CN103248307B - 感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，属于调速系统中电流传感器的故障诊断技术领域。本发明为了解决在变频调速系统中，使用状态观测器观测电流的方法来定位故障电流传感器的位置通用性差的问题。它通过检测定子三相电流和电压，将定子三相电流分别送入对应的三个单电流传感器状态观测器中，用于观测感应电机的转子磁链，通过对比三个观测器观测出的转子磁链幅值可以实现电流传感器的故障诊断。本发明用于诊断调速系统的电流传感器故障。

Description

感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法

技术领域

本发明涉及感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，属于调速系统中电流传感器的故障诊断技术领域。

背景技术

目前感应电机的变频调速系统一般使用三个或两个电流传感器来采集电流信息，将测得的电流信息进行坐标变换，并将其作为电流环的反馈量，最终实现系统的闭环控制。然而当电流传感器发生故障后，系统得不到正确的电流信息，致使控制系统调速性能下降，甚至造成控制系统发散。某些高可靠性调速场合要求控制系统对电流传感器故障具有一定的故障诊断和容错控制能力，调速系统在进入到容错控制模式之前必须能够进行准确的故障诊断和定位。根据文献检索，有的方法提出了对电机定子三相电流进行求和，根据其代数和是否为零判断电流传感器故障是否发生，此方法原理简单，易于实现，但它只能检测出三个电流传感器是否发生故障，却不能具体定位哪个电流传感器发生故障，对电流传感器的容错控制没有指导意义；还有的方法提出使用状态观测器观测电流，然后对测量值与观测值进行对比，用于诊断电流传感器是否发生故障，此方法可以准确定位故障电流传感器的位置，但是这种方法需要已知电机运行的很多参数，仅适用于风力发电系统所常用的双馈式感应电机。

发明内容

本发明是为了解决在变频调速系统中，使用状态观测器观测电流的方法来定位故障电流传感器的位置通用性差的问题，提供了一种感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法。

本发明所述感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，它包括以下步骤：

步骤一：利用电压传感器检测获得感应电机的定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c；利用三个电流传感器分别检测获得感应电机的定子A相电流i_a、B相电流i_b和C相电流i_c；利用光电码盘检测获得感应电机的实际转速ω_r；

步骤二：将定子A相电流i_a、αβ_a坐标系下的定子电压α轴分量u_sαa、αβ_a坐标系下的定子电压β轴分量u_sβa和实际转速ω_r送入第一状态观测器，αβ_a坐标系下的定子电压α轴分量u_sαa和αβ_a坐标系下的定子电压β轴分量u_sβa为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_a下的定子电压分量；αβ_a坐标系为α轴正方向与感应电机A相绕组正方向重合的坐标系；

将定子B相电流i_b、αβ_b坐标系下的定子电压a轴分量u_sαb、αβ_b坐标系下的定子电压β轴分量u_sβb和实际转速ω_r送入第二状态观测器，αβ_b坐标系下的定子电压α轴分量u_sαb和αβ_b坐标系下的定子电压β轴分量u_sβb为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_b下的定子电压分量；αβ_b坐标系为α轴正方向与感应电机B相绕组正方向重合的坐标系；

将定子C相电流i_c、αβ_c坐标系下的定子电压α轴分量u_sαc、αβ_c坐标系下的定子电压β轴分量u_sβc和实际转速ω_r送入第三状态观测器，αβ_c坐标系下的定子电压α轴分量u_sαc和αβ_c坐标系下的定子电压β轴分量u_sβc为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_c下的定子电压分量；αβ_c坐标系为α轴正方向与感应电机C相绕组正方向重合的坐标系；

通过第一状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_a，通过第二状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_b，通过第三状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_c；

步骤三：采用电流传感器故障诊断单元将第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a与第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b作差，结果取绝对值获得第一状态观测器和第二状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_ab；将第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a与第三状态观测器的观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c作差，结果取绝对值获得第一状态观测器和第三状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_ac；将第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b与三状态观测器的观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c作差，结果取绝对值获得第二状态观测器和第三状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_bc，然后输出电流传感器故障诊断结果，该诊断结果根据下表获得：无表示三相电流传感器均正常运行，用故障代码0表示；a故障表示A相电流传感器故障，用故障代码1表示；b故障表示B相电流传感器故障，用故障代码2表示；c故障表示C相电流传感器故障，用故障代码3表示：

