2θ_i+ψ₄cos2θ_i    (2)。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明是基于电机控制器的微处理器DSP，无需借助专用解码芯片，即可获取转子位置角度，实现转子位置角度误差检测及容错控制，从而有效地提高了转子位置角度的精度，降低了系统成本和设计复杂性，并提升系统的稳定性和容错能力。

2、本发明由数字正余弦发生器生成旋转变压器所需要的正弦励磁信号，同时为旋转变压器输出信号解调和位置误差检测提供峰值采样信号，简化了基于软件的位置信号解调和位置误差在线检测的实现难度；

3、本发明利用闭环跟踪方法实现对旋转变压器输出信号的转子位置解调，具有获取转子位置方法简单和抗干扰能力强的特点；利用卡尔曼滤波器在线辨识转子位置误差并实现自适应容错控制方法具有速度快、占用内存空间小且抑制噪声能力强的技术优势。

附图说明

图1为本发明结构原理框图；

图2为本发明数字正弦发生器结构框图；

图3为本发明励磁信号生成模块结构框图；

图4为本发明信号调理模块对信号处理的结构框图；

图5为本发明位置误差检测模块结构框图；

图6为本发明位置误差估计模块结构框图；

图7为本发明转速波动计算计算结构框图；

图8为本发明参数辨识结构框图；

图9为本发明位置误差计算结构框图。

具体实施方式

参见图1，具有故障在线检测和容错控制功能的旋转变压器数字转换器是对旋转变压器采集的永磁同步电机转子位置角度θ的模拟量正弦信号U_sin和模拟量余弦信号U_cos进行解调后获得永磁同步电机转子位置θ，同时对旋转变压器输出信号完成位置误差检测、在线估计位置误差和自适应位置误差补偿。具体实施中，以旋转变压器数字转换器利用旋转变压器获取永磁同步电机的转子位置，旋转变压器数字转换器包括：数字正弦发生器、磁信号生成模块、AD转换器、信号调理模块、位置误差检测模块、选择开关、位置误差估计模块和位置补偿模块；

数字正弦发生器生成数字正弦信号sinω_c，并将数字正弦信号sinω_c分别输出给励磁信号生成模块、信号调理模块和位置误差检测模块；

励磁信号生成模块将所接收的数字正弦信号sinω_c经数模转换、幅值放大和反相处理后，生成旋转变压器的励磁信号K₁sinω_c；

旋转变压器接收由励磁信号生成模块生成的励磁信号K₁sinω_c，采集永磁同步电机的转子位置角度信息，输出模拟量正弦信号U_sin和模拟量余弦信号U_cos至AD转换器；

AD转换器将所接收的模拟量正弦信号U_sin和模拟量余弦信号U_cos转换为数字量的数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′分别传递给信号调理模块和位置误差检测模块；

信号调理模块接收数字正弦信号sinω_c、数字量正弦信号U_sin′，以及数字量余弦信号U_cos′后进行转子位置闭环跟踪处理，获得永磁同步电机的转子位置角度θ，并将转子位置角度θ分别输出给选择开关、位置误差估计模块和位置补偿模块；

位置误差检测模块接收数字正弦信号sinω_c以及数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′，数字正弦信号sinω_c对数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′进行峰值采样和在线故障诊断，根据诊断结果输出位置故障信号或位置正常信号给选择开关；

选择开关是当接收到转子位置角度θ和位置故障信号时，输出触发信号给位置误差估计模块；当接收到转子位置角度θ和位置正常信号时，输出转子位置角度θ用于永磁同步电机的矢量控制；

位置误差估计模块接收触发信号和转子位置角度θ后启动在线位置误差估计算法实时估计转子位置误差△θ并输出给位置补偿模块；

位置补偿模块接收转子位置角度θ和转子位置误差△θ后进行转子位置自适应补偿获得补偿后的转子位置角度θ_c，转子位置角度θ_c用于永磁同步电机的矢量控制。

数字正弦发生器的组成如图2所示，是由第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一延迟器、第二延迟器、第一增益系数运算器和第二增益系数运算器构成；第一增益系数运算器和第二增益系数运算器的增益系数分别设置为K₂、K₃；

