電動汽車永磁同步電機(PMSM)驅(qū)動系統(tǒng)位置檢測多采用旋轉(zhuǎn)變壓器，與光電編碼器和霍爾傳感器等位置傳感器相比，旋轉(zhuǎn)變壓器具有抗沖擊與振動、環(huán)境適應性強和輸出絕對位置的明顯優(yōu)勢。然而，由于旋轉(zhuǎn)變壓器安裝誤差、旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁與輸出調(diào)理電路器件的溫度漂移等非線性影響，使得旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦輸出出現(xiàn)幅值不平衡和正交不完善故障，導致基于旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片輸出的PMSM解調(diào)位置與電機實際位置間存在位置偏差，使電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)持續(xù)振蕩。

現(xiàn)有的技術解決方案是基于正交不完善和幅值不平衡故障導致旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦輸出存在的特定次數(shù)異常諧波，離線條件下通過對特定次異常諧波的幅值擬合獲得位置偏差的補償多項式并據(jù)此實施容錯控制，但該方案無法實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器故障的在線診斷且容錯控制效果欠佳?；谶f推最小二乘法的在線參數(shù)辨識實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器故障引起的轉(zhuǎn)子位置偏差的補償方法，存在對待辨識參數(shù)初值要求較高的缺陷，而且該方法易受噪聲干擾，無法實現(xiàn)故障模式識別、故障定位及故障程度確定?；诟鞣N觀測器觀測電機轉(zhuǎn)子位置再與旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片輸出解調(diào)位置進行比較的故障在線診斷與容錯控制方法，存在電機參數(shù)變化及逆變器死區(qū)效應直接影響轉(zhuǎn)子位置觀測精度的不足，也不能實現(xiàn)故障模式識別、故障定位及故障程度的確定。此外，利用雙同步解耦鎖相環(huán)設計的集成正交不完善與幅值不平衡故障在線診斷與容錯控制功能的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，存在算法實現(xiàn)復雜的不足。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)變壓器故障在線診斷與容錯控制方法的不足，本發(fā)明提出一種PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制系統(tǒng)及其方法，以期能夠?qū)πD(zhuǎn)變壓器發(fā)生正交不完善和幅值不平衡故障后實現(xiàn)故障模式定位、分離和故障程度獲取，并實現(xiàn)故障后PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的自適應容錯控制，從而實現(xiàn)PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的安全可靠運行。

為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

本發(fā)明一種PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制系統(tǒng)的特點是應用于由旋轉(zhuǎn)變壓器和解碼芯片來獲取PMSM轉(zhuǎn)子位置的PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中，所述旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦輸出經(jīng)所述解碼芯片解調(diào)，輸出所述PMSM的解調(diào)位置θ；所述旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制系統(tǒng)包括：交軸電流脈動分量獲取模塊、故障模式解耦分離模塊、故障程度獲取模塊、位置偏差計算與補償模塊；

所述交軸電流脈動分量獲取模塊是對所述PMSM的三相檢測定子電流i_a、i_b、i_c進行坐標變換處理，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的PMSM定子交軸電流i_q和定子直軸電流i_d，再由所述PMSM定子交軸電流i_q得到所述PMSM定子交軸電流i_q的直流分量i_qdc，最后由所述PMSM定子交軸電流i_q和直流分量i_qdc，獲得因旋轉(zhuǎn)變壓器故障而產(chǎn)生的PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q；

所述故障模式解耦分離模塊對所述PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q進行解耦分離和積分處理，獲得幅值不平衡故障分量積分值F_αfb和正交不完善故障分量積分值F_βfb；

所述故障程度獲取模塊是將給定參考值“0”減去所述幅值不平衡故障分量積分值F_αfb，獲得幅值不平衡故障誤差信號ΔF_α；給定參考值“0”減去正交不完善故障分量積分值F_βfb，獲得正交不完善故障誤差信號ΔF_β；再對所述幅值不平衡故障誤差信號ΔF_α進行比例積分調(diào)節(jié)，得到幅值不平衡故障程度F_α；對所述正交不完善故障誤差信號ΔF_β進行比例積分調(diào)節(jié)，得到正交不完善故障程度F_β；

