永磁同步电机驱动系统位置传感器偏转故障的诊断与容错.pdf-资料库

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5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 永磁同步电机驱动系统位置传感器偏转故障的诊断与容错孙天奎，杜博超，崔淑梅** （哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学院，哈尔滨 150001）摘要：电动汽车驱动用的永磁同步电机系统，由于经常工作在振动等恶劣环境，其传感器容易出现偏转而造成故障。针对这个问题本文提出了一种在线监测传感器偏转故障和实时容错的方法。该方法根据电机驱动系统输入功率与输出功率之间的关系选取故障特征量，并通过此故障特征量来检测转角误差，同时利用转角与故障特征量之间的关系对误差角度进行估算，以使电机容错运行。本文对此方法进行了仿真验证，证明了该方法的有效性和可行性。关键词：电机；电驱动系统；永磁同步电机；位置传感器偏转故障；故障诊断；容错中图分类号：TP206.3 Fault diagnosis and tolerant method on position sensor deflection of permanent magnet synchronous motor electric drive system SUN Tiankui, DU bochao, CUI shumei (Electrical Engineering and Automation school,Haerbin Institute of Technology, Harbin 150001) Abstract: The PMSM of electric drive system in vehicle always work in poor vibration environment,So its position sensor easily occur deflection faults.For the issus,this paper propose a new online fault diagnosis and tolerant method.According to the relation between the detected input power and calculated output power,we defined an fault eigenvalues to detect the deflection error.And we estimate the error under their relation to make the motor work in fault-tolerant condition.We use the simulation to proof the conclusion correct in this paper. Keywords: motor; electric drive system; PMSM; position sensor deflection fault; fault diagnosis; fault tolerant 0 引言随着电驱动系统在全电飞机、电动汽车和全电舰船等载人系统中的广泛应用，人们对电驱动系统的可靠运行提出了更高的要求。目前永磁同步电机因其高功率密度和高效率成为了电驱动系统中主流电机之一。[1]由于电驱动系统经常工作在频繁起停、加减速和振动等恶劣的工作环境下，其永磁同步电机的位置传感器会发生松动从而导致转角测量误差，对电机驱动造成不利影响。位置传感器的角度误差会改变直轴、交轴输出电流比例进而影响输出电流，在误差过大时则会直接导致电机电流激增、系统出现过流保护故障而停止工作。[2][3]如果对该故障进行检测和实现容错，可以避免动力系统的突然切断带来的安全隐患，增加系统的可靠性与安全性。目前关于位置角误差的检测一般是基于永磁同步电机转子位置估计的方法[4][5]进行的，这种方法采用位置估计算法估计转子位置，和实际位置传感器的位置信号进行比较，当二者误差较大时认为位置传感器发生故障。这种方法算法复杂，在工程上应用性不强，本文提出一种基于输入功率检测的在线监测误差角和实时容错的方法，该方法具有易于工程应用的特作者简介：孙天奎，(1989-)，男，硕士研究生，电驱动系统故障诊断。通信联系人：崔淑梅，女，教授，电动汽车新技术。E-mail: cuism@hit.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 点。 1 位置传感器转角误差故障机理分析在电驱动用永磁电机控制系统中电机一般工作在转矩控制状态[6]，系统框图如图 1 所示。 45 图 1 永磁同步电机 Id=0 控制系统框图从图 1 中可以看出转子位置信号在 Park 变换和 Park 逆变换中参与运算，Park 算式和 Park 逆算式如式 1、式 2 所示。 50 d I I ⎧⎪ ⎨ ⎪⎩ q U ⎧⎪ α ⎨ U ⎪⎩ β I = ⋅ α I = − ⋅ α I cos θ + sin θ + β I sin θ cos θ β U θ − U θ + q q = = U U d d ⋅ ⋅ cos sin sin cos θ θ 式 1 式 2 如果位置转角出现差值，那么通过 Park 算式和 Park 逆算式计算的转子坐标量和定子坐标量都会出现误差。假定转子位置差值为，构建一个故障转子坐标系按旋转方向落后转子坐标系一个角度，那么可以得到电机故障状态下的电压电流值。 