CN104393815B - 一种基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置，通过模型参考自适应方法(MRAS)估算得到的转速ω₂和高频注入法估算得到的转速ω₃通过加权处理后，得到估计转速再将和基于极大似然估计算法得到的先验概率输入基于后验概率的容错控制模块，得到参与电机矢量控制的反馈转速从而实现改善系统的动态性能的目标，同时也减小了因该方法带来的稳态误差的影响。

Description

一种基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置

技术领域

本发明属于永磁电机驱动控制技术领域，具体涉及一种基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置。

背景技术

永磁同步电机体积小，重量轻，调速比范围宽，效率高的优点使得国内外许多高性能电机和特殊领域的电机均使用永磁同步电机。其功率等级从毫瓦级到兆瓦级，应用范围从玩具，工业应用到船舶电力推进。

目前永磁同步电机控制技术中除了磁链难以控制，转矩脉动大等控制难题，还面临控制所需各类传感器的可靠性保障问题，特别是其中的速度传感器。作为高精度控制永磁电机不可或缺的检测装置，其故障将导致系统无法实现闭环控制时，对系统的稳定运行会造成严重影响。而传感器工作易受环境和工作时间影响。因此，速度传感器的运行可靠性是永磁同步电机控制中需要考虑的关键一环。

作为一种改进方案，在2014年06月18日公开，公开号为CN103872962A，发明名称为“一种永磁同步电机速度传感器的在线容错控制装置”的中国发明专利中公布了一种解决速度传感器故障的在线容错控制装置。图1是基于该速度传感器故障的在线容错控制装置的电机驱动控制系统示意图。如图1所示，在传统的永磁电机矢量控制系统基础上，加入了高转速和低转速两个速度估计模块和容错控制模块，将永磁同步电机的电压、电流信号输入两个转速估计模块中，计算得到相应的估计转速。容错控制模块根据速度传感器得到的采集转速ω₁和估计转速，通过故障检测、先验后验概率的计算等过程得到转速ω_r，该转速作为实际反馈转速参与系统的矢量控制。

该发明的容错控制策略可以简单概括为：当电机运行在高转速时，如果发生速度传感器故障，反馈转速将会从采集转速ω_m平稳地切换为高转速估计模块输出的估计转速ω_h；当电机运行在低转速时，如果发生速度传感器故障，反馈转速将会从采集转速ω_m平稳地切换为低转速估计模块输出的估计转速ω_l。

该发明包含低转速和高转速两个速度估计模块，减小了单一转速估计算法在特定转速区间存在的估计误差，拓宽了转速的准确估算范围。当电机在固定转速运行时，该发明能在速度传感器故障时实现反馈转速的平稳切换，具有较好的稳定性，并且能够根据电机运行状况实时更新先验概率，提高容错控制效果。

但该发明仍然存在以下不足：当电机系统状态在低速与高速之间频繁切换运行时，系统采用的估计转速就会在ω_h和ω_l两个状态之间往复切换，而ω_h和ω_l之间存在偏差，这将导致电机转速发生振荡，影响系统的动态稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置，采用复合估计转速作为反馈转速，既拓宽转速调整范围，又改善了系统的动态稳定性，并根据先验概率的实时在线更新提升了后验概率在不同转速段的准确性。

为实现上述发明目的，本发明一种基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置，其特征在于，包括：模型参考自适应法估算模块、高频注入法估算模块、估计转速复合处理模块和容错控制模块；其中：

模型参考自适应法估算模块采用模型参考自适应算法根据电机的电流电压参数估计得到电机转速ω₂，其转速估算适用速段为(ω_th,ω_M]，ω_th为高低转速段分段点，ω_M为电机最大转速；

高频注入法估算模块采用旋转高频电压注入法根据电机的电流电压参数估计得到电机转速ω₃，其转速估算适用速段为[0,ω_th]；

估计转速复合处理模块用于从速度传感器接收电机采集转速ω₁和两个转速估计模块得到的估计转速ω₂、ω₃，再分别计算电机转速ω₂和ω₃的加权α和β，从而得到复合估计转速并同时根据极大似然估计算法计算转速ω₁和复合估计转速的先验概率P(A₁)和P(A₂)，且有P(A₁)+P(A₂)＝1，其中，事件A₁和A₂定义如下：