表

其中N_c为偏差量阈值。

步骤一中利用电压传感器检测获得感应电机的定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c的具体方法为：

利用电压传感器检测感应电机调速系统的直流母线电压V_DC，然后根据SVPWM信号重构出定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c.。

第一状态观测器的输入量：

i_sαa＝i_a，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αa}}\\ u_{\mathrm{s\βa}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$

i_sαa为在αβ_a坐标系下的定子电流α轴分量；

第二状态观测器的输入量：

i_sαb＝i_b，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αb}}\\ u_{\mathrm{s\βb}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_b\\ u_c\\ u_a\end{array}\right],$

i_sαb为在αβ_b坐标系下的定子电流α轴分量；

第三状态观测器的输入量：

i_sαc＝i_c，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αc}}\\ u_{\mathrm{s\βc}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_c\\ u_a\\ u_b\end{array}\right],$

i_sαc为在αβ_c坐标系下的定子电流α轴分量。

第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a、第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b和第三状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c的获得方法相同，以第一状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_a为例，来说明该电机转子磁链幅值|ψ_r|_a的具体获得方法：

首先计算第一状态观测器中的状态量的导数

$\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}=A\hat{x}+\mathrm{Bu}+\mathrm{Ge},$

式中矩阵A为： $A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& 0& a_{13}& a_{14}{\mathrm{\ω}}_r\\ 0& a_{11}& -a_{14}{\mathrm{\ω}}_r& a_{13}\\ a_{31}& 0& a_{33}& -{\mathrm{\ω}}_r\\ 0& a_{31}& {\mathrm{\ω}}_r& a_{33}\end{array}\right],$

$a_{11}=-\frac{R_r{L}_m^2+R_s{L}_r^2}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^2};$ $a_{13}=\frac{L_m{R}_r}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^2};$ $a_{14}=\frac{L_m}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r};$

$a_{31}=\frac{L_m{R}_r}{L_r};$ $a_{33}=-\frac{R_r}{L_r};$

R_r为转子电阻，L_m为定转子互感，R_s为定子电阻，L_r为转子等效电感，σ为漏磁系数，L_s为定子等效电感，

第一状态观测器中的状态量为： $\hat{x}=\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{s\αa}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{s\βa}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\αa}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\βa}}\end{array}\right],$

为第一状态观测器观测的定子电流在αβ_a坐标系下的α轴分量观测值，为第一状态观测器观测的定子电流在αβ_a坐标系下的β轴分量观测值，为第一状态观测器观测的转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量，为第一状态观测器观测的转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量，

矩阵B为： $B={\left[\begin{array}{cccc}b& 0& 0& 0\\ 0& b& 0& 0\end{array}\right]}^T,$ $b=\frac{1}{\mathrm{\σ}{L}_s},$ T表示转置，

矩阵 $u=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αa}}\\ u_{\mathrm{s\βa}}\end{array}\right],$

矩阵G为： $G=\left[\begin{array}{c}{f}_1+f_2\mathrm{sign}(\·)\\ 0\\ g_1+g_2\mathrm{sign}(\·)\\ 0\end{array}\right],$

其中f₁为电流比例增益，f₂为电流符号函数增益；g₁为磁链比例增益，g₂为磁链符号函数增益；sign(·)为符号函数；

e为电流误差： $e=i_{\mathrm{s\αa}}-{\hat{i}}_{\mathrm{s\αa}},$

对导数进行积分获得第一状态观测器中的状态量

$\hat{x}=\∫\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{x}\mathrm{dt},$

将第一状态观测器中的状态量与矩阵C相乘获得定子电流在αβ_a坐标系下的α轴分量观测值将第一状态观测器中的状态量与矩阵D相乘获得转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量和转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量

其中：

$C=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right],$ $D=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

对第一状态观测器观测出的转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量和转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量进行求模运算：

