CN108107315B - 一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统 - Google Patents
一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法，所述方法包括采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；建立凸极永磁同步电机的故障描述模型；建立2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；根据故障描述模型和2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型获得d轴和q轴的故障电流表达式；根据故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；所述获得所述故障诊断中间变量时，通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；根据故障诊断中间变量获得的定子匝间短路故障严重程度评估结果以及位置角度；所述故障绕组严重程度评估结果根据获得的抗扰故障严重程度参数与预设参数范围比较得出。
Description
技术领域
本发明涉及故障诊断领域，更具体地，涉及一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统。
背景技术
随着社会对节能环保需求的日益增加，我国新能源电动汽车产业得到了快速发展。作为电动汽车的核心部件，逆变器驱动的高效闭环交流电机系统得到了技术人员的广泛关注。其中，凸极永磁同步电机具有高功率密度、大输出转矩的特点，在电动汽车牵引系统中具有广阔的应用前景。运行中的永磁电机通常处于强振动、高湿度甚至极端温度等恶劣工况，定子绕组长期处于多种应力的作用下，易引发局部过热、性能退化，致使绕组匝间出现短路故障。伴随故障的恶化电机绕组完全损毁，会对人身安全、财产安全造成严重危害。
为了避免上述恶性事故的发生，目前主要采用定子绕组人工例行检修进行故障诊断的方法。但是该方法不但耗费时间、经济成本，且难以应对行驶过程中的突发故障异常。近年来，基于状态信息参量的在线定子匝间短路故障诊断技术逐步兴起，但是受控制器闭环调节的影响，“负序分量、电流频谱特征分量”等传统电网驱动电机的诊断方法，并不能直接应用于逆变器驱动电机；为克服这一问题，研究人员提出了“阻抗参数法、模型参考法”等方案，通过综合电压、电流信息，以解耦闭环控制的干扰。但此方案虽可以对逆变器驱动电机进行故障诊断，但这类方案极易受到“非故障型定子电阻不对称”的干扰，而轻微的定子电阻不对称在电机中十分常见，这导致这类方案极易发生定子匝间短路故障的误判、错判，严重降低诊断结果的可靠性与有效性。
发明内容
为了解决背景技术存在的现有定子匝间短路故障诊断技术应用于逆变器驱动时极易受到非故障型定子电阻不对称的干扰，使得定子匝间短路故障发生误判和错判，诊断结果可靠性低的问题，本发明提供了一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统，所述方法及系统手闭环控制影响小，仅利用电机电流信号与控制器内部信号，即可实现匝间短路故障诊断，且同时具备定子电阻不对称干扰的抑制能力，使诊断结果不受定子电阻不对称的干扰；所述一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法包括：
采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；
建立凸极永磁同步电机的故障描述模型；建立2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；
根据故障描述模型和2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型获得d轴和q轴的故障电流表达式；所述故障电流表达式中同时包含绕组匝间短路故障分量以及定子电阻不对称干扰分量；
根据故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；所述获得所述故障诊断中间变量时，通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；
根据故障诊断中间变量获得的定子匝间短路故障严重程度评估结果以及位置角度；所述故障绕组严重程度评估结果根据获得的抗扰故障严重程度参数与预设参数范围比较得出；
其中，N为正整数；
进一步的，所述故障描述模型的建立方法包括：根据凸极永磁电机三相绕组每一相的电流构建相电流旋转矢量并根据转子位置同步信号构建同步信号旋转矢量；根据相电流旋转矢量以及转子位置同步信号获得d轴电流以及q轴电流；根据d轴电流、q轴电流以及凸极永磁同步电机参数建立故障描述模型；所述故障描述模型通过短路匝电流相量描述d轴以及q轴相电压相量；
进一步的，所述2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型中包含调制比波动引入的旁带分量，所述调制比波动引入的旁带分量代表非故障型定子电阻不对称引入的干扰源；
进一步的，所述d轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的d轴谐波分量
频率为2Nfc的d轴谐波分量
以及频率为2Nfc+2f1的d轴谐波分量
所述q轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的q轴谐波分量
频率为2Nfc的q轴谐波分量
