電流傳感器故障狀態下內嵌式永磁同步電機的無位置傳感器容錯控制算法研究

摘 要：

為了解決在永磁同步電機（PMSM）驅動控制中，電流傳感器可能出現故障導致系統失控的問題，提出一種變參數的相電流重構方法，對定子電流進行精確觀測，實現PMSM在無位置傳感器控制下的電流傳感器容錯控制。研究了電機參數擾動和無位置傳感器控制觀測誤差等非理想因素對直接搭建龍貝格觀測器精度的影響。分析了觀測電流的幅值誤差和角度誤差特性，通過引入2個自適應變化參數以調整重構電流的幅值，消除非理想因素對重構電流精度的影響。搭建仿真和實驗平臺驗證算法有效性。實驗結果表明，電流傳感器故障后，電角度觀測誤差僅增加1°，dq軸電流波動峰峰值僅增加0.1 A。該算法能夠實現電機的轉速、位置及電流信息的準確觀測，使得系統具有良好的穩態精度和動態性能。

關鍵詞：永磁同步電機；無位置傳感器控制；電流傳感器；容錯運行；電流狀態觀測器；相電流重構

DOI：10.15938/j.emc.2024.08.001

中圖分類號：TM351

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）08-0001-09

Research on sensorless fault-tolerant control algorithm for interior permanent magnet synchronous machine under sensor fault conditions

FANG Yuchao1， WANG Bo1， WANG Yuankui2， WANG Yunchong1， HUANG Zhanghao1， SHEN Jianxin1

（1.College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China; 2.Ocean College， Zhejiang University， Zhoushan 316021， China）

Abstract：

In order to solve the problem that the current sensors may malfunction in permanent magnet synchronous machine （PMSM） drives， a phase current reconstruction algorithm with variable parameters was proposed to accurately estimate the stator current and realize fault-tolerant control of the current sensor under the position sensorless control of PMSM. The influence of non-ideal factors such as motor parameter variation and sensorless control strategy estimated error on the accuracy of directly constructed Luenberger observer was studied. The amplitude error and angle error characteristics of the estimated current were analyzed. Two adaptive parameters were introduced to adjust the amplitude of the reconstructed current， and the influence on non-ideal factors on the accuracy of the reconstructed current can be eliminated. A simulation and experimental platform were built to verify effectiveness of this algorithm. The experimental results show that after the current sensor malfunctions， the estimated error of electric angle is only increased by 1°， and the peak-to-peak value of dq axis current ripple is only increased by 0.1 A. The algorithm can accurately estimate the speed， position and current information of the motor， and the system has good steady-state accuracy and dynamic performance.

Keywords：permanent magnet synchronous machine; sensorless control; current sensor; fault-tolerant control; current state observer; phase current reconstruction

0 引 言

永磁同步電機（permanent magnet synchronous machine，PMSM）具有結構簡單、運行可靠、功率密度高等優點，已廣泛應用于航空航天、工業驅動和高精度伺服控制等領域［1-4］。通常使用磁場定向控制（field-oriented control，FOC）實現對電機的高精度控制，需要一個位置傳感器和至少兩個相電流傳感器。然而使用位置傳感器將增加系統的成本和體積，在一些特定情況下沒有足夠的空間來安裝位置傳感器，因此無位置傳感器控制得到了廣泛的關注與應用。同樣，由于制造工藝、振動、沖擊、高溫、高濕等惡劣的工況及老化等因素，電流傳感器可能會出現故障。根據文獻［5］的調查數據，傳感器的故障占風電應用中整機系統故障總數的14.1%。如果電流傳感器出現故障，會因信號不正確而損壞閉環控制系統，造成超速、過流等故障，損壞逆變器和設備，甚至造成人身傷亡等事故。因此，有必要在電流傳感器發生故障時，提供一種可靠的容錯控制策略（fault tolerant control，FTC）。

無位置傳感器算法主要分為兩類，基于基波模型的方法和基于電機凸極性的方法［6］。基于基波模型方法主要通過各種觀測器，如滑模觀測器、拓展狀態觀測器、擾動觀測器、卡爾曼濾波器等，以電流和電壓作為觀測器輸入得到反電動勢或磁鏈信息，進一步通過反三角函數或鎖相環提取轉子位置信息［7-14］。基于電機凸極性方法通常通過施加高頻電壓信號采集產生的高頻電流信號，進而解算出電機轉子位置信息［15-16］。針對電流傳感器故障的容錯運行，文獻［17-20］采用龍貝格觀測器、滑模觀測器等方法對故障電流進行重構，采用重構電流代替實際電流進行FOC控制。文獻［21］提出一種針對電流傳感器直流偏置故障的容錯控制方法，通過計算得到直流偏置大小，再對其進行補償得到實際電流。文獻［22］采用的方法可對電流傳感器倍率誤差進行檢測，對測量電流進行修正后得到實際電流。

對于無位置傳感器控制下的PMSM電流傳感器容錯運行控制，若僅僅簡單將無位置傳感器算法與電流重構算法相結合，會出現耦合問題，即位置估計的精度對電流重構算法的影響很大，反之亦然，因此位置及電流觀測精度較差，從而導致抖振問題和動態控制性能的下降。文獻［23-24］使用一個包含電流誤差構建模塊的觀測器搭建全階滑模觀測器和龍貝格觀測器得到電機電流和位置信息，但其電流誤差構建模塊受觀測位置精度影響。文獻［25］提出一種采用坐標變換和陷波器的電流重構方案，可以消除位置估計誤差對電流重構的影響，但電機參數擾動會影響觀測器精度。