${\left|{\mathrm{\ψ}}_r\right|}_a=\sqrt{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\αa}}^2+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\βa}}^2},$

获得第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a。

本发明的优点：本发明为针对感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，它通过检测定子三相电流和电压，将定子三相电流分别送入对应的三个单电流传感器状态观测器中，用于观测感应电机的转子磁链，通过对比三个观测器观测出的转子磁链幅值可以实现电流传感器的故障诊断。该诊断方法为调速系统实现容错控制提供了有力的支撑，由于基于算法对采集的数据进行处理，因此对各种不同类型的电流传感器均适用，通用性强。

本发明方法可以为调速系统的容错控制提供可靠的电流传感器故障与否的信息，从而提高调速系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明所述感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法的原理框图；图中ω_ref为电机转速给定值；

图2是三个状态观测器所使用的坐标系之间的空间位置关系图；Ψ_r为感应电机转子磁链矢量；

图3是第一状态观测器的内部原理框图；

图4是实施方式四的验证实验中电流传感器检测到的感应电机定子三相电流波形图；

图5是验证实验中转子磁链幅值偏差量的波形图；

图6是验证实验中的故障诊断结果图；图中Flt表示电流传感器是否发生故障，Flag表示电流传感器故障诊断的结果。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，它包括以下步骤：

步骤一：利用电压传感器检测获得感应电机的定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c；利用三个电流传感器分别检测获得感应电机的定子A相电流i_a、B相电流i_b和C相电流i_c；利用光电码盘检测获得感应电机的实际转速ω_r；

步骤二：将定子A相电流i_a、αβ_a坐标系下的定子电压α轴分量u_sαa、αβ_a坐标系下的定子电压β轴分量u_sβa和实际转速ω_r送入第一状态观测器，αβ_a坐标系下的定子电压α轴分量u_sαa和αβ_a坐标系下的定子电压β轴分量u_sβa为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_a下的定子电压分量；αβ_a坐标系为α轴正方向与感应电机A相绕组正方向重合的坐标系；

将定子B相电流i_b、αβ_b坐标系下的定子电压α轴分量u_sαb、αβ_b坐标系下的定子电压β轴分量u_sβb和实际转速ω_r送入第二状态观测器，αβ_b坐标系下的定子电压α轴分量u_sαb和αβ_b坐标系下的定子电压β轴分量u_sβb为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_b下的定子电压分量；αβ_a坐标系为α轴正方向与感应电机B相绕组正方向重合的坐标系；

将定子C相电流i_c、αβ_c坐标系下的定子电压α轴分量u_sαc、αβ_c坐标系下的定子电压β轴分量u_sβc和实际转速ω_r送入第三状态观测器，αβ_c坐标系下的定子电压α轴分量u_sαc和αβ_c坐标系下的定子电压β轴分量u_sβc为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_c下的定子电压分量；αβ_c坐标系为α轴正方向与感应电机C相绕组正方向重合的坐标系；

通过第一状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_a，通过第二状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_b，通过第三状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_c；

步骤三：采用电流传感器故障诊断单元将第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a与第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b作差，结果取绝对值获得第一状态观测器和第二状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_ab；将第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a与第三状态观测器的观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c作差，结果取绝对值获得第一状态观测器和第三状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_ac；将第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b与三状态观测器的观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c作差，结果取绝对值获得第二状态观测器和第三状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_bc，然后输出电流传感器故障诊断结果，该诊断结果根据下表获得：无表示三相电流传感器均正常运行，用故障代码0表示；a故障表示A相电流传感器故障，用故障代码1表示；b故障表示B相电流传感器故障，用故障代码2表示；c故障表示C相电流传感器故障，用故障代码3表示：

