本發明屬于永磁電機驅動控制技術領域，具體涉及一種基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置。

背景技術：
永磁同步電機體積小，重量輕，調速比范圍寬，效率高的優點使得國內外許多高性能電機和特殊領域的電機均使用永磁同步電機。其功率等級從毫瓦級到兆瓦級，應用范圍從玩具，工業應用到船舶電力推進。目前永磁同步電機控制技術中除了磁鏈難以控制，轉矩脈動大等控制難題，還面臨控制所需各類傳感器的可靠性保障問題，特別是其中的速度傳感器。作為高精度控制永磁電機不可或缺的檢測裝置，其故障將導致系統無法實現閉環控制時，對系統的穩定運行會造成嚴重影響。而傳感器工作易受環境和工作時間影響。因此，速度傳感器的運行可靠性是永磁同步電機控制中需要考慮的關鍵一環。作為一種改進方案，在2014年06月18日公開，公開號為CN103872962A，發明名稱為“一種永磁同步電機速度傳感器的在線容錯控制裝置”的中國發明專利中公布了一種解決速度傳感器故障的在線容錯控制裝置。圖1是基于該速度傳感器故障的在線容錯控制裝置的電機驅動控制系統示意圖。如圖1所示，在傳統的永磁電機矢量控制系統基礎上，加入了高轉速和低轉速兩個速度估計模塊和容錯控制模塊，將永磁同步電機的電壓、電流信號輸入兩個轉速估計模塊中，計算得到相應的估計轉速。容錯控制模塊根據速度傳感器得到的采集轉速ω1和估計轉速，通過故障檢測、先驗后驗概率的計算等過程得到轉速ωr，該轉速作為實際反饋轉速參與系統的矢量控制。該發明的容錯控制策略可以簡單概括為：當電機運行在高轉速時，如果發生速度傳感器故障，反饋轉速將會從采集轉速ωm平穩地切換為高轉速估計模塊輸出的估計轉速ωh；當電機運行在低轉速時，如果發生速度傳感器故障，反饋轉速將會從采集轉速ωm平穩地切換為低轉速估計模塊輸出的估計轉速ωl。該發明包含低轉速和高轉速兩個速度估計模塊，減小了單一轉速估計算法在特定轉速區間存在的估計誤差，拓寬了轉速的準確估算范圍。當電機在固定轉速運行時，該發明能在速度傳感器故障時實現反饋轉速的平穩切換，具有較好的穩定性，并且能夠根據電機運行狀況實時更新先驗概率，提高容錯控制效果。但該發明仍然存在以下不足：當電機系統狀態在低速與高速之間頻繁切換運行時，系統采用的估計轉速就會在ωh和ωl兩個狀態之間往復切換，而ωh和ωl之間存在偏差，這將導致電機轉速發生振蕩，影響系統的動態穩定性。

技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置，采用復合估計轉速作為反饋轉速，既拓寬轉速調整范圍，又改善了系統的動態穩定性，并根據先驗概率的實時在線更新提升了后驗概率在不同轉速段的準確性。為實現上述發明目的，本發明一種基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置，其特征在于，包括：模型參考自適應法估算模塊、高頻注入法估算模塊、估計轉速復合處理模塊和容錯控制模塊；其中：模型參考自適應法估算模塊采用模型參考自適應算法根據電機的電流電壓參數估計得到電機轉速ω2，其轉速估算適用速段為(ωth,ωM]，ωth為高低轉速段分段點，ωM為電機最大轉速；高頻注入法估算模塊采用旋轉高頻電壓注入法根據電機的電流電壓參數估計得到電機轉速ω3，其轉速估算適用速段為[0,ωth]；估計轉速復合處理模塊用于從速度傳感器接收電機采集轉速ω1和兩個轉速估計模塊得到的估計轉速ω2、ω3，再分別計算電機轉速ω2和ω3的加權α和β，從而得到復合估計轉速并同時根據極大似然估計算法計算轉速ω1和復合估計轉速的先驗概率P(A1)和P(A2)，且有P(A1)+P(A2)＝1，其中，事件A1和A2定義如下：A1＝{選取傳感器輸出信息作為反饋轉速}；A2＝{選取估計算法所得轉