以及频率为2Nfc+2f1的q轴谐波分量
其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率；
进一步的，所述d轴故障诊断中间变量FId以及q轴故障诊断中间变量FIq的计算公式为
其中，θr为转子角度、e为自然常数、j为虚部单位；
进一步的，所述抗扰故障严重程度FSF的计算公式为：
其中，Re[]为取实部操作，J1[]为1阶第一类贝塞尔函数，M0为调制比M的直流分量幅值，udc为直流母线电压；
进一步的，所述定子匝间短路故障定位角度FLA的计算公式为：
其中，Im[]为取虚部操作，∠[]为复数取角度操作，||为复数取模操作，j为虚部单位。
所述一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断系统包括：
数据采集单元，所述数据采集单元用于采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；所述数据采集单元向系统中其他所有单元发送采集数据；
数学模型建立单元，所述数学模型建立单元用于建立凸极永磁同步电机的故障描述模型以及以2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；所述数学模型建立单元用于将建立的数学模型发送至故障诊断变量生成单元；
故障诊断变量生成单元，所述故障诊断变量生成单元用于根据数学模型建立单元传输的数学模型生成故障诊断中间变量；所述故障诊断中间变量通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；所述故障诊断中间变量包括d轴故障诊断中间变量以及q轴故障诊断中间变量；所述故障诊断变量生成单元将故障诊断中间变量传输至故障严重程度评估单元以及故障位置角度计算单元；
故障严重程度评估单元，所述故障严重程度评估单元用于根据故障诊断变量生成单元传输的故障诊断中间变量生成定子匝间短路故障严重程度参数，并将所述定子匝间短路故障严重程度参数与预设参数范围进行比较，得出定子匝间短路故障严重程度评估结果；
故障位置角度计算单元，所述故障位置角度计算单元用于根据故障诊断变量生成单元传输的故障诊断中间变量计算故障绕组的位置角度；
进一步的，所述故障诊断变量生成单元用于根据数学模型建立单元传输的数学模型生成d轴以及q轴故障电流表达式，并通过所述故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；
进一步的，所述故障电流表达式谐波分量的频率包括2Nfc-2f1、2Nfc以及2Nfc+2f1；其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率。
本发明的有益效果为：本发明的技术方案，给出了一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统，所述方法及系统选择逆变器固有开关谐波作为激励，综合凸极永磁电机高频故障模型，并基于坐标变换，建立同步系电流信号中包含的定子绕组匝间短路故障描述模型；所述方法及系统考虑了定子绕组电阻不对称干扰经由闭环回路与调制过程，会在开关电流谐波中引入类似匝间短路故障特征的混淆分量，提出了故障诊断中间变量的计算公式，实现了定子绕组电阻不对称干扰的消除；并综合同步系双轴向故障诊断中间变量的有效信息，在消除定子绕组电阻不对称干扰的基础上，完成了定子匝间短路故障的严重程度评估与定位角度计算。所述方法及系统计算便捷、易于实现、诊断精度高，适用于电动汽车用凸极永磁同步电机系统，仅利用电机电流信号与控制器内部信号，即可实现匝间短路故障诊断，同时具备定子绕组电阻不对称干扰的抑制能力。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为本发明具体实施方式的一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式的一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断系统的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为本发明具体实施方式的一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法的流程图，如图1所示，所述方法提供了一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统，所述方法及系统手闭环控制影响小，仅利用电机电流信号与控制器内部信号，即可实现匝间短路故障诊断，且同时具备定子电阻不对称干扰的抑制能力，使诊断结果不受定子电阻不对称的干扰；所述一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法包括：
步骤110，采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；
以本实施例为例，采集凸极永磁电机A、B、C相电流ia、ib、ic，，时间长度为1s。同时，采集控制器信号，包括调制比信号M、直流母线电压udc、转子位置同步信号sd＝cosθr、sq＝sinθr，其中θr为转子角度。设置采样频率为500kHz，逆变器载波频率为4kHz，前置滤波截止频率为50kHz；
步骤120，建立凸极永磁同步电机的故障描述模型；建立2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；
