CN112217434A - 一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统及方法 - Google Patents

一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统及方法，属于电机控制领域,解决现有永磁同步电机控制可靠性及容错性差的技术问题。该系统包括：故障保护模块：用于在位置传感器发生故障时替代位置传感器为转速闭环控制和电流闭环控制提供反馈信号；矢量控制模块：用于通过转速电流双闭环控制策略，通过SVPWM调制方法对永磁同步电机进行矢量控制；状态切换处理模块：用于将永磁同步电机从正常控制模式平滑过渡至故障控制模式或从故障控制模式平滑过渡至正常控制模式。本发明可以不间断地对永磁同步电机进行矢量控制，可以在正常控制模式和故障控制模式二者之间平滑切换，提高了永磁同步电机矢量控制过程的可靠性和容错性。

Description

一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统及方法。
背景技术
永磁同步电机既具备结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备运行效率高、调速性能好以及无励磁损耗等诸多特点。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了广泛关注，在医疗器械，化工、轻纺、数控机床、工业机器人、计算机外设、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等领域中应用。在由永磁同步电动机构成的电气传动系统中，为实现矢量控制，转速和转子位置角反馈信号必不可少。这些反馈信号通过物理机械式位置传感器实现，但这些传感器存在体积大，会降低系统的抗干扰能力，在使用过程中存在损坏风险，降低了系统的可靠性等弊端。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统及方法，解决现有的永磁同步电机控制可靠性及容错性差技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统，该系统包括：
故障保护模块：用于根据永磁同步电机实际转速和估计转速获得选择转速，将选择转速作为转速闭环控制的反馈信号；根据永磁同步电机实际转子位置角和估计转子位置角获得选择转子位置角，将选择转子位置角的角度作为电流闭环控制中坐标转换的电角度；
矢量控制模块：用于在正常控制模式中，根据位置传感器为转速闭环控制和电流闭环控制提供反馈信号；在故障控制模式中，根据故障保护模块为转速闭环控制和电流闭环控制提供反馈信号，通过SVPWM调制方法对永磁同步电机进行矢量控制；
状态切换处理模块：用于将永磁同步电机从正常控制模式平滑过渡至故障控制模式或从故障控制模式平滑过渡至正常控制模式。
本发明一实施例中，所述故障保护模块包括：
状态观测器单元，用于估计永磁同步电机的反电势和静止坐标系下的定子电压和定子电流，输出估计转子位置角；
转子位置角选择单元，用于根据实测转子位置角和估计转子位置角按需输出选择转子位置角；
估计转速计算单元，用于根据估计转子位置角输出估计转速；
转速选择单元，用于根据实测转速和估计转速按需输出选择转速。
本发明一实施例中，所述矢量控制模块包括：
转速PI控制器，用于根据转速反馈信号调节电机转速，输出电流闭环控制的给定励磁电流和给定转矩电流；
第一电流PI控制器，用于根据励磁电流反馈信号调节电机励磁电流，输出永磁同步电机旋转坐标系D轴电压；
第二电流PI控制器，用于根据转矩电流反馈信号调节电机转矩电流调，输出永磁同步电机旋转坐标系Q轴电压；
第一坐标转换单元，用于将永磁同步电机旋转坐标系的D轴电压和Q轴电压转换为永磁同步电机静止坐标电压；
SVPWM控制单元，用于发出三相PWM波控制逆变器功率管的通断对永磁同步电机进行矢量控制；
第二坐标转换单元，用于将三相采样定子电流转换为二相旋转坐标系励磁电流和转矩电流。
本发明一实施例中，所述状态切换处理模块包括：
第一低通滤波单元，用于永磁同步电机在正常控制模式和故障控制模式两种模式切换过程中对转速切换过程进行平滑滤波处理；
第二低通滤波单元，用于永磁同步电机在正常控制模式和故障控制模式两种模式切换过程中对转子位置角切换过程进行平滑滤波处理。
本发明还提供一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法，该方法包括：将三相采样定子电流经过坐标转换输出电流闭环控制的反馈信号；
采集实测转子位置角和实测转速；
采集估计转子位置角和估计转速；
判断位置传感器是否出现故障；
当位置传感器正常时，选择实测转子位置角作为选择转子位置角，选择实测转速作为选择转速；当位置传感器故障时，选择估计转子位置角作为选择转子位置角，选择估计转速作为选择转速。
