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基于正负序分离的无轴承永磁同步电机位置传感器容错控制.pdf
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1、第 55 卷第 5 期2023 年 10 月Vol.55 No.5Oct.2023南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics基于正负序分离的无轴承永磁同步电机位置传感器容错控制韩冰阳,鲍旭聪,王晓琳,石滕瑞,范臻雪(南京航空航天大学自动化学院,南京 211106)摘要:无轴承永磁同步电机(Bearingless permanent magnet synchronous motor,BPMSM)凭借无接触、无磨损的优异性能在工业生产中获得广泛应用,对旋转和悬浮的精确控制是保证其稳定运行的
2、关键,需实时获取高精度的转子位置信息以实现切向力矩和径向悬浮力的解耦。为保证位置传感器故障情况下 BPMSM 稳定运行,文中提出一种基于正负序量分离的 BPMSM 传感器容错控制方案。首先,结合 BPMSM 数学模型,分析传感器故障对电机转矩和悬浮系统的影响。在此基础上,提出一种基于过零点检测的故障诊断函数,实时监测传感器信号故障。其次,引入旋转坐标系分析传感器信号中正序分量和负序分量的特征,分离出正序分量并提取其中的转子位置信息,构建位置检测容错系统完成故障信号到容错策略的切换,实现 BPMSM 在传感器故障情况下的稳定运行。最后,基于一台 BPMSM 实验样机对所提方案的有效性进行了充分的
3、仿真与实验验证。关键词:无轴承永磁同步电机;转子位置检测;正负序分量;故障诊断;容错控制中图分类号:TM351 文献标志码:A 文章编号:10052615(2023)05088810FaultTolerant Control of Position Sensor for Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Separation of Positive and Negative SequenceHAN Bingyang,BAO Xucong,WANG Xiaolin,SHI Tengrui,FAN Zhenxue(Col
4、lege of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 211106,China)Abstract:The bearingless permanent magnet synchronous motor(BPMSM)is widely used in industrial production due to the excellent performance of no contact and no wear,However,to achieve accurate control
5、of rotation and suspension,the key is to obtain high-precision rotor position to decouple tangential torque and radial levitation force.To ensure the stable operation of BPMSM in case of position sensor failure,a fault tolerant method of position sensor for BPMSM based on the separation of positive
6、and negative sequence is put forward.First,on the basis of the mathematical model of BPMSM,the influence of sensor failure on the torque and suspension subsystem of the motor is analyzed.On this basis,a fault diagnosis function based on zero crossing detection is proposed to monitor sensor signal fa