进一步的，所述故障描述模型的建立方法包括：根据凸极永磁电机三相绕组每一相的电流构建相电流旋转矢量并根据转子位置同步信号构建同步信号旋转矢量；根据相电流旋转矢量以及转子位置同步信号获得d轴电流以及q轴电流；根据d轴电流、q轴电流以及凸极永磁同步电机参数建立故障描述模型；所述故障描述模型通过短路匝电流相量描述d轴以及q轴相电压相量；
进一步的，所述2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型中包含调制比波动引入的旁带分量，所述调制比波动引入的旁带分量代表非故障型定子电阻不对称引入的干扰源；
以本实施例为例，所述建立凸极永磁同步电机的故障描述模型包括利用A、B、C相电流构建相电流旋转矢量
利用转子位置同步信号构建同步信号旋转矢量
其中，e为自然常数，j为虚部单位；
综合相电流旋转矢量与同步信号旋转矢量，进行如下复数变换，获得同步电流旋转矢量
并取同步电流旋转矢量
的实部、虚部，分别得到d轴电流id与q轴电流iq：
其中，Re[]为取实部操作，Im[]为取虚部操作，[]*为取共轭操作。
选择电流信号作为诊断过程的信息参量，高频激励下的凸极永磁电机故障模型有：
其中，
为d、q轴相电压相量，
为d、q轴相电流相量，Rdh、Rqh为d、q轴电阻，Ldh、Lqh为d、q轴电感，ωh为高频激励角频率，μ为短路匝数与相绕组匝数的比值，
为短路匝电流相量，θr为转子角度。
可以看到，综合实测的凸极永磁电机A、B、C相电流ia、ib、ic，以及同步信号旋转矢量
得到d轴电流id与q轴电流iq，进而得到其相量形式
的信号预处理方法，从而可以采用低复杂度的式(3)作为故障描述方程。
选择N为1时，即选择2倍载波频段的开关电压谐波作为激励。对于正弦波调制的开关谐波，将其数学模型表示为：
其中，
为d、q轴相电压相量，udc为直流母线电压，J1[]为1阶第一类贝塞尔函数，J2[]为2阶第一类贝塞尔函数，M0为调制比信号的直流分量幅值，M2为调制比信号的2倍基波分量幅值，ωc为高频载波角频率，ω1为基波角频率，
为功率因数角，θm为调制比信号的2倍基波分量相位，e为自然常数，j为虚部单位，t为时间。
需要说明的是，由于“非故障型定子电阻不对称”会在调制比信号中引入2倍基波分量，同时考虑到初期匝间短路故障在调制比信号中引入的2倍基波分量相对较小，因此如式(4)描述的逆变器开关谐波激励，其中包含M2的项即对应“非故障型定子电阻不对称”所引入的干扰。
步骤130，根据故障描述模型和2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型获得d轴和q轴的故障电流表达式；所述故障电流表达式中同时包含绕组匝间短路故障分量以及定子电阻不对称干扰分量；
进一步的，所述d轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的d轴谐波分量
频率为2Nfc的d轴谐波分量
以及频率为2Nfc+2f1的d轴谐波分量
所述q轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的q轴谐波分量
频率为2Nfc的q轴谐波分量
以及频率为2Nfc+2f1的q轴谐波分量
其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率；
以本实施例为例，依据式(3)与(4)，可以得到包含“非故障型定子电阻不对称”干扰的情况下，定子绕组匝间短路的故障电流表达式：
其中，u1＝udcJ1(πM0)，uδ＝udcJ2(πM0)J1(πM2/2)/π，udc为直流母线电压，J1[]为1阶第一类贝塞尔函数，J2[]为2阶第一类贝塞尔函数，M0为调制比直流分量幅值，M2为调制比2倍基波分量幅值，
为d、q轴相电流相量，
为中间变量，Rdh、Rqh为d、q轴电阻，Ldh、Lqh为d、q轴电感，Rdqf为包含故障率，
为功率因数角，θm为调制比信号的2倍基波分量相位，e为自然常数，j为虚部单位，t为时间信息的等效故障电阻，Ldqf为包含故障信息的等效故障电感，ωc为高频载波角频率，ω1为基波角频。
从式(5)中可以看到，在定子绕组匝间短路故障电机中，幅值为u1的2fc谐波激励会在2fc、2fc-2f1以及2fc+2f1频率产生对应的电流谐波；与此同时，幅值为uδ的“非故障型定子电阻不对称”干扰激励则会产生2fc-2f1以及2fc+2f1频率的干扰分量。其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率。因此，需要分别分析d轴电流id以及q轴电流iq的对应频率信号。
步骤140，根据故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；所述获得所述故障诊断中间变量时，通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；
进一步的，所述d轴故障诊断中间变量FId以及q轴故障诊断中间变量FIq的计算公式为
其中，θr为转子角度、e为自然常数、j为虚部单位；
以本实施例为例，进一步的，将式(5)代入式(6)并化简，可以得到：
其中，||为复数取模操作，u1＝2udcJ1(πM0)/2，udc为直流母线电压，J1[]为1阶第一类贝塞尔函数，J2[]为2阶第一类贝塞尔函数，M0为调制比信号的直流分量幅值，M2为调制比信号的2倍基波分量幅值，
Rdh、Rqh为d、q轴电阻，Ldh、Lqh为d、q轴电感，Rdqf为包含故障信息的等效故障电阻，Ldqf为包含故障信息的等效故障电感，ωc为高频载波角频率，ωh＝2ωc，
为功率因数角，j为虚部单位；
由上可以发现，此时d轴、q轴故障诊断FId与FIq中不再包含“非故障型定子电阻不对称”干扰分量。
步骤150，根据故障诊断中间变量获得的定子匝间短路故障严重程度评估结果以及位置角度；所述故障绕组严重程度评估结果根据获得的抗扰故障严重程度参数与预设参数范围比较得出；
