PMSM驱动系统的旋转变压器自适应容错控制系统及其方法与流程

电动汽车永磁同步电机(PMSM)驱动系统位置检测多采用旋转变压器，与光电编码器和霍尔传感器等位置传感器相比，旋转变压器具有抗冲击与振动、环境适应性强和输出绝对位置的明显优势。然而，由于旋转变压器安装误差、旋转变压器励磁与输出调理电路器件的温度漂移等非线性影响，使得旋转变压器的正余弦输出出现幅值不平衡和正交不完善故障，导致基于旋转变压器解码芯片输出的PMSM解调位置与电机实际位置间存在位置偏差，使电机转矩和转速出现持续振荡。

现有的技术解决方案是基于正交不完善和幅值不平衡故障导致旋转变压器的正余弦输出存在的特定次数异常谐波，离线条件下通过对特定次异常谐波的幅值拟合获得位置偏差的补偿多项式并据此实施容错控制，但该方案无法实现旋转变压器故障的在线诊断且容错控制效果欠佳。基于递推最小二乘法的在线参数辨识实现旋转变压器故障引起的转子位置偏差的补偿方法，存在对待辨识参数初值要求较高的缺陷，而且该方法易受噪声干扰，无法实现故障模式识别、故障定位及故障程度确定。基于各种观测器观测电机转子位置再与旋转变压器解码芯片输出解调位置进行比较的故障在线诊断与容错控制方法，存在电机参数变化及逆变器死区效应直接影响转子位置观测精度的不足，也不能实现故障模式识别、故障定位及故障程度的确定。此外，利用双同步解耦锁相环设计的集成正交不完善与幅值不平衡故障在线诊断与容错控制功能的旋转变压器数字转换器，存在算法实现复杂的不足。

技术实现要素：

为了克服现有旋转变压器故障在线诊断与容错控制方法的不足，本发明提出一种PMSM驱动系统的旋转变压器自适应容错控制系统及其方法，以期能够对旋转变压器发生正交不完善和幅值不平衡故障后实现故障模式定位、分离和故障程度获取，并实现故障后PMSM驱动系统的自适应容错控制，从而实现PMSM驱动系统的安全可靠运行。

为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种PMSM驱动系统的旋转变压器自适应容错控制系统的特点是应用于由旋转变压器和解码芯片来获取PMSM转子位置的PMSM驱动系统中，所述旋转变压器的正余弦输出经所述解码芯片解调，输出所述PMSM的解调位置θ；所述旋转变压器自适应容错控制系统包括：交轴电流脉动分量获取模块、故障模式解耦分离模块、故障程度获取模块、位置偏差计算与补偿模块；

所述交轴电流脉动分量获取模块是对所述PMSM的三相检测定子电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换处理，得到同步旋转坐标系下的PMSM定子交轴电流i_q和定子直轴电流i_d，再由所述PMSM定子交轴电流i_q得到所述PMSM定子交轴电流i_q的直流分量i_qdc，最后由所述PMSM定子交轴电流i_q和直流分量i_qdc，获得因旋转变压器故障而产生的PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q；

所述故障模式解耦分离模块对所述PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q进行解耦分离和积分处理，获得幅值不平衡故障分量积分值F_αfb和正交不完善故障分量积分值F_βfb；

所述故障程度获取模块是将给定参考值“0”减去所述幅值不平衡故障分量积分值F_αfb，获得幅值不平衡故障误差信号ΔF_α；给定参考值“0”减去正交不完善故障分量积分值F_βfb，获得正交不完善故障误差信号ΔF_β；再对所述幅值不平衡故障误差信号ΔF_α进行比例积分调节，得到幅值不平衡故障程度F_α；对所述正交不完善故障误差信号ΔF_β进行比例积分调节，得到正交不完善故障程度F_β；

所述位置偏差计算与补偿模块利用所述幅值不平衡故障程度F_α和正交不完善故障程度F_β，计算获得所述解调位置θ与电机实际位置θ_r之间存在的位置偏差Δθ，再利用所述位置偏差Δθ对所述解调位置θ进行补偿，得到所述PMSM驱动系统旋转变压器故障的容错位置θ_com，用于对所述PMSM进行矢量控制。

本发明所述的旋转变压器自适应容错控制系统的特点也在于，

所述交轴电流脉动分量获取模块包括：坐标变换模块、直流分量计算模块和减法器；

所述坐标变换模块对所述PMSM的三相检测定子电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换处理，得到同步旋转坐标系下的PMSM定子交轴电流i_q和定子直轴电流i_d；

所述直流分量计算模块用于计算所述PMSM定子交轴电流i_q的直流分量i_qdc；

所述减法器对所述PMSM定子交轴电流i_q和所述直流分量i_qdc进行计算，获得PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q。

