CN108566133A - 一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法，属于机电检测技术领域。该方法包括如下步骤：(1)、正常模式，根据电机转速测量值对测角元件进行实时故障检测，出现故障达到一定次数时，将工作模式切换为预估模式，否则，对电机进行转速和电流双闭环控制，驱动电机旋转；(2)、预估模式下，对电机进行单电流闭环控制，产生旋转的电机定子磁场，驱动电机按照预设的速度旋转；满足故障恢复判据，则将测角元件出现故障的次数清零，将工作模式切换到正常模式；否则，将工作模式切换为故障模式；(3)、故障模式，对电机进行单电流闭环控制，产生恒定的电机定子磁场，驱动电机锁定在预设的角度位置。

Description

一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法
技术领域
本发明涉及一种角度检测故障的实时诊断与预估控制方法，适用于基于永磁同步电机的机电类产品在发生瞬时角度值检测故障的情况下，可实现故障的实时诊断与预估控制策略，保证产品在发生瞬时故障情况下的安全控制，属于机电检测技术领域。
背景技术
在航天领域中，控制力矩陀螺对于卫星的姿态稳定性与姿态控制精度起着重要的作用。而在控制力矩陀螺产品中，低速框架电机的转速控制性能对于产品的工作性能都具有非常重要的影响。角度检测的测量值作为引入电机闭环控制系统的反馈量，其正确性与精确度将直接影响低速框架电机闭环控制系统的稳定性和可靠性。
在电机闭环控制过程中，框架角度检测若发生瞬时错误(例如由导电滑环瞬断等原因所致)，可能导致闭环控制发生波动甚至闭环控制失控导致电机飞转等严重问题从而产生非预期的力矩输出进而威胁到整星姿态控制。因此需要对框架角度检测正确性进行判断，若判断出框架角度检测发生错误，则需要制定相应的保护处理策略防止框架因角度检测错误导致的失控或“飞转”事故。
CN102818579A公开了一种针对控制力矩陀螺产品角度检测准确性的判断方法，包括采用安全模式对角度检测错误的判据以及控制方法。然而该方法是一旦判断出转速或角度检测错误，产品立即进入安全模式，实现框架电机电流锁定，高速电机滑行的状态，且不响应上位机控制指令，不会自动退出安全模式。对于偶发性的瞬时角度检测错误情况，执行安全模式操作既影响卫星在轨执行机动任务，同时加大了地面飞控人员工作难度和工作量。而该专利并没有公开可以在角度检测错误的情况下实现转速预估的控制方法。
US20060055259A1公开了一种磁轴承转子位置控制的容错技术，包括采用一个方向设置6个传感器探头(3对)，该专利中利用所有备份的传感器探头输出全部采样方法实现传感器的容错控制。而该专利并没有公开针对无位置传感器的容错控制算法。
CN104393815A公开了一种基于复合估计转速的永磁同步电机容错控制方案，包括采用低速和高速两个转速估计模块，但该专利提供的方法不支持在高转速和低转速频繁切换的应用条件。此外，该方法需要加入高频注入模块，因而需要增加额外的高频检测电路。
“A sensorless initial rotor position estimation scheme for a directtorque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive”(IEEETRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS VOL.18,NO.6,2003)公开了一种基于永磁同步电机的无位置传感器控制方案，包括了自适应方法(MRAS) 和高频注入法相结合的方法。然而该文章公开的方法需要额外加入高频信号注入和高频信号检测的电路模块，增加了电路的复杂性。
“Study of position sensorless control of PMSM based on MRAS”(ICIT2009)公开了一种基于永磁同步电机的模型参考自适应法，包括自适应方法以及控制方法。然而该方法依赖于反电动势，该方法只是适用于高转速，不适用于低转速控制。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种永磁同步电机控制系统及其测角故障的诊断与控制方法，可保证在电机发生瞬时角度值检测故障时，仍能正确执行上位机控制指令，并在故障恢复后自动恢复为正常闭环控制，避免电机由于角度值检测故障而导致电机输出异常力矩。
本发明的技术解决方案是：一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)、将工作模式设置为正常模式，正常模式下，根据电机转速测量值对测角元件进行实时故障检测，并实时记录测角元件出现故障的次数，当在预设的第一时间段内累计测角元件出现故障达到一定次数时，将工作模式切换为预估模式，进入步骤(2)，否则，对电机进行转速和电流双闭环控制，驱动电机旋转；
