CN113872490A - 永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统，包括：将高频方波信号注入永磁容错电机的非故障相绕组，获取所述非故障相绕组的相电流信号；分离所述相电流信号，得到高频响应电流；对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值；根据所述相电流信号和所述电感估计值，确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值；根据所述电角频率和所述目标电角度值，确定给定转矩和给定电流，进而实现对所述永磁容错电机的速度伺服控制。本公开实施例无需位置传感器，即可以实现对永磁容错电机在正常状态、断路故障状态和短路故障状态下的有效控制，操作简单、计算量小并且动态性能更优。
Description
技术领域
本公开属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统。
背景技术
电力作动技术是多电/全电飞机的核心关键技术，被广泛应用于飞机的舵面控制、发动机控制、起落架收放与刹车控制等系统中，其性能优劣直接影响整个飞机的飞行品质和安全性。
永磁容错电机具有容错能力强、故障隔离性好、功率密度高、可靠性高等优势，成为机载电力作动系统的首选。而永磁容错电机的位置/速度检测是永磁容错电机系统实现闭环伺服控制的重要保障。为满足日益提高的可靠性需求，永磁容错电机的位置/速度检测也必须采用相应的冗余设计。传统的机械式传感器冗余设计，会显著地增加系统的体积、重量和结构复杂性。因此，开展永磁容错电机系统的无位置传感器控制方法研究，与机械式传感器构成非相似冗余，对于促进永磁容错电机系统在航空航天电伺服/驱动领域的应用具有重要的理论意义和工程实用价值。一相关技术中，其基于非故障两相绕组的高频方波正弦信号注入，通过包络检波和非正交锁相环解算出电机转子的位置\速度信息。但是该方法存在包络检波算法复杂，注入高频方波正弦信号频率受限和使用滤波器过多引起的动态响应能力受限的问题。
发明内容
本公开提供一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统，本公开无需位置传感器也能实现对永磁容错电机的控制，本公开至少解决了永磁容错电机控制中计算算法复杂和动态响应能力受限的问题。
本公开实施例第一方面提供一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法，包括：将高频方波信号注入永磁容错电机的非故障相绕组，获取所述非故障相绕组的相电流信号；分离所述相电流信号，得到高频响应电流；对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值；根据所述相电流信号和所述电感估计值，确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值；根据所述电角频率和所述目标电角度值，确定给定转矩和给定电流，进而实现对所述永磁容错电机的速度伺服控制。
其中，所述确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值包括：将所述电感估计值输入到非正交锁相环，用于确定所述电角频率和永磁容错电机转子的第一估计电角度值；根据所述第一估计电角度值，确定电流激励方向；预起动所述永磁容错电机，并计算所述永磁容错电机的加速度方向；根据所述电流激励方向和所述加速度方向，确定第二估计电角度值；对所述第二估计电角度值进行固定补偿，以得到所述目标电角度值。
其中，所述将所述电感估计值输入到非正交锁相环，用于确定所述电角频率和永磁容错电机转子的第一估计电角度值包括：所述非正交锁相环的鉴相器对所述电感估计值进行处理，用于提取第一估计电角度的误差相关量；根据所述误差相关量，所述非正交锁相环的环路滤波器估算所述转子的电角频率；根据所述电角频率，所述非正交锁相环的压控振荡器估算所述第一估计电角度值。
其中，所述根据所述电流激励方向和所述加速度方向，确定第二估计电角度值包括：当所述电流激励方向和所述加速度方向一致时，将所述第一估计电角度的值除以2，得到所述第二估计电角度值；当所述电流激励方向和所述加速度方向不一致时，将所述第一估计电角度的值除以2并加上π，得到所述转子的第二估计电角度值。
其中，所述根据所述电角频率和所述目标电角度值，确定给定转矩和给定电流之后还包括：电流环根据给定电流，确定所述非故障相绕组各相绕组的给定电压；所述给定电压经脉冲宽度调制后，得到所述非故障相绕组各相绕组的脉冲宽度调制控制信号；所述脉冲宽度调制控制信号驱动所述非故障永磁容错电机运行，以实现电机的速度伺服控制。