7、ults in real time.Then,rotary coordinate is introduced to analyze the characteristics of positive and negative sequence in single-phase hall signal.Rotor position is calculated by phase-locked loop,which ensure the phase of rotor position is consistent with the positive sequence component separated
8、from hall signal.Fault tolerant system for position detection completed the switch from the fault system to the fault-tolerant control system,realized the normal operation of the BPMSM under sensor fault.Finally,The effectiveness of the proposed method is fully verified by DOI:10.16356/j.10052615.20
9、23.05.015基金项目:国家自然科学基金(52177048);江苏省自然科学基金(BK20201297)。收稿日期:20221212;修订日期:20230403通信作者:王晓琳,男,教授,博士生导师,E-mail:。引用格式:韩冰阳,鲍旭聪,王晓琳,等.基于正负序分离的无轴承永磁同步电机位置传感器容错控制 J.南京航空航天大学学报,2023,55(5):888897.HAN Bingyang,BAO Xucong,WANG Xiaolin,et al.Fault-tolerant control of position sensor for bearingless permanent ma
10、gnet synchronous motor based on separation of positive and negative sequence J.Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2023,55(5):888897.第 5 期韩冰阳,等:基于正负序分离的无轴承永磁同步电机位置传感器容错控制simulation and experiment on a BPMSM prototype.Key words:bearingless permanent magnet synchronous motor(BPMS
11、M);rotor position detection;positive and negative sequence components;fault diagnosis;fault-tolerance control无轴承电机是近年来发展起来的一种新型磁悬浮电机。它在传统机械轴承电机旋转磁场的基础上叠加了额外的悬浮磁场为转子提供悬浮力,同时实现电机的自旋转和自悬浮。无轴承永磁同步电 机(Bearingless permanent magnet synchronous motor,BPMSM)不仅具有传统永磁同步电机效率高、功率密度大的特点,还具有无轴承电机无接触、无磨损的优良特性,因此在航空
12、航天、超洁净流体运输等对电机密封性要求较高的领域获得了广泛的应用14。为实现对 BPMSM 旋转和悬浮的精确控制,需要获取转子相对定子绕组的准确位置,霍尔传感器成 本 低,体 积 小,且 无 需 和 转 子 同 轴 连 接,是BPMSM 目前最常用的位置检测方案57。然而,在电机实际运行过程中,恶劣的工况,例如BPMSM常用于半导体工业中的高温流体运输,长时间连续工作于高温环境,霍尔传感器的检测信号可能出现故障,影响电机稳定运行8。因此,研究永磁同步电机驱动系统的霍尔位置传感器失效故障容错技术,成为当前相关领域重要的研究方向之一。国内外学者对霍尔位置传感器的故障诊断914及永磁同步电机的传感器
13、容错控制1520进行了深入研究。霍尔位置传感器的故障诊断方案可分为直接检测法与间接判断法,其中直接检测法根据霍尔信号的不同电气特征来判别故障类型。文献10 采用一种基于脉冲边缘预测的霍尔传感器故障诊断方案,利用相邻数个脉冲边缘预测下一边缘到来时刻,与实际信号相比即可检测到霍尔位置传感器故障。文献 11 利用冗余霍尔位置传感器输出值间的数值关系进行故障诊断,该方法相对简单且故障检测时间较短,但增加了系统的成本与复杂度。文献 12 按照故障霍尔元件的个数对传感器故障进行分类,根据故障后的霍尔信号总结出不同故障类型下相应的传感器故障诊断方案。文献13 利用电机转速方程构建动态加速度系数,使故障诊断算