所述位置偏差計算與補償模塊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，計算獲得所述解調(diào)位置θ與電機實際位置θ_r之間存在的位置偏差Δθ，再利用所述位置偏差Δθ對所述解調(diào)位置θ進行補償，得到所述PMSM驅(qū)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器故障的容錯位置θ_com，用于對所述PMSM進行矢量控制。

本發(fā)明所述的旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制系統(tǒng)的特點也在于，

所述交軸電流脈動分量獲取模塊包括：坐標變換模塊、直流分量計算模塊和減法器；

所述坐標變換模塊對所述PMSM的三相檢測定子電流i_a、i_b、i_c進行坐標變換處理，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的PMSM定子交軸電流i_q和定子直軸電流i_d；

所述直流分量計算模塊用于計算所述PMSM定子交軸電流i_q的直流分量i_qdc；

所述減法器對所述PMSM定子交軸電流i_q和所述直流分量i_qdc進行計算，獲得PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q。

所述故障模式解耦分離模塊包括：第一乘法器、第一積分器、第二乘法器和第二積分器；

所述第一乘法器對所述PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q和函數(shù)sign[sin(2θ)]進行計算，計算結(jié)果輸出給所述第一積分器進行積分運算，得到所述幅值不平衡故障分量積分值F_αfb；其中，sign為符號運算，當[sin(2θ)]大于0時，sign[sin(2θ)]等于1，反之，則等于-1；

所述第二乘法器對所述PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q和函數(shù)sign[cos(2θ)]進行計算，計算結(jié)果輸出給所述第二積分器進行積分運算，得到正交不完善故障分量積分值F_βfb。

所述故障程度獲取模塊包括：第一減法器、第二減法器、第一比例積分調(diào)節(jié)器和第二比例積分調(diào)節(jié)器；

所述第一減法器將參考給定值“0”減去所述幅值不平衡故障分量積分值F_αfb，獲得幅值不平衡故障誤差信號ΔF_α；所述第一比例積分調(diào)節(jié)器對輸入的幅值不平衡故障誤差信號ΔF_α進行計算，得到幅值不平衡故障程度F_α；

所述第二減法器將參考給定值“0”減去所述正交不完善故障分量積分值F_βfb，獲得正交不完善故障誤差信號ΔF_β；所述第二比例積分調(diào)節(jié)器對輸入的正交不完善故障誤差信號ΔF_β進行計算，得到正交不完善故障程度F_β。

所述位置偏差計算與補償模塊包括：第一加法器、第二加法器、第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器和第三減法器；

所述第一加法器對常數(shù)“1”和cos(2θ)進行計算，得到的結(jié)果與常數(shù)“0.5”分別作為所述第三乘法器的輸入，經(jīng)過所述第三乘法器的計算，得到的結(jié)果和所述正交不完善故障程度F_β分別作為所述第四乘法器的輸入，并進行計算，得到的結(jié)果作為所述第三減法器的輸入；

所述第五乘法器對所述幅值不平衡故障程度F_α和sin(2θ)進行計算，得到的結(jié)果作為所述第三減法器的另一個輸入；由所述第三減法器進行計算得到位置偏差Δθ；

所述第二加法器對所述位置偏差Δθ和解調(diào)位置θ進行計算，得到容錯位置θ_com。

本發(fā)明一種PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制方法的特點是應用于由旋轉(zhuǎn)變壓器和解碼芯片來獲取PMSM轉(zhuǎn)子位置的PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中，所述旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦輸出經(jīng)解碼芯片進行解調(diào)，輸出所述PMSM的解調(diào)位置θ；所述旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制方法是按如下步驟進行：

步驟1、對所述PMSM的三相檢測定子電流i_a、i_b、i_c利用式(1)進行坐標變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的PMSM定子交軸電流i_q和定子直軸電流i_d：