A₁＝{选取传感器输出信息作为反馈转速}；

A₂＝{选取估计算法所得转速值作为反馈转速}；

容错控制模块利用估计转速复合处理模块所得的先验概率P(A₁)和P(A₂)计算后验概率：

其中，事件B定义为：B＝{转速闭环反馈值正确}；P(A₁|B)为采集转速对应的后验概率，表示当转速闭环反馈值正确时，选取传感器采集值为反馈转速的概率；P(A₂|B)为估计转速对应的后验概率，表示当转速闭环反馈值正确时，选取估计转速为反馈转速的概率；P(B|A₁)为采集转速对应的条件概率，表示当选取传感器采集转速作为反馈转速时，转速闭环反馈值正确的概率；P(B|A₂)为采集转速对应的条件概率，表示当选取估计转速作为反馈转速时，转速闭环反馈值正确的概率；且有

其中，T为故障发生持续时间，T_s为整个容错控制装置的闭环控制周期，λ表示预设的条件概率变化率，且0≤λ≤1；θ为预设的后验概率阈值，当P(B|A₁)＞θ时，认为速度传感器未发生故障，则令反馈转速ω_r＝ω₁，否则反馈转速ω_1Last为故障发生前一个系统控制周期速度传感器所采集的转速。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置，通过模型参考自适应算法估算得到的转速ω₂和高频注入法估算得到的转速ω₃通过加权处理后，得到估计转速再将和基于极大似然估计算法得到的先验概率输入基于后验概率的容错控制模块，得到参与电机矢量控制的反馈转速从而实现改善系统的动态性能的目标，同时也减小了因该方法带来的稳态误差的影响。

同时，本发明基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置还具有以下有益效果：

(1)、当电机运行在固定转速时，基于后验概率的容错控制策略能实现反馈转速由采集转速到估计转速的平稳切换，使系统在固定转速下有良好的静态稳定性；

(2)、采用两种转速估计算法，拓宽了该容错系统可准确进行容错控制的转速范围；当系统运行状态变化时，对估计转速的复合处理，使得本发明能在可接受的较小静差存在下，实现相关的动态稳定性的要求；

(3)、本发明利用后验概率进行容错控制，即逐渐改变采集转速和估计转速在反馈转速中的权重，实现了反馈转速由采集转速向估计转速的平稳切换，而先验概率的实时在线更新也提升了后验概率在不同转速段的准确性。而且本发明的容错控制装置实现简单，容错控制计算时间较短，利于容错控制的在线实现和应用。

附图说明

图1是永磁同步电机速度传感器的在线容错控制装置的电机驱动控制系统示意图；

图2是基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置的电机驱动控制系统示意图；

图3是电机运行状态变化时，永磁同步电机速度传感器的在线容错控制装置的电机驱动控制系统的容错控制效果示意图；

图4是电机运行状态变化时，基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置的电机驱动控制系统的容错控制效果示意图；

表1是1.1kW内埋式永磁同步电机的参数表；

表2是速度传感器、模型参考自适应算法、旋转高频注入法在不同转速下的可靠概率统计表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置的电机驱动控制系统示意图。

本实施例中，如图2所示，本发明基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置，包括：模型参考自适应法估算模块7、高频注入法估算模块8、估计转速复合处理模块9、容错控制模块10。

与图1所示的电机驱动控制系统不同，本发明采用估计转速复合处理模块9代替了转速正确率计算模块，该模块不仅要进行先验概率的计算，还要对两个估计转速ω₂和ω₃进行复合处理，得到复合估计转速来实现改善系统的动态稳定性能的目标。本实施例中，模型参考自适应算法和旋转高频电压注入法的适应速段的划分阈值设置为ω_th＝45rad/s，则期望转速小于等于ω_th时即为低速段，大于ω_th时为高速段。

在本实施例中，仿真模型中所用的电机为1.1kW内埋式永磁同步电机，其电机参数如表1所示：

表1

本实施例中，模型参考自适应法估算模块7采用模型参考自适应方法估计电机转速。具体方法为：以永磁同步电机电压方程为可调模型，根据实际控制电压计算出估计电流值，同时以采集的电机实际定子电流为参考模型输出，将采集电流与估计电流作差，通过自适应律计算得估计转速反馈至可调模型进行闭环调节。