其中，所述电流环根据给定电流，确定所述非故障相绕组各相绕组的给定电压包括：将高频信号注入所述相电流环，以得到所述给定电压；在所述给定电压上叠加所述的高频方波信号。
其中，所述对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值包括：将所述高频响应电流输入到电感观测器；所述电感观测器对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，包括：差分运算处理、正负交替采样处理和信号调理处理。
其中，所述信号调理处理包括：取倒数处理和减去直流分量处理。
其中，所述分离所述相电流信号，得到高频响应电流包括：双输出数字滤波器对所述相电流进行分离，得到高频响应电流。
其中，所述双输出数字滤波器对所述相电流进行分离包括：得到基频响应电流，用于作为所述非故障相绕组电流环控制的反馈电流。
其中，所述非故障相绕组为不共线的非故障两相绕组。
本公开实施例第二方面提供一种永磁容错电机的无位置传感器控制系统，用于实现上述的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法，包括：获取模块，用于将高频方波信号注入永磁容错电机的非故障相绕组，获取所述非故障相绕组的相电流信号；分离模块，用于分离所述相电流信号，得到高频响应电流；电感模块，用于对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值；电角模块，用于根据所述相电流信号和所述电感估计值，确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值；控制模块，用于根据所述电角频率和所述目标电角度值，确定给定转矩和给定电流，进而实现对所述永磁容错电机的速度伺服控制。
本公开实施例第三方面提供一种电子设备，包括：处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现上述的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法的步骤。
本公开实施例第四方面提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现上述的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法的步骤。
本公开实施例至少包括如下有益效果：
本公开的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统采用的基于方波信号注入的方法估算永磁容错电机转子的角度、位置和速度的算法运算量更小，并且本公开避免了滤波器的使用，通过更优的动态性能实现永磁容错电机的位置/速度检测。本公开实施例无需位置传感器，即可以实现对永磁容错电机在正常状态、断路故障状态和短路故障状态下的有效控制，操作简单、计算量小并且动态性能更优。
附图说明
图1为本公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法的流程示意图；
图2为本公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统的控制流程示意图；
图3本为公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统的电路流程示意图；
图4本为公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统的滤波流程示意图；
图5本为公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统的又一电路流程示意图；
图6本为公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统的非正交锁相环的电路流程示意图；
图7本为公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统的永磁容错电机流程示意图；
图8本为公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本公开进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
下面结合附图详细说明本公开的技术方案。
