CN103969579B - 永磁同步电机定子不对称故障诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机定子不对称故障诊断方法及系统，方法包括步骤：对采集定子三相电流、电压信号进行快速傅立叶FFT变换，得到各相电流和电压的基波；应用对称分量分析方法进行计算，得到基波负序电流和电压；再计算得到基波负序阻抗、基波负序电流相角差，并获得基波负序电流最大相角偏差；将基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗作为模糊逻辑的三个输入量，利用加权模糊逻辑算法判断是否存在定子不对称故障及故障程度。系统包括永磁同步电机、霍尔电流和电压传感器、信号调理电路、数据采集仪、故障诊断中心和车载显示电路。本发明可靠性高、适用范围广、可用于不同原因引起的定子不对称故障诊断。

Description

永磁同步电机定子不对称故障诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机定子不对称故障诊断方法及系统，属于驱动电机状态检测与故障诊断领域。

背景技术

驱动电机是电动汽车的核心设备，是车辆行驶的动力来源，其可靠性直接影响着电动汽车的行车安全。永磁同步电机高功率密度、高效率、宽调速范围、较高的过载能力使其成为电动汽车驱动电机的理想选择，而我国又有着丰富的稀土资源，因此电动汽车驱动本体的永磁化是其驱动系统发展的重要趋势。但永磁同步电机与其它旋转电机一样，在长期连续运行过程中有可能会出现各种故障，严重影响电机运行的可靠性和安全性。永磁同步电机定子不对称故障是电机较为常见的故障，如定子绕组的绝缘受损、定子绕组匝间、股间、相间等各种短路、铁芯短路等。

电动汽车用永磁同步电机发生定子不对称故障时，将会在定子电流中产生负序分量，负序电流产生的负序磁场与转子旋转方向相反，负序电流产生的电磁转矩为制动性质的转矩，增加了转子中的附加损耗，致使电机输出电磁功率减少，效率降低，电机发热加剧。目前国内外基本上没有发现针对电动汽车用永磁同步电机定子不对称故障诊断的专门研究，文献中的研究主要集中在不对称故障后电机外部特性的研究和基于负序电流单一分量的传统电机定子不对称故障诊断方面的研究，这些研究有一定的局限性和不全面性，主要表现在：

（1）有部分学者对自起动永磁同步电机在三相不对称电压下的运行特性进行了研究，但其着重点在于分析永磁同步电机的外部性能，比如转矩、转速以及转子铜耗等，并未对负序分量进行研究，且立足点并非为不对称故障的诊断；

（2）利用负序分量对传统异步电机与同步电机定子匝间短路故障进行分析的相关文献中，其重点仅在于对负序电流或者负序电流相角差两个参数中的某一个参数进行分析，因负序电流易受负载大小及转速的影响，稳定性受到了一定的限制，降低了故障判断的准确性，因此，如何融合其他方法，提高故障诊断的准确性和稳定性，是亟需解决的问题之一；

（3）文献更多专注于基于定子电流特定谐波分析的某种特定原因引起的故障诊断方法，早期故障谐波信号较为微弱，电机运行环境不同，受外界信号干扰也不相同，如何有效地提取真实信号是一个值得深入研究的问题；不同信号处理方法都有着各自的优点和其使用范围，提取之后采用什么样的信号处理方法得到真实的谐波成分，此方面的研究百家争鸣，目前尚未有达到共识的分析方法，因此存在缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机定子不对称故障诊断方法及系统，为对永磁同步电机定子不对称故障进行准确的诊断，尤其可用于对电动汽车中永磁同步电机的诊断。本发明对将基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值基波、负序阻抗进行标么值处理作为模糊逻辑判断的三个输入量，并根据其稳定性的强弱，分配不同的权值。3个输入量分为4个模糊子集，正常N（Normal）、轻微偏离正常值LD(Low deviation)、中等偏离正常值MD(Medium deviation)、严重偏离正常值HD(High deviation)，制定了相关的模糊规则，采用模糊推理机制进行推理，根据结果判断定子不对称故障及故障程度。该方法最大的优点就是不需要采集和处理大量的数据，适用于负荷变动情况下的动态在线监测，对多种原因引起的定子不对称故障均可进行诊断，适用范围广。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤（1）、对采集的永磁同步电机定子三相电流信号和定子三相电压信号进行快速傅立叶FFT变换，得到三相电流和三相电压的基波分量；

