Fault Tolerant Neuro-Robust Position Control of DC Motors

DC motors are widely used in industry such as mechanics, robotics, and aerospace engineering. In this paper, we present a high performance control method for position control of DC motors. Fault-tolerant control model are also addressed to combine with neuro-robust control approach. It is shown that with the proposed control algorithms, external disturbances and coupled dynamics inherent in the system are effectively compensated using neural network unit in which no analytical estimation on the upper bound of the reconstruction error and uncertainties is needed. Simulations on various flight conditions also confirm the effectiveness of the proposed methods.

Rule-based Fault Diagnosis of Hall Sensors and Fault-tolerant Control of PMSM

Hall sensor is widely used for estimating rotor phase of permanent magnet synchronous motor(PMSM). And rotor position is an essential parameter of PMSM control algorithm, hence it is very dangerous if Hall senor faults occur. But there is scarcely any research focusing on fault diagnosis and fault-tolerant control of Hall sensor used in PMSM. From this standpoint, the Hall sensor faults which may occur during the PMSM operating are theoretically analyzed. According to the analysis results, the fault diagnosis algorithm of Hall sensor, which is based on three rules, is proposed to classify the fault phenomena accurately. The rotor phase estimation algorithms, based on one or two Hall sensor(s), are initialized to engender the fault-tolerant control algorithm. The fault diagnosis algorithm can detect 60 Hall fault phenomena in total as well as all detections can be fulfilled in 1/138 rotor rotation period. The fault-tolerant control algorithm can achieve a smooth torque production which means the same control effect as normal control mode (with three Hall sensors). Finally, the PMSM bench test verifies the accuracy and rapidity of fault diagnosis and fault-tolerant control strategies. The fault diagnosis algorithm can detect all Hall sensor faults promptly and fault-tolerant control algorithm allows the PMSM to face failure conditions of one or two Hall sensor(s). In addition, the transitions between health-control and fault-tolerant control conditions are smooth without any additional noise and harshness. Proposed algorithms can deal with the Hall sensor faults of PMSM in real applications, and can be provided to realize the fault diagnosis and fault-tolerant control of PMSM.

Guaranteeing the Fault Transient Performance of Aerospace Multiphase Permanent Magnet Motor System: an Adaptive Robust Speed Control Approach

To enhance the fault transient performance of aerospace multiphase permanent magnet synchronous motor(PMSM)system,an adaptive robust speed control is proposed regardless of the phase open-circuit(OC)and short-circuit(SC)fault in this paper,which can be applied for both the redundant motor system and fault tolerant motor system.For aerospace multiphase PMSM system,besides external load disturbance and system parameter perturbation,there inevitably exists the electromagnetic torque ripple in fault transient process,which can degrade the system performance and even cause the system instability.To cope with this issue,the electromagnet torque ripple of the multiphase PMSM system in fault transient process is first analyzed.Then,by considering the electromagnet torque fluctuation caused by fault transient as a system uncertainty,a novel adaptive robust speed control scheme is proposed,while the adaptive law is constructed to emulate the total system uncertainty bound,which include the load disturbance,the parameter variation,and the electromagnetic torque fluctuation due to fault transient.The resulting control can ensure the speed control performance even in fault transient process regardless of the uncertainty,in which no prior estimation of the uncertainty bound is required.In addition,the proposed adaptive robust speed control is demonstrated by a six-phase PMSM experimental platform.The novelty of this research is to explore a novel adaptive robust speed control to strengthen the fault tolerance performance of multiphase PMSM system even in fault transient process,which requires no prior estimation of the uncertainty bound.

双三相同步磁阻电机单相开路故障下的容错控制策略

双三相同步磁阻电机(dual three-phase synchronous reluctance motor,DTP-SynRM)转子不含永磁体,没有高温退磁风险,成本较低,且由于其系统自由度高、冗余性强,因此具有较好的容错性能。开路故障是双三相同步磁阻电机系统中最常见的故障类型之一,该文针对一种两套三相绕组中性点相互独立的双三相同步磁阻电机单相开路故障,建立DTP-SynRM矢量空间解耦模型,实现对电压、电流和磁链方程的完全解耦。在开路故障状态下仍将其视为一个正常的双三相电机,分析故障状态对电机的电流约束和信号传递的影响,并指出在开路故障下z2轴电流与β轴电流不再独立,电机由正常运行时的四阶系统降阶为三阶系统,而由于开路故障导致的电压信号传递不准确则会在dq坐标系中引入二次谐波电流,并产生二次和四次转矩波动。该文提出一种同时考虑电流约束和信号传递误差的故障容错方法,电机处于三闭环运行状态,补偿电压信号传递误差,抑制开路故障时电机的转矩波动并降低电流谐波。搭建实验平台进行实验,验证所提容错方法的有效性和可行性。

