永磁无刷电机转角检测故障及其容错控制研究

【摘要】：能源危机和环境污染日益严重,电动汽车取代传统汽车是必然的发展趋势。在电动汽车中,电机驱动系统需要具备很高的可靠性和容错能力,而电机驱动系统中的一个关键环节就是电机转子角度的检测。基于这样的背景,本课题对永磁无刷电机的角度检测故障进行了深入研究,提出了多种故障诊断和容错控制的方法,并对驱动系统的容错控制性能进行了优化。建模仿真是进行故障分析和容错控制研究的必要手段,本文首先对永磁无刷电机驱动系统中的电机本体、逆变器和控制算法都进行了深入的研究和建模。文中建立了永磁无刷电机的常规数学模型,然后根据课题中电机的特点将模型变换到同步旋转坐标系中,降低了数学模型解算的复杂度。文中还研究了三相全桥逆变器的各种运行状态,建立了基于开关管驱动信号和输出电流的逆变器模型,并推导了逆变器输出电压和电机相电压的转换公式。针对永磁无刷电机的控制算法,文中分别研究了六状态驱动方法和矢量控制方法,分析了它们在主控芯片中的运行机制,从而建立了基于定时中断和事件触发中断的控制算法模型。基于上述研究,在MATLAB/SIMULINK中完成了永磁无刷电机驱动系统的整体建模,为故障分析和容错控制的研究创造了条件。接下来,本文对霍尔位置传感器的故障及其引起的驱动系统性能异常进行了研究。为了便于描述霍尔传感器的输出信号(霍尔信号)中包含的电机转子位置信息,文中提出了霍尔矢量状态、霍尔标量状态和霍尔跳变沿的概念。然后,对霍尔传感器的故障进行了分类,定义了故障类型,并根据故障发生位置的不同引入了故障角度的概念。基于上述概念,研究了造成故障情况差异的三个因素——故障类型、故障角度和故障霍尔的最终状态。然后,在不同故障因素下对永磁无刷电机驱动系统进行了综合仿真,研究了霍尔传感器故障对驱动系统稳态和瞬态性能的影响。仿真结果表明,故障霍尔传感器的个数和故障角度决定了系统在故障发生阶段和故障稳态阶段的性能,而霍尔信号的最终状态决定了不同电流波形所对应的相序。随后,本文对故障的稳态过程进行了研究,提出了三种霍尔位置传感器的故障诊断方法。首先对故障情况下的霍尔信号进行了分析,总结了不同故障类型下霍尔状态和跳变沿的独特序列。基于这些独特序列,分别提出了基于霍尔状态序列的故障诊断方法和基于跳变沿序列的故障诊断方法。为了充分利用霍尔信号中的信息,进一步提高故障诊断的效率,文中又将霍尔状态和跳变沿结合起来,提出了电机转向的估计方法。分析了转向估计值与霍尔故障情况之间的对应关系,总结出了基于转向估计的故障诊断方法。然后,在驱动系统模型中,对这三种故障诊断方法进行了建模。在仿真平台中,对三种故障检测方法分别进行了验证,并对比了故障诊断的效率。结果表明,三种故障诊断方法都能有效地检测出霍尔传感器的故障类型,三种方法的诊断效率依次增加。此外,仿真结果还说明故障角度和故障传感器的个数是影响故障诊断过程的主要因素。在故障诊断的基础上,本文接下来对永磁无刷电机驱动系统的容错控制进行了研究。根据六状态驱动和矢量控制对转子角度反馈的需求,确定了容错控制中进行角度估计应当满足的分辨率要求。然后利用霍尔信号及其对应的时间段测量值,推导了电机速度和加速度的估计公式,在此基础上提出了故障情况下的角度外插估计法。为了提高动态过程中的角度估计精度,又提出了基于机械动态模型的矢量跟踪观测器。并在各种故障情况下,对观测器中的霍尔矢量状态进行了的谐波分析,提出了相应的谐波消去方法,保证了观测器的精度。基于上述两种角度估计方法,可以分别通过软件容错模块和硬件容错模块的方式实现驱动系统的容错控制。为了验证容错控制的效果,搭建了永磁无刷电机驱动系统平台,结合不同的故障诊断方法,对两种容错控制策略进行了实验验证。实验结果表明,这两种容错控制策略都能有效地使驱动系统从故障中恢复运行,且基于矢量跟踪观测器的容错控制方法具有更好的动态性能。此外,使用结果还进一步验证了三种故障诊断方法的效率以及故障角度对故障诊断过程的影响。上述方法虽然能够有效地实现容错控制,但是在故障诊断过程中驱动系统会出现瞬时的异常电流和转矩,造成驱动系统短暂的性能下降。在故障诊断过程中,霍尔传感器的故障类型并未确定,容错控制无法立即发挥作用,驱动系统处于不确定的状态。于是,文中分析了加速度估计值和故障诊断结果在故障诊断过程中的变化特点,提出了故障诊断过程的检测机制。同时提出了结构可变的霍尔矢量跟踪观测器,在故障诊断过程开始后,切换到开环结构,利用历史数据完成转子位置的估计,避免受到故障信息的干扰;当故障诊断完成后,观测器立即切换回闭环结构,实现容错控制。最后,在实验平台中对优化后的容错控制方法进行了验证。实验结果表明,该方法有效地抑制了系统的异常电流和转速波动,优化了容错控制的性能。