(2)、预估模式下，对电机进行单电流闭环控制，产生旋转的电机定子磁场，驱动电机按照预设的速度旋转；从进入预估模式开始，经历预设的第二时间段之后，根据测角元件测量结果进行故障恢复检测，满足故障恢复判据，则将测角元件出现故障的次数清零，将工作模式切换到正常模式，回到步骤(1)；否则，将工作模式切换为故障模式，进入步骤(3)；
(3)、故障模式下，对电机进行单电流闭环控制，产生恒定的电机定子磁场，驱动电机锁定在预设的角度位置。
所述步骤(1)正常模式下转速和电流双闭环控制的具体实现为每个控制周期执行如下步骤：
将转速指令ω*与测角单元采集得到的电机转速ω之差输入至转速调节器 ASR，生成框架电机力矩电流指令值iq *；再将力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器 ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过 clarke变换和park变换得到；所述park变换和park反变换的转换矩阵由测角元件实时采集得到的角度θ确定。
所述步骤(2)预估模式下单电流闭环控制的具体实现为每个控制周期执行如下步骤：
将预设的力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过clarke变换和park变换得到；所述park变换和park反变换的转换矩阵由预估角度确定。
预估角度的初始值为进入预估模式之前测角元件测量得到的实际角度值。
进入预估模式之后，所述预估角度更新为上一个周期的预估角度与上一个周期的角度增量之和，所述上一周期的角度增量为上一周期的转速指令ω*与控制周期t的乘积。
所述预设的力矩电流指令值iq *的符号与转速指令ω*的符号相同，幅值不超过实际工况下电机需要承受的外部的最大耦合力矩除以电机的力矩系数。
所述步骤(3)故障模式下单电流闭环控制的具体实现为：
将预设的力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值 id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过clarke变换和park变换得到；所述park变换和park反变换的转换矩阵由预估角度确定，所述预估角度为预设的常数。
8、根据权利要求2、3或者7任一项所述的一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法，其特征在于所述永磁同步电机采用恒转矩角控制方式控制，即励磁电流指令值id *为0。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明在正常模式与故障模式之间提出了预估模式策略，可保证基于永磁同步电机的产品在偶然发生瞬时角度值检测故障的情况下进入预估模式，可正常执行指令，避免电机发生飞转或其他异常情况，从而保证了基于永磁同步电机的产品的可靠性和鲁棒性。
(2)、本发明提出的策略具备可自行退出预估模式的功能，可使发生偶发性测角故障的基于永磁同步电机的产品自行恢复正常模式，而频发性测角故障的基于永磁同步电机的产品以平稳转速过渡至故障模式，不至于在基于永磁同步电机的产品发生严重故障的情况下继续运行造成更严重的后果。同时提高基于永磁同步电机的产品的可靠性和安全性。
(3)、本发明提出的预估模式策略对于有可能会发生瞬时角度检测故障的基于永磁同步电机的产品具有遍适用性和推广性，因而具有较强市场竞争力。
(4)、本发明在不增加额外电路的条件下，适用于全转速段的转速预估容错控制策略。
附图说明
图1为本发明实施例永磁同步电机控制系统三种工作模式切换示意图；
图2为本发明实施例正常模式下转速和电流双闭环控制流图；
图3为本发明实施例预估模式下单电流闭环控制流图；
图4为本发明实施例
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种永磁同步电机控制系统及其角度检测故障实时诊断与预估控制方法。下面以控制力矩陀螺(CMG)的框架所使用的永磁同步电机为例对本发明进行详细说明。
如图1所示，该永磁同步电机控制系统分为三种工作模式，分别为正常模式、预估模式、故障模式。正常模式下，对电机进行转速和电流双闭环控制；预估模式下，对电机进行单电流闭环控制，产生旋转的电机定子磁场，驱动电机按照预设的速度旋转；故障模式下，对电机进行单电流闭环控制，产生恒定的电机定子磁场，驱动电机锁定在预设的角度位置。系统初始工作在正常模式下，三种工作模式下的具体工作过程和模式切换条件如下：
(1)正常模式
