CN106483459A - 电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，该方法根据小波变换和支持向量机系统相融合的方法进行永磁同步电机的故障诊断以及电机发生故障时确定故障严重程度。通过在任意一相串联故障电阻设置故障相，并采集电机定子三相绕组电流信号，利用小波降噪的方法首先处理采集到的电流信号，对处理过后的电流信号提取信号的特征量，再把提取到的特征量作为支持向量机系统的输入，设置支持向量机系统的输出，最后诊断永磁同步的电机定子不对称故障，并确定定子不对称故障的严重程度。本发明电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法诊断结果准确有效，诊断精确度高，可操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，属于驱动电机状态检测与故障诊断技术领域。
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；与传统的电励磁电机相比，永磁同步电机因其高效率、重量轻、体积小、结构紧凑、工作可靠及噪音低等特性，符合电动汽车驱动电机的最佳应用指标，是电动汽车驱动电机的最佳选择，不仅如此，其应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、军事工业、汽车行业、工农业生产和日常生活的各个领域。
电动汽车驱动用永磁同步电机是一种新型电机，其运行环境复杂、频繁起动、加速和减速、紧急制动、连续高速运转以及颠簸震动等，这些都不利于电机的安全运行，均有可能诱发驱动电机出现定子短路故障、转子偏心故障、转子轴承故障等，严重影响驱动电机运行的可靠性和安全性；另外由于转子永磁体代替了转子上的励磁绕组，因此转子失磁故障是永磁同步电机特有故障类型；如果电动汽车驱动电机中的故障不能被及时发现和处理，故障将会进一步扩大而有可能导致驱动电机停机，影响车辆的正常运行和危机驾乘人员的生命安全。
而在以前的文献中，对电动汽车永磁同步电机故障诊断的研究更多的是专注于永磁同步电机发生最频繁的故障定子绕组匝间短路故障和永磁同步电机特有的故障永磁体失磁故障的研究，从而忽略了永磁同步电机定子不对称故障的研究；实际上，电动汽车驱动用永磁同步电机运行环境复杂、操作频繁，定子不对称故障同样是永磁同步电机较为常见的故障；定子绕组的绝缘受损、定子绕组短路(包括匝间、股间、相间等各种短路)、铁芯短路等故障均会引起定子不对称运行；另外电机负荷不对称、供电电源不对称以及供电电源发生短路故障等也是导致电机不对称运行的原因；因此，当发生定子不对称故障时及时诊断出故障对电动汽车的安全性同样显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，该方法诊断结果非常接近真实值，诊断结果有效，诊断精确度高，可操作性强，对多种原因引起的定子不对称故障均可进行诊断。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，包括如下步骤：
步骤1，设置电动汽车永磁同步电机定子不对称故障，并采集永磁同步电机故障相与其他两相的定子绕组电流信号，观察故障相与其他两相电流信号的差别；
步骤2，对采集到的永磁同步电机故障相与其他两相的定子绕组电流信号进行降噪处理；
步骤3，对降噪处理后的永磁同步电机故障相与其他两相的定子绕组电流信号进行小波分析，提取电流信号特征量；
步骤4，将提取的电流信号特征量作为支持向量机系统的输入，对支持向量机系统进行训练和测试；
步骤5，利用完成训练和测试的支持向量机系统诊断永磁同步电机的定子不对称故障，并判断不对称故障的程度。
作为本发明的一种优选方案，步骤1所述设置电动汽车永磁同步电机定子不对称故障的具体步骤为：
11)在永磁同步电机三相绕组中任意一相的电阻上串联一故障电阻形成故障相；
12)通过改变故障电阻的大小模拟永磁同步电机不同程度的定子不对称故障，分别设定故障电阻的大小为与之串联的电阻的0.1倍、0.2倍和0.3倍。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤3的具体步骤为：选择SymletsA(symN)小波函数，对原始信号进行3层分解，采用shannon标准，寻求信号的最优小波包树，通过Birge-Massart策略计算最佳小波包基的节点分解系数的阈值，通过小波包提取永磁同步电机故障相与其他两相定子绕组电流信号特征量。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤4的具体步骤为：
41)将提取的电流信号特征量分为两部分：一部分为训练样本，另一部分为测试样本；
42)选取多项式核函数K(x,xi)＝[(x·xi)+1]q作为支持向量机系统的核函数，其中，K(·)为核函数，x为待分类样本，xi为训练样本，q＝2，惩罚参数为1，置信水平为0.9；
43)支持向量机系统以永磁同步电机的输出状态为输出值，分为正常、轻微故障、中度故障和严重故障。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤5的具体步骤为：提取永磁同步电机三相定子绕组电流的特征量，并输入训练好的支持向量机系统，根据支持向量机系统的输出状态，判断永磁同步电机定子是否故障，并判断永磁同步电机的故障程度。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明在永磁同步电机运行状态下，根据小波变换和支持向量机系统相融合的方法进行永磁同步电机的故障诊断以及电机发生故障时确定故障严重程度；不需要改变永磁同步电机的运行方式和结构，不影响系统运行，诊断结果可靠性强。