表

其中N_c为偏差量阈值。

本实施方式包括以下几个环节：

1)电流、电压测量环节，检测定子三相电流信号和三相电压信号；

2.)转速测量环节，使用光电码盘测量感应电机的实际转速；

3)状态观测环节，分别将电压矢量和三相电流送入对应的状态观测器中，用于观测电机的转子磁链；

4.)电流传感器故障诊断环节，通过比较三个状态观测器观测到的转子磁链幅值来判断电流传感器是否发生故障，并定位故障电流传感器的位置。

本实施方式中的αβ_a坐标系、αβ_b坐标系和αβ_c坐标系在空间中的位置关系如图2所示，图中α_a和β_a构成第一状态观测器的αβ_a坐标系，α_b和β_b构成第二状态观测器的αβ_b坐标系，α_c和β_c构第三状态观测器的αβ_c坐标系。

通过将观测获得的转子磁链幅值两两做差求出转子磁链幅值偏差量，再比较三个转子磁链幅值偏差量与偏差量阈值N_c，再通过查表确定哪个电流传感器发生故障。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述步骤一中利用电压传感器检测获得感应电机的定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c的具体方法为：

利用电压传感器检测感应电机调速系统的直流母线电压V_Dc，然后根据SVPWM信号重构出定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c.。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，本实施方式所述第一状态观测器的输入量：

i_sαa＝i_a，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αa}}\\ u_{\mathrm{s\βa}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$

i_sαa为在αβ_a坐标系下的定子电流α轴分量；

第二状态观测器的输入量：

i_sαb＝i_b，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αb}}\\ u_{\mathrm{s\βb}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_b\\ u_c\\ u_a\end{array}\right],$

i_sαb为在αβ_b坐标系下的定子电流α轴分量；

第三状态观测器的输入量：

i_sαc＝i_c，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αc}}\\ u_{\mathrm{s\βc}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$

i_sαc为在αβ_c坐标系下的定子电流α轴分量。

具体实施方式四：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，本实施方式所述第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a、第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b和第三状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c的获得方法相同，以第一状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_a为例，来说明该电机转子磁链幅值|ψ_r|_a的具体获得方法：

首先计算第一状态观测器中的状态量的导数

$\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}=A\hat{x}+\mathrm{Bu}+\mathrm{Ge},$

式中矩阵A为： $A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& 0& a_{13}& a_{14}{\mathrm{\ω}}_r\\ 0& a_{11}& -a_{14}{\mathrm{\ω}}_r& a_{13}\\ a_{31}& 0& a_{33}& -{\mathrm{\ω}}_r\\ 0& a_{31}& {\mathrm{\ω}}_r& a_{33}\end{array}\right],$

$a_{11}=-\frac{R_r{L}_m^2+R_s{L}_r^2}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^2};$ $a_{13}=\frac{L_m{R}_r}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^2};$ $a_{14}=\frac{L_m}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r};$

$a_{31}=\frac{L_m{R}_r}{L_r};$ $a_{33}=-\frac{R_r}{L_r};$

R_r为转子电阻，L_m为定转子互感，R_s为定子电阻，L_r为转子等效电感，σ为漏磁系数，L_s为定子等效电感，

第一状态观测器中的状态量为： $\hat{x}=\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{s\αa}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{s\βa}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\αa}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\βa}}\end{array}\right],$

为第一状态观测器观测的定子电流在αβ_a坐标系下的α轴分量观测值，为第一状态观测器观测的定子电流在αβ_a坐标系下的β轴分量观测值，为第一状态观测器观测的转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量，为第一状态观测器观测的转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量，

矩阵B为： $B={\left[\begin{array}{cccc}b& 0& 0& 0\\ 0& b& 0& 0\end{array}\right]}^T,$ $b=\frac{1}{\mathrm{\σ}{L}_s},$ T表示转置，

矩阵 $u=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αa}}\\ u_{\mathrm{s\βa}}\end{array}\right],$

矩阵G为： $G=\left[\begin{array}{c}{f}_1+f_2\mathrm{sign}(\·)\\ 0\\ g_1+g_2\mathrm{sign}(\·)\\ 0\end{array}\right],$

其中f₁为电流比例增益，f₂为电流符号函数增益；g₁为磁链比例增益，g₂为磁链符号函数增益；sign(·)为符号函数；

e为电流误差： $e=i_{\mathrm{s\αa}}-{\hat{i}}_{\mathrm{s\αa},}$

对导数进行积分获得第一状态观测器中的状态量

$\hat{x}=\∫\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{x}\mathrm{dt},$