第一加法器将第二延迟器输出的S₂[n]和第一增益系数运算器输出的S₄进行相加，所获得的结果S₁传递给第一延迟器，即S₁=S₂[n]+S₄；

第二加法器将第一延迟器输出的S₁[n]和第一增益系数运算器输出的S₄进行相加，获得的结果S₂传递给第二延迟器，即S₂=S₁[n]+S₄；

第三加法器将第二延迟输出的S₂[n]和第一延迟器输出的S₁[n]进行相加，获得的结果S₃传递给第一增益系数运算器，即S₃=S₂[n]+S₁[n]；

第一增益系数运算器将S₃乘以增益系数K₂后获得输出S₄，即S₄=K₂×S₃；

第二增益系数运算器将第二延迟器输出的S₁[n]乘以增益系数K₃后输出数字正弦信号sinω_c；

第一延迟器和第二延迟器的延迟周期都设为Ts，为获得励磁频率f_c的数字正弦信号sinω_c，则应满足如下关系式：

K₂=cosω_c    (3)

K₃=(tanω_c/2)^-1    (4)

ω_c=2Tf_cπ    (5)

其中：Ts为延迟周期，单位为s；f_c为励磁频率，单位为Hz；数字正弦发生器是由永磁同步电机控制器的数字信号处理器DSP生成数字正弦信号sinω_c，并分别输出给励磁信号生成模块、信号调理模块和位置误差检测模块。

励磁信号生成模块的结构原理图如图3所示，由数模转换器、第一增益运算放大器、第二增益运算放大器、反相器、第一电压跟随器、第二电压跟随器和第四加法器组成；

数模转换器针对数字正弦信号sinω_c进行数模转换，获得模拟正弦信号sinω_ct传递给第一增益运算放大器和反相器，第一增益运算放大器将所接收的模拟正弦信号sinω_ct放大为电压信号Vsinω_ct，后传递给第一电压跟随器，V设置为励磁信号增益系数的一半，即K₁/2，第一电压跟随器将放大后的电压信号Vsinω_ct进行隔离输出中间变量A₁给第四加法器；

反相器将所接收的模拟正弦信号sinω_ct转换为电压信号sin（ω_ct+π）后传递给第二增益运算放大器，第二增益运算放大器将反相后的电压信号sin（ω_ct+π）放大为电压信号Vsin（ω_ct+π）后传递给第二电压跟随器，第二电压跟随器将放大后的Vsin（ω_ct+π）进行隔离输出中间变量B₁给第四加法器；

第四加法器将所接收的中间变量A₁减去所接收的中间变量B₁后输出旋转变压器所需要的励磁信号K₁sinω_ct，K₁为旋转变压器励磁信号增益系数。

信号调理模块如图4所示，由第一乘法器、第二乘法器、第一余弦信号发生器、第一正弦信号发生器、第五加法器、第一峰值检测器、PI调节器、积分器和第三延迟器构成的转子位置闭环跟踪回路组成；

第一乘法器将所接收的数字量正弦信号U_sin′与第一余弦信号发生器生成的余弦信号cos(Φ[n-1])相乘后获得中间变量A₂输出给第五加法器，Φ[n-1]为第n-1次采样的转子位置角度估计值；

第二乘法器将所接收的数字量余弦信号U_cos′与第一正弦信号发生器生成正弦信号sin(Φ[n-1])相乘后获得中间变量B₂输出给第五加法器；

第五加法器将所接收的中间变量A₂减去中间变量B₂获得转子位置实际值与估计值之间的误差信号U_err=K₁sinω_ctsin(θ-Φ)传递给第一峰值检测器；

第一峰值检测器将输入的数字正弦信号sinω_ct与阈值Th进行比较，当sinω_ct≥Th时，产生触发脉冲，在触发脉冲的上升沿对误差信号U_err进行采样，采样结果K₁sin(θ-Φ)输入PI调节器；

