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        基于滑模觀測(cè)器的PMSM單相霍爾位置傳感器故障容錯(cuò)控制算法

        2020-01-08 05:44:38張明明劉維亭魏海峰李垣江
        關(guān)鍵詞:單相霍爾控制算法

        張明明, 劉維亭, 魏海峰, 張 懿, 李垣江, 李 震

        基于滑模觀測(cè)器的PMSM單相霍爾位置傳感器故障容錯(cuò)控制算法

        張明明, 劉維亭, 魏海峰, 張 懿, 李垣江, 李 震

        (1. 江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江, 212003; 2. 江蘇舾普泰克自動(dòng)化科技有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江, 212003)

        在高性能的水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)中, 為了解決由于永磁同步電機(jī)(PMSM)單相霍爾位置傳感器故障, 導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子位置估算不準(zhǔn)確、電機(jī)無法正常驅(qū)動(dòng)等問題, 提出一種新型容錯(cuò)算法。首先將故障加速度引入傳統(tǒng)平均速度法, 構(gòu)建改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法, 在改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法估算轉(zhuǎn)子位置的基礎(chǔ)上,建立電流滑模觀測(cè)器, 通過鎖相環(huán)提取容錯(cuò)后的轉(zhuǎn)子位置; 然后針對(duì)單相霍爾位置傳感器故障狀態(tài), 將改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法與滑模觀測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果根據(jù)權(quán)值協(xié)調(diào)輸出; 最后, 通過試驗(yàn)驗(yàn)證了單相霍爾位置傳感器故障類型下的控制系統(tǒng)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明, 新型容錯(cuò)算法提高了傳統(tǒng)霍爾位置傳感器PMSM控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性, 有效改善了推進(jìn)系統(tǒng)在故障情況下的加速性能, 優(yōu)化了容錯(cuò)控制效果。

        水下航行器; 永磁同步電機(jī); 霍爾位置傳感器; 滑模觀測(cè)器; 容錯(cuò)控制

        0 引言

        推進(jìn)電機(jī)是水下航行器的重要組成部分, 然而水下航行器空間有限、運(yùn)行情況復(fù)雜, 選用空間占用小、響應(yīng)速度快、節(jié)能高效的推進(jìn)電機(jī)對(duì)水下航行器的發(fā)展具有重要意義[1]。永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor, PMSM)體積小、質(zhì)量輕、功率密度大、可靠性高等特點(diǎn)滿足了水下航行器推進(jìn)電機(jī)的需求[2-3]。在水下PMSM控制系統(tǒng)中, 需要獲取轉(zhuǎn)子速度和位置信息完成推進(jìn)電機(jī)矢量控制。因霍爾位置傳感器空間占用小、響應(yīng)速度快、節(jié)能高效, 在PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用[4-5]。但是惡劣的海水環(huán)境、劇烈的振動(dòng)等情況會(huì)造成霍爾位置傳感器發(fā)生故障, 無法完成轉(zhuǎn)子位置信息反饋。考慮水下航行器控制系統(tǒng)可靠性與推進(jìn)電機(jī)維護(hù)等問題, PMSM霍爾位置傳感器容錯(cuò)控制成為了近年來的研究熱點(diǎn)[6-8]。

        在PMSM霍爾位置傳感器故障中, 單相霍爾故障發(fā)生的可能性最大, 影響最為廣泛, 是霍爾位置傳感器使用過程中迫切需要解決的問題。為了解決單相霍爾元件發(fā)生故障時(shí), 電機(jī)控制系統(tǒng)無法正常完成轉(zhuǎn)子位置信息反饋等問題。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)霍爾位置傳感器PMSM故障診斷和容錯(cuò)控制進(jìn)行了大量研究[9-12]。Scelba等[13]通過線電壓的頻譜分析進(jìn)行故障診斷, 故障情況下采用位置開環(huán)控制, 其中的離散傅里葉變換計(jì)算復(fù)雜, 故障診斷效率低, 容錯(cuò)控制的效果較差。聶銅等[14]對(duì)霍爾信號(hào)的狀態(tài)變化順序進(jìn)行研究, 提出了基于霍爾狀態(tài)序列的故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制方法, 但是故障診斷的效率仍然較低, 容錯(cuò)控制中有較大的性能波動(dòng)。Dong等[15]提出了基于電機(jī)轉(zhuǎn)向估計(jì)的故障診斷方法和霍爾信號(hào)重建方法, 提高了故障診斷的速度, 減小了故障發(fā)生瞬間的性能波動(dòng)。Nguyen等[16]提出了角度臨時(shí)估計(jì)方法, 能夠在故障診斷過程中為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供合理的位置估計(jì), 抑制了故障引起的性能波動(dòng)。

