电流传感器故障状态下内嵌式永磁同步电机的无位置传感器容错控制算法研究

为了解决在永磁同步电机(PMSM)驱动控制中,电流传感器可能出现故障导致系统失控的问题,提出一种变参数的相电流重构方法,对定子电流进行精确观测,实现PMSM在无位置传感器控制下的电流传感器容错控制。研究了电机参数扰动和无位置传感器控制观测误差等非理想因素对直接搭建龙贝格观测器精度的影响。分析了观测电流的幅值误差和角度误差特性,通过引入2个自适应变化参数以调整重构电流的幅值,消除非理想因素对重构电流精度的影响。搭建仿真和实验平台验证算法有效性。实验结果表明,电流传感器故障后,电角度观测误差仅增加1°,dq轴电流波动峰峰值仅增加0.1 A。该算法能够实现电机的转速、位置及电流信息的准确观测,使得系统具有良好的稳态精度和动态性能。

基于特征位置区间电感阈值约束的SRM中高速无位置传感器容错控制

针对开通角提前、磁路饱和造成的位置估算扰动问题,该文提出一种基于特征位置区间电感阈值约束的开关磁阻电机中高速无位置传感器容错控制方案,有效提高定转子对齐位置估计的准确性与可靠性。考虑到电流水平较低时难以提取对齐位置信息,在辅助电流斩波的基础上提出自适应启停控制策略,既保证控制系统在电机轻载、参考转速突降时能够准确完成特征位置的估计,又避免了产生不必要的开关损耗及负转矩。仿真和实验结果验证了该文所提无位置控制方案在电机轻载、重载、参考转速及负载突变等多种工况下的有效性。

基于坐标轴变换的九相永磁同步电机无位置传感器缺相容错控制

多相永磁同步电机发生缺相故障后,电流畸变与内部参数变化对系统造成的干扰是无法预料的,这给无位置传感器驱动系统的稳定运行带来了极大挑战。为了实现电机无位置传感器控制下缺相故障在线切换容错运行,该文提出一种基于坐标轴变换的多相永磁同步电机无位置传感器缺相容错控制策略。首先,通过坐标轴变换建立故障后多相永磁同步电机的降阶解耦模型,并重构电机容错运行输出转矩最大时的容错电流。该建模方法适用于多相永磁同步电机任意缺相故障,且得到的数学模型与电流参考值不随故障相位置而变化。在此基础上,基于坐标轴变换的降阶解耦模型构建修正滑模观测器,有效提高无位置传感器缺相容错控制系统的转子位置估算精度。最后,通过一台9 kW九相永磁同步电机缺相容错试验,验证所提控制策略的有效性。

一种自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机无位置传感器矢量控制

在粗差干扰或噪声统计偏差情况下,扩展卡尔曼滤波(EKF)对永磁同步电机(PMSM)的速度和转子位置估计存在精度下降问题,为此提出一种基于新息序列的自适应扩展卡尔曼滤波算法(AEKF)。首先,将粗差干扰加入系统观测方程中,分析粗差干扰对系统观测精度的影响。其次,为增强算法的抗扰性能,在新息协方差计算中设置加权系数,通过调整临近时刻的新息协方差阵权重,计算出新息协方差值,并更新到卡尔曼增益的计算。最后,建立AEKF数学模型,并对比粗差干扰与噪声统计出现偏差情况下,AEKF与EKF两种策略的观测性能。仿真和实验结果表明,在粗差干扰或噪声统计信息出现偏差情况下,AEKF算法对永磁同步电机转速的观测具备更强的鲁棒性及更高的预测精度。

基于改进正交锁相环的永磁同步电机无位置传感器控制

针对传统正交锁相环(QPLL)应用于永磁同步电机无位置传感器控制中存在的反转失效与加、减速工况下出现显著的转子位置直流偏移误差问题,该文提出一种改进的正交锁相环(IQPLL)。其通过重构鉴相器环节,使得鉴相器的输出与永磁同步电机的转向不再相关,从而解决传统QPLL在电机反转时估算转子位置出现180°偏差的问题。此外,在新型鉴相器结构下,设计前馈环路以补偿加、减速工况下的位置直流偏移误差。并建立了IQPLL的小信号模型,根据系统的频率响应特性给出了IQPLL的参数设计方法。实验结果表明,相对于传统的QPLL,所提出的IQPLL可实现永磁同步电机无位置传感器控制正、反转稳定运行,并有效抑制了加、减速工况下的转子位置直流偏移误差。