图1为本公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法的流程示意图。如图1所示，本公开实施例提供一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法，包括：将高频方波信号注入永磁容错电机的非故障相绕组，获取非故障相绕组的相电流信号；分离相电流信号，得到高频响应电流；对高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值；根据相电流信号和电感估计值，确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值；根据电角频率和目标电角度值，确定给定转矩和给定电流，进而实现对永磁容错电机的速度伺服控制。
一相关技术中，多电/全电飞机采用电能取代传统的机载液压能和气压能，大大简化了机载二次能源结构，显著地提升了飞机的任务可靠性、可维护性。电力的利用提升了飞机的综合性能，成为未来先进飞机的重要发展方向。电力作动技术是多电/全电飞机的核心关键技术，被广泛应用于飞机的舵面控制、发动机控制、起落架收放与刹车控制等系统中，其性能优劣直接影响整个飞机的飞行品质和安全性。
在一些实施例中，电机系统是电力作动系统的核心动力单元，其性能直接影响整个作动系统的综合性能。永磁容错电机具有容错能力强、故障隔离性好、功率密度高、可靠性高等优势，成为机载电力作动系统的首选。而位置/速度检测是永磁容错电机系统实现闭环伺服控制的重要保障。为满足日益提高的可靠性需求，永磁容错电机的位置/速度检测也必须采用相应的冗余设计。传统的机械式传感器冗余设计，会显著地增加系统的体积、重量和结构复杂性。因此，开展永磁容错电机系统的无位置传感器控制方法研究，与机械式传感器构成非相似冗余，对于促进永磁容错电机系统在航空航天电伺服/驱动领域的应用具有重要的理论意义和工程实用价值。位置/速度检测环节是永磁容错电机控制系统的关键环节之一，它关乎着伺服系统的控制性能。
在一些实施例中，低速段的永磁同步电机的无位置传感器控制通常采用传统的高频注入法，其建立在坐标变换的基础上，依赖于电机的对称运行，但是永磁容错电机在故障运行时，剩余非故障相绕组处于不对称运行状态，电流畸变严重，难以进行坐标变换。因此，如果不通过采用位置传感器，传统的高频注入法无法实现永磁容错电机故障运行时的控制。
在一相关实施例中，通过基于非故障两相绕组的高频正弦信号注入，采用包络检波和非正交锁相环解算出电机转子的位置\速度信息。但是该方法存在包络检波算法复杂、注入高频正弦信号频率受限和使用滤波器过多引起的动态响应能力受限的问题。
本公开无需通过位置传感器来实现永磁容错电机的控制。本公开基于非故障两相绕组的高频方波信号注入，解算永磁容错电机转子的位置/速度信息，进而实现永磁容错电机的无位置传感器控制。该方法可以实现永磁容错电机正常状态、断路故障状态和短路故障状态下无需位置传感器的控制，并且该方法的带宽高、使用滤波器少，使电机控制具有优异的动态性能。
在一些实施例中，确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值包括：将电感估计值输入到非正交锁相环，用于确定电角频率和永磁容错电机转子的第一估计电角度值；根据第一估计电角度值，确定电流激励方向；预起动永磁容错电机，并计算永磁容错电机的加速度方向；根据电流激励方向和加速度方向，确定第二估计电角度值；对第二估计电角度值进行固定补偿，以得到目标电角度值。
图6本为公开实施例一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统的非正交锁相环的电路流程示意图。如图6所示，在一些实施例中，将电感估计值输入到非正交锁相环，用于确定电角频率和永磁容错电机转子的第一估计电角度值包括：非正交锁相环的鉴相器对电感估计值进行处理，用于提取第一估计电角度的误差相关量；根据误差相关量，非正交锁相环的环路滤波器估算转子的电角频率；根据电角频率，非正交锁相环的压控振荡器估算第一估计电角度值。
在一些实施例中，根据电流激励方向和加速度方向，确定第二估计电角度值包括：当电流激励方向和加速度方向一致时，将第一估计电角度的值除以2，得到第二估计电角度值；当电流激励方向和加速度方向不一致时，将第一估计电角度的值除以2并加上π，得到转子的第二估计电角度值。
在一些实施例中，根据电角频率和目标电角度值，确定给定转矩和给定电流之后还包括：电流环根据给定电流，确定非故障相绕组各相绕组的给定电压；给定电压经脉冲宽度调制后，得到非故障相绕组各相绕组的脉冲宽度调制控制信号；脉冲宽度调制控制信号驱动非故障永磁容错电机运行，以实现电机的速度伺服控制。
在一些实施例中，电流环根据给定电流，确定非故障相绕组各相绕组的给定电压包括：将高频信号注入相电流环，以得到给定电压；在给定电压上叠加的高频方波信号。