55 ′ ′ q d I I ⎧ ⎪ ⎨ ⎪⎩ U ⎧ ⎪ α ⎨ U ⎪⎩ β ′ ′ ′ I ⋅ = α I ′ = − α ′ ′ = = U U d d ( ) I cos − ∆ + θ θ ( ) sin − ∆ + ⋅ θ θ ( ) cos θ θ − ∆ − ( ) sin θ θ − ∆ + ⋅ ⋅ β I ′ ) ( sin − ∆ θ θ ) ( cos ′ − ∆ θ θ β ( ) θ θ ( ) θ θ − ∆ − ∆ sin cos q ′ ′ q U U 式 3 式 4 从控制侧看控制电流受到差值影响，在控制转矩、电机转速不变的情况下 d 轴电流输入参考值变为故障坐标系中的 q 轴电流输入参考值在转子坐标系中 d 轴的投影值，而 q 轴电流输入参考值变为故障坐标系中的 q 轴电流输入参考值在转子坐标系中 q 轴的投影值。在故障系统中存在给定的 q 轴电流输入参考值，d 轴电流输入参考值，所以在转子坐标系中存在如式 5 中的关系。 60 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ′ β β ′ ′ ⋅ ) ( cos θ θ − ∆ + ( I cos ′ θ ∆ θ + α ( I sin ∆ θ α ˆ I - cos θ ∆ q θ − sin ′ I I I ′ β θ ∆ sin sin cos − ∆ ( ) θ θ ) θ ) θ 式 5 ′ ˆ I d ′ ˆ I q + = = I α cos sin ˆ I = d 0 = = − ′ ⋅ ( ) I sin − ∆ + θ θ α ( I sin cos ′ ∆ − + θ θ α ( I I cos sin + ∆ θ θ α ˆ ˆ I I sin cos ∆ + θ d q ′ = + = ′ β ∆ θ I I β β ′ ′ − ∆ cos cos sin ( ) θ θ ) θ ) θ 所以在转子坐标系中 d 轴和 q 轴的电流控制量如 6 式所示： ˆ I d = = = = ˆ I d ˆ I q ′ ˆ I q ′ ˆ I q ˆ I − q sin sin ′ ′ ˆ I q ˆ I q sin cos cos θ ∆ θ ∆ − sin 2 θ ∆ = θ ∆ = θ ∆ θ ∆ 2 cos ˆ I d θ ∆ ˆ I sin θ ∆ q ˆ I cos q θ ∆ 式 6 65 从式 6 中可以看出电机 q 轴电流输入参考值变小，而 d 轴的输入参考值变大。这将引起电机的控制精度变差，严重时将引起电机过流，导致系统停机。在控制方法中，电机的电磁转矩如下： p ω ˆ T em = ˆ e I q 0 式 7 当电机出现转角位置差值时实际输出转矩会发生变化，实际输出转矩与目标转矩给定 70 的关系如式 8 所示： T ′ em = 0 ( + + p ⎡ e i ′ ⎣ q 0 ω p e I ˆ ⎡ ⎣ q ω ˆ cos T θ ∆ em p ω ˆ T + em p e 2 2 0 2 2 = = X ( − d X i i ′ ′ d q q ) ⎤ ⎦ X d − ) ˆ X I d q ˆ I q ⎤ ⎦ 式 8 ( X d − X q ) sin 2 ∆ θ 从式 8 中可以看出误差角会明显改变输出转矩，使系统输出转矩出现明显的误差。 2 基于控制器功率恒等的传感器转角误差故障诊断原理电机驱动系统输出的电磁功率如式 9 所示，其中 Te 为电机输出的电磁转矩、ω为电机 75 的输出转速。 P T ω= e ⋅ e 式 9 电机驱动系统的输入功率如式 10 所示，其中 UDC、IDC 分别为电机驱动系统直流侧的母线电压和电流。 P DC = U DC ⋅ I DC 式 10 80 电机在任意工作点存在如式 11 的关系，Ploss 是从控制输入端至电机机电转换部分的损耗，这其中包括控制器开关损耗和电机的铜耗。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn T e = ω⋅ U DC ⋅ I DC + P loss 式 11 当系统位置传感器发生转角误差时电机的实际电磁转矩和系统输出功率会发生改变，使 85 90 得实际输出电磁转矩与计算转矩不等，实际输出功率与正常状态下的输出功率不等。因此，可以通过检测系统输入功率来判断系统是否出现位置传感器转角误差。设置故障特征量 h，忽略 Ploss 得到特征量 h 满足如下关系式： U 式 12 h = I T ⋅ DC em ˆ Iω ⋅ q = DC ˆ I q 从式 12 中可知当转子位置信号出现角度误差时，会影响输入功率使 h 将有明显的变化，因此通过检测输入功率计算得到的 h 与正常状态下的h 基准量比较可以检测转子位置是否产生误差。在 matlab/simulink 中建立如图 2 中所示的电驱动系统模型，系统母线电压为 600V，选用 560V、2000rpm 的 4 极永磁同步电机，为了简化控制策略采用 Id=0 的控制方式。 Signal 1 Si gnal Builder1 Zero-Order Hold 0 Id 200 n S1_timer S2_timer B+ B- DC Discrete, Ts = 1e -007 s powe rgui g q d theta fcn alpha beta Park_T Falpha gates Fbeta T SVPWM1 a b c alpha beta fcn Clark PI(z) PI_q PI(z) PI_d q d alpha fcn beta theta Park S1 S2 IN U1 U2 OUT GND DC_charge + - g A B C Ta Tb Tc I_abc Mta Mtb Mtc theta theta_in theta w A B C m IGBT1 Measures PMSM 95 在分别为 50A、100A、150A、200A，电机对拖转速分别为 50rad/s、100rad/s、150rad/s、图 2 电驱动系统仿真模型 200rad/s，无偏转角度下仿真，故障特征量 h 的仿真结果如图 3 所示。 