式(1)中，θ_com表示容錯位置；

步驟2、利用式(2)獲得所述PMSM定子交軸電流i_q的直流分量i_qdc：

式(2)中，N為選取的窗口長度，為大于1的整數(shù)；i_q(1)為當前采樣周期PMSM定子交軸電流值，i_q(2)為上一采樣周期PMSM定子交軸電流值，以此類推，i_q(N-1)為當前采樣周期之前的第N-1個采樣周期對應的PMSM定子交軸電流值，i_q(N)為當前采樣周期之前的第N個采樣周期對應的PMSM定子交軸電流i_q的數(shù)值；

步驟3、由所述PMSM定子交軸電流i_q減去所述直流分量i_qdc，獲得因旋轉(zhuǎn)變壓器故障而產(chǎn)生的PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q；

步驟4、由所述PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q乘以函數(shù)sign[sin(2θ)]，獲得的結(jié)果再通過第一積分器進行積分運算，得到幅值不平衡故障分量積分值F_αfb；

步驟5、由所述PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q乘以函數(shù)sign[cos(2θ)]，獲得的結(jié)果再通過第二積分器進行積分運算，得到正交不完善故障分量積分值F_βfb；

步驟6、利用式(3)獲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：∫為積分運算符號，K_pα為第一比例積分調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，K_Iα為第一比例積分調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；ΔF_α為參考給定值“0”減去所述幅值不平衡故障分量積分值F_αfb后的值；

步驟7、利用式(4)獲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為第二比例積分調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，K_Iβ為第二比例積分調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；ΔF_β為參考給定值“0”減去所述正交不完善故障分量積分值F_βfb后的值；

步驟8、利用式(5)獲得所述解調(diào)位置θ與電機實際位置θ_r之間的位置偏差Δθ：

步驟9、利用式(6)獲得所述PMSM驅(qū)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器故障的容錯位置θ_com：

θ_com＝Δθ+θ (6)。

與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明集成旋轉(zhuǎn)變壓器故障在線診斷與容錯控制為一體，而且具有不依賴于電機數(shù)學模型和抗電機參數(shù)變化、魯棒性強的技術優(yōu)勢；通過提取和分離PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中PMSM定子交軸電流的故障脈動分量，匹配積分器及比例積分調(diào)節(jié)器的設計，實現(xiàn)了故障模式識別、定位及故障程度獲取，再基于獲取的故障程度計算位置偏差并對旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片輸出的PMSM解調(diào)位置進行實時補償，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器故障的容錯控制。

2、本發(fā)明可實時在線計算旋轉(zhuǎn)變壓器故障程度，實時對旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片輸出的PMSM解調(diào)位置信號進行補償，且本發(fā)明所提出的自適應容錯控制方法具有算法計算簡單、工程實現(xiàn)容易的優(yōu)點；

3、本發(fā)明具有待整定參數(shù)少，可以實現(xiàn)不同旋轉(zhuǎn)變壓器故障的模式識別與定位，故障后能夠自適應地對解碼芯片輸出的PMSM解調(diào)位置進行補償；

4、本發(fā)明通過提取和分離PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中PMSM定子交軸電流中的故障脈動分量，匹配積分器及比例積分調(diào)節(jié)器的設計實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器故障的在線診斷，巧妙地回避了逆變器死區(qū)效應引起的定子交軸電流脈動對旋轉(zhuǎn)變壓器故障在線診斷精度的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明交軸電流脈動分量獲取模塊的示意圖；

圖3為本發(fā)明故障模式解耦分離模塊的示意圖；

圖4為本發(fā)明避免逆變器死區(qū)效應影響的示意圖；

圖5為本發(fā)明故障程度獲取模塊的示意圖；

圖6為本發(fā)明位置偏差計算與補償模塊的示意圖。

具體實施方式

本實施例中，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子勵磁繞組所產(chǎn)生的脈振磁場會在其轉(zhuǎn)子正余弦繞組中感應出包含電機轉(zhuǎn)軸絕對位置信息的正余弦電壓信號，再通過專用解調(diào)芯片解調(diào)出PMSM的轉(zhuǎn)子位置。然而，由于旋轉(zhuǎn)變壓器加工和安裝誤差、勵磁與輸出調(diào)理電路器件的溫度漂移等非線性影響，使得旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦輸出出現(xiàn)幅值不平衡和正交不完善故障，導致基于旋轉(zhuǎn)變壓器獲取的PMSM轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生偏差，使電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)持續(xù)振蕩。

