永磁同步电机系统传感器故障诊断与容错控制

设计滑模面的技巧与方法

在满足滑模面可微和过原点这两个基本条件的基础上，文献[123，126-128]列举了衍生出的诸如极点配置、最优控制、H∞滑模面、积分以及时变滑模面等多种关于滑模面的设计方法。但时变滑模面的缺点是使得对闭环系统的分析变得复杂，时变量比较难设计。
理论教育 2023-06-21

扩展磁链滑模观测器：永磁同步牵引电机驱动控制系统的转矩闭环优化

本章首先论述了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型，并提出一种基于扩展磁链的变速趋近律滑模观测器的转矩闭环内置式永磁同步牵引电机驱动控制系统转矩和永磁体磁场状况在线监测方法，可为转矩闭环永磁同步牵引电机控制系统提供准确的转矩反馈和永磁体磁链信息，有利于提高永磁同步电机牵引传动系统的鲁棒控制性能和预防不可逆失磁风险，对轨道列车的安全运行具有重要的意义。
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滑模观测器的设计与稳定性分析

本节将对用于传感器故障和未知扰动估计的两个滑模观测器的设计进行详细阐述。对式所示的子系统构造如下滑模观测器：式中，上标“^”代表相应值的观测值；υ1 和υ2 为滑模变结构输入信号。定义观测器误差如下：式中，ρ1 和ρ2 分别为大于0 的待设计量。因此相应误差动态方程为若选取ρ2、ρ3 和ρ4 满足：对设计的滑模观测器的稳定性进行分析。
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电流传感器偏移故障的仿真分析及诊断规则

图3-3～图3-5 分别为a、b、c 三相电流传感器发生偏移故障时的相电流、定子α-β轴电流残差以及定子α-β 轴电流残差乘积的仿真波形。从图中可知，故障发生时刻的0.1 s，残差由零域发生突变，随后稳定在某一值域。表3-3故障诊断决策规则图3-7b 相电流传感器发生增益故障图3-8c 相电流传感器发生增益故障从仿真分析可以得到上述故障判别决策规则如表3-3 所示，表中“thr1”代表残差偏离零域，“thr0”代表残差在零域附近。
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滑模状态观测器的设计及失磁磁链重构在转矩控制中的应用

此方法需要用到永磁体磁链等电机参数，而这些参数的变化会造成由上述转矩指令计算出的电流给定值偏离实际值，很难实现高精度的转矩控制。而由式确定的转矩观测式不包含永磁体磁链等信息，因此本书转矩观测也不受转子磁链变化的影响。由系统状态达到滑模面后e＝0 和式可得发生失磁故障时等效的转子永磁体磁链d-q 轴分量为
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自抗扰控制器系统相关内容简介

自抗扰控制是一种性能优异的非线性控制方法，其一般由非线性跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律三部分组成。其中：图2-8自抗扰控制器结构图以不含非线性跟踪微分器的自抗扰控制器为例介绍其算法。只要适当选择β1、β2、a1、h1，扩张状态观测器就能很好地估计状态变量和扰动，即
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电流传感器并发故障的原因及解决方法

图5-16 为电流传感器故障和扰动以及它们的估计值。图5-17α-β 轴电流和转矩在扰动d和传感器故障fa2、fb2作用下的响应图5-18 为电流传感器故障和扰动以及它们的估计值。
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应用滑模变结构法实现故障诊断

随着滑模变结构控制理论的不断丰富和充实，基于滑模观测器的故障诊断技术越来越受到重视。基于滑模变结构，文献[152]首次提出了等价输出注入的概念，并将其用于故障的重构。关于滑模变结构理论在永磁同步电机控制系统中的应用文献很多，但将其应用于永磁同步电机的故障诊断方面的研究相对较少。文献[156]采用二阶滑模实现了永磁同步电机执行器的故障诊断，但其算法过于复杂。
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永磁同步电机的故障处理及仿真分析

