基于滑模觀測器的PMSM單相霍爾位置傳感器故障容錯控制算法

張明明, 劉維亭, 魏海峰, 張 懿, 李垣江, 李 震

基于滑模觀測器的PMSM單相霍爾位置傳感器故障容錯控制算法

張明明, 劉維亭, 魏海峰, 張 懿, 李垣江, 李 震

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

在高性能的水下航行器推進系統(tǒng)中, 為了解決由于永磁同步電機(PMSM)單相霍爾位置傳感器故障, 導致的轉子位置估算不準確、電機無法正常驅(qū)動等問題, 提出一種新型容錯算法。首先將故障加速度引入傳統(tǒng)平均速度法, 構建改進1階加速度容錯算法, 在改進1階加速度容錯算法估算轉子位置的基礎上，建立電流滑模觀測器, 通過鎖相環(huán)提取容錯后的轉子位置; 然后針對單相霍爾位置傳感器故障狀態(tài), 將改進1階加速度容錯算法與滑模觀測器的觀測結果根據(jù)權值協(xié)調(diào)輸出; 最后, 通過試驗驗證了單相霍爾位置傳感器故障類型下的控制系統(tǒng)性能。試驗結果表明, 新型容錯算法提高了傳統(tǒng)霍爾位置傳感器PMSM控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性, 有效改善了推進系統(tǒng)在故障情況下的加速性能, 優(yōu)化了容錯控制效果。

水下航行器; 永磁同步電機; 霍爾位置傳感器; 滑模觀測器; 容錯控制

0 引言

推進電機是水下航行器的重要組成部分, 然而水下航行器空間有限、運行情況復雜, 選用空間占用小、響應速度快、節(jié)能高效的推進電機對水下航行器的發(fā)展具有重要意義[1]。永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor, PMSM)體積小、質(zhì)量輕、功率密度大、可靠性高等特點滿足了水下航行器推進電機的需求[2-3]。在水下PMSM控制系統(tǒng)中, 需要獲取轉子速度和位置信息完成推進電機矢量控制。因霍爾位置傳感器空間占用小、響應速度快、節(jié)能高效, 在PMSM驅(qū)動系統(tǒng)得到了廣泛的研究和應用[4-5]。但是惡劣的海水環(huán)境、劇烈的振動等情況會造成霍爾位置傳感器發(fā)生故障, 無法完成轉子位置信息反饋?？紤]水下航行器控制系統(tǒng)可靠性與推進電機維護等問題, PMSM霍爾位置傳感器容錯控制成為了近年來的研究熱點[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, 電機控制系統(tǒng)無法正常完成轉子位置信息反饋等問題。近年來國內(nèi)外學者對霍爾位置傳感器PMSM故障診斷和容錯控制進行了大量研究[9-12]。Scelba等[13]通過線電壓的頻譜分析進行故障診斷, 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算復雜, 故障診斷效率低, 容錯控制的效果較差。聶銅等[14]對霍爾信號的狀態(tài)變化順序進行研究, 提出了基于霍爾狀態(tài)序列的故障檢測和容錯控制方法, 但是故障診斷的效率仍然較低, 容錯控制中有較大的性能波動。Dong等[15]提出了基于電機轉向估計的故障診斷方法和霍爾信號重建方法, 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。Nguyen等[16]提出了角度臨時估計方法, 能夠在故障診斷過程中為驅(qū)動系統(tǒng)提供合理的位置估計, 抑制了故障引起的性能波動。

綜上所述, 以上容錯控制研究大都集中在故障診斷效率的提高和容錯控制的穩(wěn)態(tài)性能分析上, 并沒有對單相霍爾位置傳感器容錯控制在驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)過程中的性能進行深入研究?；诖? 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電機容錯控制的新型算法。在改進1階加速度算法估算轉子位置的基礎上, 建立電流滑模觀測器, 通過鎖相環(huán)提取轉子位置。根據(jù)單相霍爾位置傳感器故障下電機運行狀態(tài), 將改進1階加速度算法與滑模觀測結果的權值協(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獲取

圖1 永磁同步電機控制系統(tǒng)

霍爾位置傳感器的輸出信號通過平均速度算法進行轉子位置估算, 可以滿足PMSM的正弦波驅(qū)動要求。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)可靠性和電機維護等問題, 針對單相霍爾位置傳感器故障情況, 提出一種新型容錯算法, 以解決由霍爾故障導致電機無法正常運行等問題。

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 電機傳感器故障診斷表

3 單相霍爾位置傳感器容錯控制算法

3.1 傳統(tǒng)平均速度容錯算法

當霍爾位置信號出現(xiàn)異常時, 使用前一正常運行區(qū)間代替故障大區(qū)間包括的2個故障區(qū)間運行時間, 實現(xiàn)單相霍爾位置傳感器故障下系統(tǒng)容錯控制。

傳統(tǒng)平均速度容錯算法可以在霍爾位置傳感器出現(xiàn)故障時, 保證系統(tǒng)可繼續(xù)穩(wěn)定運行, 增加了系統(tǒng)可靠性。但是當電機加減速時, 系統(tǒng)動態(tài)性能下降, 且存在嚴重滯后問題。

