CN105162384A - 一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，通过对开关磁阻电机位置传感器输出的位置方波信号进行傅里叶频谱分析，利用二次谐波系数是否为零的特征来实时诊断位置方波信号是否发生故障，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传感器发生故障，实现实时故障监测和诊断；并结合位置方波信号故障后的位置信号容错控制方法，在诊断出存在位置传感器输出的位置方波信号发生故障时，利用剩余的正常位置方波信号来计算转子转速并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计算，实现位置方波信号故障后的容错控制，从而提升开关磁阻电机驱动系统的可靠性，避免由于转子位置信号解码错乱而导致的开关磁阻电机控制失效问题。

Description

一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法

技术领域

本发明涉及一种故障诊断和容错方法，特别是涉及一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，属于电机信号检测技术领域。

背景技术

开关磁阻电机本身具备结构简单坚固，适合高速、高温运行，以及容错能力强等重要特性。位置检测是开关磁阻电机系统中最为关键的环节之一，也是一个薄弱环节。位置信号的精度和可靠性直接影响到开关磁阻电机系统的控制性能，是关系到开关磁阻电机本身的强容错能力得以充分发挥的重要指标。

传统的位置检测器主要是光电码盘、磁敏传感器，以及电涡流传感器和旋转变压器等，检测的位置信号一般通过位置检索脉冲的形式输出而供给控制器进行转子位置解算和电机控制。对于开关磁阻电机而言，常规的检测方法是采用光电式和霍尔传感器进行位置检测，输出位置检索脉冲通常为多路方波信号，该方波信号的正确与否，直接关系到开关磁阻电机驱动信号的估计，位置信号的错误严重时会导致电机的堵转以及功率变换器的损坏。

因此设计具备位置信号实时监测和诊断，并具备容错能力的位置信号处理技术，有助于进一步提高开关磁阻电机系统的可靠性，尤其对于诸如航空航天、电动汽车、精密伺服等对开关磁阻电机可靠性要求非常高的应用场合具有重要的实用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，实现实时故障监测和诊断，并实现位置方波信号故障后的位置信号容错控制，提高开关磁阻电机驱动系统的整体可靠性，从而避免由于转子位置信号解码错乱而导致的开关磁阻电机控制失效问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，包括以下步骤：

1)通过若干路的位置传感器检测开关磁阻电机转子位置方波信号，对检测到的方波信号进行方波周期内傅里叶频谱分析，获得谐波含量；判断方波周期内的傅里叶频谱分析所得到的谐波含量中二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号正常；

2)对每一路位置传感器检测到的方波信号在开关磁阻电机每个电周期内每隔1°机械角度选取一个点作为周期起点进行分析周期内傅里叶频谱分析，分别检测每个分析周期内的傅里叶频谱分析所得到的二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号正常；

3)根据步骤1)和步骤2)诊断出每一路位置传感器输出的位置方波信号均正常时，利用方波信号计算转子转速，并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计算，实现位置方波信号均正常时的转子位置角实时检测；

4)根据步骤1)和步骤2)诊断出存在位置传感器输出的位置方波信号发生故障时，利用剩余的正常位置方波信号来计算转子转速并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计算，实现位置方波信号故障后的容错控制。

本发明进一步设置为：所述步骤1)和步骤2)的傅里叶频谱分析均根据以下公式进行，

$v\left(\mathrm{\ω}t\right)=\frac{V}{2}+\frac{2V}{\mathrm{\π}}\[sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{3}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{5}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{7}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+...\]$

其中，v表示傅里叶频谱分析方波分解函数，V表示幅值，ω表示角速度，ωt表示转子位置角。

本发明进一步设置为：所述开关磁阻电机采用3相12/8结构，其定转子相对位置变化的电周期为45°，取45°内每隔1°作为周期起点，即1°、2°、…、45°均作为周期起点而形成45个分析周期，对方波信号在45个分析周期内进行傅里叶频谱分析，得到45个二次谐波系数；若某一个分析周期内的二次谐波系数不为零，则诊断该路位置传感器发生了故障。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明通过对开关磁阻电机位置传感器输出的位置方波信号进行傅里叶频谱分析，利用二次谐波系数是否为零的特征来实时诊断位置方波信号是否发生故障，实现实时故障监测和诊断；并结合位置方波信号故障后的位置信号容错控制方法，提升开关磁阻电机驱动系统的可靠性，从而避免由于转子位置信号解码错乱而导致的开关磁阻电机控制失效问题。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为正常的位置方波信号；