因此，針對上述問題提出了一種PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制系統(tǒng)，應用于由旋轉(zhuǎn)變壓器和解碼芯片來獲取PMSM轉(zhuǎn)子位置的PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦輸出經(jīng)解碼芯片進行解調(diào)，輸出PMSM的解調(diào)位置θ。

本實施例中，如圖1所示，旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制系統(tǒng)包括：交軸電流脈動分量獲取模塊、故障模式解耦分離模塊、故障程度獲取模塊、位置偏差計算與補償模塊；

如圖2所示，交軸電流脈動分量獲取模塊首先對PMSM的三相檢測定子電流i_a、i_b、i_c并進行坐標變換處理，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的PMSM定子交軸電流i_q和定子直軸電流i_d，再由PMSM定子交軸電流i_q得到PMSM定子交軸電流i_q的直流分量i_qdc，從而由PMSM定子交軸電流i_q和直流分量i_qdc，獲得因旋轉(zhuǎn)變壓器故障而產(chǎn)生的PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q。

該模塊包括以下部分：坐標變換模塊、直流分量計算模塊和減法器：

(1)坐標變換模塊對PMSM的三相檢測定子電流i_a、i_b、i_c進行坐標變換處理，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的PMSM定子交軸電流i_q和定子直軸電流i_d；

(2)直流分量計算模塊用于計算PMSM定子交軸電流i_q的直流分量i_qdc；

(3)減法器對PMSM定子交軸電流i_q和直流分量i_qdc進行計算，獲得PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q。

如圖3所示，故障模式解耦分離模塊對PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q進行解耦分離和積分處理，獲得幅值不平衡故障分量積分值F_αfb和正交不完善故障分量積分值F_βfb。該模塊包括以下部分：第一乘法器、第一積分器、第二乘法器和第二積分器。

第一乘法器對PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q和函數(shù)sign[sin(2θ)]進行計算，計算結(jié)果輸出給第一積分器進行積分運算，從而得到幅值不平衡故障分量積分值F_αfb；其中，sign為符號運算，當[sin(2θ)]大于0時，sign[sin(2θ)]等于1，反之，則等于-1；

第二乘法器對PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q和函數(shù)sign[cos(2θ)]進行計算，計算結(jié)果輸出給第二積分器進行積分運算，從而得到正交不完善故障分量積分值F_βfb。

由于逆變器死區(qū)時間的存在將產(chǎn)生死區(qū)效應，導致PMSM定子交軸電流i_q和定子直軸電流i_d中產(chǎn)生六倍頻的周期性脈動，定子交軸電流i_q剔除直流分量后的PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q中也包含該六倍頻的周期性脈動，采用sign[sin(2θ)]和sign[cos(2θ)]進行旋轉(zhuǎn)變壓器故障脈動分量提取、分離時，死區(qū)效應引起的定子交軸電流i_q六倍頻周期性脈動i_{dead_rip}同時被整周期提取，如圖4所示。i_{dead_rip}×sign[sin(2θ)]和i_{dead_rip}×sign[cos(2θ)]經(jīng)積分器進行積分，其積分值始終為0，即逆變器死區(qū)效應對旋轉(zhuǎn)變壓器故障在線診斷精度的影響被巧妙地回避了。

如圖5所示，故障程度獲取模塊是將給定參考值“0”減去所述幅值不平衡故障分量積分值F_αfb，獲得幅值不平衡故障誤差信號ΔF_α；將給定參考值“0”減去正交不完善故障分量積分值F_βfb，獲得正交不完善故障誤差信號ΔF_β。再對幅值不平衡故障誤差信號ΔF_α和正交不完善故障誤差信號ΔF_β進行比例積分調(diào)節(jié)，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。故障程度獲取模塊包括：第一減法器、第二減法器、第一比例積分調(diào)節(jié)器和第二比例積分調(diào)節(jié)器；