本发明实施例中，还包括：当在连续1S内电机实际转速大于额定转速的10％时，进行位置传感器故障的判断。
本发明一实施例中，所述进行位置传感器故障的判断包括：
若连续1s内估计转子位置角与实测转子位置角的角度误差小于50°，判定位置传感器正常；否则，判定位置传感器故障；
若连续1s内估计转速与实测转速误差小于额定转速的2％，判定位置传感器正常；否则，判定位置传感器故障。
本发明一实施例中，还包括：
当选择转子位置角由实测转子位置角切换至估计转子位置角时或当选择转子位置角由估计转子位置角切换至实测转子位置角时，进行低通滤波处理。
一实施例中，还包括：
当选择转速由实测转速切换至估计转速时或当选择转速由估计转速切换至实测转速时，进行低通滤波处理。
一实施例中，还包括：
通过
Figure BDA0002735054300000041
对估计转子位置角进行补偿；
式中：
θcomp为补偿转子位置角；
ω为电机转子电角速度；
ωc为滤波器的截止频率。
从上述描述可知，本发明实施例提供的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统及方法，使得永磁同步电机在矢量控制过程中位置传感器正常或故障两种情况下均能稳定运行，并且实现了位置传感器正常运行时的正常控制模式以及位置传感器故障时的故障控制模式二者之间的平滑切换，保障永磁同步电机在这两种模式之间切换时不会出现异常，提高了永磁同步电机矢量控制过程的可靠性和容错性。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统的架构示意图；
图2所示为本发明一实施例提供的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统的结构示意图；
图3所示为本发明一实施例提供的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于现有技术的缺点，本发明实施例提供了一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统的具体实施方式，如图1所示，该系统具体包括：
故障保护模块100：用于根据永磁同步电机实际转速和估计转速获得选择转速，将选择转速作为转速闭环控制的反馈信号；根据永磁同步电机实际转子位置角和估计转子位置角获得选择转子位置角，将选择转子位置角的角度作为电流闭环控制中坐标转换的电角度。
具体地，选择转速为从实际转速或估计转速二者中选择出的转速，选择转子位置角为实际转子位置角或估计转子位置角二者中选择出的转子位置角。在永磁同步电机中通常通过转速、电流双闭环控制策略，在转速闭环控制中需要转速反馈信号，在电流闭环控制中需要电流反馈信号，而在电流反馈信号需经过坐标转换环节获取，坐标转换环节则需要根据电角度进行换算。
矢量控制模块200：用于在正常控制模式中，根据位置传感器为转速闭环控制和电流闭环控制提供反馈信号；在故障控制模式中，根据故障保护模块为转速闭环控制和电流闭环控制提供反馈信号，通过SVPWM调制方法对永磁同步电机进行矢量控制。
具体地，在永磁同步电机矢量控制过程中会出现两种运行状态，一是有位置传感器控制状态(即正常控制模式)，二是无位置传感器控制状态也就是位置传感器故障状态(即故障控制模式)。在这两种控制模式下为保证永磁同步电机矢量控制运行正常，需实时反馈关于转速和转子位置角的反馈信号。
状态切换处理模块300：用于将永磁同步电机从正常控制模式平滑过渡至故障控制模式或从故障控制模式平滑过渡至正常控制模式。
具体地，当永磁同步电机的矢量控制从正常控制模式切换至故障控制模式或从故障控制模式切换至正常控制模式时，避免永磁同步单机出现异常，实现平滑过渡，使得转速或转子位置角反馈信号幅值不会发生突变，影响电机正常运行。
在本实施例中，使得永磁同步电机在矢量控制过程中位置传感器正常或故障两种情况下均能稳定运行，并且实现了位置传感器正常运行时的正常控制模式以及位置传感器故障时的故障控制模式二者之间的平滑切换，保障永磁同步电机在这两种模式之间切换时不会出现异常，提高了永磁同步电机矢量控制过程的可靠性和容错性。
在上述实施例的基础上，作为优化方案，如图1并结合图2所示，本具体实施方式中
故障保护模块100具体包括：
状态观测器单元110，用于估计永磁同步电机的反电势和静止坐标系下的定子电压和定子电流，输出估计转子位置角θest。
具体地，状态观测器单元采用扩张状态观测器的(Extended State Observer,ESO)方法，该方法基于永磁同步电机在静止坐标系下的数学模型，通过电机在静止坐标系αβ轴下的电流、电压，以及定子电阻、电感等参数对电机位置角进行观测，输出为静止坐标系αβ轴下的电机反电势估计值，在永磁同步电机运行过程中，通过该方法，估算得到估计转子位置角θest。
转子位置角选择单元120，用于根据实测转子位置角θm和估计转子位置角θest按需输出选择转子位置角θ*。