速值作為反饋轉速}；容錯控制模塊利用估計轉速復合處理模塊所得的先驗概率P(A1)和P(A2)計算后驗概率：其中，事件B定義為：B＝{轉速閉環反饋值正確}；P(A1|B)為采集轉速對應的后驗概率，表示當轉速閉環反饋值正確時，選取傳感器采集值為反饋轉速的概率；P(A2|B)為估計轉速對應的后驗概率，表示當轉速閉環反饋值正確時，選取估計轉速為反饋轉速的概率；P(B|A1)為采集轉速對應的條件概率，表示當選取傳感器采集轉速作為反饋轉速時，轉速閉環反饋值正確的概率；P(B|A2)為采集轉速對應的條件概率，表示當選取估計轉速作為反饋轉速時，轉速閉環反饋值正確的概率；且有其中，T為故障發生持續時間，Ts為整個容錯控制裝置的閉環控制周期，λ表示預設的條件概率變化率，且0≤λ≤1；θ為預設的后驗概率閾值，當P(B|A1)＞θ時，認為速度傳感器未發生故障，則令反饋轉速ωr＝ω1，否則反饋轉速ω1Last為故障發生前一個系統控制周期速度傳感器所采集的轉速。本發明的發明目的是這樣實現的：本發明基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置，通過模型參考自適應算法估算得到的轉速ω2和高頻注入法估算得到的轉速ω3通過加權處理后，得到估計轉速再將和基于極大似然估計算法得到的先驗概率輸入基于后驗概率的容錯控制模塊，得到參與電機矢量控制的反饋轉速從而實現改善系統的動態性能的目標，同時也減小了因該方法帶來的穩態誤差的影響。同時，本發明基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置還具有以下有益效果：(1)、當電機運行在固定轉速時，基于后驗概率的容錯控制策略能實現反饋轉速由采集轉速到估計轉速的平穩切換，使系統在固定轉速下有良好的靜態穩定性；(2)、采用兩種轉速估計算法，拓寬了該容錯系統可準確進行容錯控制的轉速范圍；當系統運行狀態變化時，對估計轉速的復合處理，使得本發明能在可接受的較小靜差存在下，實現相關的動態穩定性的要求；(3)、本發明利用后驗概率進行容錯控制，即逐漸改變采集轉速和估計轉速在反饋轉速中的權重，實現了反饋轉速由采集轉速向估計轉速的平穩切換，而先驗概率的實時在線更新也提升了后驗概率在不同轉速段的準確性。而且本發明的容錯控制裝置實現簡單，容錯控制計算時間較短，利于容錯控制的在線實現和應用。附圖說明圖1是永磁同步電機速度傳感器的在線容錯控制裝置的電機驅動控制系統示意圖；圖2是基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置的電機驅動控制系統示意圖；圖3是電機運行狀態變化時，永磁同步電機速度傳感器的在線容錯控制裝置的電機驅動控制系統的容錯控制效果示意圖；圖4是電機運行狀態變化時，基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置的電機驅動控制系統的容錯控制效果示意圖；表1是1.1kW內埋式永磁同步電機的參數表；表2是速度傳感器、模型參考自適應算法、旋轉高頻注入法在不同轉速下的可靠概率統計表。具體實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。實施例圖2是基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置的電機驅動控制系統示意圖。本實施例中，如圖2所示，本發明基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置，包括：模型參考自適應法估算模塊7、高頻注入法估算模塊8、估計轉速復合處理模塊9、容錯控制模塊10。