经推导，可得：

参考模型pi'＝Ai'+Bu

可调模型

式中，

p为微分算子，i′表示实际电流矩阵，表示估计电流矩阵，A表示含有实际转速的矩阵，表示含有估计转速的矩阵，ω_e表示电机实际转速，表示电机估计转速，i_d、i_q、u_d、u_q分别为永磁同步电机d轴，q轴的实际电流电压，分别为d轴，q轴的估计电流，ψ_f为磁链，R_s为定子电阻，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感。根据波波夫超稳定性定理，可以最终得到估计转速ω₂：

式中，k_i为积分系数，k_p为比例系数，ω(0)为估计转速初值。

本实施例中，高频注入法估算模块8利用永磁同步电机的凸极效应，向u_α、u_β中叠加高频电压正弦信号实现激励，使电机产生可测磁凸极，通过检测高频电流信号获得转子位置和速度信息。

注入的高频电压信号为

式中，V_h为电压信号幅值，θ_h为u_αh、u_βh合成的高频电压信号与α轴的夹角。

在高频电压注入法激励下的两相静止坐标系下的电流i_αh、i_βh为：

式中，

ω_h为高频电压信号的角频率，θ_r为转子位置角。该式以指数形式表示为

显然，式中的负序分量含有转子位置信息θ_r，因此采用滤波器滤去正序分量，并对负序分量进行相应处理，得到转子位置信息，再以此得到估计转速ω₃。该方法较为成熟，故具体实现过程不再赘述。

在正常电机运行中，虽然存在一定的估计误差，但这两种估计算法得到的估计转速和速度传感器的采集转速是十分相近的。因此，当速度传感器发生故障时，采集转速和两种估计转速之间会产生很大区别。在基于本发明容错控制装置中，这种区别会明显改变采集转速和两种估计转速对应的后验概率。故可以根据采集转速对应的后验概率来判断速度传感器是否发生了故障，从而决定是否进行容错控制处理。要得到相应的后验概率，首先要计算对应的先验概率。

本实施例中，估计转速复合处理模块9的任务是分别计算ω₂和ω₃的加权α和β，从而得到复合估计转速并同时根据极大似然估计算法计算采集转速ω₁和复合估计转速的先验概率。

首先通过预先的多次训练，可以得到速度传感器，模型参考自适应算法，旋转高频注入法三个输出转速在不同转速下的可靠概率，如表2所示。

表2

由表2可以得到模型参考自适应算法在高、低速段估算转速的可靠概率P_Mh和P_Ml，以及旋转高频注入法在高、低速段估算转速的可靠概率P_Hh和P_Hl。则有

该模块中ω₂和ω₃的加权α和β的计算方法为：

其中，ω_ref为给定的期望转速，本实施例中，转速分段阈值ω_th为45rad/s。

由于这两种转速估计算法并不是在全速段都能保持较高的估计准确性，所以采用复合估计转速在明显改善系统故障后的动态稳定性的同时，会增大静态误差。本发明采用极大似然估计算法思想，对估计转速进行了加权处理，很大程度上减小了这一静差带来的影响，但不能完全消除。因此，根据系统对静态误差的实际要求还设定了估计转速误差阈值ω_Δ，只有满足|ω₂-ω₃|≤ω_Δ，两种估计转速之间的偏差不会影响系统性能时，再进行估计转速的复合处理。

在进行先验概率的计算前，先做如下假设：

1.传感器故障前，由速度传感器得到的转速作为反馈转速，系统能稳定运行，其作为反馈转速，为正确值的概率最终为1。

2.传感器故障后，由速度传感器得到的转速作为反馈转速，系统不能稳定运行，其作为反馈转速，为正确值的概率最终为0。

3.在传感器故障前，由于始终由速度传感器得到的转速作为反馈转速，不考虑估计转速作为反馈转速的情况，如果由估计转速作为反馈转速时，则转速闭环反馈值正确的概率最终为0。

4.在传感器故障后，由估计转速作为反馈转速，系统能稳定运行，反馈转速为正确值的概率最终为1。

同时定义事件如下：

A₁＝{选取传感器输出信息作为反馈转速}；

A₂＝{选取估计算法所得转速值作为反馈转速}；

B＝{转速闭环反馈值正确}。

先验概率P(A₁)和P(A₂)的计算方法如下所示：

当故障发生时，先将三个转速ω₁、ω₂、ω₃分类：

当|ω₂-ω₃|小于等于预设的转速误差阈值ω_Δ时，将转速ω₁作为集合Ω₁，将ω₂、ω₃作为集合；记集合数量为R，根据极大似然估计算法计算三个转速的正确概率为：

其中，i为转速序号，i＝1，2，3；j为转速集合的序号，j＝1，2，…，R，r_i为预先多次试验得到的在相应转速段转速ω_i的可靠概率，为集合Ω_j中转速的平均值，δ为预设的转速差值阈值；

