CN107450041B - 用于同步电机的电流传感器故障诊断方法、装置及变频器 - Google Patents
用于同步电机的电流传感器故障诊断方法、装置及变频器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于同步电机的电流传感器故障诊断方法、装置及变频器。其中用于同步电机的电流传感器故障诊断方法包括：获取同步电机电流的采样值；根据同步电机的电流状态方程建立伦伯格观测器模型，通过所述伦伯格观测器得出电流的观测值；在所述观测值和所述采样值的偏差超过预定的差值阈值时，判断电流传感器产生故障。本发明提供的技术方案能够及时准确地诊断出电流传感器的故障，便于工作人员进行故障排除，提高了系统运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种用于同步电机的电流传感器故障诊断方法、装置及变频器。
背景技术
变频器采用矢量控制时，通常需要用到电流传感器。传感器是非常精密并且易受干扰的设备，在工厂环境中由于受到噪声、震动和浪涌电压及冲击电流等因素而导致传感器性能退化，发生故障和失效，进而影响系统正常运行。据统计，在自动化系统中由于传感器发生故障而产生的误报警数占到整个故障的一半左右。可见对传感器进行故障诊断是非常必要的。而在现有技术中，电流传感器发生故障是不易检测的，工作人员进行故障排除时也比较困难，导致系统运行的可靠性较差。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种用于同步电机的电流传感器故障诊断方法、装置及变频器，以解决电流传感器发生故障不易检测、系统运行可靠性差的问题。
本发明一方面提供了一种用于同步电机的电流传感器故障诊断方法，包括：获取同步电机电流的采样值；根据同步电机的电流状态方程建立伦伯格观测器模型，通过所述伦伯格观测器得出电流的观测值；在所述观测值和所述采样值的偏差超过预定的差值阈值时，判断电流传感器产生故障。
可选地，还包括：在所述电流状态方程中引入电压补偿项，用以修正电压误差，得到修正后的电流状态方程，根据所述修正后的电流状态方程建立伦伯格观测器模型。
可选地，还包括：将所述伦伯格观测器模型进行离散化处理，得到离散化处理后的伦伯格观测器模型，通过所述离散化处理后的伦伯格观测器模型得出电流的观测值。
可选地，所述获取同步电机电流的采样值，还包括：对同步电机的三相电流进行采样；根据所述采样得到的同步电机的三相电流经过坐标变换得到同步电机的交轴电流和直轴电流，将所述变换得到的同步电机的交轴电流和直轴电流作为同步电机电流的采样值。
可选地，还包括：在判断电流传感器产生故障之后生成故障信号和/或显示故障信息。
本发明的另一方面又提供了一种用于同步电机的电流传感器故障诊断装置，包括：采样单元，用于获取同步电机电流的采样值；观测单元，用于根据同步电机的电流状态方程建立伦伯格观测器模型，通过所述伦伯格观测器得出电流的观测值；故障诊断单元，用于在所述观测值和所述采样值的偏差超过预定的差值阈值时，判断电流传感器产生故障。
可选地，所述观测单元还用于：在所述电流状态方程中引入电压补偿项，用以修正电压误差，得到修正后的电流状态方程，根据所述修正后的电流状态方程建立伦伯格观测器模型。
可选地，所述观测单元还用于：将所述伦伯格观测器模型进行离散化处理，得到离散化处理后的伦伯格观测器模型，通过所述离散化处理后的伦伯格观测器模型得出电流的观测值。
可选地，所述采样单元还用于：对同步电机的三相电流进行采样；根据所述采样得到的同步电机的三相电流经过坐标变换得到同步电机的交轴电流和直轴电流，将所述变换得到的同步电机的交轴电流和直轴电流作为同步电机电流的采样值。
可选地，所述故障诊断单元还用于：在判断电流传感器产生故障之后生成故障信号和/或显示故障信息。
本发明的又一方面又提供了一种变频器，具有上述任一项所述的装置。
本发明提供的技术方案能够及时准确地诊断出电流传感器的故障，便于工作人员进行故障排除，提高了系统运行的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明提供的用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的整体框架图；
图2是本发明提供的用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的一种优选实施例的工作流程图；
图3是本发明提供的用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的又一优选实施例的工作流程图；
图4是本发明提供的用于同步电机的电流传感器故障诊断装置的整体框架图；
图5是本发明提供的变频器的一种优选实施例的控制面板示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明一方面提供了一种用于同步电机的电流传感器故障诊断方法。图1是本发明提供的用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的整体框架图。如图1所示，本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断方法包括：步骤S110，获取同步电机电流的采样值；步骤S120，根据同步电机的电流状态方程建立伦伯格观测器模型，通过所述伦伯格观测器得出电流的观测值；步骤S130，在所述观测值和所述采样值的偏差超过预定的差值阈值时，判断电流传感器产生故障。本发明提供的技术方案通过观测器得出电流的观测值，当电流传感器正常工作时，观测值与电流采样值相近。而当传感器发生故障时，二者相差很大，由此可以判断电流传感器是否产生故障。适当设定差值阈值即可提高检测准确率。