PI调节器将所接收的采样结果K₁sin(θ-Φ)通过比例积分调节获得转速ω输出给积分器；

积分器将所接收的转速ω进行积分获得转子位置估计值Φ[n]输出给第三延迟器，Φ[n]是第n次采样的转子位置角度估计值；

第三延迟器将所接收的当前转子位置角度估计值Φ[n]延迟一个采样周期Ts后输出前一时刻转子位置角度估计值Φ[n-1]传递给第一正弦信号发生器和第一余弦信号发生器；

当调节PI调节器的比例积分参数使得K₁sin(θ-Φ)趋于零时，积分器输出转子位置角度θ。

位置误差检测模块结构原理如图5所示，由第二峰值检测器、平方和加法器、信号增益系数平方运算器、第六加法器、阈值设定模块和比较器组成；

假设旋转变压器输出信号中包含幅值不平衡、正交不完全、信号偏移三种误差信号，其中幅值不平衡、正交不完全分量分别表示为α、β，信号偏移分别表示为△y_s和△y_c，则旋变输出信号分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U_{\sin }}^{\′}=K_1\sin {\mathrm{\ω}}_{c}t\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})+\mathrm{\Δ}{y}_s\\ {U_{\cos }}^{\′}=K_1(1+\mathrm{\α})\sin {\mathrm{\ω}}_{c}t\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}{y}_c\end{array}\right.---\left(6\right)$

第二峰值检测器通过检测数字正弦信号sinω_c的峰值对旋变输出信号U_sin′、U_cos′进行峰值采样，输出U_sin″和U_cos″给平方和加法器；

$\left\{\begin{array}{c}{U_{\sin }}^{\″}=K_1\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})+\mathrm{\Δ}{y}_s\\ {U_{\cos }}^{\″}=K_1(1+\mathrm{\α})\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ}{y}_c\end{array}\right.---\left(7\right)$

平方和加法器将采样结果U_sin″和U_cos″的平方相加输出K₄给第六加法器；

K₄=U_sin″²+U_cos″²

=K₁ ²[sin²(θ+β)+(1+α)²cos²θ]+2K₁(△y_ssin(θ+β)+△y_ccosθ)+△y_s ²+△y_c ²    (8)

其中：α、β、△y_s、△y_c均很小，有cos2β≈1、sin2β≈2β、α²≈0、△y_s ²≈0、△y_c ²≈0，则(8)式可表示为：

K₄=K₁ ²(1+α+αcos2θ+βsin2θ)+2K₁(△y_ssin(θ+β)+△y_ccosθ)    (9)

第六加法器将K₄ ²减去信号增益系数平方运算器的输出K₁ ²，获得故障表征信号ε传递给比较器，ε表达式为：

ε=K₄-K₁ ²=K₁ ²(α+αcos2θ+βsin2θ)

+2K₁[△y_ssinθ+(△y_c+△y_sβ)cosθ]    (10)

比较器将ε值与设定阈值模块设定的阈值δ进行比较输出故障控制信号，当ε>δ时，判定出现故障信号；当ε≤δ时，判定旋转变压器输出为正常信号，δ为一大于零的很小常量。

选择开关，根据位置误差检测模块输出的误差控制信号，进行选择输出，当位置误差检测模块输出故障信号时，输出触发信号启动位置误差估计模块在线估计出位置误差；当位置误差检测模块输出正常信号时，输出转子位置角度θ用于永磁同步电机的矢量控制。

位置误差估计模块接收来自选择开关的触发信号以启动位置误差在线辨识算法，位置误差估计模块根据转子位置角度θ经转速波动计算、参数辨识和位置误差计算后获得实际位置误差△θ。位置误差估计模块结构原理如图6所示，由转速波动计算模块、参数辨识模块、位置误差计算模块组成。