        綜上所述, 以上容錯(cuò)控制研究大都集中在故障診斷效率的提高和容錯(cuò)控制的穩(wěn)態(tài)性能分析上, 并沒有對(duì)單相霍爾位置傳感器容錯(cuò)控制在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中的性能進(jìn)行深入研究。基于此, 文中提出了一種在單相霍爾位置傳感器故障下水下航行器推進(jìn)電機(jī)容錯(cuò)控制的新型算法。在改進(jìn)1階加速度算法估算轉(zhuǎn)子位置的基礎(chǔ)上, 建立電流滑模觀測(cè)器, 通過鎖相環(huán)提取轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)單相霍爾位置傳感器故障下電機(jī)運(yùn)行狀態(tài), 將改進(jìn)1階加速度算法與滑模觀測(cè)結(jié)果的權(quán)值協(xié)調(diào)輸出, 從而提高水下航行器中PMSM控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

        1 霍爾位置傳感器位置信號(hào)獲取

        圖1 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)

        霍爾位置傳感器的輸出信號(hào)通過平均速度算法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估算, 可以滿足PMSM的正弦波驅(qū)動(dòng)要求。但是霍爾位置傳感器容易受到其工作環(huán)境, 如溫度、灰塵、電磁干擾等的影響, 使得輸出信號(hào)出現(xiàn)異常, 甚至造成傳感器損壞, 三相霍爾位置傳感器各種故障類型中, 單相霍爾位置傳感器發(fā)生可能性最大??紤]控制系統(tǒng)可靠性和電機(jī)維護(hù)等問題, 針對(duì)單相霍爾位置傳感器故障情況, 提出一種新型容錯(cuò)算法, 以解決由霍爾故障導(dǎo)致電機(jī)無法正常運(yùn)行等問題。

        圖2 霍爾元件輸出波形圖

        2 單相霍爾位置傳感器故障分析

        圖3 單相霍爾位置傳感器故障輸出波形圖

        表1 電機(jī)傳感器故障診斷表

        3 單相霍爾位置傳感器容錯(cuò)控制算法

        3.1 傳統(tǒng)平均速度容錯(cuò)算法

        當(dāng)霍爾位置信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí), 使用前一正常運(yùn)行區(qū)間代替故障大區(qū)間包括的2個(gè)故障區(qū)間運(yùn)行時(shí)間, 實(shí)現(xiàn)單相霍爾位置傳感器故障下系統(tǒng)容錯(cuò)控制。

        傳統(tǒng)平均速度容錯(cuò)算法可以在霍爾位置傳感器出現(xiàn)故障時(shí), 保證系統(tǒng)可繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行, 增加了系統(tǒng)可靠性。但是當(dāng)電機(jī)加減速時(shí), 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能下降, 且存在嚴(yán)重滯后問題。

        3.2 改進(jìn)型1階加速度容錯(cuò)算法

        圖4 單個(gè)霍爾扇區(qū)展開圖

        在單相霍爾位置傳感器故障中, 將加速度引入換相時(shí)間估算值中, 改善霍爾位置傳感器故障下加減速階段控制性能?;魻栁恢脗鞲衅鞴收先蒎e(cuò)算法如表2所示。

