CN112564574A - 一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制方法 Download PDF

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张懿
王浩陈
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机霍尔传感器的容错控制方法，涉及永磁同步电机控制技术领域，包括：步骤1：根据Clark变换和Park变换获取永磁同步电机的转矩电流；步骤2：根据永磁同步电机的机械运动方程以及转矩的定义式找到电机加速度和转矩电流的关系；步骤3：将估算角速度和转矩电流差引入估算角加速度计算；步骤4：根据电机运行状态估算转子位置和速度；步骤5：将***故障加速度替换成估算加速度。基于永磁同步电机霍尔传感器的容错控制方法，可以在霍尔传感器故障时，精确的估算出转子的位置及加速度，提高了永磁同步电机运动的准确度。

Description

一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，更具体地讲，是一种永磁同步电机在霍尔传感器损坏的情况下的容错控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、控制简单等诸多优点。近年来，永磁同步电机在高性能调速***和伺服控制***等工业领域中得到了日益广泛的应用。
依赖三相Hall位置传感器进行转子位置估算的PMSM***在恶劣环境下长时间工作后可能由于高温、高湿、盐雾等影响导致Hall 位置传感器损坏。或者由于长时间使用导致传感器接线断裂、内部老化等问题。Hall元件出现问题后，传统观测算法无法完成转子位置估算直接导致电机无法换相。若在一些特定环境中如车辆运输、航空航海领域中会带来无法估计的后果。
目前永磁同步电机都是利用基于零阶速度的位置估算方法估计转子位置，零阶速度观测转子位置的算法可以在电机稳态运行中时获得较好的效果，但在复杂的电机控制***中，扰动较大或频繁加减速等工况下，采用前一Hall区间的零阶速度替代当前Hall区间的瞬时速度的做法，估算结果的准确性大大降低。基于此，为了获得高精度的速度及位置估计值，可以引入电机加速度，来适应动态电机运行环境，进而估算出转子位置，以达到精确估算转子位置的目的。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步电机的容错控制方法，以解决现有技术中永磁同步电机在霍尔传感器故障后难以精确估算转子位置从而导致电动机不能正常驱动的问题。
本发明提供了一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制方法，其特征在于当永磁同步电机霍尔传感器损坏时，通过获取电机交轴电流与电机运行加速度的关系从而估算转子的位置，包括：
步骤1：利用永磁同步电机三相霍尔换相原理，得到当前霍尔区间内转子转速的估算方法；
步骤2：利用Clark变换和Park变换获取电动机交轴电流值；
步骤3：根据机械运动方程以及永磁同步电机电磁转矩和机械转矩定义，获取转矩分量的关系式；
步骤4：获取永磁同步电机交轴电流与电机加速度的关系式；
步骤5：根据电机运行状态变加速估算转子位置与转速。
步骤6：在电机运行过程中，将转子的故障加速度替换成较为精确的估算加速度。
可选地，步骤1中永磁同步电机的三相霍尔传感器会将永磁同步电机的一个一个电周期分为六个区域，如附图1所示，6个区域等间隔60个电角度，并在区域交界处有6个准确的参考相位，假设在相邻区间内运行时间相同、单霍尔区间内转速不变，可以计算当前霍尔区间内转子转速；
可选地，步骤2中由于永磁同步电机是复杂的非线性***，为了简化其数学模型，实现控制上的解耦，需要建立相应的坐标系变换，即Clark变换和Park变换；
通过Clark变换和Park变换将永磁同步电机在自然坐标系的三相电流值转换为两相d-q旋转坐标系下d-q轴的电流分量，即解耦后的励磁电流id分量、转矩电流iq分量；
可选地，步骤3中在永磁同步电机运行过程中，有机械运动方程和电磁转矩表达式为：
Figure BDA0002792401520000031
其中：TL为负载转矩、J为转动惯量、Te为电磁转矩、ψf为转子磁链。