步骤（2）、对所述三相电流和三相电压基波分量分别按对称分量分析方法进行计算，得到基波负序电流和基波负序电压；并根据基波负序电流获得基波负序电流幅值；

步骤（3）、根据所述基波负序电流和基波负序电压计算得到基波负序阻抗；根据所述基波负序电流幅值运用余弦定理得到基波负序电流相角差，并获得基波负序电流最大相角偏差；

步骤（4）、将所述基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗作为模糊逻辑的三个输入量，再利用加权模糊逻辑算法进行分析，根据所述分析结果判断是否存在定子不对称故障。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（4）中利用加权模糊逻辑算法进行分析具体为：

步骤（41）将所述基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值基波、负序阻抗作为模糊逻辑的三个输入量；

步骤（42）预设一永磁同步电机运行状态的输出量，并确定所述三个输入量及输出量的隶属度函数；

步骤（43）根据所述三个输入量的大小，比对输入量隶属度函数，确定每个输入量所属的模糊子集；结合所述三个输入量所属的模糊子集按与或逻辑制定模糊规则；

步骤（44）结合制定的模糊规则和模糊推理方法进行推理获得输出量；将所获得的输出量与输出量隶属度函数进行比对，判断是否发生定子不对称故障。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（4）还包括当发生定子不对称故障时，根据所述输出量大小确定存在的定子不对称故障程度。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（4）还包括对基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗进行标么制处理，将标么制处理后的值作为模糊逻辑的三个输入量。

作为本发明的一种优选技术方案：所述三个输入量根据基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗的稳定性设置权重。

作为本发明的一种优选技术方案：所述输入量基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗及输出量的隶属度函数均采用Z型函数zmf，S型函数smf以及梯形函数trapmf三种函数的组合。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（1）中对信号进行采样的频率为10kHz，采样时长为120ms。

一种基于上述永磁同步电机定子不对称故障诊断方法的系统，包括永磁同步电机、霍尔电流和电压传感器、信号调理电路、数据采集仪、故障诊断中心，所述霍尔电流和电压传感器用于检测永磁同步电机的定子三相电流信号和定子三相电压信号；所述定子三相电流信号和定子三相电压信号经信号调理电路调理后输入数据采集仪；所述数据采集仪用于采集电流和电压信号；所述故障诊断中心对采集的电流和电压信号进行分析处理，结合加权模糊逻辑算法进行判断是否存在定子不对称故障及故障程度。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括车载显示电路，所述故障诊断中心将判断结果通过车载显示电路显示。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明是在磁同步电机运行状态下，根据负序分量和加权模糊逻辑算法相融合的方法进行定子不对称故障发生及其故障严重程度的判定。本发明的优点：1、不需要改变永磁同步电机运行方式和结构，不影响系统运行，传感器安装方便，可以广泛的用于电动汽车中，如果电动汽车监测系统本身能够对驱动电机定子三相电流及电压进行测定，则更为方便；2、对于不同的输入量，根据其稳定性不同，采用了不同的权值，使得诊断有较高的可靠性和实际意义；3、适用范围广，可用于不同原因引起的定子不对称故障诊断；4、通用性强，可以长时间运行；5、适用于负荷变动情况下的动态在线监测；6、不需要采集和处理大量数据，采样时间短。因此，本发明可对多种原因引起的定子不对称故障进行诊断，适用范围广。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机定子不对称故障诊断系统的模块示意图。