进一步的，所述抗扰故障严重程度FSF的计算公式为：
其中，Re[]为取实部操作，J1[]为1阶第一类贝塞尔函数，M0为调制比M的直流分量幅值，udc为直流母线电压；
以本实施例为例，由于在式(7)中，FId、FIq仍然会受到功率因数角
以及包含于u1中的调制比直流分量幅值M0的影响，因而电机运行状态的变化会明显改变FId与FIq的特征。因此，提出如(8)的故障严重程度FSF，将式(7)代入式(8)，有：
其中，
为高频阻抗角，
||为复数取模操作，Rdqf为包含故障信息的等效故障电阻，Ldqf为包含故障信息的等效故障电感，
Rdh、Rqh为d、q轴电阻，Ldh、Lqh为d、q轴电感，ωc为高频载波角频率，ωh＝2ωc。
经过上式运算后，表达式中不再含有功率因数角
分量以及调制比直流分量幅值M0等影响因素，从而可以实现抗扰的故障严重程度评估。当FSF数值偏离出厂大量测量的正常数据范围后，即可判定发生匝间短路故障；
进一步的，所述定子匝间短路故障定位角度FLA的计算公式为：
其中，Im[]为取虚部操作，∠[]为复数取角度操作，||为复数取模操作，j为虚部单位；
以本实施例为例，为了确定故障所在相的位置，这里定义如下计算式，有：
其中，Im[]为取虚部操作，j为虚部单位，
为d轴谐波频率为2fc的相量分量，
为q轴谐波频率为2fc的相量分量，fc为调制载波频率，FId为d轴故障诊断中间变量，FIq为q轴故障诊断中间变量，Rdqf为包含故障信息的等效故障电阻，Ldqf为包含故障信息的等效故障电感，ωc为高频载波角频率，ωh＝2ωc，Rdh、Rqh为d、q轴电阻，Ldh、Lqh为d、q轴电感。
从而复平面相量角度FLA为：
其中，Rdqf为包含故障信息的等效故障电阻，Ldqf为包含故障信息的等效故障电感，ωc为高频载波角频率，ωh＝2ωc，Rdh、Rqh为d、q轴电阻，Ldh、Lqh为d、q轴电感。
可以看到，在定子匝间短路故障情况下，经过运算后得到的FLA相角中不再含有功率因数角
分量以及调制比直流分量幅值M0等影响因素，此时，FLA的角度即对应空间中故障绕组的位置角度，从而可以实现抗扰的故障绕组定位。
所述一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法，提供了不受“非故障定子电阻不对称”干扰的故障诊断方法，可以准确有效的确认故障程度以及故障对应转子角度位置，所述方法计算便捷、易于实现、诊断精度高，受闭环控制影响小，适用于牵引用凸极永磁电机系统，仅利用电机电流信号与控制器内部信号，即可实现匝间短路故障诊断，同时具备“非故障性电阻不对称”干扰的抑制能力。所述方法可有效增强电动汽车用凸极永磁电机定子绕组安全可靠性的故障诊断水平。
图2为本发明具体实施方式的一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断系统的结构图；如图2所示，所述系统包括：
数据采集单元201，所述数据采集单元201用于采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；所述数据采集单元201向系统中其他所有单元发送采集数据；
数学模型建立单元202，所述数学模型建立单元202用于建立凸极永磁同步电机的故障描述模型以及以2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；所述数学模型建立单元202用于将建立的数学模型发送至故障诊断变量生成单元；
故障诊断变量生成单元203，所述故障诊断变量生成单元203用于根据数学模型建立单元202传输的数学模型生成故障诊断中间变量；所述故障诊断中间变量通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；所述故障诊断中间变量包括d轴故障诊断中间变量以及q轴故障诊断中间变量；所述故障诊断变量生成单元203将故障诊断中间变量传输至故障严重程度评估单元204以及故障位置角度计算单元205；
故障严重程度评估单元204，所述故障严重程度评估单元204用于根据故障诊断变量生成单元203传输的故障诊断中间变量生成定子匝间短路故障严重程度参数，并将所述定子匝间短路故障严重程度参数与预设参数范围进行比较，得出定子匝间短路故障严重程度评估结果；
故障位置角度计算单元205，所述故障位置角度计算单元205用于根据故障诊断变量生成单元203传输的故障诊断中间变量计算故障绕组的位置角度；
进一步的，所述故障诊断变量生成单元203用于根据数学模型建立单元传输的数学模型生成d轴以及q轴故障电流表达式，并通过所述故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；
进一步的，所述故障电流表达式谐波分量的频率包括2Nfc-2f1、2Nfc以及2Nfc+2f1；其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。本说明书中涉及到的步骤编号仅用于区别各步骤，而并不用于限制各步骤之间的时间或逻辑的关系，除非文中有明确的限定，否则各个步骤之间的关系包括各种可能的情况。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本公开的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法，所述方法包括：
采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；
建立凸极永磁同步电机的故障描述模型；建立2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；