基于STM32的无位置传感器无刷直流电机矢量控制系统

针对无刷直流电机在方波控制时效率低、转矩脉动大,以及位置传感器降低系统稳定性等问题,基于32位MCU STM32F103C8T6设计了一套无位置传感器矢量控制系统。该系统利用滑模状态观测器对电机转子位置及转速进行精确估计,并采用电流与速度双闭环矢量进行控制。测试显示,与传统方波驱动相比,电机运行噪声明显变小,且电流波形具有较高的正弦度。适用于空调、助力自行车等对噪声比较敏感的电器,同时成本低廉,有较高的市场应用价值。

改进滑模观测器的电流源逆变器驱动PMSM无位置传感器控制

由于电流源逆变器(CSI)的叠流效应以及前级DC-DC控制的母线电流脉动较大,使得扩展反电动势中含有大量谐波,造成较大的位置误差。针对此问题,该文提出一种改进滑模观测器的电流源逆变器驱动永磁同步电机无传感器控制方法。首先,基于传统滑模观测器,设计复系数滤波器代替传统低通滤波器,实现了对估计反电动势的准确提取,同时也抑制了估计反电动势中的高频抖动和高次谐波。其次,将二阶广义积分器内嵌于锁相环中,用于消除位置误差信号中的低次谐波,提高位置观测准确度。最后,将估算的速度信息反馈回复系数滤波器,实现复系数滤波器的自适应性。实验结果表明,所提方法在不同工况下,能够有效提高估算的转子位置精度,验证了方法的可行性与有效性。

基于改进型ADRC的PMSM无位置传感器控制

针对永磁同步电机矢量控制中传统速度环PI调节器存在协调性与抗干扰能力差的问题,引入自抗扰控制(ADRC)替代速度环PI调节器,考虑到线性ADRC中PD控制存在性能较差的缺点,选择滑模控制代替PD控制,提出改进型ADRC控制方法;同时采用模型参考自适应系统(MRAS)取代传统机械式位置传感器对电机的转子位置进行检测,实现了永磁同步电机无位置传感器控制。通过采用改进型ADRC与MRAS相结合的控制方法,电机控制系统具有了更好的动态响应速度和抗干扰能力。最后通过永磁同步电机对拖实验平台对电机在转速恒定负载突变和带载启动转速突变两种工况下进行实验,验证了改进型ADRC与MRAS相结合的控制策略的有效性。

永磁同步电机全转速范围无位置传感器控制

为解决IF控制启动速度偏慢、启动转矩能力薄弱等问题,采用高频脉振电压注入法完成电动机零低速启动,并结合中高速区有效磁链法形成全转速范围无位置传感器复合控制策略。为了实现两种控制方法的平滑切换,提出一种基于转速过渡区与状态机结合的滞环切换策略,所提策略将全转速范围划分为零低速区、过渡区以及中高速区,电动机由中高速区进入过渡区时提前开启高频脉振电压注入法,使其位置估计过程达到稳定,为切换做好准备。为了减小注入高频电压对有效磁链法位置估计过程的冲击,在转速过渡区采用软开启的方式实现高频脉振电压注入法的投入与退出。针对转速过渡区两种位置估计方法同时工作时的耦合问题,设置了双同步旋转坐标系,实现了转子位置估计的解耦控制。在一台三相永磁同步电机上对所提方法的有效性进行了验证。

组合式有源传感器状态监测与容错控制研究

针对传统传感器状态监测方法准确性不高的问题,提出一种组合式有源传感器状态监测与容错控制方法。该方法分为2个部分:前一部分进行传感器状态监测,包括状态信号去噪处理、小波包能量熵特征提取以及利用参数优化后的概率神经网络识别传感器健康状态3个步骤;后一部分设计容错控制模型,以状态监测结果为参考,切换控制策略,实现容错控制。实验结果表明:与其他3种传统方法相比,在该方法控制下容错控制误差在±1 r/min,波动较小,控制效果更优。