图2为本发明永磁同步电机定子不对称故障诊断方法的流程图。

图3为本发明的方法中基波负序电流隶属度函数。

图4为本发明的方法中基波负序电流最大相角偏差隶属度函数。

图5为本发明的方法中基波负序阻抗隶属度函数。

图6为本发明的方法中输出量隶属度函数。

图7为本发明的三相基波电流组成的矢量图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

本发明的设计了一种永磁同步电机定子不对称故障诊断系统，如图1所示，包括永磁同步电机1、霍尔电流和电压传感器2、信号调理电路3、数据采集仪4、故障诊断中心5和车载显示电路6，其中永磁同步电机的定子三相电源线分别穿过三个霍尔电流传感器的开孔，永磁同步电机的定子三相电源线与三个霍尔电压传感器2相并联，霍尔电流和电压传感器2的输出端依次串接于信号调理电路3，所述霍尔电流和电压传感器2用于检测永磁同步电机的定子三相电流信号和定子三相电压信号；所述霍尔电流和电压传感器2将检测信号输出，经信号调理电路3调理后输入数据采集仪4；所述数据采集仪4用于采集电流和电压信号，数据采集电路4与由嵌有故障诊断处理程序的车载计算机或者独立的DSP芯片为主体的诊断控制系统组成的故障诊断中心5相连接，故障诊断中心5对采集的电流和电压信号进行分析处理，结合加权模糊逻辑算法进行判断是否存在定子不对称故障及故障程度；然后将判断结果通过车载显示电路6进行显示。

如图2，结合该系统，本发明提供了一种永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，主要包括如下步骤：

（1）永磁同步电机运行时同时触发启动系统对定子三相电流和电压信号进行采样；

（2）对采集的永磁同步电机定子三相电信号和定子三相电压信号进行快速傅立叶FFT变换，得到各相电流和电压的基波分量；

（3）对三相电流、三相电压分量的基波值按对称分量分析方法进行计算，得到基波负序电流和基波负序电压；具体为，利用公式（1）和（2），

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{I}}_{a(+)}\\ {\stackrel{.}{I}}_{a(-)}\\ {\stackrel{.}{I}}_{a\left(0\right)}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{I}}_A\\ {\stackrel{.}{I}}_B\\ {\stackrel{.}{I}}_C\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{V}}_{a(+)}\\ {\stackrel{.}{V}}_{a(-)}\\ {\stackrel{.}{V}}_{a\left(0\right)}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{V}}_A\\ {\stackrel{.}{V}}_B\\ {\stackrel{.}{V}}_C\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，a=e^j120°，仅考虑基频分量的负序分量。用下标“+、－、0”分别表示正序、负序和零序分量，用下标A、B、C分别表示对应的三相。

用下标f表示发生定子不对称故障时的参数，则基波负序电流和基波负序电压可用公式（3）和公式（4）表示。

${\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{af}(-)}=\frac{1}{3}({\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{Af}}+a^2{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{Bf}}+a{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{Cf}})---\left(3\right)$

${\stackrel{.}{V}}_{\mathrm{af}(-)}=\frac{1}{3}({\stackrel{.}{V}}_{\mathrm{Af}}+a^2{\stackrel{.}{V}}_{\mathrm{Bf}}+a{\stackrel{.}{V}}_{\mathrm{Cf}})---\left(4\right)$

再将公式（3）和（4）运用式公式（5）计算得到基波负序阻抗；

Z_af(-)=V_af(-)/I_af(-) （5）

（4）根据三相基波负序电流幅值运用余弦定理计算得到基波负序电流相角差，并求取基波负序电流最大相角偏差，基波负序电流最大相角偏差为非故障相之间的相角差，据此可以判定故障相所在；具体以A、B之间相角差的求取为例，如图7所示，为三相基波电流组成的矢量图。结合公式（6）

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{AB}}=\arccos \frac{I_A^2+I_B^2-I_C^2}{2*I_A*I_B}---\left(6\right)$

式中I_A、I_B、I_C分别为三相基波负序电流幅值。

根据公式（6）求出A、B相角差θ_AB。同理求出B、C相角差θ_BC以及CA相角差θ_CA，并对三个相角差θ_AB、θ_BC、θ_CA进行比较，确定基波负序电流最大相角差，将其与120°相减，便得到基波负序电流最大相角偏差。

（5）以永磁同步电机对应转速正常运行时基波负序电流相角差120度、基波负序电流幅值的100倍、以及基波负序阻抗作为基准值，对三个输入量基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值以及基波负序阻抗进行标么制处理；使其三个输入量均在[0，1]范围内；将所述标么值处理后的基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗作为模糊逻辑的三个输入量。