图2为正常的位置方波信号经傅里叶频谱分析所得的谐波含量；

图3为位置传感器低电平故障类型1示意图；

图4为位置传感器低电平故障类型2示意图；

图5为位置传感器高电平故障类型1示意图；

图6为位置传感器高电平故障类型2示意图；

图7为位置方波信号第二个下降沿出现位置较正常情况提前10％个周期的低电平故障情况示意图；

图8为图7的低电平故障情况下位置方波信号经傅里叶频谱分析所得的谐波含量；

图9为位置方波信号第二个上升沿出现位置较正常情况提前10％个周期的高电平故障情况示意图；

图10为图9的高电平故障情况下位置方波信号经傅里叶频谱分析所得的谐波含量；

图11为电机每转过1°进行一次傅里叶频谱分析示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，包括以下步骤：

1)通过若干路的位置传感器检测开关磁阻电机转子位置方波信号，对检测到的方波信号进行方波周期内傅里叶频谱分析，获得谐波含量；判断方波周期内的傅里叶频谱分析所得到的谐波含量中二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号正常；

2)对每一路位置传感器检测到的方波信号在开关磁阻电机每个电周期内每隔1°机械角度选取一个点作为周期起点进行分析周期内傅里叶频谱分析，分别检测每个分析周期内的傅里叶频谱分析所得到的二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号正常；

3)根据步骤1)和步骤2)诊断出每一路位置传感器输出的位置方波信号均正常时，利用方波信号计算转子转速，并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计算，实现位置方波信号均正常时的转子位置角实时检测；

4)根据步骤1)和步骤2)诊断出存在位置传感器输出的位置方波信号发生故障时，利用剩余的正常位置方波信号来计算转子转速并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计算，实现位置方波信号故障后的容错控制。

对于开关磁阻电机而言，以3相12/8结构开关磁阻电机为例，由于三个位置传感器信号波形一致，均为周期性变化的方波，各路信号有120°的电角度相位差。下面结合附图将针对其中一路位置传感器输出的位置方波信号发生故障的诊断方法进行详细说明：

由于正常的位置传感器信号输出的是占空比为50％的方波，如图1所示；对这个信号进行傅里叶分析，根据以下公式进行，

$v\left(\mathrm{\ω}t\right)=\frac{V}{2}+\frac{2V}{\mathrm{\π}}\[sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{3}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{5}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{7}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+...\]$

其中，v表示傅里叶频谱分析方波分解函数，V表示幅值，ω表示角速度，ωt表示转子位置角。

如图1所示正常的位置方波信号经傅里叶频谱分析得到谐波含量，如图2所示，图2中的柱状高度为各次谐波系数与基波系数的比值；可以看出其中二次谐波的系数为零。

开关磁阻电机所用位置传感器根据输出位置方波信号发生故障后的电平高低，将其故障分为两种，分别是位置信号保持为高电平的高电平故障和位置信号保持为低电平的低电平故障；然而，在不同的时刻发生(在低电平段发生还是在高电平段发生)的高电平故障或低电平故障会产生不同的影响。

如图3所示的位置传感器低电平故障类型1示意图，可以看出位置方波信号第二个下降沿提前出现，此后位置信号输出电平始终维持低电平状态。

如图4所示的位置传感器低电平故障类型2示意图，可以看出位置方波信号的第二个上升沿不再出现，当第一个下降沿到达之后，位置信号输出电平始终位置低电平状态。

如图5所示的位置传感器高电平故障类型1示意图，表示位置方波信号的第二个上升沿提前出现，且此后位置信号输出电平始终维持高电平状态。

如图6所示的位置传感器高电平故障类型2示意图，表示位置方波信号的第二个上升沿正常到达，但此后位置信号输出电平始终维持高电平状态。

当位置方波信号发生故障时，不论是低电平故障还是高电平故障，波形将发生畸变，如图3、4、5、6所示，对应的二次谐波系数不再为零。

以最接近正常情况下的低电平故障情况为例，如图7所示，第二个下降沿出现位置较正常情况提前10％个周期，此时傅里叶频谱分析所得到的谐波含量如图8所示；可以看出，其中二次谐波含量不为零，其二次谐波系数与基波系数的比为30％左右。如图9所示，第二个上升沿出现位置较正常情况提前10％个周期，此后保持高电平信号，此时傅里叶频谱分析所得到的谐波含量如图10所示；其中二次谐波含量不为零，且二次谐波系数与基波系数的比亦为30％。

由此可以看出，尽管占空比变化不大，但是二次谐波系数与基波系数的比值变化非常明显，因此可以通过判断二次谐波系数是否为零来诊断位置传感器是否发生故障。

由于进行傅里叶频谱分析只需考虑一个周期内的信号波形，而由于方波信号的特殊性，以不同时刻作为周期起点得到的矩形波其占空比是相同的，即傅里叶分解相同，二次谐波系数相同。因此一般可以固定以每个上升沿或者下降沿作为起点，来对下一个周期内的信号进行傅里叶频谱分析。但是若仅以一个固定点作为周期起点，会存在一些问题。如图7和图9所示，若以上升沿作为周期起点；由于要等一个周期结束才能进行傅里叶频谱分析，因此图9中诊断出故障的时刻要比实际故障时刻延后了10％T的时间，而图7中诊断出故障的时刻要比实际故障时刻延后了60％的时间。所以得出故障发生后没有及时诊断出来，故障边沿已经将转子角度错误地定位，同时转速计算将受到影响。