基于简化有限集模型预测电流控制的五相PMSM统一容错控制

在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。

一种永磁同步电机模型失配容错控制算法

针对高精度永磁同步电机驱动系统因转动惯量、摩擦系数与磁链参数失配造成其控制精度和稳定性降低的问题,提出了一种基于有限时间收敛扩张状态观测器的无模型滑模容错控制方法。首先,建立了考虑内外不确定性的永磁同步电机转速环超局部模型,并设计了无模型全局积分终端滑模控制器;其次,设计了有限时间收敛扩张状态观测器来降低模型失配带来的影响;最后,通过与其他方法的仿真和实验对比,验证了所提方法能够在不获取精确模型的情况下实现了对多种模型失配与外部扰动工况的容错控制,并提高了电机的控制精度。

基于虚拟电压矢量的双三相直线磁通切换永磁电机容错SVPWM策略

高可靠性是电梯驱动系统的首要指标。针对双三相直线磁通切换永磁(dual-three-phase linear flux switching permanent magnet,DTP-LFSPM)电机单相开路故障,提出一种基于虚拟电压矢量的容错空间矢量脉宽调制策略。首先,基于单相开路故障下的五维变换矩阵计算得到故障后的32个空间电压矢量分布。然后,筛选部分空间电压矢量,以z子空间电压幅值为零且每个扇区产生对称的脉宽调制波形为目标,重构得到12个虚拟电压矢量,相邻的2个虚拟电压矢量都由3个基本电压矢量组成,并用于合成参考电压矢量,不仅可以减少单相开路故障容错控制时的电流谐波,而且具有计算简单,易于硬件实现等优点。最后,搭建DTP-LFSPM电机驱动控制系统仿真与实验平台,仿真和实验测试结果证明所提容错策略的正确性和有效性。

基于自然容错开关表的五相永磁同步电机直接转矩控制

五相永磁同步电机(permanent-magnetsynchronous motor,PMSM)传统直接转矩控制(direct torque control,DTC)存在相电流畸变严重、共模电压(common-modevoltage,CMV)高、转矩和磁链脉动大等问题,且无法实现相开路故障情况下的无扰运行。为解决上述问题,提出一种基于自然容错开关表的DTC策略。该策略根据PMSM开路故障前后基电压矢量的特点以及三次平面合成电压矢量为零的原则,构建虚拟矢量(virtual vector,VV),设计故障前后同一套自然容错开关表,进而不但抑制了故障导致的转矩脉动,而且在故障前后均能降低三次谐波电流、减小转矩和磁链脉动、抑制CMV。实验结果验证所提策略的可行性。

Research on a six-phase permanent magnet synchronous motor system at dual-redundant and fault tolerant modes in aviation application

With the development of more/all electrical aircraft technology, an electro-mechanical actuator（EMA） is more and more used in an aircraft actuation system. The motor system, as the crucial part of an EMA, usually adopts the redundancy technology or fault tolerance technology to improve the reliability. To compare the performances of these two motor systems, a 10-pole/12-slot six-phase permanent magnet synchronous motor（PMSM） is designed with the concentrated single-layer winding, which is able to operate at dual-redundant and fault tolerant modes.Furthermore, the position servo performances of the six-phase PMSM at dual-redundant and fault tolerant modes are analyzed, including the normal and fault conditions. In addition, a variable structure proportional-integral-derivative（PID） control strategy is proposed to solve the performance degradation problem caused by phase current saturation. Simulation and experimental results show that the fault tolerant PMSM has a better position servo performance than the dual-redundant PMSM, and the variable structure PID control strategy is able to improve the performance due to phase current saturation.