具体地，以永磁同步电机为例，永磁同步电机的电流状态方程可以写成如下形式：
其中，idq为电机的d、q轴的电流；R为电机的定子电阻；L为电机的电感。
根据电流状态方程建立观测器模型，通过观测器得出电流的观测值。
图2是本发明提供的用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的一种优选实施例的工作流程图。如图2所示，根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的一种实施方式，还包括：执行步骤S210，在所述电流状态方程中引入电压补偿项，用以修正电压误差，得到修正后的电流状态方程。
具体地，考虑到电压误差等因素，在(1)式的基础上引入电压补偿项。其补偿项在一个周期内认为不变，得到：
其中，γ为电压补偿项；Vdq为dq轴的电机电压。
通常情况下电机会给出标称的电阻和电感，但在实际运行中，由于工况发生变化，温度上升等原因导致电机的电阻、电感和磁链发生变化，导致实际电压出现误差。通过修正误差会提高诊断的准确性。
根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的一种实施方式，还包括：在步骤S210之后，执行步骤S220，根据所述修正后的电流状态方程建立伦伯格观测器模型。
具体地，根据(2)式构造观测器模型：
其中，
为估算的d、q轴的电流状态变量；
为补偿电压状态变量；
为估算的dq轴电流；
为估算的电压补偿量；Li为观测器增益系数。
根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的一种实施方式，还包括：在步骤S220之后，执行步骤S230，将所述伦伯格观测器模型进行离散化处理，得到离散化处理后的伦伯格观测器模型，通过所述离散化处理后的伦伯格观测器模型得出电流的观测值。
具体地，将(3)式进行离散化可以得到：
其中，T为采样时间。(4)式表示观测器求解的迭代过程。由于控制系统是数字系统，不能用连续信号，因此经过离散化处理后便于数字系统的程序控制。
根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的一种实施方式，所述获取同步电机电流的采样值，还包括：对同步电机的三相电流进行采样；根据所述采样得到的同步电机的三相电流经过坐标变换得到同步电机的交轴电流和直轴电流，将所述变换得到的同步电机的交轴电流和直轴电流作为同步电机电流的采样值。
图3是本发明提供的用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的又一优选实施例的工作流程图。如图3所示，根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断方法的一种实施方式，还包括：在判断电流传感器产生故障之后生成故障信号和/或显示故障信息。基于本发明提供的技术方案，电流传感器的诊断主要是基于电机正常运行和故障运行中输出变量故障前后的变化，诊断出电流传感器是否会产生故障。若发生，则生成故障信号FLAG(旗标)，和/或将故障代码显示在控制面板上。FLAG是电脑程序中用于记录程序状态的单比特大小的标记，程序在某种状态改变的同时改变FLAG的值，并在其他操作中通过FLAG了解状态，并决定接下来的操作。
本发明的另一方面又提供了一种用于同步电机的电流传感器故障诊断装置。图4是本发明提供的用于同步电机的电流传感器故障诊断装置的整体框架图。如图4所示，本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断装置包括：采样单元100，用于获取同步电机电流的采样值；观测单元200，用于根据同步电机的电流状态方程建立伦伯格观测器模型，通过所述伦伯格观测器得出电流的观测值；故障诊断单元300，用于在所述观测值和所述采样值的偏差超过预定的差值阈值时，判断电流传感器产生故障。
根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断装置的一种实施方式，所述观测单元200还用于：在所述电流状态方程中引入电压补偿项，用以修正电压误差，得到修正后的电流状态方程，根据所述修正后的电流状态方程建立伦伯格观测器模型。
根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断装置的一种实施方式，所述观测单元200还用于：将所述伦伯格观测器模型进行离散化处理，得到离散化处理后的伦伯格观测器模型，通过所述离散化处理后的伦伯格观测器模型得出电流的观测值。