3.2 改進型1階加速度容錯算法

圖4 單個霍爾扇區(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算法如表2所示。

表2 霍爾位置傳感器故障容錯表

引入故障加速度使得轉速和角度估算更加準確, 但由于改進的1階加速度容錯算法主要依賴霍爾位置信號, 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)時刻平均值, 加減速時對轉子位置和轉速估算依然存在一定的滯后, 難以實現(xiàn)較好的轉速閉環(huán)控制。

3.3 基于滑模觀測器的容錯控制算法

針對以上問題, 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和容錯控制, 其流程見圖5。

圖5 新型容錯控制結構框圖

在新型容錯算法中, 根據(jù)電機數(shù)學模型在兩相靜止坐標系下, 構建基于電流狀態(tài)方程的滑模觀測方程

考慮到滑模觀測器觀測的反電動勢信號中存在一定的抖振信號, 會影響轉子位置估算精度。因此, 通過鎖相環(huán)對反電動勢進行轉速與轉子位置的提取。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)

結合改進1階加速度容錯算法和滑模觀測器觀測電流算法, 并考慮霍爾位置傳感器故障, 建立轉子位置估算公式

該算法可以在電機運行時解決單相霍爾位置傳感器故障下無法正確估算轉子位置信息、完成電機驅(qū)動等問題, 改善了單相霍爾位置傳感器故障下系統(tǒng)容錯控制性能, 增加了系統(tǒng)可靠性。

4 實驗分析

在兼有編碼器和霍爾位置傳感器的PMSM交流調(diào)速平臺上, 對文中提出的新型霍爾位置傳感器容錯算法進行了實驗驗證。系統(tǒng)實驗平臺搭建如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實驗平臺

針對單相霍爾位置傳感器故障下電機啟動階段和轉速大小突變典型工況進行實驗研究, 實測對比階段選擇上位機。通過對比基于平均速度法和改進1階加速度算法下的單相霍爾位置傳感器故障容錯控制與基于新型算法下的角度估計結果、電機運行三相電流和轉速波形, 以驗證新型霍爾位置傳感器容錯控制策略的有效性。對應的實驗電機參數(shù)如表3所示。

首先通過實驗驗證3種容錯控制算法在不同故障情況下的角度估計結果, 如圖8所示, 其中電機穩(wěn)態(tài)機械角速度為400 r/min, 在=0.14 s處將目標轉速提高到800 r/min。由圖8可知, 基于傳統(tǒng)平均速度法估算的轉子位置與實際轉子位置存在較大偏差, 且滯后性較為明顯?；诟倪M1階加速度算法的容錯控制, 單霍爾故障容錯控制下的角度估計結果與傳統(tǒng)平均速度算法估算結果相比得到一定改善, 但依然存在明顯滯后現(xiàn)象。新型容錯控制算法下角度估算偏差相對較小, 滯后不明顯, 明顯改善了容錯控制性能, 增大系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、可靠性。

表3 實驗電機參數(shù)

圖8 轉子實際位置與估算位置波形圖

圖9針對2種容錯算法的動態(tài)性能進行實驗驗證, 在=0.10 s時電機啟動,=0.16 s處電機加速。由圖9所知, 改進1階加速度容錯算法下的電機起動過程中電流出現(xiàn)了較為明顯的波形畸變。新型容錯控制算法較改進1階加速度容錯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)動系統(tǒng)在故障情況下的運行性能, 優(yōu)化了容錯控制效果。

圖9 三相電流波形圖

圖10針對2種容錯控制算法的轉速估算性能進行實驗驗證。改進1階加速度容錯算法下的電機轉速與真實值存在一定偏差。新型容錯控制算法較改進1階加速度容錯算法, 轉速估計值誤差較小, 控制效果最優(yōu)。

圖10 電機啟動轉速波形圖

5 結束語

針對PMSM中單相霍爾位置傳感器故障導致轉子位置估算不準確的問題, 提出了一種新型容錯控制算法。將滑模觀測器與引入故障加速度的改進1階加速度容錯算法相結合, 在容錯控制中定義權值概念, 將改進容錯算法與滑模觀測器觀測結果的根據(jù)權值協(xié)調(diào)輸出。

以一臺兼有2500線編碼器和霍爾位置傳感器的PMSM為實驗對象, 對單相霍爾位置傳感器故障下電機起動階段和轉速大小突變典型工況進行實驗研究, 將編碼器獲得的轉子位置、電流和轉速波形與含故障霍爾位置傳感器獲得的轉子位置與轉速相比較, 驗證霍爾位置傳感器容錯控制策略的有效性。結果表明, 文中提出的新型容錯控制算法有效改善了驅(qū)動系統(tǒng)在故障情況下的加速性能, 優(yōu)化了容錯控制效果, 增加了水下航行器推進系統(tǒng)可靠性。下一步將重點研究容錯算法策略的工程化問題, 以期實現(xiàn)其工程應用。

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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. 基于滑模觀測器的PMSM單相霍爾位置傳感器故障容錯控制算法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2019, 27(6): 651-657.

2019-04-15;

2019-05-19.

國家自然科學基金項目(51809128); 江蘇省省重點研發(fā)計劃產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關鍵技術重點項目(BE2018007); 江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃項目資助.

張明明(1994-), 男, 在讀碩士, 研究方向為電機控制.

(責任編輯: 許 妍)