多三相分布式绕组和集中式绕组永磁磁阻电机对比研究

利用磁阻转矩替代永磁转矩,永磁磁阻电机可减少永磁用量,以较低的成本实现相同的性能,该电机在相关行业应用正愈发得到重视。得益于较低的永磁磁链,该类电机短路电流小,非常适合容错设计。电机运行性能和容错能力与绕组紧密相关,因此该文研究了两台分别采用分布式绕组和集中式绕组的多三相永磁磁阻电机,两台电机基于相同性能指标进行设计加工。通过深入的有限元仿真和实验测试,比较了两台电机的反电动势、最大转矩电流比(MTPA)曲线、输出转矩以及不同故障模式下的故障行为和容错能力。结果表明,对于中低速应用场合,采用集中式绕组永磁磁阻电机较之分布式绕组结构具有更好的容错表现。

基于傅里叶变换解耦的容错控制方法

在多相电机的容错控制中,对于通过多约束求解获得的较为复杂的非正弦型容错电流一般采用滞环控制方法进行容错控制。电压空间矢量控制相对滞环控制具有转矩脉动小、能量消耗小的优势,在多相电机的控制中更为普遍。为解决非正弦型容错电流不能直接解耦变换以适用于电压空间矢量控制的问题,引入傅里叶变换并将非正弦型容错电流分解为基波电流与三次谐波电流,实现非正弦型容错电流的解耦变换,基于此推导解耦变换矩阵,采用仿真分析的方法来验证处理方法的正确性。结果表明这种处理方法可以解决多相永磁同步电机开路容错控制下的非正弦型容错电流无法直接解耦变换导致的无法直接适用于电压空间矢量控制的问题,以实现降低转矩脉动、提高电机电流平稳性的目标。

单霍尔故障下无轴承永磁薄片电机径向位移容错检测

由于人工无轴承心脏泵要求微型化,所以心脏泵系统不能采用大体积的电涡流传感器来采集径向位移信息。基于霍尔测径向位移的无轴承永磁薄片电机采用霍尔同时辨识转角和径向位移,大幅降低系统体积。霍尔输出信号直接影响无轴承电机悬浮性能,当单个霍尔传感器故障时,由于缺失一相磁链导致电机失浮。为了提高基于霍尔测径向位移的无轴承永磁薄片电机容错能力,该文针对单霍尔传感器故障时角度和径向位移信息会重新耦合,难以高精度分离的问题,提出基于谐波补偿的霍尔磁链重构算法。首先,采用磁链重构思想,利用剩余非故障霍尔重构解算径向位移的一相磁链;然后,对上述重构磁链中不偏心3次谐波进行补偿,并构建霍尔矫正表求解径向位移;最后,搭建实验平台,通过仿真和实验验证了所提算法的准确性。

不同坐标系下六相PMSM单相开路容错MPC控制

目的目前六相永磁同步电机单相开路故障的模型预测容错控制的研究已逐步成为热点,本文将对α-β和d-q2种坐标系控制下的故障机理进行对比分析,并对比不同坐标系中下正常和故障容错运行模型的控制效果。方法基于矢量空间解耦坐标变换矩阵不变原理,对A相开路进行故障模型的理论计算分析,分别在α-β和d-q这2种不同坐标系中对其进行模型预测控制容错建模。最后在MATLAB/Simulink中对2种坐标系下的电机正常运行和故障容错运行中的工作性能采用相同电机参数进行实时仿真。结果仿真结果显示,正常运行时,2种坐标系下总谐波失真(THD)值分别为2.09%和2.77%;故障运行时,d-q坐标系下的THD值比α-β坐标系小了13.15%;容错运行时2种坐标系下的THD值分别为1.19%和1.79%。结论从仿真结果可以看出,d-q坐标系控制下的电机在故障时具有更稳定的性能,而在正常和容错运行状态下,2种坐标系下的控制效果几乎等效。

考虑故障归一化的五相永磁电机低转矩脉动容错控制

五相永磁电机具有功率密度高、容错能力强的优点,能够满足多电/全电飞机高可靠作动器的应用要求。针对五相永磁电机不同类型的故障,提出一种故障归一化的低转矩脉动容错控制方法。建立了五相永磁电机不同类型故障下的降阶解耦矩阵和故障电机数学模型,剖析了五相永磁电机开路故障时二次、四次谐波转矩脉动产生的机理,提出基于双谐振控制器的谐波注入算法。同时,提出了基于转子位置的旋转变换方法,将15种不同的相绕组开路故障归一化为3种类型的故障,简化了容错控制算法。实验结果验证了该容错控制策略能有效降低五相永磁电机容错运行时的转矩脉动,提高控制系统的可靠性。

