CN106998164A - 一种永磁同步电机故障诊断与容错控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机故障诊断与容错控制系统及方法，该方法适用于电机中‑高速运行阶段。在永磁同步电机场定向控制（FOC）中，需要转子的位置和速度信息、直流母线电压、两个或三个电流传感器。本发明基于电机转速和电阻辨识的模型参考自适应系统（MRAS）观测器，估计的转子速度和电阻被送入决策单元，以此来识别电机位置传感器是否发生故障、电枢绕组元件开路和匝间短路故障，本发明能够判断电机相电流传感器是否发生故障以及故障位置以及位置传感器的故障状态，在位置传感器发生故障时，控制系统自动切换到无速度传感器矢量控制，具有一定的容错能力，在某些特定的应用场合，能够保证电机继续正常运转。

Description

一种永磁同步电机故障诊断与容错控制系统及方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机(PMSM)技术领域，具体涉及一种永磁同步电机故障诊断与容错控制系统及方法，适用于具有位置传感器反馈的永磁同步电机控制系统。

背景技术

永磁同步电机由于具有高功率密度、结构紧凑、体积小、运行可靠等优点，被广泛应用于各种场合。在永磁同步电机场定向控制(FOC)中，通常需要直流母线电压、电机电枢电流以及转子位置信息，检测其状态，对电机的正常运行至关重要。通常永磁同步电机需要安装获取转子位置的位置传感器，一般为光电编码器；然而在某些恶劣的环境下，光电编码器容易失效，不能正确给出转子的位置信息，FOC控制无法正常进行，为了保证控制系统的可靠性，需要设计相应的容错控制系统，使得位置传感器即使失效的情况下，电机也能运行正常。

永磁同步电机无位置传感器矢量控制通常由观测器估算出转子位置而不需要位置传感器，因此具有低成本和高可靠性的优点，但是由于低速时，电机的反电势以及电流都非常小，观测器难以准确估计出转子的位置信息。而在电机中-高速运行时，无速度传感器矢量控制能够达到良好的运行状态。因此，在电机中-高速运行时，当位置传感器发生故障，系统切换到无速度传感器矢量控制，也能使电机正常运行。

发明内容

本发明目的在于提出一种永磁同步电机故障诊断和容错控制系统及方法，主要是在线监测直流母线电压、相电流、电枢元件是否开路、位置传感器故障，以及当位置传感器发生故障时，具有一定的容错控制能力，电机切换到无速度传感器矢量控制，使电机继续正常运行。

为了达到上述目的，本发明的系统所采用的解决方案是：一种永磁同步电机故障诊断与容错控制系统，其特征在于：包括MRAS观测器、决策单元、位置传感器故障检测单元、容错控制单元、永磁同步电机(PMSM)、PWM逆变器、控制器；

所述MRAS观测器用于根据已知量通过算法来估计未知量，输入为PMSM的dq轴电压和电流，输出为PMSM的估计转速和估计电阻；

所述决策单元用于接收MRAS观测器的估计电阻、电流传感器信号，根据MRAS观测器的反馈信号以及电流电压信号来判断永磁同步电机的故障情况；

所述位置传感器故障检测单元用于接收来自MRAS观测器的估计转速信号和位置传感器的反馈信号，根据MRAS观测器的估计转速来判断PMSM位置传感器是否发生故障；

所述容错控制单元用于接收位置传感器故障检测单元的信息，判断是否发生位置传感器故障；当PMSM的位置传感器发生故障，不能提供场定向控制(FOC)所需的位置和转速信号时，PMSM根据MRAS观测器反馈的速度信号，继续正常运行。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种永磁同步电机故障诊断与容错控制方法，其特征在于：包括永磁同步电机故障诊断方法和永磁同步电机容错控制方法；

所述永磁同步电机故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：在电机中-高速运行阶段，运行MRAS观测器(100)；

步骤2：计算电流指数I_aindex和I_bindex，其中I_aindex和I_bingdex分别表示A相和B相的电流指数；

步骤3：在决策单元(101)做任何决策之前，等待T秒；

步骤4：设定一阈值m_i，判断|I_aindex>m_i|或|I_bindex>m_i|是否成立；

若是，则执行下述步骤5；

若否，则执行下述步骤8；

步骤5：设定一阈值m_ω，判断|ω-ω_est|<m_ω是否成立，其中ω电机的实际转速，ω_est为电机的估计转速；

若是，则判断电机位置传感器发生故障，并赋值ω_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤6；

其中ω_Flag表示表示位置传感器故障标志位，若为1，则说明位置传感器发生故障，为0，表示没有发生故障；

步骤6：定一阈值m₀，判断电机的电阻R_est>m₀是否成立；

若是，则判断电机发生电枢元件开路故障，并赋值Open_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤7；

