CN108566131A - 一种双余度永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞬时功率理论的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法。当某套三相绕组发生线圈匝间短路故障后，故障线圈所在相的等效电阻、等效电感和等效感应电动势均将发生相应变化，使得在进行3/2静止坐标系变换时故障套绕组参数有别于正常套三相绕组参数，由于两套三相绕组的电流近乎相等，最终导致故障套三相绕组消耗瞬时有功功率或瞬时无功功率的情况区别于正常套三相绕组。该方法根据电机当前处于制动或电动状态，实时计算最近有限个采样控制周期内两套绕组的瞬时有功功率之差或瞬时无功功率之差的平均值绝对值的大小、正负及电机正反转状态在线判断出哪套三相绕组发生了线圈匝间短路故障。

Description

一种双余度永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法

技术领域

本发明属于电机故障诊断领域，具体涉及一种基于瞬时功率理论的双余度永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法。

背景技术

永磁同步电动机具有运行可靠、结构简单、功率因数和效率高等优点，但在航空、国防军事等需要高可靠性运行的领域，传统永磁同步电动机无法满足某些性能指标。研发人员为达到高可靠性的要求，将冗余思想运用到电机上，设计出双余度永磁电机。

本发明所涉及的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机消除了电磁耦合的问题，使两套绕组互不干扰，更加接近于“独立”运行，大大提高了系统运行的可靠性。在逆变器供电的永磁同步电动机驱动系统中，匝间短路引起的定子绕组故障是最常见的电气故障。在少量线匝之间发生短路时不会对电机运行产生显著的影响。但在短路初期如果不对其进行检测诊断，情况可能会逐渐恶化导致相绕组接地，在短路回路中产生很大的短路电流，形成很高的绕组温度。因此需要对匝间短路进行及时检测，切断故障套绕组以防故障形势进一步恶化。由于电流调节器的调整所得非常快，双余度永磁同步电动机与发生匝间短路时前者正常套与故障套绕组的电流几乎无差别，许多以电流为故障特征的诊断方法不适合各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有方法的不足，基于瞬时功率理论，根据电机所处的运动状态，结合两套三相绕组之间的瞬时有功功率之差或瞬时无功功率之差的绝对值大小和正负情况，在线判断出哪套三相绕组发生了匝间短路故障。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种双余度永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法，基于瞬时功率理论、利用双余度永磁同步电动机控制系统实现对各相绕组间无电磁耦合低热耦合的双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断；

所述的双余度永磁同步电动机控制系统包括：一台各相绕组间无电磁耦合低热耦合的双余度永磁同步电动机、永磁转子位置传感器、直流电源、两台逆变器、电流传感器和以DSP芯片为核心的控制器；所述直流电源用于给两台逆变器同时供电，所述永磁转子位置传感器用于将双余度永磁同步电动机转子的位置信息传输至以DSP芯片为核心的控制器，该以DSP芯片为核心的控制器产生PWM控制脉冲控制逆变器上功率管的开关状态；所述两台逆变器分别为各相绕组间无电磁耦合低热耦合的双余度永磁同步定子上的两套Y接三相对称绕组供电，两套Y接三相对称绕组包括第一套三相绕组与第二套三相绕组；以DSP芯片为核心的控制器内至少集成有坐标变换、速度调节器、电流调节器、PWM生成、故障诊断及余度控制器等相关程序；