改进二阶广义积分磁链观测器的PMSM无位置传感器控制

基于磁链观测器的永磁同步电机无位置传感器控制时,准确估算磁链至关重要。常规一阶纯积分器和传统低通滤波器估算磁链存在直流偏移,并且低通滤波器还带来了磁链相位偏移和幅值衰减。有人将二阶广义积分器运用到磁链观测器中衰减估算磁链的直流偏移现象,但是衰减能力有限。基于上述情况,在传统二阶广义积分器的基础上提出一种改进的二阶广义积分磁链观测器。理论分析表明,该观测器估算磁链能完全消除直流偏移,提高了磁链估算精度。最后,在MATLAB/Simulink仿真软件系统中搭建了永磁同步电机的矢量控制模型以及在ACM32F403CET7微控制器的永磁同步电机驱动平台上进行实验测试,验证了该控制方法的有效性。

永磁同步电机模糊滑模无位置传感器控制

针对滑模量在滑模面切换以及速度非线性变化而致使的系统抖振问题,提出一种超旋转滑模模糊观测器。滑模观测器(SMO)存在的高频抖振会对电机控制系统产生很大的影响,导致电机产生转速波动和稳态误差。为了削弱SMO的抖振问题,首先对滑模动态变量的趋近速度动态变化导致的抖振问题,通过引入模糊逻辑理论使得系统状态量趋动速度智能化,设置模糊规则以达到智能动态化速度,以系统动态变量趋向切换面的距离与状态量动态趋向速度为规则因子,动态智能化趋向速度;其次对系统变换函数导致的系统抖振,进一步采用连续函数F(s)代替不连续的sgn(s)符号函数。该方案有效削弱了系统的抖振问题,相较于SMO控制提高了系统的稳定性。

IF-ZVVCD与SMO的PMSM无位置传感器全速域复合控制

针对永磁同步电机(PMSM)全速域无位置传感器控制中,零低速阶段的高频注入法会引起转矩脉动、噪声等问题,提出一种IF控制结合零电压矢量电流微分法(ZVVCD)实现电机零低速运行,并与改进滑模观测器法复合达到全速域无位置传感器控制目标。在零低速阶段,IF控制法启动电机并在低速切换为ZVVCD,减小转速波动,提高控制精度;在中高速阶段,利用连续光滑的Sigmoid函数及扩展卡尔曼滤波器改进滑模观测器,减少系统抖振,提高转速稳定性;在转速过渡阶段,设计斜率可调的加权切换函数实现零低速与中高速控制方法的平滑切换。实验结果表明:所提复合控制策略能够实现PMSM全速域无位置传感器控制,消除转矩脉动,转子转速与位置信息辨识准确,系统动态响应快、稳态性能好。

抑制抖振的PMSM无位置传感器控制算法优化

在分析无位置传感器控制永磁同步电机(PMSM)发生高频抖振原因的基础上,文中提出对PMSM滑模观测器算法及起动控制进行优化,包括:使用双曲正切函数代替符号函数作为滑模面切换函数,基于李雅普诺夫理论的滑模增益整定,使用锁相环法代替反正切法估计转子位置等。针对PMSM全速域无位置传感器运行时电机低速起动位置估计困难的问题,提出恒电流频比(I/F)控制。考虑零速起动的PMSM由I/F控制转向滑模观测器控制切换时产生的电磁转矩不平稳,引入避免滑模观测器给定观测位置角差值发生波动的q轴电流系数,并制定转子电流控制新策略。仿真实验结果证明该方法相比传统方法能有效降低转速波动且转子位置角估算误差更小,验证了所提优化方法在抑制抖振方面的有效性。该算法可应用于智能制造领域,以有效抑制系统抖振问题,进而提升智能制造企业生产效益。