        表2 霍爾位置傳感器故障容錯(cuò)表

        引入故障加速度使得轉(zhuǎn)速和角度估算更加準(zhǔn)確, 但由于改進(jìn)的1階加速度容錯(cuò)算法主要依賴霍爾位置信號(hào), 無法消除霍爾位置傳感器安裝誤差帶來的影響, 且算法中采用的角速度和加速度值依然為上一扇區(qū)時(shí)刻平均值, 加減速時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算依然存在一定的滯后, 難以實(shí)現(xiàn)較好的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

        3.3 基于滑模觀測(cè)器的容錯(cuò)控制算法

        針對(duì)以上問題, 綜合考慮PMSM矢量控制系統(tǒng)成本及可靠性, 提出各種故障下的霍爾位置傳感器故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制, 其流程見圖5。

        圖5 新型容錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)框圖

        在新型容錯(cuò)算法中, 根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型在兩相靜止坐標(biāo)系下, 構(gòu)建基于電流狀態(tài)方程的滑模觀測(cè)方程

        考慮到滑模觀測(cè)器觀測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中存在一定的抖振信號(hào), 會(huì)影響轉(zhuǎn)子位置估算精度。因此, 通過鎖相環(huán)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置的提取。鎖相環(huán)控制框圖如圖6所示。

        圖6 鎖相環(huán)控制框圖

        根據(jù)圖6可得鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)

        結(jié)合改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法和滑模觀測(cè)器觀測(cè)電流算法, 并考慮霍爾位置傳感器故障, 建立轉(zhuǎn)子位置估算公式

        該算法可以在電機(jī)運(yùn)行時(shí)解決單相霍爾位置傳感器故障下無法正確估算轉(zhuǎn)子位置信息、完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)等問題, 改善了單相霍爾位置傳感器故障下系統(tǒng)容錯(cuò)控制性能, 增加了系統(tǒng)可靠性。

        4 實(shí)驗(yàn)分析

        在兼有編碼器和霍爾位置傳感器的PMSM交流調(diào)速平臺(tái)上, 對(duì)文中提出的新型霍爾位置傳感器容錯(cuò)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖7所示。

        圖7 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        針對(duì)單相霍爾位置傳感器故障下電機(jī)啟動(dòng)階段和轉(zhuǎn)速大小突變典型工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究, 實(shí)測(cè)對(duì)比階段選擇上位機(jī)。通過對(duì)比基于平均速度法和改進(jìn)1階加速度算法下的單相霍爾位置傳感器故障容錯(cuò)控制與基于新型算法下的角度估計(jì)結(jié)果、電機(jī)運(yùn)行三相電流和轉(zhuǎn)速波形, 以驗(yàn)證新型霍爾位置傳感器容錯(cuò)控制策略的有效性。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)如表3所示。

        首先通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3種容錯(cuò)控制算法在不同故障情況下的角度估計(jì)結(jié)果, 如圖8所示, 其中電機(jī)穩(wěn)態(tài)機(jī)械角速度為400 r/min, 在=0.14 s處將目標(biāo)轉(zhuǎn)速提高到800 r/min。由圖8可知, 基于傳統(tǒng)平均速度法估算的轉(zhuǎn)子位置與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置存在較大偏差, 且滯后性較為明顯。基于改進(jìn)1階加速度算法的容錯(cuò)控制, 單霍爾故障容錯(cuò)控制下的角度估計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)平均速度算法估算結(jié)果相比得到一定改善, 但依然存在明顯滯后現(xiàn)象。新型容錯(cuò)控制算法下角度估算偏差相對(duì)較小, 滯后不明顯, 明顯改善了容錯(cuò)控制性能, 增大系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性。

        表3 實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)

        圖8 轉(zhuǎn)子實(shí)際位置與估算位置波形圖

        圖9針對(duì)2種容錯(cuò)算法的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 在=0.10 s時(shí)電機(jī)啟動(dòng),=0.16 s處電機(jī)加速。由圖9所知, 改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法下的電機(jī)起動(dòng)過程中電流出現(xiàn)了較為明顯的波形畸變。新型容錯(cuò)控制算法較改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法電流波形畸變較小, 電流波形更貼近于霍爾位置傳感器正常情況下電流波形, 有效改善了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在故障情況下的運(yùn)行性能, 優(yōu)化了容錯(cuò)控制效果。