所述的双余度永磁同步电动机控制系统采用直轴电流给定为零的SVPWM发生器、且为速度电流双闭环调速系统，速度调节器和电流调节器均为具有比例积分特性的控制器；

当两套Y接三相对称绕组无故障时，故障诊断及余度控制器发出命令允许两台逆变器各自为两套Y接三相绕组供电，各相绕组间无电磁耦合低热耦合的双余度永磁同步电动机运行于双余度工作模式，所述的双余度永磁同步电动机控制系统按双余度工作模式控制程序运行，电机角速度为ω；永磁转子位置传感器将转子的位置信号传递给以DSP芯片为核心的控制器，以DSP芯片为核心的控制器将转子的位置信号转换为速度负反馈信号与给定转速比较后经速度调节器和电流调节器产生交轴电流给定信号此交轴电流给定作为两套Y接三相对称绕组共同的交轴电流给定信号；同样的，是两套Y接三相对称绕组共同的直轴电流给定信号；电流传感器检测两套Y接三相对称绕组的三相电流并经必要的信号处理后将其传送给以DSP芯片为核心的控制器，结合转子位置信息经过坐标变换得到两套Y接三相对称绕组的交、直轴电流负反馈信号分别与各自的交、直轴电流给定信号比较，经各自的电流调节器分别生成两套Y接三相对称绕组的交、直轴电压给定信号；继而通过各自的坐标逆变换后得到两套Y接三相对称绕组在两相静止坐标系中的电压给定，再经SVPWM发生器产生两套六路PWM控制脉冲分别控制两台逆变器上的六只功率管器件的开关状态，两台逆变器输出三相电压为两套Y接三相对称绕组供电；

在上述系统运行过程的同时，故障诊断及余度控制器不断进行着线圈匝间短路故障的在线诊断工作；在每一个PWM控制脉冲采样周期内，若电机处于电动运行状态，即时，计算第一套三相绕组与第二套三相绕组的瞬时无功功率差值Δq；若电机处于制动运行状态，即时，计算第一套三相绕组与第二套三相绕组的瞬时有功功率差值Δp；然后，依据电机处于电动运行状态还是制动运行状态，决定是求取最近K个PWM采样周期内两套绕组的瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av，还是瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av；再依照瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av或者瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av的绝对值大小作为是否发生匝间短路的判据；

若瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av或者瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av的绝对值不超过所设定的两套三相绕组瞬时无功功率之差阈值或者两套三相绕组瞬时有功功率之差阈值，则认为两套Y接三相对称绕组均正常，所述的双余度永磁同步电动机控制系统仍按双余度工作模式控制程序运行；若瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av或者瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av超过所设定的两套三相绕组瞬时无功功率之差阈值或者两套三相绕组瞬时有功功率之差阈值，则判定发生了线圈匝间短路故障，紧接着判断两套Y接三相对称绕组中哪套三相绕组发生了匝间短路故障，具体判断方法如下：

(1)当电机处于电动运行状态时，若电机角速度ω与瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av的乘积为正，即ω·Δq_av＞0，则判定第二套三相绕组发生匝间短路；若电机角速度ω与瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av的乘积为负，即ω·Δq_av＜0，则判定第一套三相绕组发生匝间短路；

(2)当电机处于制动运行状态时，若瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av为正，即Δp_av＞0，则判定第一套三相绕组发生匝间短路；若瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av为负，即Δp_av＜0，则判定第二套三相绕组发生匝间短路；

当判断出哪套三相绕组发生匝间短路后，故障诊断及余度控制器发出命令停止为发生了线圈电流故障的那套三相绕组供电的那台逆变器工作，另一台逆变器继续为正常的那套三相绕组供电，所述的双余度永磁同步电动机控制系统进入单余度工作模式，同时停止故障诊断及余度控制器的运行。

本发明中，当控制系统单余度工作模式运行时，可加入适合单余度运行的控制算法来提高其运行性能。

本发明是依据各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行期间发生线圈匝间短路故障后，故障套三相绕组与正常套三相绕组的瞬时有功功率之差或瞬时无功功率之差的关系提出的。现假设第二套C相绕组线圈发生匝间短路故障，本发明原理简述如下。

各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机采用的矢量控制方式，两套三相绕组的交轴电流给定来源于同一个速度调节器的输出，电流调节速度很快，无论故障与否，两套三相绕组的电流可认为近似相等。第一套和第二套三相绕组的瞬时有功和无功功率为