转速波动计算模块如图7所示，是由第四延迟器、第七加法器、第三增益运算放大器、低通滤波器和第八加法器组成；第四延迟器、第七加法器和第三增益运算放大器构成一微分环节，第四延迟器接收转子位置角度第n时刻采样值θ[n]后延迟一个采样周期Ts后输出θ[n-1]传递给第七加法器；第七加法器将所接收的转子位置角度θ[n]减去θ[n-1]后获得微分增量△θ[n]输出给第三增益运算放大器；第三增益运算放大器将所接收的微分增量△θ[n]除以采样周期Ts后获得转速ω′传递给第八加法器和低通滤波器；低通滤波器将输入的转速ω′低通滤波后输出稳态转速ω给第八加法器和参数辨识模块；第八加法器将输入的转速ω′减去稳态转速ω后输出转速波动分量△ω传递给参数辨识模块；

参数辨识模块如图8所示，包括增益放大器、乘法器、正弦发生器、余弦发生器和卡尔曼滤波器。参数辨识模块主要完成将转速波动分量实测值△ω、稳态转速ω和位置θ应用卡尔曼滤波法实现在线辨识参数ψ_p。在线辨识参数的具体过程如下：

假设转子位置误差为△θ，将△θ展开成傅里叶级数为：

$\mathrm{\Δ\θ}\left(i\right)={\mathrm{\ψ}}_0+\underset{n=1}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{\ψ}}_n\·\sin \mathrm{n\θ}+{\mathrm{\ψ}}_n\·\cos \mathrm{n\θ})---\left(11\right)$

式(11)中ψ_n是第n次谐波分量的系数，△θ(i)是i时刻的转子位置误差忽略二次以上的谐波，则(11)式可近似为：

△θ(i)=ψ₁sinθ_i+ψ₂cosθ_i+ψ₃sin2θ_i+ψ₄cos2θ_i+ψ₅    (12)

对(12)式两边求导可得：

△ω′(i)=ωψ₁cosθ_i-ωψ₂sinθ_i+2ωψ₃cos2θ_i-2ωψ₄sin2θ_i    (13)

式(13)中△ω′(i)是i次转子位置角度采样值θ_i时的转速波动分量观测值

参数辨识模块将稳态转速ω和转子位置角度θ代入式(13)中获得转速波动分量的观测值△ω′，同时将所接收的转速波动分量△ω和得到的速波动分量的观测值△ω′利用卡尔曼滤波器进行在线参数辨识，当迭代运算使得转速波动分量实测值△ω和观测值△ω′之差的平方和最小时，输出辨识参数ψ_p,p=1,2,3,4给位置误差计算模块；

位置误差计算模块如图9所示，其中增益放大器、乘法器和正余弦发生器将在线辨识的参数向量ψ_p和转子位置角度θ代入位置误差计算式(14)估算出实际转子位置误差△θ。

△θ=ψ₁sinθ_i+ψ₂cosθ_i+ψ₃sin2θ_i+ψ₄cos2θ_i    (14)

位置补偿模块将解调获取的转子位置角度θ减去转子位置误差△θ输出补偿后的转子位置角度θ_c。

Claims (6)

1.一种可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器，其特征是：以所述旋转变压器数字转换器利用旋转变压器获取永磁同步电机的转子位置，所述旋转变压器数字转换器包括：数字正弦发生器、励磁信号生成模块、AD转换器、信号调理模块、位置误差检测模块、选择开关、位置误差估计模块和位置补偿模块；

所述数字正弦发生器生成数字正弦信号sinω_c，并将所述数字正弦信号sinω_c分别输出给励磁信号生成模块、信号调理模块和位置误差检测模块；

所述励磁信号生成模块将所接收的数字正弦信号sinω_c经数模转换、幅值放大和反相处理后，生成旋转变压器的励磁信号K₁sinω_c；

所述旋转变压器接收由所述励磁信号生成模块生成的励磁信号K₁sinω_c，采集所述永磁同步电机的转子位置角度信息，输出模拟量正弦信号U_sin和模拟量余弦信号U_cos至所述AD转换器；

所述AD转换器将所接收的模拟量正弦信号U_sin和模拟量余弦信号U_cos转换为数字量的数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′分别传递给所述信号调理模块和所述位置误差检测模块；

