阅读说明：本技术 一种电机的软件容错控制方法及其控制系统 (Software fault-tolerant control method and system for motor ) 是由 唐其鹏 盛明钢 吴建华 张会永 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电机的软件容错控制方法及其控制系统。该电机的软件容错控制方法包括：检测位置编码器是否出现故障；若是,计算电机的定子磁链；根据所述定子磁链,计算所述电机的转子磁链；根据所述转子磁链,确定所述转子的位置估计值；通过旋转变换,计算磁链偏差；根据所述磁链偏差,调整所述位置估计值,获得所述转子的位置并输出。(The invention discloses a software fault-tolerant control method and a software fault-tolerant control system for a motor. The software fault-tolerant control method of the motor comprises the following steps: detecting whether the position encoder fails; if yes, calculating a stator flux linkage of the motor; calculating a rotor flux linkage of the motor according to the stator flux linkage; determining a position estimation value of the rotor according to the rotor flux linkage; calculating flux linkage deviation through rotation transformation; and adjusting the position estimation value according to the flux linkage deviation to obtain and output the position of the rotor.)

一种电机的软件容错控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及门机电机控制的技术领域，特别涉及一种电机的软件容错控制方法及其控制系统。

背景技术

软件容错控制是指利用冗余的资源使计算机具有容忍故障的能力。亦即在产生故障的情况下，仍有能力将指定的算法继续完成。例如，对于电机模型而言，当其用于检测转子位置的位置编码器发生故障时，需要通过额外的位置估计器对转子位置进行估计，以确保控制系统仍然可以保持对门机电机的有效控制。

但是，对于现有的软件容错方案而言，存在电机低转速或零速时由于较小的反电动势，导致转子位置估计不准，从而降低了系统的带载能力。甚至会导致门机无法正常开关。另外，由于滤波器的使用，也会产生转子位置估计偏差，同样降低了系统了带载能力，导致门机在重载时无法正常开或关。

因此，迫切需要提供合适的转子位置估计方案，以改善和提升控制系统的软件容错性能，确保门机电机可以被顺利的使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机的软件容错控制方法及其控制系统，能够解决现有技术中转子位置估计不准确的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种电机的软件容错控制方法。该软件容错控制方法包括：

检测位置编码器是否出现故障；

若是，计算电机的定子磁链；

根据所述定子磁链，计算所述电机的转子磁链；

根据所述转子磁链，确定所述转子的位置估计值；

通过旋转变换，计算磁链偏差；

根据所述磁链偏差，调整所述位置估计值，获得所述转子的位置并输出。

进一步，所述通过旋转变换，计算磁链偏差，具体包括：

通过所述位置估计值，对所述定子磁链的积分结果进行旋转变换；

使用低通滤波器对旋转变换后的结果进行处理，获得所述磁链偏差。

进一步，所述方法还包括：使用高通滤波器对所述定子磁链进行处理。

进一步，所述定子磁链与所述转子磁链之间的关系满足如下算式：

其中，ψ_αβs为定子磁链，ψ_αβr为转子磁链，θ_r为所述转子磁链与α轴的夹角。

进一步，所述定子磁链通过如下算式计算：

ψ_αβs＝∫(V_αβ-R_si_αβ)dt

其中，V_αβ为定子电压，R_s为定子电阻，i_αβ为定子电流。

进一步，所述电机的定子电压为电流环输出的电压给定值。

进一步，通过降低功率器件的开关频率的方式，减小逆变器的死区时间的作用比例。

进一步，通过增大有效输出电压的方式，减少逆变器的死区时间的作用比例。

进一步，在电机的低速阶段，令无功分量等于预设值以增大有效输出电压。

第二方面，本发明实施例提供了一种门机驱动器的控制系统，应用门机电机。其包括：速度外闭环、两个电流内闭环、第一坐标变换矩阵、第二坐标变换矩阵、功率模块、位置编码器以及转子位置估计器；所述转子位置估计器应用如上所述的软件容错控制方法，计算获得转子的位置。

本发明实施例提供的软件容错控制方法，可以在编码器出现错误的情况下，通过合适的估计器获得较为准确的转子位置，提升了转子位置的估计精度，令门机电机可以在重负载情况下，也可以具备正常的开门和关门能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的控制系统的功能框图。

图2为本发明实施例提供的转子位置估计器的示意图。

图3为本发明实施例提供的软件容错控制方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的门机驱动器的控制系统，应用门机电机。

该控制系统包括：速度外闭环11、两个电流内闭环(12a，12b)、第一坐标变换矩阵13、第二坐标变换矩阵14、功率模块15、位置编码器16以及转子位置估计器17。

其中，通过对功率模块15的控制，可以相应的驱动门机电机，执行正常的开门和关门操作。在正常运转的情况下，位置编码器16(或者其他合适的传感器)提供采集获得的转子位置。

而在位置编码器16出现故障的情况下，将无法提供相应的转子位置信息。此时，通过转子位置估计器17以设定的位置估算步骤，根据电机的电压等参数，估计确定此时的转子位置。