可选地，步骤4中由步骤3可得，在忽略启动时负载转矩的情况下(TL＝0)，可以得到电机运行过程中的估算加速度a*与交轴电流iq之间存在线性关系。
可选地，步骤5中根据电机运行状态变加速估算转子位置与转速，使得转子位置与转速估计更加准确，加速度及角度估算算法为：
Figure BDA0002792401520000032
可选地，步骤6中在步骤五中可以估算出较为精确的转子位置和角速度。在单相Hall位置传感器故障时，在切换时间估计中引入估算的较为精确的加速度，以提高Hall位置传感器故障时加减速阶段的控制性能。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明提供了一种永磁同步电机的容错控制方法，解决现有技术中永磁同步电机在霍尔传感器故障后难以精确估算转子位置问题
2、本发明装置解决了永磁同步电机加减速过程中解决传统转子位置估算方法准确率低的问题。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是一个周期下三相霍尔信号；
图2为本发明中单相Hall故障区间展开图；
图3为Hall位置传感器故障容错图；
图4为本发明方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明提供了一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制方法，如图 4所示，包括如下步骤：
步骤S1：永磁同步电机一般会配置三个对称安装的霍尔传感器，三相霍尔传感器产生的编码信号可以将永磁同步电机的一个电周期 (电周期和物理周期之间成线性关系，其比例系数取决于电机磁极对数)分为六个区域，如附图1中所示。编码信号分别为：101(5)、 001(1)、011(3)、010(2)、110(6)、100(4)，6个区域等间隔60 个电角度，并在区域交界处有6个准确的参考相位(相位0—相位5)。准确的转子相位对于永磁同步电机控制策略来说十分重要，相位的准确性直接影响了电机运行过程中的震动，噪声以及效率，假设在相邻区间内运行时间相同、单霍尔区间内转速不变，则可以计算出当前霍尔区间内转子转速；假设在相邻区间内运行时间相同、单霍尔区间内转速不变，可以计算当前霍尔区间内转子转速为：
ω(n)＝π/3(t-tn)
其中tn是转子在相邻霍尔区间内运行时间，n为将霍尔区间数。
步骤S2：永磁同步电机是复杂的非线性***，为了简化其数学模型，实现控制上的解耦，需要建立相应的坐标系变换，即Clark变换和Park变换。
Clark变换：由于异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分解和求解这组非线性方程十分困难，在实际应用中必须予以简化，简化的基本思路就是将复杂的问题分解成一个一个简单易处理的问题，将复杂的三相坐标系转换成易理解的两相坐标系，即将自然坐标系 ABC变换到静止的坐标系下α-β下。
记三相交流***各相电流为：
Figure BDA0002792401520000051
其中，ia、ib、ic分别指ABC三相电流的瞬时值，Im指三相电流幅值。
通过特定的矩阵变换，将上述ABC三相电流的瞬时值转换为α-β坐标系下的值，即通过Clark变换进行坐标系之间的变化。
Figure BDA0002792401520000052
由此，得到了在α-β坐标系下的电流iα、iβ。
由于PID控制器对直流参考信号的跟踪效果更好，因此在Clark 变换之后需要将静止的α,β坐标系转换为旋转的d-q坐标系，Park 变为将静止坐标系α-β变换到同步旋转坐标系d-q下。从物理意义上讲，Park变换就是将ia、ib、ic电流投影，等效到旋转的d-q轴上，将定子上的电流都等效到直轴和交轴上去。对稳态来说，这么一等效之后，iq、id正好就是一个常数了。
Figure BDA0002792401520000053
通过上述矩阵变换，即Clark变换和Park变换后，便得到了交轴电流iq。
通过Clark变换和Park变换，得到两相d-q旋转坐标系下d-q轴的电流分量，即解耦后的转矩电流iq分量、励磁电流id分量；
步骤S3：在永磁同步电机中，电磁转矩是电动机旋转磁场各极磁通与转子电流相互作用而在转子上形成的旋转力矩，是电动机将电能转换成机械能最重要的物理量之一；负载转矩则是电机驱动转动负载时需要的扭矩(转矩或力矩)。在忽略负载转矩的情况下，有机械运动方程和电磁转矩的表达式：