其中Open_Flag表示开路故障标志位，为1表示发生开路故障，为0，表示未发生故障。

步骤7：判断>max()是否成立；

若是，则判断判断电机发生匝间短路故障，并赋值Short_Flag＝1，本流程结束；

若否，则判断电机未发生短路故障，本流程结束；

其中表示第j(j＝A,B,C)相测得的电流值；Short_Flag表示电机短路故障标志位，为1，表示电机发生短路故障，为0，表示电机未发生短路故障；

步骤8：设定一阈值m_v，判断||I_aindex|-|I_bindex||<m_v是否成立；

若是，则判断电机发生直流母线传感器故障，并赋值Vdc_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤9；

其中Vdc_Flag表示直流母线传感器故障标志位，若为1，则发生直流母线传感器故障，若为0，则表示未发生故障；

步骤9：判断|I_aindex|<|I_bindex|是否成立；

若是，则判断电机B相传感器发生故障，并赋值Ib_Flag＝1，本流程结束；

若否，则判断电机A相传感器发生故障，并赋值Ia_Flag＝1，本流程结束；

其中Ib_Flag表示B相传感器故障标志位，若为1，表示B相传感器发生故障，若为0，表示未发生故障；Ia_Flag表示A相传感器故障标志位，若为1，发生A相传感器，为0，表示未发生故障；

所述永磁同步电机容错控制方法，当电机位置传感器发生故障时，即ω_Flag＝1，电机自动切换到基于MRAS观测器的无速度传感器矢量控制，维持电机继续正常运行。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种永磁同步电机故障检测和容错控制系统及方法，基于位置传感器故障的容错控制方法综合了有位置传感器在低-中-高速运行的高效性和无速度传感器矢量控制方案在位置传感器故障时仍能维持电机正常运行的优点。本发明能够有效准确判断电机的故障情况，在位置传感器发生故障时，采用容错控制方法，维持电机正常运转。

附图说明

图1本发明实施例中永磁同步电机故障检测与容错控制系统总体结构图；

图2本发明实施例中无位置传感器MRAS观测器的结构示意图；

图3本发明实施例中永磁同步电机故障诊断流程图；

图4本发明实施例中永磁同步电机容错控制系统结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种永磁同步电机故障诊断与容错控制系统，包括MRAS观测器100、决策单元101、位置传感器故障检测单元、容错控制单元102、永磁同步电机(PMSM)、PWM逆变器、控制器；

MRAS观测器100用于根据已知量通过算法来估计未知量，输入为PMSM的dq轴电压和电流，输出为PMSM的估计转速和估计电阻；

决策单元101用于接收MRAS观测器100的估计电阻、电流传感器信号，根据MRAS观测器100的反馈信号以及电流电压信号来判断PMSM的故障情况；

位置传感器故障检测单元用于接收来自MRAS观测器100的估计转速信号和位置传感器的反馈信息，根据MRAS观测器100的估计转速来判断PMSM是否发生故障；

容错控制单元102用于接收位置传感器故障检测单元的信息，判断是否发生位置传感器故障；当PMSM的位置传感器发生故障，不能提供场定向控制(FOC)所需的位置和转速信息时，PMSM根据MRAS观测器100反馈的速度信息，继续正常运行。

请见图2，本实施例的MRAS观测器100由参考模型模块103、可调模型模块104和自适应算法模块105组成；

参考模型模块103用于为永磁同步电机构建在旋转坐标系下的定子磁链数学模型，如下：

可调模型模块104用于为参数构建可调的磁链估算模型，如下：

式中：u_d、u_q表示定子d、q轴电压，R、L表示定子电感和电阻，ω、表示转子角速度和估计角速度，ψ_f表示永磁体磁链，表示定子d、q轴的估计磁链；

自适应算法模块105用于生成自适应算法；由Popov超稳定理论和模型参考自适应律的普遍结构，可得自适应算法如下：

转速辨识算法

电阻辨识算法

MRAS观测器的输入为d、q轴电压、电流，输出为估计电阻和估计转速。

请见图3，本发明提供了一种永磁同步电机故障诊断方法、位置传感器故障诊断方法与容错控制方法，本方法基于模型参考自适应系统(MRAS)观测器检测永磁同步电机位置传感器的故障状态，容错控制系统根据位置传感器的故障状态对电机进行容错控制，维持电机正常运转。