第一減法器將參考給定值“0”減去幅值不平衡故障分量積分值F_αfb，獲得幅值不平衡故障誤差信號ΔF_α；第一比例積分調(diào)節(jié)器對輸入的幅值不平衡故障誤差信號ΔF_α進行計算，得到幅值不平衡故障程度F_α；

第二減法器將參考給定值“0”減去正交不完善故障分量積分值F_βfb，獲得正交不完善故障誤差信號ΔF_β；第二比例積分調(diào)節(jié)器對輸入的正交不完善故障誤差信號ΔF_β進行計算，得到正交不完善故障程度F_β。

如圖6所示，位置偏差計算與補償模塊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，得到解調(diào)位置θ與電機實際位置θ_r之間的位置偏差Δθ，再利用位置偏差Δθ對解調(diào)位置θ進行補償，得到PMSM驅(qū)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器故障的容錯位置θ_com，用于對PMSM進行矢量控制。位置偏差計算與補償模塊包括：第一加法器、第二加法器、第三乘法器、第四乘法器、第五乘法器和第三減法器；

第一加法器對常數(shù)“1”和cos(2θ)進行計算，得到的結(jié)果與常數(shù)“0.5”分別作為第三乘法器的輸入，經(jīng)過第三乘法器的計算，得到的結(jié)果和正交不完善故障程度F_β分別作為第四乘法器的輸入，并進行計算，得到的結(jié)果作為第三減法器的輸入；

第五乘法器對幅值不平衡故障程度F_α和sin(2θ)進行計算，得到的結(jié)果作為第三減法器的另一個輸入；由第三減法器進行計算得到位置偏差Δθ；

第二加法器對位置偏差Δθ和解調(diào)位置θ進行計算，得到容錯位置θ_com。

本實施例中，一種PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器自適應容錯控制方法是應用于由旋轉(zhuǎn)變壓器和解碼芯片來獲取PMSM轉(zhuǎn)子位置的PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中，并按如下步驟進行：

步驟1、獲取PMSM的三相檢測定子電流i_a、i_b、i_c，并利用式(1)進行坐標變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的PMSM定子交軸電流i_q和定子直軸電流i_d：

式(1)中，θ_com表示容錯位置；

步驟2、利用式(2)獲得PMSM定子交軸電流i_q的直流分量i_qdc：

式(2)中，N為選取的窗口長度，為大于1的整數(shù)；i_q(1)為當前采樣周期PMSM定子交軸電流值，i_q(2)為上一采樣周期PMSM定子交軸電流值，以此類推，i_q(N-1)為當前采樣周期之前的第N-1個采樣周期對應的PMSM定子交軸電流值，i_q(N)為當前采樣周期之前的第N個采樣周期對應的PMSM定子交軸電流i_q的數(shù)值；

步驟3、由PMSM定子交軸電流i_q減去直流分量i_qdc，獲得因旋轉(zhuǎn)變壓器故障而產(chǎn)生的PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q；

步驟4、由PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q乘以函數(shù)sign[sin(2θ)]，獲得的結(jié)果再通過第一積分器進行積分運算，得到幅值不平衡故障分量積分值F_αfb；

步驟5、由PMSM定子交軸電流故障分量Δi_q乘以函數(shù)sign[cos(2θ)]，獲得的結(jié)果再通過第二積分器進行積分運算，得到正交不完善故障分量積分值F_βfb；

步驟6、利用式(3)獲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：∫為積分運算符號，K_pα為第一比例積分調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，K_Iα為第一比例積分調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；ΔF_α為參考給定值“0”減去幅值不平衡故障分量積分值F_αfb后的值；

步驟7、利用式(4)獲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為第二比例積分調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，K_Iβ為第二比例積分調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；ΔF_β為參考給定值“0”減去正交不完善故障分量積分值F_βfb后的值；

步驟8、利用式(5)獲得解調(diào)位置θ與電機實際位置θ_r之間的位置偏差Δθ：

步驟9、利用式(6)獲得PMSM驅(qū)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器故障的容錯位置θ_com：

θ_com＝Δθ+θ (6)。