具体地，转子位置角选择单元的输入信息包括实测转子位置角和估计转子位置角。当位置传感器正常时输出实测转子位置角，当位置传感器故障时输出估计转子位置角。
估计转速计算单元130，用于根据估计转子位置角θest输出估计转速nest；
具体地，根据估计转子位置角的角度进行微分计算获得估计转速的数值。
转速选择单元140，用于根据实测转速nm和估计转速nest按需输出选择转速n*。
具体地，转速选择单元的输入信息包括实测转速和估计转速。当位置传感器正常时输出实测转速，当位置传感器故障时输出估计转速。
矢量控制模块200具体包括：
转速PI控制器210，用于根据转速反馈信号调节电机转速，输出电流闭环控制的给定励磁电流
Figure BDA0002735054300000071
和给定转矩电流
Figure BDA0002735054300000072
第一电流PI控制器220，用于根据励磁电流反馈信号调节电机励磁电流，输出永磁同步电机旋转坐标系D轴电压ud；
第二电流PI控制器230，用于根据转矩电流反馈信号调节电机转矩电流调，输出永磁同步电机旋转坐标系Q轴电压uq；
第一坐标转换单元240，用于将永磁同步电机旋转坐标系的D轴电压ud和Q轴电压uq转换为永磁同步电机静止坐标电压uα和uβ；
SVPWM控制单元250，用于发出三相PWM波控制逆变器功率管的通断对永磁同步电机进行矢量控制；
第二坐标转换单元260，用于将三相采样定子电流iA、iB、iC转换为二相旋转坐标系励磁电流id和转矩电流iq。
状态切换处理模块300具体包括：
第一低通滤波单元310，用于永磁同步电机在正常控制模式和故障控制模式两种模式切换过程中对转速切换过程进行平滑滤波处理。
具体地，第一低通滤波单元也采用一阶低通滤波器，可以避免在模式切换过程中转速发生突变，影响永磁同步电机正常运行。
第二低通滤波单元320，用于永磁同步电机在正常控制模式和故障控制模式两种模式切换过程中对转子位置角切换过程进行平滑滤波处理；
具体地，第二低通滤波单元采用一阶低通滤波器，可以避免在模式切换过程中转子位置角发生突变，影响永磁同步电机正常运行。
在本实施例中，形成了有位置传感器控制和无位置传感器控制两种控制模式，解决了在位置传感器故障时，可能存在的电机控制器输出电流矢量与电机转子磁链方向失步，可能导致的瞬间过流，引起接触器跳闸，严重时甚至电机损坏控制器的问题。同时增加了永磁同步电机矢量控制的可靠性及容错性能。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法，如图3所示，该方法包括：
S100：将三相采样定子电流iA、iB、iC经过坐标转换输出电流闭环控制的反馈信号；
具体地，三相采样定子电流iA、iB、iC由永磁同步电机输出端采集，通过第二坐标转换单元将三相采样定子电流iA、iB、iC转换为旋转坐标系的励磁电流id和转矩电流id。
S200：采集实测转子位置角θm和实测转速nm；
具体地，实测转子位置角θm和实测转速nm由位置传感器采集获取。
S300：采集估计转子位置角θest和估计转速nest；
具体地，估计转子位置角θest由状态观测器单元输出，估计转速nest由估计转速计算单元输出。在由估计转子位置角θest计算估计转速nest时，因转子位置角非持续性上涨，而是以2π为周期由-π至+π直线上涨，因此在每个周期角度上涨的中间段-0.64*π至+0.64*π再重新进行转速计算，剩余部分周期令转速值等于上一次的转速计算结果，消除因转子位置角突变出现转速计算不准确情况，并对计算结果采用一阶低通滤波处理后输出，使得估计转速至更平滑。
S400：判断位置传感器是否出现故障；
在执行S400时，先执行S700：当在连续1S内电机实际转速大于额定转速的10％时，进行位置传感器故障的判断。
若连续1s内估计转子位置角θest与实测转子位置角θm的角度误差小于50°，判定位置传感器正常；否则，判定位置传感器故障；
若连续1s内估计转速nest与实测转速nm误差小于额定转速的2％，判定位置传感器正常；否则，判定位置传感器故障。
S500：当位置传感器正常时，选择实测转子位置角θm作为选择转子位置角θ*，选择实测转速nm作为选择转速n*；
S600：当位置传感器故障时，选择估计转子位置角θest作为选择转子位置角θ*，选择估计转速nest作为选择转速n*。
当选择转子位置角由实测转子位置角切换至估计转子位置角时或当选择转子位置角由估计转子位置角切换至实测转子位置角时，为避免转子位置角发生突变，进行低通滤波处理。
当选择转速由实测转速切换至估计转速时或当选择转速由估计转速切换至实测转速时，为避免转速发生突变，进行低通滤波处理。
由于进行滤波处理，导致估计转子位置角与实际值相比会有一定的相位滞后。
本发明中，基于低通滤波器的相位滞后特性，通过
Figure BDA0002735054300000101
对估计转子位置角进行补偿；
式中：
θcomp为补偿转子位置角；
ω为电机转子电角速度；