所述信号调理模块接收所述数字正弦信号sinω_c、数字量正弦信号U_sin′，以及数字量余弦信号U_cos′后进行转子位置闭环跟踪处理，获得所述永磁同步电机的转子位置角度θ，并将所述转子位置角度θ分别输出给所述选择开关、位置误差估计模块和位置补偿模块；

所述位置误差检测模块接收所述数字正弦信号sinω_c以及所述数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′，所述数字正弦信号sinω_c对所述数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′进行峰值采样和在线故障诊断，根据诊断结果输出位置故障信号或位置正常信号给所述选择开关；

所述选择开关是当接收到所述转子位置角度θ和位置故障信号时，输出触发信号给所述位置误差估计模块；当接收到所述转子位置角度θ和位置正常信号时，输出所述转子位置角度θ用于永磁同步电机的矢量控制；

所述位置误差估计模块接收所述触发信号和转子位置角度θ后启动在线位置误差估计算法实时估计转子位置误差Δθ并输出给所述位置补偿模块；

所述位置补偿模块接收所述转子位置角度θ和所述转子位置误差Δθ后进行转子位置自适应补偿获得补偿后的转子位置角度θ_c，所述转子位置角度θ_c用于永磁同步电机的矢量控制。

2.根据权利要求1所述的可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器，其特征是：所述数字正弦发生器是由第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一延迟器、第二延迟器、第一增益系数运算器和第二增益系数运算器组成；

所述第一加法器将所述第二延迟器输出的S₂[n]和第一增益系数运算器输出的S₄进行相加，所获得的结果S₁传递给所述第一延迟器；

所述第二加法器将所述第一延迟器输出的S₁[n]和第一增益系数运算器输出的S₄进行相加，获得的结果S₂传递给第二延迟器；

所述第三加法器将所述第一延迟输出的S₁[n]和第二延迟器输出的S₂[n]进行相加，获得的结果S₃传递给所述第一增益系数运算器；

所述第一增益系数运算器将所述S₃乘以增益系数K₂后获得所述输出S₄；

所述第二增益系数运算器将所述第二延迟器输出的S₂[n]乘以增益系数K₃后输出数字正弦信号sinω_c。

3.根据权利要求1所述的可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器，其特征是：所述励磁信号生成模块是由数模转换器、第一增益运算放大器、第二增益运算放大器、反相器、第一电压跟随器、第二电压跟随器和第四加法器组成；

所述数模转换器针对所述数字正弦信号sinω_c进行数模转换，获得模拟正弦信号sinω_ct分别传递给所述第一增益运算放大器和反相器，所述第一增益运算放大器将所接收的模拟正弦信号sinω_ct放大为电压信号V sinω_ct后传递给所述第一电压跟随器，所述第一电压跟随器将放大后的电压信号V sinω_ct进行隔离输出中间变量A₁给所述第四加法器；

所述反相器将所接收的模拟正弦信号sinω_ct转换为电压信号sin(ω_ct+π)后传递给第二增益运算放大器，所述第二增益运算放大器将反相后的电压信号sin(ω_ct+π)放大为电压信号Vsin(ω_ct+π)后传递给所述第二电压跟随器，所述第二电压跟随器将放大后的Vsin(ω_ct+π)进行隔离输出中间变量B₁给所述第四加法器；

所述第四加法器将所接收的中间变量A₁减去所接收的中间变量B₁后输出旋转变压器所需要的励磁信号K₁sinω_ct。

4.根据权利要求1所述的可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器，其特征是：所述信号调理模块由第一乘法器、第二乘法器、第一余弦信号发生器、第一正弦信号发生器、第五加法器、第一峰值检测器、PI调节器、积分器和第三延迟器构成的转子位置闭环跟踪回路组成；