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 故障特征量h校正前三维图 h 量征特障故 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 150 100 电机转速 [rad/s] 50 50 200 150 100 q轴给定电流 [A] 图 3 无角度误差下故障特征量 h 校正前的三维图 100 从图 3 中可以看出在低转速和低转矩工作状态下故障信号特征量 h 有明显的下降趋势，高转速和大电流状态下 h 值相对稳定。在同样的条件下令误差角为 15 度时仿真结果如图 4 所示，从如中可以看出故障状态下的 h 整体趋势与基准一致。偏差角为15度故障特征量h校正前三维图 h 量征特障故 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 150 100 电机转速 [rad/s] 50 50 200 150 100 q轴给定电流 [A] 图 4 角度误差为 15 度下故障特征量 h 校正前的三维图 105 为使电机能够在故障状态下容错运行，在得到故障状态下的 h 后需要估计角度误差以校正控制系统，忽略损耗后故障状态下的特征信号满足如下关系。 110 h ′ = U I T ′ ′ ⋅ DC em ˆ Iω ⋅ q = DC ˆ I q 当电角度差值较小时式 8 中含有的一项可以舍弃，得到 cos θ ∆ = ˆ I q ˆ I q ≈ T ′ em ˆ T em = h ′ h - 5 - 式 13 式 14

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 通过故障特征量实际值与基准值运算可以近似得到角误差的估计值。因为控制系统正常工作需要误差角度不能超过 90 度，所以本方法的故障角度检测域设定为。偏差角为15度时估计角度三维图 ] [ 度度角差偏计估 80 60 40 20 0 200 150 100 电机转速 [rad/s] 50 50 200 150 100 q轴给定电流 [A] 图 5 角度误差为 15 度下估计角度值 115 120 125 图 5 是误差角为 15 度时估计值的三维图，从图中可以看出误差角的估计值在低转速、小电流下存在较大的误差，这个误差是由于在低转速和小电流下电机的输入功率和输出功率都很小，这是由于忽略了控制器功开关损耗和电机的损耗等损耗功率能造成的。估计角度误差会影响容错效果，为了校正误差需要对故障信号特征量 h 补偿。由式 8 可知当故障误差角为 90 度时电机的电磁转矩为零，由式 9 可知电磁功率亦为零，此时系统输入功率即为损耗功率 P¬loss。选取这时的故障特征量 h 作为校正 h 的零基准，分别对 h 基准值和故障时的 h 值进行补偿可以消除因为上述损耗所造成的误差，故障信号特征量 h 的补偿值如图 6 所示。度故障特征量h校正补偿值三维图 h 量征特障故 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 150 100 电机转速 [rad/s] 50 50 200 150 100 q轴给定电流 [A] 图 6 故障特征量 h 的补偿值图 6 中补偿量在小电流、低转速下呈上升趋势，在大电流、高转速下补偿趋近于零。补 130 偿后的 h 基准值和故障误差角度为 15 度时的 h 值如图 7 和图 8 所示。 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 故障特征量h校正后三维图 h 量征特障故 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 150 100 电机转速 [rad/s] 50 50 200 150 100 q轴给定电流 [A] 图 7 故障特征量 h 校正后的三维图故障角为15度故障特征量h校正后三维图 h 量征特障故 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 150 100 电机转速 [rad/s] 50 50 200 150 100 q轴给定电流 [A] 图 8 角度误差为 15 度时故障特征量 h 校正后的三维图 135 补偿后的 h 值在电机额定功率工作域内基本保持恒定，这与理论推定相符。使用补偿后的 h 基准和补偿后的故障 h 值运算得到的估计误差角度如图 9 所示。 - 7 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 偏差角为15度时估计角度三位维图 ] [ 度度角差偏计估 80 60 40 20 0 200 150 100 电机转速 [rad/s] 50 50 200 150 100 q轴给定电流 [A] 图 9 角度误差为 15 度下估计角度校正后的值 140 从图中可以看出对 h 补偿后明在低转速和低电流下的角度估计明显比补偿前准确，这证明补偿方法有效。补偿后的角度估计方法在误差角分别为 30 度、45 度和 60 度情况下估计的误差角如图 10、图 11 和图 12 所示。偏差角30度时估计角度三位维图 ] [ 度度角差偏计估 80 60 40 20 0 200 150 100 电机转速 [rad/s] 50 50 200 150 100 q轴给定电流 [A] 145 图 10 角度误差为 15 度下估计角度校正后的值 - 8 -

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