在一些实施例中，对高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值包括：将高频响应电流输入到电感观测器；电感观测器对高频响应电流进行离散系统差分处理，包括：差分运算处理、正负交替采样处理和信号调理处理。
在一些实施例中，信号调理处理包括：取倒数处理和减去直流分量处理。
在一些实施例中，分离相电流信号，得到高频响应电流包括：双输出数字滤波器对相电流进行分离，得到高频响应电流。
在一些实施例中，双输出数字滤波器对相电流进行分离包括：得到基频响应电流，用于作为非故障相绕组电流环控制的反馈电流。
在一些实施例中，非故障相绕组为不共线的非故障两相绕组。
本公开实施例提供一种永磁容错电机的无位置传感器控制系统，用于实现上述的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法，包括：获取模块，用于将高频方波信号注入永磁容错电机的非故障相绕组，获取非故障相绕组的相电流信号；分离模块，用于分离相电流信号，得到高频响应电流；电感模块，用于对高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值；电角模块，用于根据相电流信号和电感估计值，确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值；控制模块，用于根据电角频率和目标电角度值，确定给定转矩和给定电流，进而实现对永磁容错电机的速度伺服控制。
在一些实施例中，永磁容错电机系统包括：永磁容错电机、数字控制电路、功率驱动电路和信号检测电路。永磁容错电机系统工作流程为：信号检测电路检测出永磁容错电机各相的相电流，数字控制电路通过相电流的信息和上位机指令，运算得到永磁容错电机各相的PWM控制信号，最后功率驱动电路通过PWM控制信号来控制永磁容错电机各相绕组的供电，从而实现对永磁容错电机的控制。
如图1-8所示，在一具体实施例中，一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法，具体如下：
步骤1：往非故障两相绕组注入高频方波信号，得到非故障两相绕组的高频响应模型；
往非故障两相绕组注入高频电压，具体方法为往电流环得到的两对应相给定电压上叠加高频方波信号，该高频方波信号可表示为：
式中Uih、Ujh分别表示作用在电机非故障相绕组第i相和第j相的端部的高频电压信号，Vh为方波信号的幅值，k为采样数目，对应的采样间隔为Ts，其为方波信号周期的一半；
优选的，出于提高无位置传感器位置/速度精度和简化信号分离的考量，Ts设置为PWM开关周期，即：
其中fh为高频方波信号频率，fPWM为逆变器开关频率；
对于永磁容错电机，在高频情形下，电压的压降主要是电感上的压降，其他压降可以忽略，所以注入高频信号相绕组的高频电压可以表示为：
式中Li(θe)、Lj(θe)分别表示第i相和第j相绕组的自感，θe表示转子的电角度，iih、ijh分别表示非故障第i相和第j相绕组的高频响应电流，其中永磁容错电机的电感可表述为：
Li(θe)＝L0-L1cos 2[θe-(i-1)π/3]#(4)
其中L0为平均电感，L1为二次谐波电感的幅值；其中Ld、Lq分别为直轴电感和交轴电感，对于永磁容错电机Ld小于Lq。
由式(1)和(3)可得到：
由于注入的高频方波信号频率足够高，其采样间隔时间足够短，可以采用离散差分的方法来处理该模型。式(7)的连续系统的微分方程可以近似为一个离散系统的差分方程，即：
其中
分别为第i相和第j相高频电流的差分信号；
式(8)变形可得到：
由式(7)可知，TsVh为常数，从而电感的倒数
与电流差分的正负交替采样值ΔIh·(-1)k成正比例关系。所以可以通过电流差分的交替正负采样值进行电感的估算；
步骤2：将信号检测电路采集的非故障第i相和第j相绕组的相电流信号输入到双输出数字滤波器，分离出第i相和第j相绕组的相电流的高频分量Iih、Ijh和基频分量Iib、Ijb；
由于高频方波信号极高的注入频率，和式(2)的高频频率选取，可设计一个双输出数字滤波器，同时实现带通滤波器和陷波滤波器的功能；
其中带通滤波器环节的z域传递函数为：
HBPF(z)＝1-z-1#(11)
陷波滤波器环节的z域传递函数为：
其中延迟环节的采样时间间隔同样为Ts；
所设计双输出数字陷波滤波器具有简单的结构和优秀的信号分离能力，通过该双输出数字陷波滤波器可分别提取出相电流信号的高频分量Iih、Ijh和基频分量Iib、Ijb，其中Iib、Ijb用于作为第i相和第j相的电流环控制的反馈电流，Iih、Ijh则用于永磁容错电机转子位置/速度的估算；
步骤3：将第i相和第j相的高频响应电流Iih、Ijh输入到实时电感观测器，估算出第i相和第j相的二次谐波电感估计值