正常模式下，根据电机转速测量值对测角元件进行实时故障检测，并实时记录测角元件出现故障的次数，当在预设的第一时间段(例如2秒)内累计测角元件出现故障达到一定次数(例如:7次)时，即判断电机角度检测错误，进入预估模式，否则，根据转速指令ω*与电机转速ω、力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq、励磁电流值指令值id *与励磁电流实际值id，对电机进行转速和电流双闭环控制，驱动电机旋转。
如图2所示，正常模式下，每个控制周期将转速指令ω*与测角单元采集得到的电机转速ω之差输入至转速调节器ASR，生成框架电机力矩电流指令值iq *；再将力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM 逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机 PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过clarke变换和park变换得到：永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic通过clarke变换得到两相静止坐标系下的电流iα和iβ，两相静止坐标系下的电流iα和iβ再通过park变换生成两相旋转坐标系下的力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id。所述park变换和park反变换的转换矩阵由测角元件实时采集得到的角度θ确定。
控制力矩陀螺(CMG)的框架可以采用圆感应同步器或者旋转变压器作为测角元件，通过前后两个控制周期测量的角度值之差计算得到电机的转速。
所述测角元件出现故障的判据为：
所述测角元件出现故障的判据为：
(1.1)、通过相邻两个采样周期的角度值差分得到的电机转速大于第一预设门限；
(1.2)、相邻两个采样周期角度增量大于第二预设门限；
(1.3)、粗机通道角度检测值与电机实际角度值之差大于第三预设门限。
(2)预估模式
预估模式下，系统根据预估的电机转速ω*、电机指令转速ω、力矩电流值指令值iq *力矩电流实际值iq、励磁电流值指令值id *与励磁电流实际值id，对电机进行转子磁场定向的单电流闭环控制，驱动电机旋转；从进入预估模式开始，经历预设的第二时间段(例如2s)之后，根据测角元件测量数据进行故障恢复检测，满足故障恢复判据，则将测角元件出现故障的次数清零，回到正常模式；否则，进入故障模式。
如图3所示，所述步骤(2)预估模式下单电流闭环控制的具体实现为每个控制周期执行如下步骤：
将预设的力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值 id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过clarke变换和park变换得到；所述park变换和park反变换的转换矩阵由预估角度确定。
预估角度的初始值为进入预估模式之前测角元件测量得到的实际角度值。进入预估模式之后，所述预估角度更新为上一个周期的预估角度与上一个周期的角度增量之和，所述上一周期的角度增量为上一周期的转速指令ω*与控制周期t的乘积。
所述预设的力矩电流指令值iq *的符号与转速指令ω*的符号相同，幅值不超过实际工况下电机需要承受的外部的最大耦合力矩除以电机的力矩系数。本例中若本周期指令转速值为正，则力矩电流给定值为+i0；若本周期指令转速值为负，则力矩电流给定值为-i0；i0是根据电机运行特性而选择的可以一个给定电流值，不超过实际工况下电机需要承受的外部的最大耦合力矩除以电机的力矩系数。
所述测角元件为圆感应同步器时，故障恢复判据包括两条，两条同时满足，则认为满足故障恢复判据，否则，不满足故障恢复判据；
第一条故障恢复判据为：相邻采样周期的精机角度增量绝对值小于等于第四预设门限；
第二条故障恢复判据为：相邻周期的粗机角度增量绝对值小于等于第五预设门限。
图4为产品在正常模式运行时，突然发生导电环瞬断时，进入预估模式运行两秒后检测产品测角功能已恢复正常，于是退出预估模式，恢复至正常模式。
(3)故障模式
故障模式下，系统对电机进行单电流闭环控制，即产生恒定的电机定子磁链，在此磁链的作用下，电机锁定在预设的角度位置。在当前模式下只有通过外部输入的飞控指令才能够退出故障模式。
故障模式下单电流闭环控制的具体实现为：
将预设的力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值 id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过clarke变换和park变换得到；所述park变换和park反变换的转换矩阵由预估角度确定，所述预估角度为预设的常数。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、将工作模式设置为正常模式，正常模式下，根据电机转速测量值对测角元件进行实时故障检测，并实时记录测角元件出现故障的次数，当在预设的第一时间段内累计测角元件出现故障达到一定次数时，将工作模式切换为预估模式，进入步骤(2)，否则，对电机进行转速和电流双闭环控制，驱动电机旋转；