2、本发明故障诊断方法适用范围广，不同原因引起的定子不对称故障均可使用。
3、本发明故障诊断方法在永磁同步电机发生故障时能够准确诊断出故障并确定故障严重程度，增加了驱动电机的运行可靠性，确保电动汽车的运行安全性。
附图说明
图1是本发明中永磁同步电机定子不对称故障外电路模型图。
图2是本发明中永磁同步电机定子不对称故障诊断系统图。
图3是本发明中小波信号分解示意图。
图4是本发明电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法的流程图。
图5是本发明中支持向量机映射示意图，其中，(a)为映射前，(b)为映射后。
图6是本发明中非线性支持向量机的分类拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明中首先采集了电机三相绕组的定子电流，在利用小波变换的方法对采集的电流信号进行降噪处理以及提取特征量，最后将提取的特征量作为支持向量机系统的输入诊断电机定子不对称故障并判断故障严重程度。
以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。
电动汽车永磁同步电机定子不对称故障是通过串联故障电阻设置永磁同步电机三相绕组的其中一相为故障相实现的，如图1所示，本发明实施例中选择C相。串联的故障电阻Rf，C相电阻Rc，分别设定故障电阻为C相电阻的0.1倍、0.2倍和0.3倍；通过改变串联的故障电阻的大小模拟永磁同步电机不同程度的定子不对称故障。
图2和图4给出了电机定子不对称故障诊断系统图和系统故障诊断流程图，能够详细说明永磁同步电机定子不对称故障诊断方法的流程。
对采集到的永磁同步电机三相定子绕组电流进行降噪处理，处理后的电流需要满足条件需求；小波信号分解如图3所示：选择SymletsA(symN)小波函数，对原始信号进行3层分解；采用shannon标准，寻求信号的最优小波包树；通过Birge-Massart策略计算最佳小波包基的节点分解系数的阈值；对处理后的永磁同步电机三相定子绕组电流提取特征量。
将提取的电流故障特征量作为支持向量机系统的输入，训练、测试支持向量机系统。提取的电流特征量分为两部分：一部分为训练样本，供支持向量机系统训练使用；另一部分为测试样本，检测训练好的支持向量机系统是否满足要求。支持向量机系统选取核函数为多项式核函数K(x,xi)＝[(x·xi)+1]q，其中K(·)为核函数、x为待分类样本、xi为训练样本、q＝2，惩罚参数C＝1，置信水平λ＝0.9；支持向量机映射示意图如图5所示，其中(a)表示映射前，(b)表示映射后。如图6所示，为非线性支持向量机的分类拓扑结构示意图。支持向量机系统以电机的输出状态为输出值，分为正常、轻微故障、中度故障和严重故障。
提取电机三相绕组电流信号的特征量输入训练好的支持向量机系统，利用完成训练和测试的支持向量机系统诊断永磁同步电机故障，并判断不对称故障程度。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，设置电动汽车永磁同步电机定子不对称故障，并采集永磁同步电机故障相与其他两相的定子绕组电流信号，观察故障相与其他两相电流信号的差别；
步骤2，对采集到的永磁同步电机故障相与其他两相的定子绕组电流信号进行降噪处理；
步骤3，对降噪处理后的永磁同步电机故障相与其他两相的定子绕组电流信号进行小波分析，提取电流信号特征量；
步骤4，将提取的电流信号特征量作为支持向量机系统的输入，对支持向量机系统进行训练和测试；
步骤5，利用完成训练和测试的支持向量机系统诊断永磁同步电机的定子不对称故障，并判断不对称故障的程度。
2.根据权利要求1所述电动汽车永磁同步电机定子不对称故障诊断方法，其特征在于，步骤1所述设置电动汽车永磁同步电机定子不对称故障的具体步骤为：
11)在永磁同步电机三相绕组中任意一相的电阻上串联一故障电阻形成故障相；
12)通过改变故障电阻的大小模拟永磁同步电机不同程度的定子不对称故障，分别设定故障电阻的大小为与之串联的电阻的0.1倍、0.2倍和0.3倍。
3.根据权利要求1所述电动汽车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3的具体步骤为：选择SymletsA(symN)小波函数，对原始信号进行3层分解，采用shannon标准，寻求信号的最优小波包树，通过Birge-Massart策略计算最佳小波包基的节点分解系数的阈值，通过小波包提取永磁同步电机故障相与其他两相定子绕组电流信号特征量。
4.根据权利要求1所述电动汽车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的具体步骤为：
41)将提取的电流信号特征量分为两部分：一部分为训练样本，另一部分为测试样本；
42)选取多项式核函数K(x,xi)＝[(x·xi)+1]q作为支持向量机系统的核函数，其中，K(·)为核函数，x为待分类样本，xi为训练样本，q＝2，惩罚参数为1，置信水平为0.9；
43)支持向量机系统以永磁同步电机的输出状态为输出值，分为正常、轻微故障、中度故障和严重故障。
5.根据权利要求1所述电动汽车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5的具体步骤为：提取永磁同步电机三相定子绕组电流的特征量，并输入训练好的支持向量机系统，根据支持向量机系统的输出状态，判断永磁同步电机定子是否故障，并判断永磁同步电机的故障程度。
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