所述故障模式解耦分离模块包括：第一乘法器、第一积分器、第二乘法器和第二积分器；

所述第一乘法器对所述PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q和函数sign[sin(2θ)]进行计算，计算结果输出给所述第一积分器进行积分运算，得到所述幅值不平衡故障分量积分值F_αfb；其中，sign为符号运算，当[sin(2θ)]大于0时，sign[sin(2θ)]等于1，反之，则等于-1；

所述第二乘法器对所述PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q和函数sign[cos(2θ)]进行计算，计算结果输出给所述第二积分器进行积分运算，得到正交不完善故障分量积分值F_βfb。

所述故障程度获取模块包括：第一减法器、第二减法器、第一比例积分调节器和第二比例积分调节器；

所述第一减法器将参考给定值“0”减去所述幅值不平衡故障分量积分值F_αfb，获得幅值不平衡故障误差信号ΔF_α；所述第一比例积分调节器对输入的幅值不平衡故障误差信号ΔF_α进行计算，得到幅值不平衡故障程度F_α；

所述第二减法器将参考给定值“0”减去所述正交不完善故障分量积分值F_βfb，获得正交不完善故障误差信号ΔF_β；所述第二比例积分调节器对输入的正交不完善故障误差信号ΔF_β进行计算，得到正交不完善故障程度F_β。

所述位置偏差计算与补偿模块包括：第一加法器、第二加法器、第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器和第三减法器；

所述第一加法器对常数“1”和cos(2θ)进行计算，得到的结果与常数“0.5”分别作为所述第三乘法器的输入，经过所述第三乘法器的计算，得到的结果和所述正交不完善故障程度F_β分别作为所述第四乘法器的输入，并进行计算，得到的结果作为所述第三减法器的输入；

所述第五乘法器对所述幅值不平衡故障程度F_α和sin(2θ)进行计算，得到的结果作为所述第三减法器的另一个输入；由所述第三减法器进行计算得到位置偏差Δθ；

所述第二加法器对所述位置偏差Δθ和解调位置θ进行计算，得到容错位置θ_com。

本发明一种PMSM驱动系统的旋转变压器自适应容错控制方法的特点是应用于由旋转变压器和解码芯片来获取PMSM转子位置的PMSM驱动系统中，所述旋转变压器的正余弦输出经解码芯片进行解调，输出所述PMSM的解调位置θ；所述旋转变压器自适应容错控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、对所述PMSM的三相检测定子电流i_a、i_b、i_c利用式(1)进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下的PMSM定子交轴电流i_q和定子直轴电流i_d：

式(1)中，θ_com表示容错位置；

步骤2、利用式(2)获得所述PMSM定子交轴电流i_q的直流分量i_qdc：

式(2)中，N为选取的窗口长度，为大于1的整数；i_q(1)为当前采样周期PMSM定子交轴电流值，i_q(2)为上一采样周期PMSM定子交轴电流值，以此类推，i_q(N-1)为当前采样周期之前的第N-1个采样周期对应的PMSM定子交轴电流值，i_q(N)为当前采样周期之前的第N个采样周期对应的PMSM定子交轴电流i_q的数值；

步骤3、由所述PMSM定子交轴电流i_q减去所述直流分量i_qdc，获得因旋转变压器故障而产生的PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q；

步骤4、由所述PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q乘以函数sign[sin(2θ)]，获得的结果再通过第一积分器进行积分运算，得到幅值不平衡故障分量积分值F_αfb；

步骤5、由所述PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q乘以函数sign[cos(2θ)]，获得的结果再通过第二积分器进行积分运算，得到正交不完善故障分量积分值F_βfb；

步骤6、利用式(3)获得幅值不平衡故障程度F_α：

F_α＝K_pαΔF_α+K_Iα∫ΔF_αdt (3)

式(3)中：∫为积分运算符号，K_pα为第一比例积分调节器的比例系数，K_Iα为第一比例积分调节器的积分系数；ΔF_α为参考给定值“0”减去所述幅值不平衡故障分量积分值F_αfb后的值；

步骤7、利用式(4)获得正交不完善故障程度F_β：

F_β＝K_pβΔF_β+K_Iβ∫ΔF_βdt (4)

式(4)中：K_pβ为第二比例积分调节器的比例系数，K_Iβ为第二比例积分调节器的积分系数；ΔF_β为参考给定值“0”减去所述正交不完善故障分量积分值F_βfb后的值；

步骤8、利用式(5)获得所述解调位置θ与电机实际位置θ_r之间的位置偏差Δθ：

步骤9、利用式(6)获得所述PMSM驱动系统旋转变压器故障的容错位置θ_com：

θ_com＝Δθ+θ (6)。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明集成旋转变压器故障在线诊断与容错控制为一体，而且具有不依赖于电机数学模型和抗电机参数变化、鲁棒性强的技术优势；通过提取和分离PMSM驱动系统中PMSM定子交轴电流的故障脉动分量，匹配积分器及比例积分调节器的设计，实现了故障模式识别、定位及故障程度获取，再基于获取的故障程度计算位置偏差并对旋转变压器解码芯片输出的PMSM解调位置进行实时补偿，实现了旋转变压器故障的容错控制。