图4-2PMSM 电流传感器故障重构及故障处理系统框图仿真所用内置式永磁同步电机参数如表2-1 所示，设置转速为200 rad/s，转矩给定为500 N·m，未知输入扰动d1 和d2 均为幅值不超过50 的随机噪声。为了减少滑模的抖动，仿真时采用连续函数代替符号函数sgn(·)，分2 种情况进行讨论：b 相发生间歇偏移故障时。图4-6a 相和b 相电流传感器故障及其重构值a 相发生缓变的偏移故障，b 相发生突变的增益故障时。
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扩展磁链内置式永磁同步电机的电流故障诊断仿真分析

图3-12α 轴定子电流的实际和观测值通过以上分析和设计，基于扩展磁链的内置式永磁同步电机转矩闭环控制系统电流传感器单独及并发故障诊断结构框图如图3-11 所示。为验证所设计观测器的鲁棒性，定子电阻值在0.2 s 增加为0.04 Ω；转矩给定在0.3 s 时增加为1 000 N·m。图3-14电磁转矩和三相电流测量值图3-16α 轴定子电流的实际和观测值图3-15a 相和b 相电流残差情况2：b 相发生突变增益故障。当在0.3 s 电磁转矩增加时，电流幅值相应增大。
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滑模观测器设计与故障重构优化

构造滑模观测器：其中，L1 和L2 为大于零的待设计量。定义观测器误差：式中，上标“^”代表相应值的观测值；ν1 和ν2 为滑模变结构输入信号。则可得重构a 相和b 相电流传感器故障的自适应律算法为因此可得传感器故障在α-β 轴分量如下：
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永磁同步电机失磁时基于扩展磁链的数学模型

在永磁同步牵引电机运行过程中，因温升、湿度及海拔高度的变化以及电磁干扰、振动与冲击等因素的作用，永磁体易发生失磁故障[5]。当永磁体的磁链发生变化时，永磁同步电机的输出转矩性能变差，电机异常发热，严重时会导致电机报废。图2-7内置式永磁同步电机永磁体磁链变化示意图d-q 坐标系中的磁链方程变为式中，ψrd＝ψr cosγ，ψrq＝ψr sinγ。
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RT-LAB实验结果：电流环PI控制器下的定子d-q 轴电流、转矩和磁链观测值

图2-34RT-LAB 硬件在环系统图2-36定子d-q 轴电流及转矩实际值和观测值图2-35RT-LAB 实验平台实验结果如下：电流环采用PI 控制器时，图2-36、图2-37 为在无失磁情况下定子d-q 轴实际电流、转矩实际值及观测值和d-q 轴转子磁链观测值；图2-38、图2-39 为幅值失磁情况下的定子d-q 轴实际电流、转矩实际值及观测值和d-q 轴转子磁链观测值；图2-40、图2-41 为幅值和角度均失磁情况下的定子d-q 轴实际电流、转矩实际值及观测值和d-q 轴转子磁链观测值。
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基于滑模观测器的故障残差生成方法优化

式中，扩展磁链的取得采用第 2章中滑模观测器设计方法，此处不再详细介绍，其取值是在无失磁故障发生时观测到的值。表3-4故障诊断决策规则由于A 为对称负定矩阵，若选取ρ ≥|| d ||，则可得V˙≤0 。选取输出误差ey2 为残差信号，即由式和式可知，a 相和b 相电流残差信号如下：
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电流环 PI 控制器与 ADRC 控制器仿真对比分析

分别对电流环采用PI 控制器和采用ADRC 控制器两种情况进行仿真对比。其他条件不变，假设在0.4 s 时，转子磁链幅值由0.892 Wb 变为0.7 Wb。图2-12d 轴转子磁链的实际值、观测值及观测误差图2-14定子d-q 轴电流图2-13q 轴转子磁链的实际值、观测值及观测误差永磁体发生幅值失磁时的仿真结果。
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