和
的实时电感观测器由差分运算、正负交替采样和信号调理三部分构成；其中差分运算模块对高频响应电流Iih、Ijh进行取差分的运算，得到ΔIih和ΔIjh，然后正负交替采样模块以Ts的采样时间间隔对ΔIih和ΔIjh进行交替的正负取样，得到的信号经过信号调理得到二次谐波电感的估计值
和
其中信号调理包括取倒数和减去直流分量的处理；
步骤4：将非故障相绕组第i相和第j相的二次谐波电感估计值
和
输入到非正交锁相环，解算出估计的转子电角频率
和两倍的估计电角度
估计的二次谐波电感信号
和
以两倍转子角频率正弦周期变化，其包含了永磁容错电机的转速和位置信息。对于六相永磁容错电机，
和
非正交(互差120°)，可通过非正交锁相环鉴的相器处理得到信号的频率和相位信息；非正交锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成；其中鉴相器实现以下运算：
式中
为估计的转子电角度，
为电角度的估计误差；环路滤波器由PI控制器构成，ε信号经过环路滤波器的调制后得到两倍的估计转子电角频率
进而得到
压控振荡器由积分器构成，
经压控振荡器可得到两倍的估计电角度
步骤5：基于加速度判别永磁容错电机转子永磁体极性，解算出转子的估计电角度
并对估计的转子位置做固定补偿。
经非正交锁相环解算的两倍的估计电角度
直接除以2后与实际的转子位置可能存在180°的偏差，须进行转子永磁体极性判别以确定
转子永磁体极性判别只需要在电机预起动时进行，具体方法为：在一小段时间内计算转子加速度方向，若加速度与电流激励相一致，则
即为转子电角度估计值；若不一致，则
为转子电角度估计值。
如图2和图8所示，在一些实施例中，数字控制电路由DSP(外文名称：DigitalSignal Process；含义：信号数字化处理)系统和FPGA(外文名称：Field ProgrammableGate Array；中文名：现场可编程逻辑门阵列)系统构成，DSP系统和FPGA系统具有优秀的串行和并行数据处理能力。DSP系统由DSP芯片及其外围电路构成。FPGA系统由FPGA芯片及其外围电路构成。
如图3和图8所示，在一些实施例中，功率驱动电路由电源、隔离驱动电路和容错功率驱动器组成。该功率驱动电路对永磁容错电机的断路/短路故障具有优秀的故障隔离和容错能力。隔离驱动电路由栅极隔离驱动芯片及其外围电路组成，它可以实现功率数字控制电路生成的PWM(外文名称：Pulse Width Modulation；中文名称：脉冲宽度调制)控制信号(弱电信号)与驱动电路的强电信号之间的隔离，并且对PWM控制信号进行功率放大，使之能驱动功率半导体场效晶体管(例如：外文名称：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor MOSFET；中文名称：金属-氧化层半导体场效晶体管)的开通和关断。容错功率驱动器由六路(取决于电机的相数)相互独立的H桥逆变器组成，逆变器的功率开关器件采用功率半导体场效晶体管，容错功率驱动器通过相互独立的H桥逆变器对永磁容错各相绕组进行单独供电驱动控制。
再如图8所示，在一些实施例中，信号检测电路由电流传感器、信号调理电路和A/D转换电路组成。电流传感器检测永磁容错电机每相绕组相电流，并以电压信号形式输出，再经过信号调理电路进行低通滤波处理和电平信号转换，输入到A/D转换电路，将模拟信号转换为数字信号，并送入FPGA系统，从而实现对电机反馈电流信号的采集。
在一些实施例中，DSP芯片主频150MHz，具有单精度浮点数处理单元，有88个可独立编程的GPIO引脚。例如：DSP芯片采用TMS320F28335芯片。
在一些实施例中，FPGA芯片主频高100MHz，具有33216个逻辑单元，105个M4K内存块，35个乘法器，322个可配置I/O引脚。例如：FPGA芯片采用EP2C35F484C8N芯片。
在一些实施例中，功率驱动电路耐压75V，最大电流90A，导通电阻小于10mΩ,其体积小、易于安装、功率密度高。例如：功率驱动电路采用的功率MOSFET采用IXTP90N075T2。
在一些实施例中，本公开采用的永磁容错电机系统采用无位置传感器式的驱动控制器，其数字控制电路采用DSP系统和FPGA系统结合的架构，兼具高效处理并行和串行数据的能力，其容错功率驱动器采用每相绕组用H桥逆变器独立驱动供电的结构，具有优异的故障隔离能力和容错控制性能。另外，容错功率驱动器的功率开关器件采用的半导体器件，具有小巧，通态损耗低，功率密度高的优点。
本公开永磁容错电机的无位置传感器控制方法，通过对控制策略、以及实施上述控制策略的关键驱动控制结构部件的组成模块的设计创新，提高了永磁容错电机驱动控制器在电机系统发生故障时的故障隔离能力和控制性能，具有功率密度高、精度高、动态性能好的优点，可有效满足机载电力作动系统的性能要求。