14、法在电机转速突变的过程中也能实时检测霍尔位置传感器故障情况。间接判断法利用传感器故障下电机转矩、电流等特征信号的变化诊断转子位置传感器的故障情况,通常算法较为复杂、故障诊断花费时间较长。文献 14 选取转矩、相电流、磁链和转速作为故障诊断依据,利用神经网络对位置传感器在不同故障情况下的数据样本进行训练学习,实现位置传感器的故障诊断。为实现传感器故障诊断后永磁同步电机保持稳定运行,合理设计位置传感器的容错控制系统就变得格外关键。文献 15 提取出定子电流中由位置传感器故障引起的脉动分量,通过故障模式识别完成传感器故障的在线诊断,并基于位置误差的实时计算实现自适应容错控制。文献 16 通过转速预测
15、对故障霍尔信号进行重构与补偿,实现了传感器容错控制。文献 17 提出一种基于霍尔矢量跟踪观测器的容错控制方法,利用谐波消除的方法消去了霍尔反馈信号中的干扰,提升了电机在位置传感器故障情况下的动态性能。文献 18 利用扩展卡尔曼滤波方法对电机的转速进行估计,在识别出传感器故障后,用无位置算法的输出代替位置传感器的测量值。文献 19 利用二阶广义积分器代替传统基于高频注入的无位置检测方案中使用的滤波器,实现转速自适应,加快了容错切换过程中转子位置的收敛速度。文献 20 提出一种高性能永磁同步电动机位置传感器故障容错控制系统,构建了两个分别基于反电势观测和扩展卡尔曼滤波的无位置传感器,并利用极大似然
16、估计获得电机位置与速度信息,实现永磁同步电机的容错控制。然而上述方法设计较复杂,计算量大,且对采样的数据精度要求较高,难以适用于 BPMSM 系统。因此,开展 BPMSM 位置传感器故障诊断及其容错控制研究具有重要意义。本文提出一种基于正负序分离的 BPMSM 位置传感器容错控制方案,实现了位置传感器故障情况下 BPMSM 的稳定运行。首先结合电机数学模型分析位置传感器故障对 BPMSM 转矩系统和悬浮系统的影响,并提出一种基于过零点检测的故障诊断函数实时监测传感器信号故障。其次分离出霍尔信号中的正序分量,利用正交锁相环获得其中的转子位置信息,实现 BPMSM 容错运行。最后,基于一台无轴承永
17、磁同步实验样机对所提方案的有效性进行了充分的仿真与实验验证。1 BPMSM 位置检测系统1.1BPMSM 数学模型BPMSM 的转子不采用轴承支撑,而是在原本的转矩磁场上叠加一个可实时控制的悬浮磁场,通过改变悬浮绕组中的电流来控制径向电磁力,并根889第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报据转子的偏心情况实时调节悬浮力,实现转子在任意情况下的悬浮。在 BPMSM 驱动系统中,准确的转子位置信号是实现系统稳定运行的关键。传感器测得的转子位置决定了转矩电流和悬浮电流的相位,位置检测存在误差将导致电机控制系统为转子提供的切向磁拉力和径向悬浮力方向错误,使电机稳定悬浮旋转受到影响。图 1
18、为 BPMSM 传感器安装位置示意图。BPMSM 的数学模型包含转矩子系统和悬浮子系统两部分5。转矩子系统的数学模型由电压方程、转矩方程和机械运动方程构成UT=RTIT+LTddtIT+eT(1)Te=Pr=eTaiTa+eTbiTbr(2)Te=Jdrdt+Br+TL(3)式中:UT、IT、eT分别为转矩绕组相电压、电流、反电动势矩阵;RT、LT分别为转矩绕组相电阻、电感矩阵;Te为电磁转矩;P 为转矩绕组功率;eTa、eTb分别为转矩绕组 A、B相反电动势;iTa、iTb分别为转矩绕组 A、B 相电流;r为机械角速度;J 为转动惯量;B为摩擦转矩系数;TL为负载转矩。BPMSM 悬浮子系统
19、在径向两自由度采用主动悬浮,在轴向和扭转 3 个自由度采用被动悬浮,其数学模型由电压方程、径向可控悬浮力方程和机械运动方程构成9,有UL=RLIL+LLddtIL(4)FxFy=kWL APMWTiTqWTiTq-APM iLdiLq(5)md2dt xy=FxFy+ks xy+FzxFzy(6)k=n20rh202pTpL(7)ks=n20rh203p2TW2TI2Tfm(8)式中:UL、IL分别为悬浮绕组相电压、电流矩阵;RL、LL分别为悬浮绕组相电阻、电感矩阵;Fx、Fy分别为径向两自由度可控悬浮力;WL、WT分别为悬浮绕组匝数、转矩绕组匝数;iLd、iLq分别为悬浮绕组dq 轴定子电流