2、本发明可实时在线计算旋转变压器故障程度，实时对旋转变压器解码芯片输出的PMSM解调位置信号进行补偿，且本发明所提出的自适应容错控制方法具有算法计算简单、工程实现容易的优点；

3、本发明具有待整定参数少，可以实现不同旋转变压器故障的模式识别与定位，故障后能够自适应地对解码芯片输出的PMSM解调位置进行补偿；

4、本发明通过提取和分离PMSM驱动系统中PMSM定子交轴电流中的故障脉动分量，匹配积分器及比例积分调节器的设计实现了旋转变压器故障的在线诊断，巧妙地回避了逆变器死区效应引起的定子交轴电流脉动对旋转变压器故障在线诊断精度的影响。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明交轴电流脉动分量获取模块的示意图；

图3为本发明故障模式解耦分离模块的示意图；

图4为本发明避免逆变器死区效应影响的示意图；

图5为本发明故障程度获取模块的示意图；

图6为本发明位置偏差计算与补偿模块的示意图。

具体实施方式

本实施例中，旋转变压器的定子励磁绕组所产生的脉振磁场会在其转子正余弦绕组中感应出包含电机转轴绝对位置信息的正余弦电压信号，再通过专用解调芯片解调出PMSM的转子位置。然而，由于旋转变压器加工和安装误差、励磁与输出调理电路器件的温度漂移等非线性影响，使得旋转变压器的正余弦输出出现幅值不平衡和正交不完善故障，导致基于旋转变压器获取的PMSM转子位置产生偏差，使电机转矩和转速出现持续振荡。

因此，针对上述问题提出了一种PMSM驱动系统的旋转变压器自适应容错控制系统，应用于由旋转变压器和解码芯片来获取PMSM转子位置的PMSM驱动系统中，旋转变压器的正余弦输出经解码芯片进行解调，输出PMSM的解调位置θ。

本实施例中，如图1所示，旋转变压器自适应容错控制系统包括：交轴电流脉动分量获取模块、故障模式解耦分离模块、故障程度获取模块、位置偏差计算与补偿模块；

如图2所示，交轴电流脉动分量获取模块首先对PMSM的三相检测定子电流i_a、i_b、i_c并进行坐标变换处理，得到同步旋转坐标系下的PMSM定子交轴电流i_q和定子直轴电流i_d，再由PMSM定子交轴电流i_q得到PMSM定子交轴电流i_q的直流分量i_qdc，从而由PMSM定子交轴电流i_q和直流分量i_qdc，获得因旋转变压器故障而产生的PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q。

该模块包括以下部分：坐标变换模块、直流分量计算模块和减法器：

(1)坐标变换模块对PMSM的三相检测定子电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换处理，得到同步旋转坐标系下的PMSM定子交轴电流i_q和定子直轴电流i_d；

(2)直流分量计算模块用于计算PMSM定子交轴电流i_q的直流分量i_qdc；

(3)减法器对PMSM定子交轴电流i_q和直流分量i_qdc进行计算，获得PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q。

如图3所示，故障模式解耦分离模块对PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q进行解耦分离和积分处理，获得幅值不平衡故障分量积分值F_αfb和正交不完善故障分量积分值F_βfb。该模块包括以下部分：第一乘法器、第一积分器、第二乘法器和第二积分器。

第一乘法器对PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q和函数sign[sin(2θ)]进行计算，计算结果输出给第一积分器进行积分运算，从而得到幅值不平衡故障分量积分值F_αfb；其中，sign为符号运算，当[sin(2θ)]大于0时，sign[sin(2θ)]等于1，反之，则等于-1；

第二乘法器对PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q和函数sign[cos(2θ)]进行计算，计算结果输出给第二积分器进行积分运算，从而得到正交不完善故障分量积分值F_βfb。

由于逆变器死区时间的存在将产生死区效应，导致PMSM定子交轴电流i_q和定子直轴电流i_d中产生六倍频的周期性脉动，定子交轴电流i_q剔除直流分量后的PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q中也包含该六倍频的周期性脉动，采用sign[sin(2θ)]和sign[cos(2θ)]进行旋转变压器故障脉动分量提取、分离时，死区效应引起的定子交轴电流i_q六倍频周期性脉动i_{dead_rip}同时被整周期提取，如图4所示。i_{dead_rip}×sign[sin(2θ)]和i_{dead_rip}×sign[cos(2θ)]经积分器进行积分，其积分值始终为0，即逆变器死区效应对旋转变压器故障在线诊断精度的影响被巧妙地回避了。