永磁容错游标轮缘推进电机改进模型预测转矩控制

为提高永磁容错游标轮缘推进电机(FTPMV-RDM)在正常状态和一相开路故障状态下的控制性能,本文提出了一种基于电压矢量预选的改进模型预测转矩(MPTC)控制方法.针对六相独立H桥逆变器提供的备选电压矢量数量多导致MPTC系统计算量大的问题,首先,采用直接转矩控制中利用转矩、磁链误差及定子磁链位置信息确定预选电压矢量,减少MPTC系统中电压矢量的枚举次数.然后,利用价值函数进行二次筛选得到最优电压矢量.为了实现开路故障下的容错控制,提出了一种更换备选电压矢量表的开路故障容错控制策略.实验结果表明,基于电压矢量预选的FTPMV-RDM模型,本文预测转矩控制算法能够在无故障和一相开路故障下抑制电流畸变,进而有效降低转矩和磁链脉动.

分布式电动汽车驱动电机故障诊断与容错控制研究现状与发展趋势

针对永磁电机故障诊断与驱动整车容错控制技术的发展现状和研究成果进行分析,从考虑电机绕组短路和永磁体退磁的故障角度,阐述了基于信号提取和智能辨识的典型诊断策略,梳理了不同诊断方法的技术难点;在整车容错控制方面,依据转矩转移、控制分配、智能控制等容错技术的适用场景,探讨了不同控制算法的逻辑架构及优缺点;展望了分布式电动汽车驱动电机故障诊断及容错控制关键技术的发展方向。

基于六相静止坐标系的永磁容错轮缘推进电机模型预测电流控制

针对六相永磁容错轮缘推进电机在应用传统模型预测电流控制策略时存在计算量大、容错控制策略复杂、电机转矩脉动大的问题,本文提出一种基于六相静止坐标系的模型预测电流控制策略。在固定采样频率下,通过当前时刻转子位置、转速和故障容错控制策略计算出六相定子电流给定值,进而在六相静止坐标系下对六相电流独立地进行2轮预测,通过价值函数寻优确定六相H桥逆变电路的最优开关状态组合,实现对六相永磁容错轮缘推进电机的模型预测电流控制。结果表明:本文提出的基于六相静止坐标系的模型预测电流控制策略具有算法简单、无故障和开路故障下电机转矩脉动小的优点,同时兼顾了传统模型预测电流控制算法动态响应快的特点。

考虑未知惯量与不平衡力矩的四电机同步驱动伺服系统容错控制

针对四电机伺服系统中单个电机的故障,提出了一种基于命令滤波反步法的容错控制方案。首先,建立带有未知惯量和不平衡力矩的故障伺服系统动力学模型;随后,采用命令滤波反步技术进行控制器设计,构建误差补偿系统提高控制精度;此外,利用神经网络处理故障电机引起的非线性扰动,并设计同步误差信号实现系统的同步控制;最后,基于Lyapunov稳定性理论证明单电机故障情况下闭环系统的稳定性,设计仿真验证了所提控制方法的有效性及优越性。

横向磁通电机研究状况综述

以当前的横向磁通电机研究为目标,从不同角度介绍分析了横向磁通电机研究所取得的成果,对今后的研究工作具有较强的参考价值。首先从横向磁通电机实现了磁路和电路的解耦出发,指出其可获得比传统径向磁通电机和轴向磁通电机更高的转矩密度和功率密度,且易实现低速大转矩,拥有良好的应用前景,因此受到各国研究者的高度重视;其次,介绍了当前已有横向磁通电机的主要类型及其基本结构,总结分析了它们的共性规律和个性差别;对横向磁通电机的设计与分析方法、驱动系统的基本控制策略、转矩(或推力)脉动抑制、漏磁抑制等关键技术进行了综述,阐述了多种电机优化方法,探讨了多种容错控制策略,介绍了该电机系统在交通运输、工业生产和军事等领域的应用;最后对横向磁通电机系统需要研究的重点进行了展望。

航空用双三相电机抗功率管短路的研究

为了提升航空双余度电控架构下的可靠性,此处对电驱桥功率管短路问题进行了研究,提出了抗功率管短路控制方法。通过定量分析功率管短路影响,结合驱动芯片DESAT保护和短路后相电流故障轨迹特点设计了功率管短路位置判断逻辑,并通过主动短路故障三相实现容错保护功能。仿真和实验结果表明,采用所提出的短路故障检测和保护方法可以在数个基波周期内完成故障判断并进行故障动作,有效消除了不平衡电流,达到降低去磁电流、抑制转矩脉动效果。