本公开实施例提供一种电子设备，包括：处理器，存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序或指令，程序或指令被处理器执行时实现上述的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法的步骤。
本公开实施例提供一种可读存储介质，可读存储介质上存储程序或指令，程序或指令被处理器执行时实现上述的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法的步骤。
在一些实施例中，功率驱动电路由电源、隔离驱动电路和容错功率驱动器组成，该功率驱动电路对永磁容错电机的断路/短路故障具有优秀的故障隔离和容错能力；容错功率驱动器由若干路(取决于电机的相数)相互独立的H桥逆变器组成，逆变器的功率开关器件采用功率MOSFET，容错功率驱动器通过相互独立的H桥逆变器对永磁容错各相绕组进行单独供电驱动控制。
再如图8所示，在一些实施例中，一种永磁容错电机的无位置传感器控制系统包括六相永磁容错电机、数字控制电路、功率驱动电路和信号检测电路。
一些实施例中，一种永磁容错电机系统的无位置传感器控制系统包括：数字检测电路，用于采集电机各相绕组的电流值，并经信号调理和模数转换处理后将电流值传给数字控制电路；数字控制电路，根据数字检测电路采集的电流信息估算电机转子的位置/转速；根据上位机指令和估算的电机转子的位置/转速信息，完成电机控制算法的解算，得到电机各相的PWM控制信号；功率驱动电路，用于将数字控制电路得到的PWM控制信号隔离放大，通过H桥逆变器驱动控制电机各相绕组的供电，实现对电机的控制。
一些实施例中，功率驱动电路包括隔离驱动电路和容错功率驱动器。隔离驱动电路由栅极隔离驱动芯片及其外围电路组成，可以将强电信号与PWM控制弱电信号实施电气隔离，提高系统稳定性，并且FPGA系统产生的PWM信号进行功率放大。优选的，栅极隔离驱动芯片选用了隔离式高精度半桥驱动器，采用磁隔离技术进行高、低压侧的隔离，隔离性能好，高频方波运行最高至1MHz，抗干扰能力强，耐温高，体积小。
如图7所示，本公开实施例采用H桥逆变器对永磁容错电机各相绕组进行单独供电控制，具有优良的故障隔离能力和容错控制能力。优选的，功率器件采用N沟道增强型MOSFET IXTP90N075T2，耐压75V，最大电流90A，导通电阻小于10mΩ,具有体积小、损耗低、功率密度高等优点。
一些实施例中，信号检测电路包括电流传感器、信号调理电路和A/D转换电路。其中，电流传感器用于检测永磁容错电机各相电流。优选的，采用电压型霍尔电流传感器，响应速度快，精度高，抗干扰能力强，线性度好，温度漂移影响小。信号调理电路由运算放大器和电阻、电容组成，作用是对电流传感器得到的信号进行滤波和电平转换处理。A/D模数转换器用于将调理后的电流模拟信号转化为数字信号，以送入FPGA系统。在一些实施例中，A/D模数转换器芯片具有8通道同步采样的数据采集芯片，具有14位的转换精度。
如图2和图8所示，一些实施例中，FPGA系统由FPGA芯片及其外围电路组成，其中FPGA芯片选主频高达100MHz，具有33216个逻辑单元，35个乘法器，322个可配置I/O引脚。如图8所示，FPGA系统的主要功能包括：A/D采样控制模块——对电流采样进行控制；故障诊断模块——判断永磁容错电机的故障类型；双输出数字滤波器——对采样的电流进行滤波处理，得到电流的基频分量和高频分量；差分运算和正负交替采样模块——实现实时电感观测器的部分处理，得到初步估计的二次谐波电感倒数相关量；电流环控制器——根据DSP输入的电流给定指令和A/D采样控制模块所测得的电流反馈值，完成电流环控制器计算，得到给定电压指令；高频方波信号发生器——产生高频方波信号，并叠加到对应相绕组的给定电压上；PWM生成模块——根据输入的各相给定电压信号求解出各相绕组功率开关管的PWM控制信号。
一些实施例中，DSP系统由DSP芯片及其外围电路组成，其中DSP芯片选用主频高达150MHz，具有32位浮点处理单元。如图2所示，DSP的主要功能包括：无位置传感器解算模块——根据FPGA解算得到的二次谐波电感倒数相关量进行高精度无位置传感器控制的解算，实时估计永磁容错电机系统在故障和非故障状况下的低速段的电机转子位置和速度值；速度环控制器——根据上位机的速度控制指令和估计的速度值，进行速度环控制器计算，得到电磁转矩给定值；最优转矩控制——根据电磁转矩给定值和估计的转子位置，结合FPGA给出的故障模式，计算得到电机非故障绕组的电流给定指令，并将该指令传送给FPGA。