ωc为滤波器的截止频率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统，其特征在于，包括：
故障保护模块：用于根据永磁同步电机实际转速和估计转速获得选择转速，将选择转速作为转速闭环控制的反馈信号；根据永磁同步电机实际转子位置角和估计转子位置角获得选择转子位置角，将选择转子位置角的角度作为电流闭环控制中坐标转换的电角度；
矢量控制模块：用于在正常控制模式中，根据位置传感器为转速闭环控制和电流闭环控制提供反馈信号；在故障控制模式中，根据故障保护模块为转速闭环控制和电流闭环控制提供反馈信号，通过SVPWM调制方法对永磁同步电机进行矢量控制；
状态切换处理模块：用于将永磁同步电机从正常控制模式平滑过渡至故障控制模式或从故障控制模式平滑过渡至正常控制模式。
2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统，其特征在于，所述故障保护模块包括：
状态观测器单元，用于估计永磁同步电机的反电势和静止坐标系下的定子电压和定子电流，输出估计转子位置角；
转子位置角选择单元，用于根据实测转子位置角和估计转子位置角按需输出选择转子位置角；
估计转速计算单元，用于根据估计转子位置角输出估计转速；
转速选择单元，用于根据实测转速和估计转速按需输出选择转速。
3.如权利要求1所述的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统，其特征在于，所述矢量控制模块包括：
转速PI控制器，用于根据转速反馈信号调节电机转速，输出电流闭环控制的给定励磁电流和给定转矩电流；
第一电流PI控制器，用于根据励磁电流反馈信号调节电机励磁电流，输出永磁同步电机旋转坐标系D轴电压；
第二电流PI控制器，用于根据转矩电流反馈信号调节电机转矩电流调，输出永磁同步电机旋转坐标系Q轴电压；
第一坐标转换单元，用于将永磁同步电机旋转坐标系的D轴电压和Q轴电压转换为永磁同步电机静止坐标电压；
SVPWM控制单元，用于发出三相PWM波控制逆变器功率管的通断对永磁同步电机进行矢量控制；
第二坐标转换单元，用于将三相采样定子电流转换为二相旋转坐标系励磁电流和转矩电流。
4.如权利要求1所述的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制系统，其特征在于，所述状态切换处理模块包括：
第一低通滤波单元，用于永磁同步电机在正常控制模式和故障控制模式两种模式切换过程中对转速切换过程进行平滑滤波处理；
第二低通滤波单元，用于永磁同步电机在正常控制模式和故障控制模式两种模式切换过程中对转子位置角切换过程进行平滑滤波处理。
5.一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法，其特征在于，包括：
将三相采样定子电流经过坐标转换输出电流闭环控制的反馈信号；
采集实测转子位置角和实测转速；
采集估计转子位置角和估计转速；
判断位置传感器是否出现故障；
当位置传感器正常时，选择实测转子位置角作为选择转子位置角，选择实测转速作为选择转速；
当位置传感器故障时，选择估计转子位置角作为选择转子位置角，选择估计转速作为选择转速。
6.如权利要求5所述的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法，其特征在于，还包括：
当在连续1S内电机实际转速大于额定转速的10％时，进行位置传感器故障的判断。
7.如权利要求6所述的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法，其特征在于，所述进行位置传感器故障的判断包括：
若连续1s内估计转子位置角与实测转子位置角的角度误差小于50°，判定位置传感器正常；否则，判定位置传感器故障；
若连续1s内估计转速与实测转速误差小于额定转速的2％，判定位置传感器正常；否则，判定位置传感器故障。
8.如权利要求7所述的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法，其特征在于，还包括：
当选择转子位置角由实测转子位置角切换至估计转子位置角时或当选择转子位置角由估计转子位置角切换至实测转子位置角时，进行低通滤波处理。
9.如权利要求8所述的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法，其特征在于，还包括：
当选择转速由实测转速切换至估计转速时或当选择转速由估计转速切换至实测转速时，进行低通滤波处理。
10.如权利要求9所述的一种永磁同步电机位置传感器故障保护控制方法，其特征在于，还包括；
通过
Figure FDA0002735054290000031
对估计转子位置角进行补偿；
式中：
θcomp为补偿转子位置角；
ω为电机转子电角速度；
ωc为滤波器的截止频率。
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