(2)、预估模式下，对电机进行单电流闭环控制，产生旋转的电机定子磁场，驱动电机按照预设的速度旋转；从进入预估模式开始，经历预设的第二时间段之后，根据测角元件测量结果进行故障恢复检测，满足故障恢复判据，则将测角元件出现故障的次数清零，将工作模式切换到正常模式，回到步骤(1)；否则，将工作模式切换为故障模式，进入步骤(3)；
(3)、故障模式下，对电机进行单电流闭环控制，产生恒定的电机定子磁场，驱动电机锁定在预设的角度位置。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统的测角故障的诊断与控制方法，其特征在于：所述步骤(1)正常模式下转速和电流双闭环控制的具体实现为每个控制周期执行如下步骤：
将转速指令ω*与测角单元采集得到的电机转速ω之差输入至转速调节器ASR，生成框架电机力矩电流指令值iq *；再将力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过clarke变换和park变换得到；所述park变换和park反变换的转换矩阵由测角元件实时采集得到的角度θ确定。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统的测角故障的诊断与控制方法，其特征在于：所述步骤(2)预估模式下单电流闭环控制的具体实现为每个控制周期执行如下步骤：
将预设的力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过clarke变换和park变换得到；所述park变换和park反变换的转换矩阵由预估角度确定。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机控制系统的测角故障的诊断与控制方法，其特征在于：预估角度的初始值为进入预估模式之前测角元件测量得到的实际角度值。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机控制系统的测角故障的诊断与控制方法，其特征在于：进入预估模式之后，所述预估角度更新为上一个周期的预估角度与上一个周期的角度增量之和，所述上一周期的角度增量为上一周期的转速指令ω*与控制周期t的乘积。
6.根据权利要求3所述的永磁同步电机控制系统的测角故障的诊断与控制方法，其特征在于：所述预设的力矩电流指令值iq *的符号与转速指令ω*的符号相同，幅值不超过实际工况下电机需要承受的外部的最大耦合力矩除以电机的力矩系数。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统的测角故障的诊断与控制方法，其特征在于：所述步骤(3)故障模式下单电流闭环控制的具体实现为：
将预设的力矩电流值指令值iq *与力矩电流实际值iq之差、励磁电流指令值id *与励磁电流实际值id之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值uq *和励磁电压指令值ud *；励磁电压指令值ud *与力矩电压指令值uq *经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值uα *和励磁电压指令值uβ *，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压ua、ub、uc，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值iq和励磁电流实际值id由永磁同步电机PMSM的三相电流ia、ib、ic依次通过clarke变换和park变换得到；所述park变换和park反变换的转换矩阵由预估角度确定，所述预估角度为预设的常数。
8.根据权利要求2、3或者7任一项所述的一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法，其特征在于所述永磁同步电机采用恒转矩角控制方式控制，即励磁电流指令值id *为0。
CN201810288043.2A 2018-03-30 2018-03-30 一种永磁同步电机控制系统的测角故障诊断与控制方法 Active CN108566133B (zh)

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