        圖9 三相電流波形圖

        圖10針對(duì)2種容錯(cuò)控制算法的轉(zhuǎn)速估算性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速與真實(shí)值存在一定偏差。新型容錯(cuò)控制算法較改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法, 轉(zhuǎn)速估計(jì)值誤差較小, 控制效果最優(yōu)。

        圖10 電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形圖

        5 結(jié)束語

        針對(duì)PMSM中單相霍爾位置傳感器故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置估算不準(zhǔn)確的問題, 提出了一種新型容錯(cuò)控制算法。將滑模觀測(cè)器與引入故障加速度的改進(jìn)1階加速度容錯(cuò)算法相結(jié)合, 在容錯(cuò)控制中定義權(quán)值概念, 將改進(jìn)容錯(cuò)算法與滑模觀測(cè)器觀測(cè)結(jié)果的根據(jù)權(quán)值協(xié)調(diào)輸出。

        以一臺(tái)兼有2500線編碼器和霍爾位置傳感器的PMSM為實(shí)驗(yàn)對(duì)象, 對(duì)單相霍爾位置傳感器故障下電機(jī)起動(dòng)階段和轉(zhuǎn)速大小突變典型工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究, 將編碼器獲得的轉(zhuǎn)子位置、電流和轉(zhuǎn)速波形與含故障霍爾位置傳感器獲得的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速相比較, 驗(yàn)證霍爾位置傳感器容錯(cuò)控制策略的有效性。結(jié)果表明, 文中提出的新型容錯(cuò)控制算法有效改善了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在故障情況下的加速性能, 優(yōu)化了容錯(cuò)控制效果, 增加了水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)可靠性。下一步將重點(diǎn)研究容錯(cuò)算法策略的工程化問題, 以期實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用。

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        Fault-Tolerant Control Algorithm of Single-Phase Hall Position Sensor Based on Sliding Mode Observer for PMSM

        ZHANG Ming-ming, LIU Wei-ting, WEI Hai-feng, ZHANG Yi, LI Yuan-jiang, LI Zhen

        (1. School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, China; 2. Jiangsu Shiptek Automation Technology Co., Ltd, Zhenjiang 212003, China)

        A new fault-tolerant control algorithm for the permanent magnet synchronous motor (PMSM) in high performance underwater vehicle propulsion system is proposed in order to solve the problems of inaccurate rotor position estimation and abnormal motor driving caused by Hall position sensor fault. Based on the traditional mean velocity method, fault acceleration is introduced to construct an improved first-order acceleration fault-tolerant control algorithm. This improved first-order acceleration fault-tolerant algorithm is adopted to estimate the rotor position, and then a current sliding mode observer is established to extract the fault-tolerant rotor position through a phase-locked loop. For the fault state of single Hall sensor, the result of the improved first-order acceleration fault-tolerant algorithm is coordinated with the observation result of the sliding mode observer to output according to their weights. Finally, the performance of the control system for the fault type of single-phase Hall position sensor is verified by experiments. Experimental results show that the new fault-tolerant algorithm improves the stability and reliability of the traditional PMSM control system with Hall position sensor. The acceleration performance of the propulsion system in the case of fault is effectively improved, and the fault-tolerant control effect is optimized.

        underwater vehicle; permanent magnet synchronous motor (PMSM); Hall position sensor; sliding mode observer; fault-tolerant control

        TJ630.32; TM307

        A

        2096-3920(2019)06-0651-07

        10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.008

        張明明, 劉維亭, 魏海峰, 等. 基于滑模觀測(cè)器的PMSM單相霍爾位置傳感器故障容錯(cuò)控制算法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(6): 651-657.

        2019-04-15;

        2019-05-19.

        國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51809128); 江蘇省省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目(BE2018007); 江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助.

        張明明(1994-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制.

        (責(zé)任編輯: 許 妍)

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