将第一状态观测器中的状态量与矩阵C相乘获得定子电流在αβ_a坐标系下的α轴分量观测值将第一状态观测器中的状态量与矩阵D相乘获得转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量和转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量

其中：

$C=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right],$ $D=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

对第一状态观测器观测出的转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量和转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量进行求模运算：

${\left|{\mathrm{\ψ}}_r\right|}_a=\sqrt{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\αa}}^2+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\βa}}^2},$

获得第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a。

下面通过实验验证本发明的故障诊断方法并给出实验结果：

测试用电机的额定电压选为380V，额定电流2.8A，额定功率1.1kW，额定转速1400rpm，极对数为2。

电机在26Hz频率下运行，t₀时刻之前三个电流传感器正常工作，在t₀时刻c相电流传感器发生故障，其故障诊断结果如图4～6所示。图6中Flt曲线的突变表明故障的发生时刻，Flag曲线的突变表明了故障的诊断时刻。

实验结果证实，本发明方法提出的基于三个单电流传感器状态观测器的电流传感器故障诊断方法可以实现电流传感器的故障诊断。

Claims (4)

1.一种感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：利用电压传感器检测获得感应电机的定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c；利用三个电流传感器分别检测获得感应电机的定子A相电流i_a、B相电流i_b和C相电流i_c；利用光电码盘检测获得感应电机的实际转速ω_r；

步骤二：将定子A相电流i_a、αβ_a坐标系下的定子电压α轴分量u_sαa、αβ_a坐标系下的定子电压β轴分量u_sβa和实际转速ω_r送入第一状态观测器，αβ_a坐标系下的定子电压α轴分量u_sαa和αβ_a坐标系下的定子电压β轴分量u_sβa为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_a下的定子电压分量；αβ_a坐标系为α轴正方向与感应电机A相绕组正方向重合的坐标系；

将定子B相电流i_b、αβ_b坐标系下的定子电压α轴分量u_sαb、αβ_b坐标系下的定子电压β轴分量u_sβb和实际转速ω_r送入第二状态观测器，αβ_b坐标系下的定子电压α轴分量u_sαb和αβ_b坐标系下的定子电压β轴分量u_sβb为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_b下的定子电压分量；αβ_b坐标系为α轴正方向与感应电机B相绕组正方向重合的坐标系；

将定子C相电流i_c、αβ_c坐标系下的定子电压α轴分量u_sαc、αβ_c坐标系下的定子电压β轴分量u_sβc和实际转速ω_r送入第三状态观测器，αβ_c坐标系下的定子电压α轴分量u_sαc和αβ_c坐标系下的定子电压β轴分量u_sβc为由定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c经Clark变换获得的两相静止坐标系αβ_c下的定子电压分量；αβ_c坐标系为α轴正方向与感应电机C相绕组正方向重合的坐标系；

通过第一状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_a，通过第二状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_b，通过第三状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_c；

步骤三：采用电流传感器故障诊断单元将第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a与第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b作差，结果取绝对值获得第一状态观测器和第二状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_ab；将第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a与第三状态观测器的观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c作差，结果取绝对值获得第一状态观测器和第三状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_ac；将第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b与三状态观测器的观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c作差，结果取绝对值获得第二状态观测器和第三状态观测器的转子磁链幅值偏差量E_bc，然后输出电流传感器故障诊断结果，该诊断结果根据下表获得：无表示三相电流传感器均正常运行，用故障代码0表示；a故障表示A相电流传感器故障，用故障代码1表示；b故障表示B相电流传感器故障，用故障代码2表示；c故障表示C相电流传感器故障，用故障代码3表示：

表

其中N_c为偏差量阈值。

2.根据权利要求1所述的感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤一中利用电压传感器检测获得感应电机的定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c的具体方法为：

