軍用車輛輪轂電機位置傳感器故障檢測及容錯控制*

解建一，廖自力，劉春光，袁 東

（陸軍裝甲兵學院兵器與控制系，北京 100072）

0 引言

近年來，集電驅(qū)動、電武器、電防護、綜合信息作戰(zhàn)能力于一體的全電化裝甲車輛成為世界各國陸戰(zhàn)裝備研究的熱點［1-3］。作為全電化裝甲車輛的核心，電驅(qū)動系統(tǒng)的高效穩(wěn)定是保證車輛高性能的基礎(chǔ)。永磁同步輪轂電機因其獨特的布置方式及結(jié)構(gòu)特點，有效提升了車輛轉(zhuǎn)向性能、系統(tǒng)效率，被廣泛應用于裝甲車輛電驅(qū)動系統(tǒng)［4］。

永磁同步輪轂電機的高性能控制依賴于對轉(zhuǎn)子位置的精確測量，測量方式通常是使用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等機械式位置傳感器［5-6］。裝甲車輛多行駛在顛簸振動、高溫高壓、潮濕等惡劣環(huán)境下，位置傳感器自身或其配套的系統(tǒng)難免會發(fā)生松動、性能退化、產(chǎn)生故障或失效，致使輸出信號質(zhì)量下降或丟失，此時提供的轉(zhuǎn)子位置信息會出現(xiàn)偏差或無效，使電機及其驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，難以穩(wěn)定運行，嚴重時將導致車輛損壞，造成人員傷亡，甚至貽誤戰(zhàn)機。因此，實時檢測位置傳感器狀態(tài)并在其故障時采取容錯控制對車輛穩(wěn)定運行具有重要意義。

針對機械式位置傳感器在復雜工況下容易產(chǎn)生故障的問題，國內(nèi)許多專家學者專注于永磁同步電機（PMSM）無位置傳感器控制技術(shù)展開研究，在理論方面取得許多創(chuàng)新性成果。目前在實際應用方面，一些對轉(zhuǎn)速精度要求不高且對動態(tài)性能較低的場合，如泵、洗衣機、壓縮機等領(lǐng)域，無位置傳感器控制技術(shù)已經(jīng)成功應用［7］；2015 年，中車集團成功將無位置傳感器應用于軌道交通交流傳動系統(tǒng)；國外西門子、安川等公司積極探究“IPMSM+無位置傳感器控制”，旨在應用于電機驅(qū)動系統(tǒng)中，提高車輛運行可靠性［8］。但軍用裝甲車輛與地方車輛不同，地方車輛行駛環(huán)境相對較好，易于實現(xiàn)穩(wěn)定控制，無位置傳感器控制策略設(shè)計完成后，經(jīng)過試驗階段的測試，無誤即可列裝，所用設(shè)備也無需再加裝傳感器。而對于部隊而言，裝備的可靠性是第一位的，戰(zhàn)場上更是如此，未來實際應用中無位置傳感器控制更有可能是作為裝甲車輛機械式位置傳感器的備用方案。

基于上述分析，本文以目前裝甲車輛永磁同步輪轂電機最常用的位置傳感器——旋轉(zhuǎn)變壓器進行研究，先分析旋轉(zhuǎn)變壓器故障時的輸出信號特征，并基于輸出信號特征提出旋轉(zhuǎn)變壓器故障檢測方法及容錯控制，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器故障時電機由有位置傳感器控制到無位置傳感器控制的容錯控制切換。這對提高裝甲車輛運行穩(wěn)定性及自適應容錯控制、提升裝甲部隊的戰(zhàn)斗力具有重要意義。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號解調(diào)及故障誤差分析

1.1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理及輸出信號解調(diào)過程

旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變。從原理上看，旋轉(zhuǎn)變壓器與傳統(tǒng)的變壓器工作原理相似，具有初級繞組及次級繞組，通過兩級繞組的信號耦合進行工作。旋轉(zhuǎn)變壓器初級繞組為激磁繞組，當初級繞組通入高頻激磁信號后，次級繞組和初級繞組互感，在兩個次級繞組上產(chǎn)生包含電機轉(zhuǎn)子位置信息的調(diào)幅信號，該信號與激磁信號頻率相同，因此，次級繞組又稱信號繞組［9］。

正余弦電壓信號為模擬量，經(jīng)ADC 變換后，將數(shù)字量信號輸入到用于解算轉(zhuǎn)子位置信號的解調(diào)系統(tǒng)中，以獲取轉(zhuǎn)子位置。解調(diào)系統(tǒng)主要由峰值檢測模塊、比較器、加法器、PI 調(diào)節(jié)器和積分器組成［9］，解調(diào)過程如圖1 所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號的解調(diào)過程圖