假設傳統方法可正常采集相電流為A相電流在靜止兩相坐標系下搭建觀測器，可以很好地觀測到α相電流，但β相電流觀測精度較差。B相電流同時包含α相電流和β相電流，基于此，本文將可采集到的電流作為B相電流搭建電流狀態觀測器，并引入2個可調系數修正觀測電流幅值，理論上可消除電機參數攝動及無位置傳感控制算法的誤差等對電流重構算法精度的影響，因此減小重構電流對無位置傳感器算法精度的影響。

4 仿真分析

表1為仿真及實驗所用PMSM及控制器具體參數。為驗證所提電流狀態觀測器算法的性能，在MATLAB/Simulink環境搭建仿真模型，圖4為IPMSM矢量控制框圖。

圖5為不考慮非理想因素對觀測器的影響，在6 000 r/min、0.4 N·m工況下在MATLAB/Simulink平臺的仿真結果。實線為實際α軸電流，虛線為觀測α軸電流，可見，觀測電流誤差較大，影響位置和速度觀測精度，同時不利于電機的FOC控制。

在MATLAB/Simulink中對提出的無位置傳感器控制下的電流傳感器容錯運行策略分別在以下不同工況進行仿真驗證。

工況Ⅰ： 電機在6 000 r/min下空載穩態運行；

工況Ⅱ： 電機在3 000 r/min、0.4 N·m下運行，0.5 s提升轉速至6 000 r/min，在1.5 s降速至3 000 r/min；

工況Ⅲ：電機在6 000 r/min、0.4 N·m下運行，0.5 s突加至0.8 N·m轉矩，在2 s突減至0.4 N·m轉矩。

仿真結果分別如圖6～圖8所示。

圖6為電機在空載下仿真結果。圖7為在轉速階躍變化工況下的仿真波形，可以實現轉速的快速變化，且電流觀測值可較好跟隨實際電流。圖8為在負載階躍變化工況下的仿真結果，可見，在不同轉速、不同負載下均可以保證較好的穩態性能。在負載突變和轉速變化的動態過程中，也可以準確觀測電機的轉速及電流值。

5 實驗分析

為驗證電流傳感器容錯控制方法有效性，搭建如圖9所示的實驗平臺。使用STM32H743實現電機控制、PWM信號輸出及ADC采樣等功能，開關頻率為20 kHz，實驗平臺中編碼器所得位置和速度信息及A、C相電流傳感器所得電流值僅用于比較觀測器精度，不用做電機控制反饋信號。電機參數如表1所示。

采用文獻［17］介紹的基于殘差的方式進行故障診斷。圖10展示了電機在6 000 r/min、0.4 N·m下，A相電流傳感器在0.5 s時突然故障信號丟失，僅有B相電流傳感器可正常工作的實驗波形。從實驗結果可以看出，當A相電流傳感器突然故障后，轉速經過一個約20 r/min跌落后重新回到6 000 r/min，電角度觀測誤差均值由2°增加至3°，電角度誤差波動峰峰值由1°增加至1.5°，dq軸電流波動峰峰值由0.4 A增加至0.5 A。可以看出，采用所提容錯控制策略，對電機的控制性能僅略有下降，仍可保證系統的穩定運行。

工況Ⅰ～工況Ⅲ下的實驗結果分別如圖11～圖13所示。

圖11為6 000 r/min空載下實驗結果，由于不可避免的摩擦轉矩等影響，實驗中難以做到真正的空載，因此有很小的q軸電流。圖12為轉速階躍變化的實驗結果，可以實現轉速的快速變化，穩態過程中電角度誤差低于3°，經過暫態過程后，電角度、轉速和電流觀測值可較好跟隨實際的轉速和電流信息。圖13為6 000 r/min下負載階躍變化時的實驗結果，可見，在負載突變時，電機性能穩定，在動態過程中，電角度誤差峰值約為6°，且可以準確觀測電機的轉速及電流值。實驗結果表明，通過變參數電流狀態觀測器可以精確重構相電流實現較好的穩態性能和動態性能，保證系統在電流傳感器故障后仍可穩定運行。

6 結 論

本文通過將可正常采集相電流作為B相電流搭建觀測器，當電機參數存在擾動及無位置傳感器控制算法存在計算誤差時，會使得觀測電流出現誤差。通過公式分析，當觀測B相電流收斂至實際B相電流時，α相電流和β相電流的相位誤差及幅值誤差只能同時存在或同時不存在。因此，可以通過引入2個可調參數調整觀測電流幅值，用消除幅值誤差的方式消除觀測誤差。仿真和實驗結果表明，本方法穩態精度高、動態響應快，驗證了控制策略的正確性和有效性。

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（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2024-04-23

基金項目：國家重點研發計劃（2022YFB3403100）

作者簡介：房鈺超（1995—），男，博士研究生，研究方向為永磁同步電機容錯控制技術；

王 博（1979—），男，博士研究生，研究員，研究方向為電機設計及控制技術；

王元奎（1978—），男，博士研究生，研究方向為電機控制及電磁抑制；

王云沖（1987—），男，博士，副教授，博士生導師，研究方向為電機設計及其控制；

黃彰浩（1997—），男，博士研究生，研究方向為柔性系統伺服驅動、機器人關節驅控技術；

沈建新（1969—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電機拓撲與驅動控制。

通信作者：王云沖