通常，永磁同步电机常用的控制方法为场定向控制(FOC)，需要位置传感器提供的位置和速度信息，电机能够在低-中-高速运行；而基于观测器的无速度传感器矢量控制虽不需要专门的位置传感器，但在低速和停止时控制效果不佳，本发明主要针对电机中-高速运行时位置传感器故障问题，提出了一种容错控制方法，同时提出了一种电机故障诊断方法，能在线实时监测电机的运行状态。

本发明提供的一种永磁同步电机故障诊断与容错控制方法，包括永磁同步电机故障诊断方法和永磁同步电机容错控制方法；

永磁同步电机故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：在电机中-高速运行阶段，运行MRAS观测器100；

步骤2：计算电流指数I_aindex和I_bindex，其中I_aindex和I_bindex分别表示A相和B相的电流指数；

步骤3：在决策单元101做任何决策之前，等待T秒；

其中T包含电机上电时间，控制系统上电时间，以及软件启动时间等；T与控制器的处理速度，电机的性能等因素都有很大的关系，实际中可根据经验或者实验得到。

步骤4：设定一阈值m_i，判断|I_aindex>m_i|或|I_bindex>m_i|是否成立；

若是，则执行下述步骤5；

若否，则执行下述步骤8；

步骤5：设定一阈值m_ω，判断|ω-ω_est|<m_ω是否成立，其中ω电机的实际转速，ω_est为电机的估计转速；

若是，则判断电机位置传感器发生故障，并赋值ω_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤6；

其中ω_Flag表示表示位置传感器故障标志位，若为1，则说明位置传感器发生故障，为0，表示没有发生故障；

步骤6：定一阈值m₀，判断电机的电阻R_est>m₀是否成立；

若是，则判断电机发生电枢元件开路故障，并赋值Open_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤7；

其中Open_Flag表示开路故障标志位，为1表示发生开路故障，为0，表示未发生故障。

步骤7：判断I_j>max(I_j)是否成立；

若是，则判断判断电机发生匝间短路故障，并赋值Short_Flag＝1，本流程结束；

若否，则判断电机未发生短路故障；

其中I_j表示第j相测得的电流，j＝A,B,C值；Short_Flag表示电机短路故障标志位，为1，表示电机发生短路故障，为0，表示电机未发生短路故障；

步骤8：设定一阈值m_v，判断||I_aindex|-|I_bindex||<m_v是否成立；

若是，则判断电机发生直流母线传感器故障，并赋值Vdc_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤9；

其中Vdc_Flag表示直流母线传感器故障标志位，若为1，则发生直流母线传感器故障，若为0，则表示未发生故障；

步骤9：判断|I_aindex|<|I_bindex|是否成立；

若是，则判断电机B相传感器发生故障，并赋值Ib_Flag＝1，本流程结束；

若否，则判断电机A相传感器发生故障，并赋值Ia_Flag＝1，本流程结束；

其中Ib_Flag表示B相传感器故障标志位，若为1，表示B相传感器发生故障，若为0，表示未发生故障；Ia_Flag表示A相传感器故障标志位，若为1，发生A相传感器，为0，表示未发生故障；

永磁同步电机容错控制方法，当电机位置传感器发生故障时，即ω_Flag＝1，电机自动切换到基于MRAS观测器的无速度传感器矢量控制，维持电机继续正常运行。

本实施例中涉及到的阀值，不同的电机工作时参数各不一样，因此可以根据操纵者的经验或者试验得到。

本发明所提出的容错控制模块结构示意图如图4所示。场定向控制(FOC)技术已有相关资料介绍，这里不再详述。

本实施例中只考虑一个电流传感器失效的情形，实际中两个电流传感器同时失效的可能性非常低，本发明暂不考虑两个电流传感器同时失效的情形。关于电流传感器故障检测最常用的方法是，根据基尔霍夫电流定律，三个相电流的和为零，若为非零，则发生电流传感器故障，此简单方法的缺点：在永磁同步电机场定向控制(FOC)中通常只需要两个传感器，此外此种方法还不能判断故障传感器的位置。

本发明所提出的永磁同步电机故障检测方法能在线实时检测电机的运行状态。

本发明的控制系统在位置传感器无故障时，低速时采用位置传感器反馈，克服了完全只采用无速度传感器矢量控制方法在低速时失效的缺点。

本发明利用位置传感器反馈的FOC控制能够使电机在低-中-高速运行，而基于观测器的无速度传感器矢量控制则在低速和停止时无作用，本发明中的容错控制系统在位置传感器正常时不起作用。