Figure BDA0002792401520000061
其中：TL为负载转矩，Te为电磁转矩，J为转动惯量，np为极对数；Ψf为转子磁链，θ*为估算的转子角度；
步骤S4：根据步骤3方程组可得加速度与交轴电流的线性关系。
Figure BDA0002792401520000062
其中：np为极对数；Ψf为转子磁链；J为转动惯量；a*为转矩电流估算加速度。结合上述方程组可以得到估算加速度与转矩电流之间的线性关系，电机加速度与转矩电流iq成正比。
步骤S5：由步骤4可得，电机加速度与Δiq＝iq *-iq存在线性关系。在电机加减速运行阶段设置转矩电流iq *与实际转矩电流iq差Δiq＝iq *-iq较大，故将Δiq＝iq *-iq引入角加速度估算式，改善加减速阶段控制性能。当电机低速运行，即估算转速
Figure BDA0002792401520000063
n为额定转速，为减小误差，故将
Figure BDA0002792401520000064
与转矩电流差引入估算角加速度计算。即估算角加速度
Figure BDA0002792401520000065
为：
Figure BDA0002792401520000066
步骤S6：由步骤4和5可以得到，根据电机运行状态变加速估算转子位置与转速，使得转子位置与转速估计更加准确，加速度角度估算算法为：
Figure BDA0002792401520000071
步骤S7：在步骤6中可以获得较为精确的转子位置和角速度，假定永磁同步电机做匀加速运动，且在故障大区间中的2个区间做匀速运动，将***故障加速度ah替换为估算出来的加速度a*。
可选的，在单相Hall位置传感器故障下，基于传统1阶加速度估算算法的改进***容错控制算法，当前时刻转子位置θ(t)、角速度ω(t)、故障加速度a(t)：
Figure BDA0002792401520000072
可选的，在单相Hall位置传感器故障时，在切换时间估计中引精确的的估算加速度，以提高Hall位置传感器故障时加减速阶段的控制性能。
显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。尽管本发明/发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种基于永磁同步电机霍尔传感器的容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过Clark变换和Park变换将永磁同步电机在自然坐标系下的三相电流值转换成两相d-q旋转坐标系下的电流值id、iq；
步骤二：利用永磁同步电机电磁转矩和负载转矩的关系式和定义式得出电机加速度和交轴电流的线性关系式；
步骤三：将估算角速度和转矩电流差引入估算角加速度计算；
步骤四：根据电机运行状态变加速估算转子位置与转速；
步骤五：将***估算加速度替换成估算加速度。
2.如权利要求1所述一种基于永磁同步电机霍尔传感器的容错控制方法，其特征在于，步骤二中，利用永磁同步电机的电磁转矩及负载转矩的定义公式和机械运动方程推导出电机加速度和转矩电流的关系式，所述的具体推导过程如下：
Figure FDA0002792401510000011
其中：TL为负载转矩，Te为电磁转矩，J为转动惯量，np为极对数；Ψf为转子磁链，θ*为估算的转子角度，a*为转矩电流估算加速度。
3.如权利要求1所述的一种基于永磁同步电机霍尔传感器的容错控制方法，其特征在于，步骤三中，电机加减速运行阶段设置转矩电流与实际转矩电流差较大，故将转矩电流差以及估算的角速度引入电机角加速度计算，使得估算结果更为精确。
4.如权利要求1所述的一种基于永磁同步电机霍尔传感器的容错控制方法，其特征在于，步骤三中，当电机稳定运行时，估算加速度近似为零，根据电机运行状态变加速估算转子位置与转速，使得转子位置与转速估计更加准确，改进后的1阶加速度角度估算算法为：
Figure FDA0002792401510000012
5.如权利要求1所述的一种基于永磁同步电机霍尔传感器的容错控制方法，其特征在于，根据电机转子的起始位置以及估算的电机加速度，从而估算出较为精确的转子位置以及转速，推导公式如下：
Figure FDA0002792401510000021
从而能够更为精确的估算出转子的位置和角速度。
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