为使得上述诊断方法能够及时诊断出故障，则需要以多个时刻作为周期起点进行傅里叶频谱分析，一旦某个周期内的傅里叶分析得到的二次谐波系数不为零，即可认为发生了故障。若位置信号是正常的方波，则不同周期内的傅里叶分解结果是相同的，因此不会对正常信号造成误判。

以3相12/8结构开关磁阻电机为例，其定转子相对位置变化的周期为45°；取45°内每隔1°作为周期起点，即1°、2°、…、45°均作为周期起点而形成45个分析周期，在这45个分析周期内进行傅里叶频谱分析，得到45个二次谐波系数；若一旦其中某个分析周期内二次谐波系数不为零，说明该位置传感器发生了故障。

如图11所示，对第1、2、…、45个分析周期内分别进行傅里叶频谱分析，当错误的边沿到来时，在第k个分析周期内得到的占空比仍为50％，即二次谐波仍为零，但是在k+1个分析周期，占空比不再为50％，二次谐波不为零，即可及时判断出位置方波信号发生故障。对于所有的故障情况，均可以用这种方法诊断出来。本方法无需综合利用三相传感器信号，具备各相位置传感器信号的独立诊断能力。

实现位置方波信号故障诊断之后，若以A路位置传感器信号为基准，即令A路位置传感器信号上升沿为0°，下降沿为22.5°，则周期为45°。由于三路位置传感器安装的对称性，使得B路位置信号上升沿对应7.5度，下降沿对应30°，C路位置信号上升沿对应15°，下降沿对应37.5°。实际运行中即可通过每相的上升沿或下降沿对角度共六个进行定位，并取三路位置传感器信号周期的平均值来计算转速。通过转速即可计算出实时转子位置角，再根据每相导通角度，确定每相导通区间。若一路位置方波信号发生故障时，转速可以由剩下两路正常位置方波信号的周期平均值来计算；若两路位置传感器发生故障，转速可以由剩下一路正常位置方波信号的周期来计算，从而实现对转速计算的容错。故障位置传感器不再产生跳变沿，无法对其中某些角度进行定位，但是通过转速计算的角度仍在误差范围内，因此，对系统不会有影响，从而实现一路或两路位置传感器输出方波信号故障模式下的容错控制。

本发明的创新点在于，通过对开关磁阻电机位置传感器输出的位置方波信号进行傅里叶频谱分析，利用二次谐波系数是否为零的特征来实时诊断位置方波信号是否发生故障，实现实时故障监测和诊断；并结合位置方波信号故障后的位置信号容错控制方法，实现位置方波信号故障后的容错控制，提升开关磁阻电机驱动系统的可靠性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过若干路的位置传感器检测开关磁阻电机转子位置方波信号，对检测到的方波信号进行方波周期内傅里叶频谱分析，获得谐波含量；判断方波周期内的傅里叶频谱分析所得到的谐波含量中二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号正常；

2)对每一路位置传感器检测到的方波信号在开关磁阻电机每个电周期内每隔1°机械角度选取一个点作为周期起点进行分析周期内傅里叶频谱分析，分别检测每个分析周期内的傅里叶频谱分析所得到的二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传感器输出的位置方波信号正常；

3)根据步骤1)和步骤2)诊断出每一路位置传感器输出的位置方波信号均正常时，利用方波信号计算转子转速，并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计算，实现位置方波信号均正常时的转子位置角实时检测；

4)根据步骤1)和步骤2)诊断出存在位置传感器输出的位置方波信号发生故障时，利用剩余的正常位置方波信号来计算转子转速并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计算，实现位置方波信号故障后的容错控制。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，其特征在于：所述步骤1)和步骤2)的傅里叶频谱分析均根据以下公式进行，

$v\left(\mathrm{\ω}t\right)=\frac{V}{2}+\frac{2V}{\mathrm{\π}}\[\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{3}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{5}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+\frac{1}{7}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)+...\]$

其中，v表示傅里叶频谱分析方波分解函数，V表示幅值，ω表示角速度，ωt表示转子位置角。

3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，其特征在于：所述开关磁阻电机采用3相12/8结构，其定转子相对位置变化的电周期为45°，取45°内每隔1°作为周期起点，即1°、2°、…、45°均作为周期起点而形成45个分析周期，对方波信号在45个分析周期内进行傅里叶频谱分析，得到45个二次谐波系数；若某一个分析周期内的二次谐波系数不为零，则诊断该路位置传感器发生了故障。