1.2 旋變故障時輸出信號誤差分析

上節(jié)對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號過程進行了分析，可以看出：當旋轉(zhuǎn)變壓器正常工作時，輸出帶有轉(zhuǎn)子位置信息的正余弦信號，兩組信號幅值相等、相位相差90°，對信號解調(diào)后即可得到含轉(zhuǎn)子位置信息的數(shù)字量。研究發(fā)現(xiàn)，無論是外部復雜環(huán)境干擾，還是內(nèi)部自身出現(xiàn)損壞，旋轉(zhuǎn)變壓器故障所致使的轉(zhuǎn)子位置信息測量不準確都會表現(xiàn)在輸出信號上來，輸出信號會出現(xiàn)幅值不完全相等的幅值不平衡故障或相位不完全相差90°的正交不完全故障，亦或二者兼有［10］。

假設(shè)幅值不平衡度用α 表示，正交不完全度用β 表示，當旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號出現(xiàn)幅值不平衡或正交不完全故障時，進行旋變解調(diào)轉(zhuǎn)子位置信息誤差分析。此時輸出電壓表達式改寫為：

化簡得到旋轉(zhuǎn)變壓器在幅值不平衡或正交不完全故障時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子位置偏差為：

可以看出，當旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號出現(xiàn)幅值不平衡或正交不完全故障時，獲取的轉(zhuǎn)子位置信息將出現(xiàn)偏差，并周期性振蕩，此時轉(zhuǎn)子位置信號含有二次諧波，幅值大小受幅值偏差和相移偏差影響。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器故障檢測及容錯控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器故障檢測方法

旋轉(zhuǎn)變壓器故障通常是多種因素綜合影響所致，上節(jié)提到，旋轉(zhuǎn)變壓器故障所致使的轉(zhuǎn)子位置信息測量不準確會表現(xiàn)在輸出信號上來，信號通常表現(xiàn)為幅值不平衡故障或正交不完全故障。

2.2 有位置傳感器控制向無位置傳感器控制的切換

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號被檢測出故障后，考慮構(gòu)建一種容錯控制機制，如圖2 所示。旋轉(zhuǎn)變壓器故障會觸發(fā)系統(tǒng)容錯機制，通過切換矢量控制系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)子位置輸入通道，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的容錯控制，即由有位置傳感器控制切換為無位置傳感器控制模式。容錯控制算法如下：

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器故障診斷及容錯控制原理圖

綜上，構(gòu)建了電傳動裝甲車輛正常行駛-故障檢測-狀態(tài)切換的工作流程，如下頁圖3 所示。在旋轉(zhuǎn)變壓器正常工作時，無位置傳感器控制算法同步運行，得到的轉(zhuǎn)子位置估計值與旋轉(zhuǎn)變壓器測得的實際值不斷對比優(yōu)化，使得估計結(jié)果趨于最優(yōu)；當旋轉(zhuǎn)變壓器受戰(zhàn)場環(huán)境影響出現(xiàn)故障時，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的故障辨識及控制狀態(tài)的切換，無位置傳感器控制模式開始接管控制權(quán)，階段性地取代位置傳感器，維持車輛的基本行駛，有效提升了裝甲車輛運行穩(wěn)定性及自適應容錯控制能力。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器故障診斷及容錯控制工作流程

3 基于脈振高頻電壓注入法的無位置傳感器控制

上節(jié)設(shè)計了旋轉(zhuǎn)變壓器故障檢測及容錯控制系統(tǒng)，提出當旋轉(zhuǎn)變壓器故障時系統(tǒng)實現(xiàn)故障檢測并切換至無位置傳感器控制，保證車輛的基本行駛。因此，本節(jié)選擇一種零、低速下穩(wěn)定可靠的無位置傳感器控制策略——脈振高頻電壓注入法進行展開研究，實現(xiàn)永磁同步輪轂電機轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的良好辨識，以保證有位置傳感器控制向無位置傳感器控制的有效切換。

3.1 脈振高頻電壓注入法工作原理

3.2 高頻注入法下的轉(zhuǎn)子位置估計方法

圖4 3 種坐標系之間的位置關(guān)系

考慮到逆變器開關(guān)頻率、基波頻率、響應信號信噪比等因素約束，脈振高頻電壓注入法的注入信號頻率通常在0.5 kHz～2 kHz［12］，遠高于電機基波頻率ωe，定子電壓方程中的反電動勢部分和交叉耦合項均忽略不計，又因高頻時定子電阻值相比電抗值小很多，電阻側(cè)電壓也作忽略，式（10）簡化為