根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断装置的一种实施方式，所述采样单元100还用于：对同步电机的三相电流进行采样；根据所述采样得到的同步电机的三相电流经过坐标变换得到同步电机的交轴电流和直轴电流，将所述变换得到的同步电机的交轴电流和直轴电流作为同步电机电流的采样值。
根据本发明用于同步电机的电流传感器故障诊断装置的一种实施方式，所述故障诊断单元300还用于：在判断电流传感器产生故障之后生成故障信号和/或显示故障信息。
本发明的又一方面又提供了一种变频器，具有上述任一项所述的装置。
图5是本发明提供的变频器的一种优选实施例的控制面板示意图。如图5所示，变频器的控制面板由位于面板上部的数码管和位于面板中部和下部的按键组成。其中按键的主要功能为：MODE：主要用于模式选择和切换；SHIFT：编辑模式下可以进行闪烁单元的移位；SET：显示及储存设定值，设定值包括多段速度选择值、电机控制参数(电机的速度增益、速度积分时间常)、点动运行的加速时间、减速时间、点动运行速度等；其他两个是加减按键，用于更改设定值及功能码。
用户可以通过MODE进行模式的选择，模式包括多段速度模式、停机模式、点动模式、故障诊断模式、定长控制模式等。当选择电流传感器故障诊断模式时，通过操作面板像控制器发出电流传感器故障诊断指令。控制器接受指令后，按照图3所示的的流程进行故障诊断。如前述其诊断原理为根据故障前后的观测值与电流采样值的偏差进行故障诊断。
本发明提供的技术方案能够及时准确地诊断出电流传感器的故障，便于工作人员进行故障排除，提高了系统运行的可靠性。
本文中所描述的功能可在硬件、由处理器执行的软件、固件或其任何组合中实施。如果在由处理器执行的软件中实施，那么可将功能作为一或多个指令或代码存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体予以传输。其它实例及实施方案在本发明及所附权利要求书的范围及精神内。举例来说，归因于软件的性质，上文所描述的功能可使用由处理器、硬件、固件、硬连线或这些中的任何者的组合执行的软件实施。此外，各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为控制装置的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种用于同步电机的电流传感器故障诊断方法，其特征在于，包括：
获取同步电机电流的采样值；
根据同步电机的电流状态方程建立伦伯格观测器模型，通过所述伦伯格观测器得出电流的观测值；
在所述观测值和所述采样值的偏差超过预定的差值阈值时，判断电流传感器产生故障；
还包括：在所述电流状态方程中引入电压补偿项，用以修正电压误差，得到修正后的电流状态方程，根据所述修正后的电流状态方程建立伦伯格观测器模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：将所述伦伯格观测器模型进行离散化处理，得到离散化处理后的伦伯格观测器模型，通过所述离散化处理后的伦伯格观测器模型得出电流的观测值。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，所述获取同步电机电流的采样值，还包括：
对同步电机的三相电流进行采样；
根据所述采样得到的同步电机的三相电流经过坐标变换得到同步电机的交轴电流和直轴电流，将所述变换得到的同步电机的交轴电流和直轴电流作为同步电机电流的采样值。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：在判断电流传感器产生故障之后生成故障信号和/或显示故障信息。
5.一种用于同步电机的电流传感器故障诊断装置，其特征在于，包括：
采样单元，用于获取同步电机电流的采样值；
观测单元，用于根据同步电机的电流状态方程建立伦伯格观测器模型，通过所述伦伯格观测器得出电流的观测值；
故障诊断单元，用于在所述观测值和所述采样值的偏差超过预定的差值阈值时，判断电流传感器产生故障；
所述观测单元还用于：在所述电流状态方程中引入电压补偿项，用以修正电压误差，得到修正后的电流状态方程，根据所述修正后的电流状态方程建立伦伯格观测器模型。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述观测单元还用于：将所述伦伯格观测器模型进行离散化处理，得到离散化处理后的伦伯格观测器模型，通过所述离散化处理后的伦伯格观测器模型得出电流的观测值。
7.根据权利要求5-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述采样单元还用于：
对同步电机的三相电流进行采样；
根据所述采样得到的同步电机的三相电流经过坐标变换得到同步电机的交轴电流和直轴电流，将所述变换得到的同步电机的交轴电流和直轴电流作为同步电机电流的采样值。
8.根据权利要求5-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述故障诊断单元还用于：在判断电流传感器产生故障之后生成故障信号和/或显示故障信息。
9.一种变频器，其特征在于，具有如权利要求5-8中任一项所述的装置。
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