與圖1所示的電機驅動控制系統不同，本發明采用估計轉速復合處理模塊9代替了轉速正確率計算模塊，該模塊不僅要進行先驗概率的計算，還要對兩個估計轉速ω2和ω3進行復合處理，得到復合估計轉速來實現改善系統的動態穩定性能的目標。本實施例中，模型參考自適應算法和旋轉高頻電壓注入法的適應速段的劃分閾值設置為ωth＝45rad/s，則期望轉速小于等于ωth時即為低速段，大于ωth時為高速段。在本實施例中，仿真模型中所用的電機為1.1kW內埋式永磁同步電機，其電機參數如表1所示：表1本實施例中，模型參考自適應法估算模塊7采用模型參考自適應方法估計電機轉速。具體方法為：以永磁同步電機電壓方程為可調模型，根據實際控制電壓計算出估計電流值，同時以采集的電機實際定子電流為參考模型輸出，將采集電流與估計電流作差，通過自適應律計算得估計轉速反饋至可調模型進行閉環調節。經推導，可得：參考模型pi'＝Ai'+Bu可調模型式中，p為微分算子，i′表示實際電流矩陣，表示估計電流矩陣，A表示含有實際轉速的矩陣，表示含有估計轉速的矩陣，ωe表示電機實際轉速，表示電機估計轉速，id、iq、ud、uq分別為永磁同步電機d軸，q軸的實際電流電壓，分別為d軸，q軸的估計電流，ψf為磁鏈，Rs為定子電阻，Ld為d軸電感，Lq為q軸電感。根據波波夫超穩定性定理，可以最終得到估計轉速ω2：式中，ki為積分系數，kp為比例系數，ω(0)為估計轉速初值。本實施例中，高頻注入法估算模塊8利用永磁同步電機的凸極效應，向uα、uβ中疊加高頻電壓正弦信號實現激勵，使電機產生可測磁凸極，通過檢測高頻電流信號獲得轉子位置和速度信息。注入的高頻電壓信號為式中，Vh為電壓信號幅值，θh為uαh、uβh合成的高頻電壓信號與α軸的夾角。在高頻電壓注入法激勵下的兩相靜止坐標系下的電流iαh、iβh為：式中，ωh為高頻電壓信號的角頻率，θr為轉子位置角。該式以指數形式表示為顯然，式中的負序分量含有轉子位置信息θr，因此采用濾波器濾去正序分量，并對負序分量進行相應處理，得到轉子位置信息，再以此得到估計轉速ω3。該方法較為成熟，故具體實現過程不再贅述。在正常電機運行中，雖然存在一定的估計誤差，但這兩種估計算法得到的估計轉速和速度傳感器的采集轉速是十分相近的。因此，當速度傳感器發生故障時，采集轉速和兩種估計轉速之間會產生很大區別。在基于本發明容錯控制裝置中，這種區別會明顯改變采集轉速和兩種估計轉速對應的后驗概率。故可以根據采集轉速對應的后驗概率來判斷速度傳感器是否發生了故障，從而決定是否進行容錯控制處理。要得到相應的后驗概率，首先要計算對應的先驗概率。本實施例中，估計轉速復合處理模塊9的任務是分別計算ω2和ω3的加權α和β，從而得到復合估計轉速并同時根據極大似然估計算法計算采集轉速ω1和復合估計轉速的先驗概率。首先通過預先的多次訓練，可以得到速度傳感器，模型參考自適應算法，旋轉高頻注入法三個輸出轉速在不同轉速下的可靠概率，如表2所示。表2由表2可以得到模型參考自適應算法在高、低速段估算轉速的可靠概率PMh和PMl，以及旋轉高頻注入法在高、低速段估算轉速的可靠概率PHh和PHl。則有該模塊中ω2和ω3的加權α和β的計算方法為：其中，ωref為給定的期望轉速，本實施例中，轉速分段閾值ωth為45rad/s。由于這兩種轉速估計算法并不是在全速段都能保持較高的估計準確性，所以采用復合估計轉速在明顯改善系統故障后的動態穩定性的同時，會增大靜態誤差。本發明采用極大似然估計算法思想，對估計轉速進行了加權處理，很大程度上減小了這一靜差帶來的影響，但不能完全消除。因此，根據系統對靜態誤差的實際要求還設定了估計轉速誤差閾值ωΔ，只有滿足|ω2-ω3|≤ωΔ，兩種估計轉速之間的偏差不會影響系統性能時，再進行估計轉速的復合處理。在進行先驗概率的計算前，先做如下假設：1.傳感器故障前，由速度傳感器得到的轉速作為反饋轉速，系統能穩定運行，其作為反饋轉速，為正確值的概率最終為1。