在两个集合中必存在正确转速这前提一条件下，计算ω_i为正确结果的条件概率即先验概率：

容错控制模块10利用估计转速复合处理模块所得的先验概率P(A₁)和P(A₂)计算后验概率：

其中，P(A₁|B)为采集转速对应的后验概率，表示当转速闭环反馈值正确时，选取传感器采集值为反馈转速的概率；P(A₂|B)为估计转速对应的后验概率，表示当转速闭环反馈值正确时，选取估计转速为反馈转速的概率；P(B|A₁)为采集转速对应的条件概率，表示当选取传感器采集转速作为反馈转速时，转速闭环反馈值正确的概率；P(B|A₂)为采集转速对应的条件概率，表示当选取估计转速作为反馈转速时，转速闭环反馈值正确的概率；且有

其中，T为故障发生持续时间，T_s为整个容错控制装置的闭环控制周期，λ表示预设的条件概率变化率，且0≤λ≤1；θ为预设的后验概率阈值，当P(B|A₁)＞θ时，认为速度传感器未发生故障，则令反馈转速ω_r＝ω₁，否则反馈转速ω_1Last为故障发生前一个系统控制周期速度传感器所采集的转速。

将基于本发明的电机驱动控制系统和发明专利CN103872962A中的电机驱动控制系统应用于具体实例中，在同一时刻模拟发生速度传感器故障，并在同一时刻电机运行状态发生变化，比较两种电机驱动控制系统的容错控制效果，固定转速下的静态稳定性能以及电机运行状态发生变化时的动态稳定性能。

图3是电机运行状态变化时，永磁同步电机速度传感器的在线容错控制装置的电机驱动控制系统的容错控制效果示意图；

图4是电机运行状态变化时，基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置的电机驱动控制系统的容错控制效果示意图。

两个驱动控制系统起始期望转速都为为20rad/s，在2s左右发生速度传感器故障，并在4s时电机进行调速，期望转速由20rad/s改变为100rad/s。由两者的对比可知，两种容错控制装置在固定转速下都有较好的容错控制效果，电机转速故障点没有明显波动，都有较好的静态稳定性。但电机运行状态发生变化，由20rad/s上升为100rad/s，从低转速段上升到高转速段时，在图3基于发明专利CN103872962A中的容错控制系统中，转速上升过程中出现了明显振荡，而且有较大的超调量，转速最大峰值为135rad/s；而在图4基于本发明的容错控制系统中，转速上升过程中没有明显振荡，而且超调量较小，转速最大峰值只有107rad/s，动态稳定性更好。

根据以上仿真实例可知，基于本发明的永磁同步电机容错控制系统拥有良好的容错控制效果，并且可以明显改善系统的动态稳定性，提高了故障状态下电机运行的安全性和稳定性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置，其特征在于，包括：模型参考自适应法估算模块、高频注入法估算模块、估计转速复合处理模块和容错控制模块；其中：

模型参考自适应法估算模块采用模型参考自适应算法根据电机的电流电压参数估计得到电机转速ω₂，其转速估算适用速段为(ω_th,ω_M]，ω_th为高低转速段分段点，ω_M为电机最大转速；

高频注入法估算模块采用旋转高频电压注入法根据电机的电流电压参数估计得到电机转速ω₃，其转速估算适用速段为[0,ω_th]；

估计转速复合处理模块用于从速度传感器接收电机采集转速ω₁和两个转速估计模块得到的估计转速ω₂、ω₃，再分别计算电机转速ω₂和ω₃的加权α和β，从而得到复合估计转速并同时根据极大似然估计算法计算转速ω₁和复合估计转速的先验概率P(A₁)和P(A₂)，且有P(A₁)+P(A₂)＝1，其中，事件A₁和A₂定义如下：

A₁＝{选取传感器输出信息作为反馈转速}；

A₂＝{选取估计算法所得转速值作为反馈转速}；

容错控制模块利用估计转速复合处理模块所得的先验概率P(A₁)和P(A₂)计算后验概率：

$P\left(A_1\right|B)=\frac{P\left(B\right|A_1)*P\left(A_1\right)}{P\left(B\right|A_1)*P\left(A_1\right)+P\left(B\right|A_2)*P\left(A_2\right)}$