在图1中，为给定的转子的角频率，ω_r为计算获得的转子的角频率。将经过调整后的角频率提供给速度外环进行计算，获得给定的有功分量

采集门机电机的电流i_αβ，通过第二坐标变换矩阵14分别输出相应的有功分量i_q和无功分量i_d的计算值。使用这两个计算值对给定的有功分量和无功分量进行调整后，相应的输入至两个电流内闭环(12a，12b)中。

两个电流内闭环的输出提供至第一坐标转换矩阵，经过计算后可以输出给定的定子电压提供给功率模块15，通过对功率模块15中开关管的开启和关闭控制，相应的控制门机电机执行相应的操作。

当然，最终计算获得转子位置信息也会被反馈到第一坐标转换矩阵和第二坐标转换矩阵中，用于反馈计算控制，并且在微分后，获得转子的角频率进行负反馈调节。

在一些实施例中，功率模块15为了防止上下管直通，通常会***一段较短的死区时间。这样的死区时间会对定子电压产生一定的影响(尤其是在电机的低速运行区域)，从而导致转子位置估计器输出的转子位置产生误差，精度下降。

由此，可以在电机的低速阶段，令无功分量等于预设值以增大有效输出电压或者通过增大有效输出电压的方式这两种方式，起到减少死区时间的作用比例，提高转子位置估计精度的效果。

图2为本发明实施例提供的转子位置估计器的结构示意图。如图2所示，该转子位置估计器可以采用如下方式进行转子的位置估计，输出相应的转子位置值：

首先获取定子电压、定子电阻以及相应的定子电流(R_si_αβ和V_αβ)。然后，对其的差值进行积分，获得定子磁链ψ_αβs。

为了消除差值中的直流偏置对积分作用的影响，使用高通滤波器HPF对所述定子磁链进行处理。处理后，根据定子磁链和转子磁链之间的关系，求解获得转子磁链ψ_αβr。最后，通过Arg函数，求解获得转子磁链的相角即可确定转子位置的估计值θ_rEst。

在一些实施例中，为了进一步的消除因高通滤波器对输入交流信号产生的幅值和相位的影响，还可以对求解获得的转子位置的估计值进行相应调整和优化。

具体的，利用求得的转子位置的估计值θ_rEst，对积分后的定子磁链ψ_αβs进行旋转变换(T)，得到磁链偏差Δψ_αβ。

在门机系统稳定运行时，转子位置的估计值θ_rEst和定子磁链ψ_αβs的旋转频率可以认为是近似相同的。这样的，经过旋转变换后的磁链偏差是直流量。而由纯积分器引起的直流偏置变换为交流量。

由于低通滤波器LPF对直流量不产生影响。因此，可以通过低通滤波器LPF的处理，分离出直流偏置，从而获得准确的转子位置偏差值Δθ。

最后，基于该转子位置偏差值Δθ，可以对位置估计值进行调整和优化，从而获得更为精确的转子位置估计结果。

总结而言，在实际门机控制系统的实际运行过程中，该软件容错控制方法的大致步骤包括：

S100、判断位置编码器是否出现故障。若是，执行步骤S110，若否，执行正常控制流程。

S110、计算电机的定子磁链。

具体的，两相静止坐标系中的永磁同步式门机的定子磁链方程通过如下算式(1)表示：

ψ_αβs＝∫(V_αβ-R_si_αβ)dt (1)

其中，ψ_αβs为定子磁链，ψ_f为转子磁链，θ_r为所述转子磁链与α轴的夹角。

在一些实施例中，为了便于实现，可以直接使用图1所示的电流环输出的电压给定值作为电机的定子电压。

S120、根据所述电机的定子磁链，计算对应的转子磁链。

在步骤S120之前，还可以使用高通滤波器对所述定子磁链进行处理，使用处理后的定子磁链来计算对应的转子磁链。

在本实施例中，所述定子磁链与所述转子磁链之间的关系满足如下算式(2)：

其中，ψ_αβs为定子磁链，ψ_αβr为转子磁链，L_s为定子电感，l_sαβ为定子电流，θ_r为转子磁链与α轴的夹角。

S130、根据所述转子磁链，确定所述转子的位置估计值。

具体的，转子的位置估计值可以通过如下算式(3)计算获得：

θ_rEst＝Arg(ψ_αβr) (3)

其中，θ_rEst为转子的位置估计值。

S140、通过旋转变换，计算磁链偏差。

具体的，磁链偏差的计算方法包括：首先利用所述转子的位置估计值，对所述定子磁链的积分结果进行旋转变换。然后，使用低通滤波器对旋转变换后的结果进行处理，获得所述磁链偏差。

磁链偏差Δψ_αβ＝ψ_fe^jΔθ。其中，Δθ＝θ_r-θ_rEst。

S150、根据所述磁链偏差，调整所述位置估计值，获得所述转子的位置并输出。

综上所述，本发明实施例提供的软件容错控制方法，在电机的低转速阶段，适当降低功率器件的开关频率以减小死区效应对输出电压的影响，并且通过适当控制d轴无功电流分量来增大输出电压，改善系统启动带载能力。

进一步地，利用电机模型法的转子位置估计值构建旋转变换矩阵，以补偿滤波器引起的位置估计偏差。通过以上的三个方法，有效的提高了转子位置估计精度，使门机系统在编码器故障时同样具备正常开门、关门能力。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。