2.傳感器故障后，由速度傳感器得到的轉速作為反饋轉速，系統不能穩定運行，其作為反饋轉速，為正確值的概率最終為0。3.在傳感器故障前，由于始終由速度傳感器得到的轉速作為反饋轉速，不考慮估計轉速作為反饋轉速的情況，如果由估計轉速作為反饋轉速時，則轉速閉環反饋值正確的概率最終為0。4.在傳感器故障后，由估計轉速作為反饋轉速，系統能穩定運行，反饋轉速為正確值的概率最終為1。同時定義事件如下：A1＝{選取傳感器輸出信息作為反饋轉速}；A2＝{選取估計算法所得轉速值作為反饋轉速}；B＝{轉速閉環反饋值正確}。先驗概率P(A1)和P(A2)的計算方法如下所示：當故障發生時，先將三個轉速ω1、ω2、ω3分類：當|ω2-ω3|小于等于預設的轉速誤差閾值ωΔ時，將轉速ω1作為集合Ω1，將ω2、ω3作為集合；記集合數量為R，根據極大似然估計算法計算三個轉速的正確概率為：其中，i為轉速序號，i＝1，2，3；j為轉速集合的序號，j＝1，2，…，R，ri為預先多次試驗得到的在相應轉速段轉速ωi的可靠概率，為集合Ωj中轉速的平均值，δ為預設的轉速差值閾值；在兩個集合中必存在正確轉速這前提一條件下，計算ωi為正確結果的條件概率即先驗概率：容錯控制模塊10利用估計轉速復合處理模塊所得的先驗概率P(A1)和P(A2)計算后驗概率：其中，P(A1|B)為采集轉速對應的后驗概率，表示當轉速閉環反饋值正確時，選取傳感器采集值為反饋轉速的概率；P(A2|B)為估計轉速對應的后驗概率，表示當轉速閉環反饋值正確時，選取估計轉速為反饋轉速的概率；P(B|A1)為采集轉速對應的條件概率，表示當選取傳感器采集轉速作為反饋轉速時，轉速閉環反饋值正確的概率；P(B|A2)為采集轉速對應的條件概率，表示當選取估計轉速作為反饋轉速時，轉速閉環反饋值正確的概率；且有其中，T為故障發生持續時間，Ts為整個容錯控制裝置的閉環控制周期，λ表示預設的條件概率變化率，且0≤λ≤1；θ為預設的后驗概率閾值，當P(B|A1)＞θ時，認為速度傳感器未發生故障，則令反饋轉速ωr＝ω1，否則反饋轉速ω1Last為故障發生前一個系統控制周期速度傳感器所采集的轉速。將基于本發明的電機驅動控制系統和發明專利CN103872962A中的電機驅動控制系統應用于具體實例中，在同一時刻模擬發生速度傳感器故障，并在同一時刻電機運行狀態發生變化，比較兩種電機驅動控制系統的容錯控制效果，固定轉速下的靜態穩定性能以及電機運行狀態發生變化時的動態穩定性能。圖3是電機運行狀態變化時，永磁同步電機速度傳感器的在線容錯控制裝置的電機驅動控制系統的容錯控制效果示意圖；圖4是電機運行狀態變化時，基于復合估計轉速的永磁同步電機容錯控制裝置的電機驅動控制系統的容錯控制效果示意圖。兩個驅動控制系統起始期望轉速都為為20rad/s，在2s左右發生速度傳感器故障，并在4s時電機進行調速，期望轉速由20rad/s改變為100rad/s。由兩者的對比可知，兩種容錯控制裝置在固定轉速下都有較好的容錯控制效果，電機轉速故障點沒有明顯波動，都有較好的靜態穩定性。但電機運行狀態發生變化，由20rad/s上升為100rad/s，從低轉速段上升到高轉速段時，在圖3基于發明專利CN103872962A中的容錯控制系統中，轉速上升過程中出現了明顯振蕩，而且有較大的超調量，轉速最大峰值為135rad/s；而在圖4基于本發明的容錯控制系統中，轉速上升過程中沒有明顯振蕩，而且超調量較小，轉速最大峰值只有107rad/s，動態穩定性更好。根據以上仿真實例可知，基于本發明的永磁同步電機容錯控制系統擁有良好的容錯控制效果，并且可以明顯改善系統的動態穩定性，提高了故障狀態下電機運行的安全性和穩定性。盡管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。