$P\left(A_2\right|B)=\frac{P\left(B\right|A_2)*P\left(A_2\right)}{P\left(B\right|A_1)*P\left(A_1\right)+P\left(B\right|A_2)*P\left(A_2\right)}$

其中，事件B定义为：B＝{转速闭环反馈值正确}；P(A₁|B)为采集转速对应的后验概率，表示当转速闭环反馈值正确时，选取传感器采集值为反馈转速的概率；P(A₂|B)为估计转速对应的后验概率，表示当转速闭环反馈值正确时，选取估计转速为反馈转速的概率；P(B|A₁)为采集转速对应的条件概率，表示当选取传感器采集转速作为反馈转速时，转速闭环反馈值正确的概率；P(B|A₂)为采集转速对应的条件概率，表示当选取估计转速作为反馈转速时，转速闭环反馈值正确的概率；且有

$P\left(B\right|A_1)={\mathrm{\λ}}^{T/T_s}$

$P\left(B\right|A_2)=1-{\mathrm{\λ}}^{T/T_s}$

其中，T为故障发生持续时间，T_s为整个容错控制装置的闭环控制周期，λ表示预设的条件概率变化率，且0≤λ≤1；θ为预设的后验概率阈值，当P(B|A₁)＞θ时，认为速度传感器未发生故障，则令反馈转速ω_r＝ω₁，否则反馈转速ω_1Last为故障发生前一个系统控制周期速度传感器所采集的转速；

其中，所述的估计转速复合处理模块中计算电机转速ω₂和ω₃的加权α和β的方法为：

通过预先的多次训练，得到模型参考自适应算法在高、低速段估算转速的可靠概率P_Mh和P_Ml，以及旋转高频电压注入法在高、低速段估算转速的可靠概率P_Hh和P_Hl；则有

$\mathrm{\α}=\left\{\begin{array}{c}\frac{P_{Mh}*(1-P_{Hh})}{\[P_{Mh}*(1-P_{Hh})\]*\[(1-P_{Mh})*P_{Hh}\]},{\mathrm{\ω}}_{ref}>{\mathrm{\ω}}_{th}\\ \frac{P_{Ml}*(1-P_{Hl})}{\[P_{Ml}*(1-P_{Hl})\]*\[(1-P_{Ml})*P_{Hl}\]},{\mathrm{\ω}}_{ref}\≤{\mathrm{\ω}}_{th}\end{array}\right.$

$\mathrm{\β}=\left\{\begin{array}{c}\frac{P_{Hh}*(1-P_{Mh})}{\[P_{Mh}*(1-P_{Hh})\]*\[(1-P_{Mh})*P_{Hh}\]},{\mathrm{\ω}}_{ref}>{\mathrm{\ω}}_{th}\\ \frac{P_{Hl}*(1-P_{Ml})}{\[P_{Ml}*(1-P_{Hl})\]*\[(1-P_{Ml})*P_{Hl}\]},{\mathrm{\ω}}_{ref}\≤{\mathrm{\ω}}_{th}\end{array}\right.$

其中，ω_ref为给定的期望转速。

2.根据权利要求1所述的基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制装置，其特征在于，所述的先验概率P(A₁)和P(A₂)的计算方法为：

当|ω₂-ω₃|小于等于预设的转速误差阈值ω_Δ时，将转速ω₁作为集合Ω₁，将ω₂、ω₃作为集合；记集合数量为R，根据极大似然估计算法计算三个转速的正确概率为：

${\mathrm{\Φ}}_j\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{r}_i,& \left|{\mathrm{\ω}}_i-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_j\right|\≤\mathrm{\δ}\\ (1-r_i)/(R-1),& \left|{\mathrm{\ω}}_i-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_j\right|>\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，i为转速序号，i＝1，2，3；j为转速集合的序号，j＝1，2，…，R，r_i为预先多次试验得到的在相应转速段转速ω_i的可靠概率，为集合Ω_j中转速的平均值，δ为预设的转速差值阈值；

在两个集合中必存在正确转速这前提一条件下，计算ω_i为正确结果的条件概率即先验概率：

$P\left(A_j\right)=\[\underset{i=1}{\overset{3}{\Π}}{\mathrm{\Φ}}_j\left(i\right)\]/\[\underset{m=1}{\overset{R}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{3}{\Π}}{\mathrm{\Φ}}_m\left(i\right)\].$