根据故障描述模型和2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型获得d轴和q轴的故障电流表达式；所述故障电流表达式中同时包含绕组匝间短路故障分量以及定子电阻不对称干扰分量；
根据故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；所述获得所述故障诊断中间变量时，通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；
根据故障诊断中间变量获得的定子匝间短路故障严重程度评估结果以及位置角度；所述故障绕组严重程度评估结果根据获得的抗扰故障严重程度参数与预设参数范围比较得出；
其中，N为正整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述故障描述模型的建立方法包括：根据凸极永磁电机三相绕组每一相的电流构建相电流旋转矢量并根据转子位置同步信号构建同步信号旋转矢量；根据相电流旋转矢量以及转子位置同步信号获得d轴电流以及q轴电流；根据d轴电流、q轴电流以及凸极永磁同步电机参数建立故障描述模型；所述故障描述模型通过短路匝电流相量描述d轴以及q轴相电压相量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型中包含调制比波动引入的旁带分量，所述调制比波动引入的旁带分量代表非故障型定子电阻不对称引入的干扰源。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述d轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的d轴谐波分量
频率为2Nfc的d轴谐波分量以及频率为2Nfc+2f1的d轴谐波分量所述q轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的q轴谐波分量频率为2Nfc的q轴谐波分量以及频率为2Nfc+2f1的q轴谐波分量其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述d轴故障诊断中间变量FId以及q轴故障诊断中间变量FIq的计算公式为
其中，θr为转子角度、e为自然常数、j为虚部单位。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括，根据所述d轴故障诊断中间变量FId以及q轴故障诊断中间变量FIq，确定抗扰故障严重程度FSF：
其中，Re[]为取实部操作，J1[]为1阶第一类贝塞尔函数，M0为调制比M的直流分量幅值，udc为直流母线电压。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括，根据所述d轴故障诊断中间变量FId以及q轴故障诊断中间变量FIq，确定定子匝间短路故障定位角度FLA：
其中，Im[]为取虚部操作，∠[]为复数取角度操作，||为复数取模操作，j为虚部单位。
8.一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断系统，所述系统包括：
数据采集单元，所述数据采集单元用于采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；所述数据采集单元向系统中其他所有单元发送采集数据；
数学模型建立单元，所述数学模型建立单元用于建立凸极永磁同步电机的故障描述模型以及以2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；所述数学模型建立单元用于将建立的2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型发送至故障诊断变量生成单元；
故障诊断变量生成单元，所述故障诊断变量生成单元用于根据数学模型建立单元传输的2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型生成故障诊断中间变量；所述故障诊断中间变量通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；所述故障诊断中间变量包括d轴故障诊断中间变量以及q轴故障诊断中间变量；所述故障诊断变量生成单元将故障诊断中间变量传输至故障严重程度评估单元以及故障位置角度计算单元；
故障严重程度评估单元，所述故障严重程度评估单元用于根据故障诊断变量生成单元传输的故障诊断中间变量生成定子匝间短路故障严重程度参数，并将所述定子匝间短路故障严重程度参数与预设参数范围进行比较，得出定子匝间短路故障严重程度评估结果；
故障位置角度计算单元，所述故障位置角度计算单元用于根据故障诊断变量生成单元传输的故障诊断中间变量计算故障绕组的位置角度。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述故障诊断变量生成单元用于根据数学模型建立单元传输的2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型生成d轴以及q轴故障电流表达式，并通过所述故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述故障电流表达式谐波分量的频率包括2Nfc-2f1、2Nfc以及2Nfc+2f1；其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率。
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