（6）再结合加权模糊逻辑算法进行诊断。三个输入量首先根据基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗的稳定性设置权重。电动汽车用永磁同步电机定子不对称故障诊断过程中因基波负序阻抗稳定性好、受负荷波动影响小，对故障的严重程度敏感，故将其权重设置稍大。基波负序电流最大相角偏差从仿真结果和实验结果来看，稳定性相对较好，其权重介于基波负序阻抗与基波负序电流幅值两者之间，本发明基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗的权值分别设为（但不限于）0.35、0.2、0.45，将其作为模糊逻辑的三个输入量，基波负序电流最大相角偏差（PH）、基波负序阻抗（Z₂）和基波负序电流幅值（I₂）。其次，根据三个输入量的大小，比对输入量隶属度函数，确定其输入量所属的模糊子集，将3个输入量分为4个模糊集，正常N（Normal）、轻微偏离正常值LD(Low deviation)、中等偏离正常值MD(Medium deviation)、严重偏离正常值HD(High deviation)；以永磁同步电机运行状态作为输出量，对应4个模糊集，分别为轻微故障（LF）、正常（N）、中等故障(MF)、严重故障(SF)。根据实际情况，确定电动汽车用永磁同步电机定子不对称故障输入量定子基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗以及输出量的隶属度函数，均采用了Z型函数zmf、S型函数smf和梯形函数trapmf三种函数的组合。再根据三个输入量和输出量所属的模糊子集以及三个输入量权值的大小和实际情况，按与或逻辑制定模糊规则，模糊逻辑诊断算法采用的是Mandani推理规则。制定模糊规则可以但不限于23条。Mamdani算法的模糊蕴涵关系R_M(X,Y)定义为模糊集A、B和C的笛卡尔积取小，即

式中x、y、z分别代表三个输入量，u_A（x）、u_B（y）、u_C（z）分别代表三个输入量所属的模糊集。

然后，根据三个输入量的大小，故障诊断中心采用模糊推理方法推理分析出输出量的大小；将获得的输出量与输出量隶属度函数进行比对，判断是否发生定子不对称故障；当发生定子不对称故障时，根据所述输出量大小确定存在的定子不对称故障程度。

根据输入量的大小和隶属度函数，故障诊断中心便可确定输入量所属的模糊子集，如果三个输入量均属于同一个模糊子集，模糊规则的制定原则其判断的结果便是相对应的输出量模糊子集，如IF II2IS ILD AND IPH IS PHLD AND IZ2IS IZLD THEN OUTPUT1IS OLF；如果输入量所属模糊子集不同（只能属于相邻的模糊子集），模糊规则的制定与三个输入量的权重有关，如果三个输入量分别为PHLD、ILD和IZLD，权重为0.35、0.2和0.45，则其结果为OLF的机率为0.55,为OMF可能为0.45,由最大隶属度原则，其输出为OLF，因此对应的模糊规则为IF II2IS ILD AND IPH IS PHLD AND IZ2IS IZMDTHEN OUTPUT1IS OLF。

（7）最后判断如有故障，将结果送至车载显示电路进行显示，将判断结果显示在模糊推理动态仿真结果的最后一行。

为了验证本发明方法的效果，特进行以下验证实验。

以上海汽车新能源事业部提供的电动汽车驱动用永磁同步电机为例，进行定子不对称故障诊断，并按照上述步骤进行实验。由控制器控制电机的运行转速，利用三个霍尔电流传感器和霍尔电压传感器分别对应连接在电机的定子三相。数据采集频率为10kHz，满足分析故障频率和精确度的要求。

电动汽车用永磁同步电机为8极电机，永磁体内置V型分布，额定功率为42kW，额定扭矩为100Nm，冷却方式为水冷。根据实际搭建的实验平台，通过在定子C相串联梯形大功率铝壳电阻实现永磁同步电机定子不对称故障的模拟，改变串联电阻的大小来模拟故障严重程度，故障电阻分别设定为C相电阻的0.1倍、0.2倍和0.3倍。根据测试数据和仿真数据，本发明设定隶属度函数如图3、4、5、6所示，图3为本发明中基波负序电流隶属度函数，图4为本发明中基波负序电流最大相角偏差隶属度函数，图5为本发明中基波负序阻抗隶属度函数，图6为本发明中输出量隶属度函数。对永磁同步电机转速为1580rmp，故障相电阻为C相电阻的0.1倍的情况进行分析，按照图2的步骤先对三相电流/电压进行FFT分解，得到基波分量，再对基波负序分量与加权模糊逻辑算法相融合对定子不对称故障进行诊断。对设定故障后实测的定子三相电流和电压数据进行同样处理，得到转速为1580rmp基波负序电流最大相角差为AB相角差160度（模糊逻辑输入负序电流最大相角偏差为40度）、基波负序电流幅值为4.8安培、基波负序阻抗为0.81欧姆，同转速正常运行下基波负序电流相角差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗分别为120度、0.16安培、1.6欧姆，以此为基准值，得以对应的标么值分别为0.5、0.3和0.5，将其作为模糊逻辑的输入量。根据制定的模糊规则，选用隶属度函数进行分析，得到输出量大小，根据输出量大小根据隶属度函数判断产生故障机故障程度，即输出量大小为0.525，对应第8条规则，参照输出量隶属度函数图6，显然可以看出C相为轻度故障状态，与故障诊断中心动态仿真界面最后一行所显示的结果相符。根据本发明方法所检测的结果为该永磁同步电机存在定子不对称故障，与实际情况吻合。