利用电压传感器检测感应电机调速系统的直流母线电压V_DC，然后根据SVPWM信号重构出定子A相电压u_a、B相电压u_b和C相电压u_c。

3.根据权利要求2所述的感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，其特征在于，第一状态观测器的输入量：

i_sαa＝i_a，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αa}}\\ u_{\mathrm{s\βa}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$

i_sαa为在αβ_a坐标系下的定子电流α轴分量；

第二状态观测器的输入量：

i_sαb＝i_b，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αb}}\\ u_{\mathrm{s\βb}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_b\\ u_c\\ u_a\end{array}\right],$

i_sαb为在αβ_b坐标系下的定子电流α轴分量；

第三状态观测器的输入量：

i_sαc＝i_c，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αc}}\\ u_{\mathrm{s\βc}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_c\\ u_a\\ u_b\end{array}\right],$

i_sαc为在αβ_c坐标系下的定子电流α轴分量。

4.根据权利要求3所述的感应电机调速系统的电流传感器故障诊断方法，其特征在于，

第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a、第二状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_b和第三状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_c的获得方法相同，以第一状态观测器观测获得电机转子磁链幅值|ψ_r|_a为例，来说明该电机转子磁链幅值|ψ_r|_a的具体获得方法：

首先计算第一状态观测器中的状态量的导数

$\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}=A\hat{x}+\mathrm{Bu}+\mathrm{Ge},$

式中矩阵A为： $A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& 0& a_{13}& a_{14}{\mathrm{\ω}}_r\\ 0& a_{11}& -a_{14}{\mathrm{\ω}}_r& a_{13}\\ a_{31}& 0& a_{33}& {-\mathrm{\ω}}_r\\ 0& a_{31}& {\mathrm{\ω}}_r& a_{33}\end{array}\right],$

$a_{11}=-\frac{R_r{L}_m^2+R_s{L}_r^2}{{\mathrm{\σL}}_s{L}_r^2};$ $a_{13}=\frac{L_m{R}_r}{{\mathrm{\σL}}_s{L}_r^2};$ $a_{14}=\frac{L_m}{{\mathrm{\σL}}_s{L}_r};$

$a_{31}=\frac{L_m{R}_r}{L_r};$ $a_{33}=-\frac{R_r}{L_r};$

R_r为转子电阻，L_m为定转子互感，R_s为定子电阻，L_r为转子等效电感，σ为漏磁系数，L_s为定子等效电感，

第一状态观测器中的状态量为： $\hat{x}=\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{s\αa}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{s\βa}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\αa}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\βa}}\end{array}\right],$

为第一状态观测器观测的定子电流在αβ_a坐标系下的α轴分量观测值，为第一状态观测器观测的定子电流在αβ_a坐标系下的β轴分量观测值，为第一状态观测器观测的转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量，为第一状态观测器观测的转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量，

矩阵B为： $B={\left[\begin{array}{cccc}b& 0& 0& 0\\ 0& b& 0& 0\end{array}\right]}^T,$ $b=\frac{1}{{\mathrm{\σL}}_s},$ T表示转置，

矩阵 $u=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\αa}}\\ u_{\mathrm{s\βa}}\end{array}\right],$

矩阵G为： $G=\left[\begin{array}{c}{f}_1+f_2\mathrm{sign}(\·)\\ 0\\ g_1+g_2\mathrm{sign}(\·)\\ 0\end{array}\right],$

其中f₁为电流比例增益，f₂为电流符号函数增益；g₁为磁链比例增益，g₂为磁链符号函数增益；sign(·)为符号函数；

e为电流误差：

对导数进行积分获得第一状态观测器中的状态量

$\hat{x}=\stackrel{\stackrel{.}{^}}{\∫x}\mathrm{dt},$

将第一状态观测器中的状态量与矩阵C相乘获得定子电流在αβ_a坐标系下的α轴分量观测值将第一状态观测器中的状态量与矩阵D相乘获得转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量和转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量

其中：

$C=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right],$ $D=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

对第一状态观测器观测出的转子磁链在αβ_a坐标系下的α轴观测分量和转子磁链在αβ_a坐标系下的β轴观测分量进行求模运算：

${\left|{\mathrm{\ψ}}_r\right|}_a=\sqrt{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\αa}}^2+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\βa}}^2},$

获得第一状态观测器观测获得的电机转子磁链幅值|ψ_r|_a。