本发明能够有效监测永磁同步电机的运行状态，在位置传感器发生故障时，采用容错控制方法，维持电机继续正常运转，能够解决突发性的位置传感器故障造成的不安全性及其他损害。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机故障诊断与容错控制系统，其特征在于：包括MRAS观测器(100)、决策单元(101)、位置传感器故障检测单元、容错控制单元(102)、PMSM、PWM逆变器、控制器；

所述MRAS观测器(100)用于根据已知量通过算法来估计未知量，输入为PMSM的dq轴电压和电流，输出为PMSM的估计转速和估计电阻；

所述决策单元(101)用于接收MRAS观测器(100)的估计电阻、电流传感器信号，根据MRAS观测器(100)的反馈信号以及电流电压信号来判断PMSM的故障情况；

所述位置传感器故障检测单元用于接收来自MRAS观测器(100)的估计转速信号和位置传感器的反馈信号，根据MRAS观测器(100)的估计转速来判断PMSM是否发生位置传感器故障；

所述容错控制单元(102)用于接收位置传感器故障检测单元的信息，判断是否发生位置传感器故障；当PMSM的位置传感器发生故障，不能提供场定向控制所需的位置和转速信号时，PMSM根据MRAS观测器(100)反馈的速度信号，继续正常运行。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机故障诊断与容错控制系统，其特征在于：所述MRAS观测器(100)由参考模型模块(103)、可调模型模块(104)和自适应算法模块(105)组成；

所述参考模型模块(103)用于为永磁同步电机构建在旋转坐标系下的定子磁链数学模型，所述可调模型模块(104)用于为参数构建可调的磁链估算模型，所述自适应算法模块(105)用于生成自适应算法。

3.一种永磁同步电机故障诊断与容错控制方法，其特征在于：包括永磁同步电机故障诊断方法和永磁同步电机容错控制方法；

所述永磁同步电机故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：在电机中-高速运行阶段，运行MRAS观测器(100)；

步骤2：计算电流指数I_aindex和I_bindex，其中I_aindex和I_bindex分别表示A相和B相的电流指数；

步骤3：在决策单元(101)做任何决策之前，等待T秒；

步骤4：设定一阈值m_i，判断|I_aindex＞m_i|或|I_bindex＞m_i|是否成立；

若是，则执行下述步骤5；

若否，则执行下述步骤8；

步骤5：设定一阈值m_ω，判断|ω-ω_est|＜m_ω是否成立，其中ω电机的实际转速，ω_est为电机的估计转速；

若是，则判断电机位置传感器发生故障，并赋值ω_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤6；

其中ω_Flag表示表示位置传感器故障标志位，若为1，则说明位置传感器发生故障，为0，表示没有发生故障；

步骤6：定一阈值m_o，判断电机的电阻R_est＞m_o是否成立；

若是，则判断电机发生电枢元件开路故障，并赋值Open_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤7；

其中Open_Flag表示开路故障标志位，为1表示发生开路故障，为0，表示未发生故障；

步骤7：判断I_j＞max(I_j)是否成立；

若是，则判断判断电机发生匝间短路故障，并赋值Short_Flag＝1，本流程结束；

若否，则判断电机未发生短路故障，本流程结束；

其中I_j表示第j相测得的电流值，j＝A、B、C；Short_Flag表示电机短路故障标志位，为1，表示电机发生短路故障，为0，表示电机未发生短路故障；

步骤8：设定一阈值m_v，判断||I_aindex|-|I_bindex||＜m_v是否成立；

若是，则判断电机发生直流母线传感器故障，并赋值Vdc_Flag＝1，本流程结束；

若否，则执行下述步骤9；

其中Vdc_Flag表示直流母线传感器故障标志位，若为1，则发生直流母线传感器故障，若为0，则表示未发生故障；

步骤9：判断|I_aindex|＜|I_bindex|是否成立；

若是，则判断电机B相传感器发生故障，并赋值Ib_Flag＝1，本流程结束；

若否，则判断电机A相传感器发生故障，并赋值Ia_Flag＝1，本流程结束；

其中Ib_Flag表示B相传感器故障标志位，若为1，表示B相传感器发生故障，若为0，表示未发生故障；Ia_Flag表示A相传感器故障标志位，若为1，发生A相传感器，为0，表示未发生故障；

所述永磁同步电机容错控制方法，当电机位置传感器发生故障时，即ω_Flag＝1，电机自动切换到基于MRAS观测器的无速度传感器矢量控制，维持电机继续正常运行。