圖5 脈振高頻電壓注入法高頻信號提取框圖

4 仿真建模及實驗結(jié)果分析

4.1 脈振高頻電壓注入法仿真與分析

為驗證所設(shè)計算法的有效性，在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，永磁同步輪轂電機參數(shù)按照某型電傳動裝甲車輛輪轂電機所設(shè)定，結(jié)合裝甲車輛電機低速下輸出大扭矩，滿足車輛快速啟動及爬坡時需要，在車輛基速以下采用MTPA 控制；為實現(xiàn)電機具有較寬地調(diào)速范圍，使車輛能夠達到較高的轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定行駛，在基速以上采用基于負id補償法的弱磁控制；同時設(shè)計了抗積分飽和PI速度調(diào)節(jié)器來克服傳統(tǒng)PI 控制的不足，減少電機速度超調(diào)量，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。搭建的模型具體如圖6 所示。

圖6 基于脈振高頻電壓注入法的永磁同步輪轂電機無位置傳感器控制仿真模型

在定子側(cè)注入幅值30 V、頻率1 kHz 的高頻余弦電壓信號，給定轉(zhuǎn)速設(shè)為2 400 r/min，電機帶載啟動，負載轉(zhuǎn)矩設(shè)為50 N·m。這里采用算法辨識的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估計值取代位置傳感器所測得的實際值，閉環(huán)調(diào)節(jié)中的電機轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速反饋值均為通過算法得到估計值，觀察調(diào)速系統(tǒng)是否正常工作，并通過觀測電機轉(zhuǎn)速波形及轉(zhuǎn)子位置估計量與實際量的誤差值來驗證算法的可靠性，仿真結(jié)果如圖7 所示。

由圖7（a）、圖7（b）可以看出，改進的脈振高頻電壓注入法在低速范圍辨識效果相對較好，除啟動時轉(zhuǎn)速波動較大外，低速運行時轉(zhuǎn)速誤差保持在±5 r/min 內(nèi)；由圖7（c）、圖7（d）可以看出，轉(zhuǎn)子位置啟動時波動較大，隨著轉(zhuǎn)速上升，辨識效果相對較好，當速度升至較高速時，轉(zhuǎn)子估計誤差增大，符合理論分析的結(jié)論，驗證了改進的脈振高頻電壓注入法在零、低速范圍控制效果良好，能夠有效辨識電機轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速。

圖7 基于脈振高頻電壓注入法永磁同步輪轂電機無位置傳感器控制仿真波形

4.2 旋轉(zhuǎn)變壓器故障檢測及容錯控制仿真與分析

考慮到實際工況中導致旋轉(zhuǎn)變壓器故障的因素很多，結(jié)合上文提到的內(nèi)外部環(huán)境導致的旋轉(zhuǎn)變壓器故障都將表現(xiàn)在輸出信號上來，采用人為地向算法中加入幅值及相角偏差的方法來等效傳感器發(fā)生故障。通過對比加入故障前后轉(zhuǎn)速及電流波形變化，判斷是否發(fā)生故障及故障后容錯控制是否有效。

在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，電機矢量控制策略及無位置傳感器控制算法與上節(jié)相同。搭建的模型具體如下頁圖8 所示。

圖8 永磁同步輪轂電機旋轉(zhuǎn)變壓器故障診斷及容錯系統(tǒng)控制仿真模型

第1 階段給定轉(zhuǎn)速設(shè)為200 r/min，第2 階段給定轉(zhuǎn)速設(shè)為1 500 r/min，考慮在低速和高速階段分別施加一次故障，觀察系統(tǒng)在線診斷及容錯控制能力。設(shè)置低速階段0.6 s 和高速階段1.6 s 時刻旋轉(zhuǎn)變壓器同時出現(xiàn)α=20 %的幅值不平衡故障和β=10 %的正交不完全故障，圖9 為故障前后電機轉(zhuǎn)速及定子q 軸電流變化波形。