本公开实施例中，在非故障两相绕组高频方波信号注入的基础上，通过信号检测电路采集高频方波相绕组的电流信号，该电流信号经双输出数字滤波器进行信号分离，得到基频电流分量和高频电流分量，其中基频电力分量用于进行电流环控制，而高频电流分量用于进行无位置传感器位置/速度检测，得到估计的转子转速和电角度信息；然后基于估计的转子转速和电角度信息，完成速度环和电流环的解算，再经PWM模块，得到电机各相绕组的PWM控制信号，该PWM控制信号功率驱动电路控制电机各相绕组的供电，进而完成对永磁容错的控制，保证其在故障或非故障情况下平稳运行。
本公开实施例中，通过滤波器的使用，估计的二次谐波电感信号相位滞后于实际值，经锁相环后得到的转子电感估计值须加上固定补偿以确保控制精度。
本公开实施例基于非故障两相绕组的高频方波注入方法，具有算法简单、精度高的优点。当永磁容错电机处于相绕组开路故障和/或短路故障的故障模式时，本公开实施例的控制方法都可以正常使用。
本公开实施例基于非故障两相绕组的高频方波注入，利用实时电感观测器估算电机的非故障两相绕组的二次谐波电感，利用非正交锁相环提取出估计二次谐波电感蕴含的电机转子位置/转速信息，进而实现永磁容错电机系统的无位置传感器控制。区别于传统的基于坐标变换的高频方波注入方法，本公开提供的方法可以适用于永磁容错电机发生断路/短路情况的无位置传感器控制；区别于基于高频方波正弦信号的注入方法，本公开采用的基于方波信号注入的方法估算转子位置/速度的算法运算量更小，并且本方法有效减少了滤波器使用，具有更优的动态性能。
本公开实施例，通过对控制策略、以及实施上述控制策略的关键驱动控制结构部件的组成模块的设计创新，提高了永磁容错电机驱动控制器在电机系统发生故障时的故障隔离能力和控制性能，具有功率密度高、精度高、动态性能好的优点，可有效满足机载电力作动系统的性能要求。
本公开提供一种高可靠性、高动态性能的机载电力作动系统用永磁容错电机系统的低速段无位置传感器控制方法。通过创新性的设计永磁容错电机低速运行时的位置/速度检测方法，使所设计的永磁容错电机驱动控制系统具备优良的容错性能，提高了其无位置传感器控制的精度和动态性能；其本质是在电机任意非故障两相绕组中注入高频方波信号，利用实时电感观测器估算两相绕组的电感值，采用非正交锁相环提取估计电感中的转子位置和转速信号，进而实现永磁容错电机正常和故障运行时的无位置传感器控制，显著地提高系统的可靠性和动态性能。
本公开的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法及系统采用的基于方波信号注入的方法估算永磁容错电机转子的角度、位置和速度的算法运算量更小，并且本公开避免了滤波器的使用，具有更优的动态性能。本公开实施例无需位置传感器，即可以实现对永磁容错电机在正常状态、断路故障状态和短路故障状态下的有效控制，操作简单、计算量小并且动态性能更优。电力作动系统用永磁容错电机系统低速段运行的高精度、高动态性能的无位置传感器控制方法，该方法基于非故障两相绕组的高频方波注入，利用实时电感观测器估算电机的非故障两相绕组的二次谐波电感，利用非正交锁相环提取出估计二次谐波电感蕴含的电机转子位置/转速信息，进而实现永磁容错电机系统的无位置传感器控制。本公开提供的方法可以适用于永磁容错电机发生断路/短路情况的无位置传感器控制；本公开采用的基于方波信号注入的方法估算转子位置/速度的算法运算量更小，并且本方法有效减少了滤波器使用，具有更优的动态性能。本公开实施例实现了永磁容错电机正常、断路故障和短路故障下的无位置传感器控制。
应当理解的是，本公开的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本公开的原理，而不构成对本公开的限制。因此，在不偏离本公开的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。此外，本公开所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (14)
1.一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法，包括：
将高频方波信号注入永磁容错电机的非故障相绕组，获取所述非故障相绕组的相电流信号；
分离所述相电流信号，得到高频响应电流；
对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值；
根据所述相电流信号和所述电感估计值，确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值；
根据所述电角频率和所述目标电角度值，确定给定转矩和给定电流，进而实现对所述永磁容错电机的速度伺服控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值包括：