开关磁阻电机无位置传感器控制策略研究

针对开关磁阻电机无位置传感器下的转子位置还原,提出一种基于电流上升时间监测的无位置传感器控制策略,该策略包含初始位置检测、电机启动运行、转子位置重构和调速控制几个部分。首先离线测得电机在特殊位置时滞环带宽内的电流上升时间,作为初始阈值用于电机启动;接着分别对各相绕组注入小电流,比较各相电流在滞环带宽内的上升时间进行初始位置分区;然后将转子从电感下降区进入电感最小区起始点作为特征点,利用初始阈值启动电机并在电机运行过程中依据实时工况更新特征点处时间阈值作为下一周期的检测特征;最后通过检测特征点位置信号对转子进行位置重构和转速估算实现换相与调速。仿真与实验结果验证了所提出控制策略的有效性与准确性。

基于反电动势的地铁牵引电机电流传感器故障检测与容错控制

针对地铁列车牵引系统电流传感器发生故障时给列车运行带来重大安全风险这一问题,提出了一种新型的故障监测与容错控制算法。首先,利用三相异步电机的静态数学模型结合转子磁链与反电动势的特定关系设计了电流滑模观测器。然后,将电流传感器的测量值与滑模观测器中的估计值进行比对并生成电流残差,通过修正的Bayes分类算法对电流传感器工作状态进行实时监测与定位。当故障发生时用观测器中的电流重构值代替故障值参与系统的控制。最后,利用仿真平台MATLAB/Simulink对其有效性进行验证并与另外3种典型的控制算法进行对比分析。研究结果表明,方案具有较高的精度和较强的鲁棒性,在对三相电流重构方面优于对比方案,其系统综合误差减小了24.2%,具有更好的控制效果。

基于高频信号注入的同步磁阻电机无位置传感器控制

针对同步磁阻电机定子电感具有电磁饱和、交叉耦合等特点带来的电机参数非线性问题,提出了一种递推最小二乘法与脉振高频电流信号注入相结合的无位置传感器控制方法,其原理是将幅值固定的高频正弦电流信号注入到同步磁阻电机观测坐标系直轴内,在交轴提取含有转子位置信息的电压信号,采用带遗忘因子的递推最小二乘法进行电机电阻与电感参数的在线辨识,可实现电机的无位置传感器控制。仿真与台架试验验证了所提方法的准确性与实用性。

基于MPCC的PMSM电流传感器故障诊断与容错控制

针对电流传感器在永磁同步电机系统运行时发生的故障,提出一种基于模型预测电流控制的电流传感器故障诊断与容错控制方案。控制器依次遍历8种电压矢量,得出下一周期最优预测电流,并与下一周期的实测电流比较,以实现快速诊断。利用预测相电流代替故障相电流实现故障后的容错控制。仿真验证了系统在电流传感器突发故障时诊断与容错方法的有效性与可行性。

基于单直流母线电流采样的永磁同步电机无位置传感器控制研究

传统的磁场定向控制方法需要安装多个相电流传感器和位置传感器,导致系统成本高、体积大且可靠性低。为解决此问题,提出了一种基于单直流母线电流采样的永磁同步电机(PMSM)无位置传感器控制策略。针对传统单直流母线采样方案存在电流重构盲区的问题,提出了矢量移相法。针对PMSM低速无位置传感器控制问题,提出了高频方波注入控制策略。最后,基于Matlab/Simulink平台搭建仿真模型对理论分析进行验证,仿真结果表明所提策略能够有效解决低调制比区域和扇区边界盲区的问题,实现PMSM无位置传感器低速运行控制。

改进电机全速域无位置传感器转速控制系统研究

针对宽速电机的全速域应用场景,提出改进传统加权平均法,并利用改进后的中高速域滑模观测器法和低速域脉振高频注入法进行复合,实现精确的全速域无位置传感器控制。首先,针对滑模观测器法中符号函数导致的系统抖振,提出指数型复合函数用来替代原观测器中的符号函数;其次,针对脉振高频注入法中高频电流分量与注入信号的相位延迟,提出使用另一轴系高频电流替代注入信号;再次,针对加权平均法在过渡区域的权重分配不合理,提出新型指数型加权系数,同时为平稳过渡提出滞留缓冲带;最后,在MATLAB/Simulink仿真平台搭建基于滞留缓冲加权法的全速域转速控制系统,进行仿真验证。通过仿真结果,表明了改进后的全速域转速控制系统对转速误差和平稳过渡的优化效果。