由圖9 可以看出，無論是低速或高速階段，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號產(chǎn)生幅值不平衡和正交不完全故障后，轉(zhuǎn)子位置解算都將受到影響，導致電機轉(zhuǎn)速及定子電流出現(xiàn)振蕩，此時轉(zhuǎn)子位置偏差θerr值超過閾值，系統(tǒng)啟動容錯控制，即電機轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速決策系統(tǒng)選擇無位置傳感器算法估計的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估計量作為反饋輸入，電機由有位置傳感器控制切換為無位置傳感器控制模式。在故障發(fā)生后約0.1 s 后，驅(qū)動系統(tǒng)將趨于穩(wěn)定，電機轉(zhuǎn)速及電流振蕩得到抑制，并逐漸恢復至故障前狀態(tài)。

圖9 故障前后電機轉(zhuǎn)速與定子q 軸電流變化波形

4.3 實驗平臺搭建及驗證效果

搭建了PMSM 控制系統(tǒng)實驗平臺，如第107 頁圖10 所示。平臺主要由被試PMSM、PMSM 電機控制器、陪試異步電機和陪試變頻器組成，電機控制器包含主回路及控制電路，主回路是三相逆變橋，由IGBT、驅(qū)動板組成，控制電路包含DSP28335 控制板、旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路、位置傳感器故障診斷及容錯控制算法集成電路、電壓及電流采樣電路和通訊電路。

圖10 PMSM 控制系統(tǒng)實驗平臺

依托實驗平臺，先驗證基于脈振高頻電壓注入法的無位置傳感器控制效果。基于實驗安全性考慮，僅進行低速區(qū)驗證實驗，轉(zhuǎn)速給定為200 r/min，注入的高頻電壓為30 V，頻率為1 kHz。為更好驗證所設(shè)計算法下電機轉(zhuǎn)子位置的辨識效果，同步輸出旋轉(zhuǎn)變壓器測量的實際位置及轉(zhuǎn)速，測量值不用于系統(tǒng)控制，僅與算法估計的轉(zhuǎn)子位置進行對比，波形如下頁圖11 所示。

由圖11 可以看出，算法估計的電機轉(zhuǎn)子位置與實際位置基本吻合，電機實際轉(zhuǎn)速只在小范圍內(nèi)波動，電機能夠穩(wěn)定運行，證明基于脈振高頻電壓注入法的無位置傳感器控制效果較好。

圖11 轉(zhuǎn)速為200 r/min 時的實驗及仿真局部波形

下面進行旋轉(zhuǎn)變壓器故障檢測及容錯控制系統(tǒng)有效性的驗證。當轉(zhuǎn)速為200 r/min 時，在某一時刻點設(shè)置出現(xiàn)α=20 %的幅值不平衡故障和β=10 %的正交不完全故障，故障前、后電機轉(zhuǎn)速局部波形如圖12 所示。

圖12 故障前、后電機轉(zhuǎn)速變化波形

由圖12 可以看出，當施加故障后，電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩，系統(tǒng)啟動容錯控制，在故障發(fā)生后約1.5 s后，驅(qū)動系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，電機轉(zhuǎn)速振蕩得到抑制，并逐漸恢復至故障前狀態(tài)。實驗結(jié)果同上述仿真結(jié)果相似，僅振蕩幅度增大，響應時間增加。

仿真及實驗結(jié)果表明：基于脈振高頻電壓注入法的無位置傳感器控制算法合理有效；當旋轉(zhuǎn)變壓器發(fā)生故障時，設(shè)計的位置傳感器故障檢測及容錯控制系統(tǒng)有效工作，能夠迅速檢測出故障并進行有位置傳感器控制向無位置傳感器控制模式切換的容錯控制，有效抑制了電機轉(zhuǎn)速及定子電流的持續(xù)振蕩，實現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)故障后的自適應容錯運行。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了電傳動裝甲車輛正常行駛- 故障檢測-狀態(tài)切換的工作流程，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)變壓器故障檢測及容錯系統(tǒng)。當旋轉(zhuǎn)變壓器故障時，系統(tǒng)依據(jù)閾值檢測法能夠及時檢測出故障，并實現(xiàn)有位置傳感器控制向無位置傳感器控制的切換?；诖诉M行仿真建模及實驗，結(jié)果表明：故障發(fā)生時，設(shè)計的位置傳感器故障檢測及容錯控制系統(tǒng)有效工作，有效抑制了電機轉(zhuǎn)速及定子電流的持續(xù)振蕩，這對提高電傳動裝甲車輛運行穩(wěn)定性及自適應容錯控制、提升裝甲部隊的戰(zhàn)斗力具有重要意義。

由于實車操作難度大，本文只進行了輪轂電機位置傳感器故障診斷及容錯控制的仿真建模及實驗室臺架實驗，缺少具體技術(shù)的展開應用與實車驗證，這將是未來學習研究中所致力的關(guān)鍵。