20、;iTd、iTq分别为转矩绕组 dq 轴定子电流;APM为永磁体磁势幅值;m 为转子质量;x、y分别为径向两自由度位移;Fzx、Fzy分别为径向两自由度被动悬浮力;n为电机相数;0为真空磁导率;r为转子半径;h为电机轴向长度;0为转子无偏心时的等效气隙长度;pL、pT分别为悬浮绕组、转矩绕组极对数;ITfm为永磁体等效励磁电流和转矩绕组电流合成的等效电流幅值。1.2BPMSM 位置检测系统线性霍尔传感器根据 BPMSM 正常运行过程中转子磁场的变化,测得包含转子位置信息的正弦电压信号。其中一个霍尔传感器的安装位置与BPMSM 转矩绕组的 A 相轴线重合;另一霍尔传感器与其相隔 90电角度放置如
21、图 2 所示,此时输出的两相正交信号即为转子位置的正弦和余弦函数值。线性霍尔传感器输出的两相正交信号通过反正切运算可以求出转子位置 =arctanhhh 0,h 0=arctanhh+h 0=arctanhh+2h 0,h 0(9)式中:代表转子位置角;h、h分别代表线性霍尔传感器 和 的输出信号。当霍尔传感器发生故障时,反正切函数将无法解算出正确的转子位置。图 1 传感器安装位置示意图Fig.1 Diagram of sensor position图 2 霍尔传感器输出信号Fig.2 Output signals of linear Hall sensors890第 5 期韩冰阳,等:基于正
22、负序分离的无轴承永磁同步电机位置传感器容错控制2 位置传感器故障分析2.1位置信号故障分析对于 BPMSM 系统,错误的转子位置将会影响电机的转矩子系统和悬浮子系统。BPMSM 转矩子系统采用“id=0”控制,图 3所示为转子位置误差对 BPMSM 转矩系统的影响,当负载转矩保持恒定,转子位置存在误差 时,输出电磁转矩可表示为Te=pT|iT|fcos(10)式中:|iT为转矩输出电流幅值;f为转子永磁磁链。由式(10)可知,当电机负载保持不变时,转子位置出现误差将会导致输出电流增大,以保证电机维持转速。如图 3(b)所示,当线性霍尔传感器 发生故障时,计算转子位置将固定在 0 和 位置,当实
23、际转子位置在-0.5 到 0.5 时,计算转子位置为 0;当实际转子位置在 0.5 到 1.5 时,计算转子位置为。定子绕组产生的转矩电流在实际 q轴的投影恒大于零,在故障发生后将始终为转子提供正向转矩,电机转速将超过给定值并持续上升,直至转子撞边,因此霍尔传感器故障时 BPMSM 无法保持正常运行。当霍尔传感器发生故障时,错误的转子位置信号同样会影响悬浮子系统,当电机所受外力一定时,悬浮子系统会根据转子的径向位移信息给定合适大小的主动悬浮力,用于平衡外力保持转子稳定悬浮于定子的几何中心。而根据式(5),主动悬浮力的方向由测得的转子位置决定,当转子所受外力一定且存在转子位置误差 时,输出的主动
24、悬浮力可表示为 FxFy=kWL APMWTiTqWTiTq-APM cos-sin sin cos|iLd|iLq(11)如图 4所示,当 BPMSM 转子悬浮在定子几何中心 o 点时,沿 x 轴和 y 轴的负方向分别受到大小为 Fx*和 Fy*的外力,悬浮子系统需要为转子提供大小相同,方向沿 xy 轴正方向的主动悬浮力以保持转子的悬浮位置不变,而当转子位置信号存在误差 时,根据式(11)悬浮绕组提供的主动悬浮力大小保持不变,方向与 xy轴存在角度,即为图 4中的Fx和Fy,实际给定的悬浮力在 xy轴上的投影为Fx和 Fy,不能平衡转子所受到的外力,因此转子将会在合力的作用下偏离悬浮位置,影
25、响 BPMSM 的稳定悬浮运行。2.2位置信号故障诊断故障发生后,线性霍尔信号不再根据电机转子位置改变而改变,而是维持在零电压状态。两相霍尔传感器同时故障概率较小,且无法继续获得转子位置信息,需要采用无位置检测技术进行补偿。因此本文中对霍尔位置传感器功能失效故障的研究仅针对单相霍尔传感器故障。本节依据故障诊断函数的变化情况进行总结归纳,提出一种单相霍尔信号故障诊断方法。定义故障诊断函数为S(t)=2sign(h)+sign(h)(12)其中,将符号函数定义为sign(x)=1 x 00 x 0、h0,h0,h0、h0、h0。在电机无故障运行过程中,转子转动一圈时,每个扇区对应一组霍尔状态,si
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