综上所述，本发明是在电动汽车用磁同步电机运行状态下，根据负序分量和加权模糊逻辑算法相融合的方法进行定子不对称故障发生及其故障严重程度的判定，不需要改变永磁同步电机运行方式和结构，不影响系统运行，适用范围广，可用于不同原因引起的定子不对称故障诊断。通用性强，可以长时间运行，适用于负荷变动情况下的动态在线监测。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、采集永磁同步电机定子三相电流信号和定子三相电压信号后进行快速傅立叶FFT变换，得到三相电流和三相电压的基波分量；

步骤(2)、对所述三相电流和三相电压基波分量分别按对称分量分析方法进行计算，得到基波负序电流和基波负序电压；并根据基波负序电流获得基波负序电流幅值；

步骤(3)、根据所述基波负序电流和基波负序电压计算得到基波负序阻抗；根据所述基波负序电流幅值运用余弦定理得到基波负序电流相角差，并获得基波负序电流最大相角偏差；

步骤(4)、将所述基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗作为模糊逻辑的三个输入量，再利用加权模糊逻辑算法进行分析，根据所述分析结果判断是否存在定子不对称故障；其中，利用加权模糊逻辑算法进行分析具体为：

步骤(41)、将所述基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值基波、负序阻抗作为模糊逻辑的三个输入量；

步骤(42)、预设一永磁同步电机运行状态的输出量，并确定所述三个输入量及输出量的隶属度函数；

步骤(43)、根据所述三个输入量的大小，比对输入量隶属度函数，确定每个输入量所属的模糊子集；结合所述三个输入量所属的模糊子集按与或逻辑制定模糊规则；

步骤(44)、结合制定的模糊规则和模糊推理方法进行推理获得输出量；将所获得的输出量与输出量隶属度函数进行比对，判断是否发生定子不对称故障。

2.根据权利要求1所述永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(4)还包括当发生定子不对称故障时，根据所述输出量大小确定存在的定子不对称故障程度。

3.根据权利要求1或2所述永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(4)还包括对基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗进行标么制处理，将标么制处理后的值作为模糊逻辑的三个输入量。

4.根据权利要求3所述永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，其特征在于：所述三个输入量根据基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗的稳定性设置权重。

5.根据权利要求1所述永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，其特征在于：所述输入量基波负序电流最大相角偏差、基波负序电流幅值、基波负序阻抗及输出量的隶属度函数均采用Z型函数zmf，S型函数smf以及梯形函数trapmf三种函数的组合。

6.根据权利要求1所述永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，其特征在于：所述步骤 (1)中对信号进行采样的频率为10kHz，采样时长为120ms。

7.基于上述任一项权利要求所述永磁同步电机定子不对称故障诊断方法的系统，其特征在于：包括永磁同步电机、霍尔电流和电压传感器、信号调理电路、数据采集仪、故障诊断中心，所述霍尔电流和电压传感器用于检测永磁同步电机的定子三相电流信号和定子三相电压信号；所述定子三相电流信号和定子三相电压信号经信号调理电路调理后输入数据采集仪；所述数据采集仪用于采集电流和电压信号；所述故障诊断中心对采集的电流和电压信号进行分析处理，结合加权模糊逻辑算法进行判断是否存在定子不对称故障及故障程度。

8.根据权利要求7所述基于永磁同步电机定子不对称故障诊断方法的系统，其特征在于：还包括车载显示电路，所述故障诊断中心将判断结果通过车载显示电路显示。