将所述电感估计值输入到非正交锁相环，用于确定所述电角频率和永磁容错电机转子的第一估计电角度值；
根据所述第一估计电角度值，确定电流激励方向；
预起动所述永磁容错电机，并计算所述永磁容错电机的加速度方向；
根据所述电流激励方向和所述加速度方向，确定第二估计电角度值；
对所述第二估计电角度值进行固定补偿，以得到所述目标电角度值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述将所述电感估计值输入到非正交锁相环，用于确定所述电角频率和永磁容错电机转子的第一估计电角度值包括：
所述非正交锁相环的鉴相器对所述电感估计值进行处理，用于提取第一估计电角度的误差相关量；
根据所述误差相关量，所述非正交锁相环的环路滤波器估算所述转子的电角频率；
根据所述电角频率，所述非正交锁相环的压控振荡器估算所述第一估计电角度值。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述根据所述电流激励方向和所述加速度方向，确定第二估计电角度值包括：
当所述电流激励方向和所述加速度方向一致时，将所述第一估计电角度的值除以2，得到所述第二估计电角度值；
当所述电流激励方向和所述加速度方向不一致时，将所述第一估计电角度的值除以2并加上π，得到所述转子的第二估计电角度值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据所述电角频率和所述目标电角度值，确定给定转矩和给定电流之后还包括：
电流环根据给定电流，确定所述非故障相绕组各相绕组的给定电压；
所述给定电压经脉冲宽度调制后，得到所述非故障相绕组各相绕组的脉冲宽度调制控制信号；
所述脉冲宽度调制控制信号驱动所述非故障永磁容错电机运行，以实现电机的速度伺服控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述电流环根据给定电流，确定所述非故障相绕组各相绕组的给定电压包括：
将高频信号注入所述相电流环，以得到所述给定电压；
在所述给定电压上叠加所述的高频方波信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值包括：
将所述高频响应电流输入到电感观测器；
所述电感观测器对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，包括：差分运算处理、正负交替采样处理和信号调理处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述信号调理处理包括：取倒数处理和减去直流分量处理。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分离所述相电流信号，得到高频响应电流包括：
双输出数字滤波器对所述相电流进行分离，得到高频响应电流。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述双输出数字滤波器对所述相电流进行分离包括：
得到基频响应电流，用于作为所述非故障相绕组电流环控制的反馈电流。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非故障相绕组为不共线的非故障两相绕组。
12.一种永磁容错电机的无位置传感器控制系统，用于实现如权利要求1-11所述的方法，包括：
获取模块，用于将高频方波信号注入永磁容错电机的非故障相绕组，获取所述非故障相绕组的相电流信号；
分离模块，用于分离所述相电流信号，得到高频响应电流；
电感模块，用于对所述高频响应电流进行离散系统差分处理，并确定电感估计值；
电角模块，用于根据所述相电流信号和所述电感估计值，确定永磁容错电机转子的电角频率和目标电角度值；
控制模块，用于根据所述电角频率和所述目标电角度值，确定给定转矩和给定电流，进而实现对所述永磁容错电机的速度伺服控制。
13.一种电子设备，包括：处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-11任一项所述的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法的步骤。
14.一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1-11任一项所述的一种永磁容错电机的无位置传感器控制方法的步骤。
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