所述第一乘法器将所接收的数字量正弦信号U_sin′与所述第一余弦信号发生器生成的前一时刻的余弦信号cos(Φ[n-1])相乘后获得中间变量A₂输出给第五加法器；

所述第二乘法器将所接收的数字量余弦信号U_cos′与所述第一正弦信号发生器生成的前一时刻正弦信号sin(Φ[n-1])相乘后获得中间变量B₂输出给第五加法器；

所述第五加法器将所接收的中间变量A₂减去中间变量B₂获得转子位置误差U_err传递给所述第一峰值检测器；

所述第一峰值检测器根据所接收的数字正弦信号sinω_ct对转子位置误差U_err进行峰值采样输出采样结果K₁sin(θ-Φ)给所述PI调节器；

所述PI调节器将所接收的采样结果K₁sin(θ-Φ)通过比例积分调节获得转速ω输出给所述积分器；

所述积分器将所接收的转速ω进行积分获得转子位置角度当前估计值Φ[n]输出给所述第三延迟器；

所述第三延迟器将所接收的当前转子位置角度估计值Φ[n]延迟一个采样周期Ts后输出前一时刻转子位置角度估计值Φ[n-1]传递给所述第一正弦信号发生器和第一余弦信号发生器；

当所述PI调节器使得K₁sin(θ-Φ)趋于零时，所述积分器输出转子位置角度θ。

5.根据权利要求1所述的可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器，其特征是：所述位置误差检测模块是由第二峰值检测器、平方和加法器、信号增益系数平方运算器、第六加法器、阈值设定模块和比较器组成；

所述第二峰值检测器根据所接收的数字正弦信号sinω_ct对所述数字量正弦信号U_sin′和数字量余弦信号U_cos′进行峰值采样输出采样结果U_sin″和U_cos″传递给所述平方和加法器；

所述平方和加法器将所接收的采样结果U_sin″和U_cos″进行求平方和运算输出中间变量K₄传递给所述第六加法器；

所述第六加法器将所接收的中间变量K₄减去所述信号增益系数平方运算器输出的增益系数K₁ ²获得故障表征信号ε传递给所述比较器；

所述比较器将所接收的故障表征信号ε与阈值设定模块设定的阈值δ进行比较，当ε>δ时，则输出位置故障信号；当ε≤δ时，则输出位置正常信号。

6.根据权利要求1所述的可故障在线检测和容错控制的旋转变压器数字转换器，其特征是：所述位置误差估计模块是由转速波动计算模块、参数辨识模块和位置误差计算模块组成；

所述转速波动计算模块是由第四延迟器、第七加法器、第三增益运算放大器、低通滤波器和第八加法器组成；所述第四延迟器接收所述转子位置角度的第n时刻采样值θ[n]后延迟一个采样周期Ts后输出θ[n-1]传递给所述第七加法器；所述第七加法器将所接收的转子位置角度θ[n]减去θ[n-1]获得微分增量Δθ[n]输出给第三增益运算放大器；所述第三增益运算放大器将所接收的微分增量Δθ[n]除以采样周期Ts后获得转速ω′传递给所述第八加法器和所述低通滤波器；所述低通滤波器将输入的转速ω′进行低通滤波后输出稳态转速ω给所述第八加法器和所述参数辨识模块；所述第八加法器将输入的转速ω′减去稳态转速ω后输出转速波动分量Δω传递给所述参数辨识模块；

所述参数辨识模块根据所接收的转速波动分量Δω、稳态转速ω和转子位置角度θ利用卡尔曼滤波器方法对所述转速波动分量Δω按式(1)进行在线辨识参数ψ_p，p＝1，2，3，4,并将所辨识的参数ψ_p传递给所述位置误差计算模块；

Δω′(i)＝ωψ₁cosθ_i-ωψ₂sinθ_i+2ωψ₃cos2θ_i-2ωψ₄sin2θ_i    (1)

式(1)中，Δ′ω(i)是第i次转子位置角度采样值θ_i时的转速波动分量观测值；

所述位置误差计算模块利用所接收的转子位置角度θ和参数向量ψ_p按式(2)计算获得转子位置误差Δθ：

Δθ＝ψ₁sinθ_i+ψ₂cosθ_i+ψ₃sin2θ_i+ψ₄cos2θ_i    (2)。