如图5所示，故障程度获取模块是将给定参考值“0”减去所述幅值不平衡故障分量积分值F_αfb，获得幅值不平衡故障误差信号ΔF_α；将给定参考值“0”减去正交不完善故障分量积分值F_βfb，获得正交不完善故障误差信号ΔF_β。再对幅值不平衡故障误差信号ΔF_α和正交不完善故障误差信号ΔF_β进行比例积分调节，得到幅值不平衡故障程度F_α和正交不完善故障程度F_β。故障程度获取模块包括：第一减法器、第二减法器、第一比例积分调节器和第二比例积分调节器；

第一减法器将参考给定值“0”减去幅值不平衡故障分量积分值F_αfb，获得幅值不平衡故障误差信号ΔF_α；第一比例积分调节器对输入的幅值不平衡故障误差信号ΔF_α进行计算，得到幅值不平衡故障程度F_α；

第二减法器将参考给定值“0”减去正交不完善故障分量积分值F_βfb，获得正交不完善故障误差信号ΔF_β；第二比例积分调节器对输入的正交不完善故障误差信号ΔF_β进行计算，得到正交不完善故障程度F_β。

如图6所示，位置偏差计算与补偿模块利用幅值不平衡故障程度F_α和正交不完善故障程度F_β，得到解调位置θ与电机实际位置θ_r之间的位置偏差Δθ，再利用位置偏差Δθ对解调位置θ进行补偿，得到PMSM驱动系统旋转变压器故障的容错位置θ_com，用于对PMSM进行矢量控制。位置偏差计算与补偿模块包括：第一加法器、第二加法器、第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器和第三减法器；

第一加法器对常数“1”和cos(2θ)进行计算，得到的结果与常数“0.5”分别作为第三乘法器的输入，经过第三乘法器的计算，得到的结果和正交不完善故障程度F_β分别作为第四乘法器的输入，并进行计算，得到的结果作为第三减法器的输入；

第五乘法器对幅值不平衡故障程度F_α和sin(2θ)进行计算，得到的结果作为第三减法器的另一个输入；由第三减法器进行计算得到位置偏差Δθ；

第二加法器对位置偏差Δθ和解调位置θ进行计算，得到容错位置θ_com。

本实施例中，一种PMSM驱动系统的旋转变压器自适应容错控制方法是应用于由旋转变压器和解码芯片来获取PMSM转子位置的PMSM驱动系统中，并按如下步骤进行：

步骤1、获取PMSM的三相检测定子电流i_a、i_b、i_c，并利用式(1)进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下的PMSM定子交轴电流i_q和定子直轴电流i_d：

式(1)中，θ_com表示容错位置；

步骤2、利用式(2)获得PMSM定子交轴电流i_q的直流分量i_qdc：

式(2)中，N为选取的窗口长度，为大于1的整数；i_q(1)为当前采样周期PMSM定子交轴电流值，i_q(2)为上一采样周期PMSM定子交轴电流值，以此类推，i_q(N-1)为当前采样周期之前的第N-1个采样周期对应的PMSM定子交轴电流值，i_q(N)为当前采样周期之前的第N个采样周期对应的PMSM定子交轴电流i_q的数值；

步骤3、由PMSM定子交轴电流i_q减去直流分量i_qdc，获得因旋转变压器故障而产生的PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q；

步骤4、由PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q乘以函数sign[sin(2θ)]，获得的结果再通过第一积分器进行积分运算，得到幅值不平衡故障分量积分值F_αfb；

步骤5、由PMSM定子交轴电流故障分量Δi_q乘以函数sign[cos(2θ)]，获得的结果再通过第二积分器进行积分运算，得到正交不完善故障分量积分值F_βfb；

步骤6、利用式(3)获得幅值不平衡故障程度F_α：

F_α＝K_pαΔF_α+K_Iα∫ΔF_αdt (3)

式(3)中：∫为积分运算符号，K_pα为第一比例积分调节器的比例系数，K_Iα为第一比例积分调节器的积分系数；ΔF_α为参考给定值“0”减去幅值不平衡故障分量积分值F_αfb后的值；

步骤7、利用式(4)获得正交不完善故障程度F_β：

F_β＝K_pβΔF_β+K_Iβ∫ΔF_βdt (4)

式(4)中：K_pβ为第二比例积分调节器的比例系数，K_Iβ为第二比例积分调节器的积分系数；ΔF_β为参考给定值“0”减去正交不完善故障分量积分值F_βfb后的值；

步骤8、利用式(5)获得解调位置θ与电机实际位置θ_r之间的位置偏差Δθ：

步骤9、利用式(6)获得PMSM驱动系统旋转变压器故障的容错位置θ_com：

θ_com＝Δθ+θ (6)。