上式中，p₁和p₂分别为第一套和第二套三相绕组瞬时有功功率；q₁和q₂分别为第一套和第二套为三相绕组的瞬时无功功率；u_α1、u_β1、i_α1和i_β1分别为第一套三相绕组端电压和电流经3/2静止坐标系变换后得到的α轴、β轴上的电压和电流；u_α2、u_β2、i_α2和i_β2分别为第二套三相绕组端电压和电流经3/2静止坐标系变换后得到的α轴、β轴上的电压和电流。

若第一套三相绕组正常，第二套三相绕组中的C2相绕组内发生了线圈短路故障。则正常套(第一套)与故障套(第二套)三相绕组的电路矩阵方程分别为

上面两式经3/2变换得

上式中，R为正常相绕组电阻；L为正常相绕组电感；ΔR为匝间短路后故障相绕组等效电阻的减小量；ΔL为匝间短路后故障相绕组等效电感的减小量；Δe为匝间短路后故障相绕组等效感应电动势的减小量；u_A、u_B和u_C分别为三相绕组的端电压；e_A、e_B和e_C分别为三相绕组的永磁感应电动势；u₀为正常套三相绕组和故障套三相绕组的中性点电压；下标“1”和“2”分别表示第一套和第二套三相绕组的物理量。

由于两套三相绕组电流控制器的给定电流相同，而且电流调节器的调节速度极快，可以近似认为

由此可计算第一套三相绕组绕组与第二套三相绕组的瞬时有功功率之差与瞬时无功功率之差Δp、Δq分别为

若仅考虑正序电流的影响，可推得第一套三相绕组与第二套三相绕组的瞬时有功功率之差与瞬时无功功率之差的平均值为

上式中，下标“av”表示该量的平均值，下同；ΔE为匝间短路后故障相绕组等效感应电动势减小量的有效值；ω为基波电角速度；I_C为三相正序电流有效值；ξ为Δe超前i_C2的相量角；“±”分别对应正转和反转两种情况。

由故障后的等效电路推理可知，短路后故障相等效电阻增大，故ΔR<0，而等效电感有所减小，故ΔL>0，据此有以下结论：

当电机处于正转电动阶段时，ω>0，sinξ>0，Δq_av>0；当电机处于反转电动阶段时ω<0，sinξ>0，Δq_av<0；当电机处于正转制动阶段或反转制动阶段时，cosξ<0，Δp_av<0。据此可根据电机所处运行状态和两套三相绕组瞬时有功功率或瞬时无功功率差值的平均值情况判断哪套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障。

DSP在每个采样周期得到第一套三相绕组与第二套三相绕组的瞬时有功功率之差Δp或瞬时无功功率之差Δq，若不断地求取最新的K个Δp和Δq的平均值，相当于做了数字平均滤波，当K取较大合适的值时，则有

综上所述，可根据下述方法判断无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机哪一套三相绕组发生了匝间短路。当电机处于电动运行状态且正转时，瞬时无功功率小的一套为故障套，当电机处于电动运行状态且反转时，瞬时无功功率大的一套为故障套；当电机处于制动运行状态时，瞬时有功功率大的一套为故障套。

事实上，由于模型中还存在各次电流谐波及相应负序电流，加上电机参数本身存在的不对称性，在诊断检测上可设置一合适的两套三相绕组瞬时无功功率之差阈值和两套三相绕组瞬时有功功率之差阈值将这些不确定因素囊括在内。

附图说明

图1为各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机横截面图及其局部放大图，图中：10-永磁体，20-绕组，30-小齿，40-隔热材料，50-大齿。

图2为各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机与两台独立的逆变器连接图；

图3为在线诊断线圈匝间短路故障的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统框图；

图4为控制系统上电时在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中有关寄存器中控制量和变量进行初始化的程序流程图；

图5为求取两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值的程序流程图；

图6为求取两套三相绕组瞬时无功功率之差平均值的程序流程图；

图7是本在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序流程图；

图8是匝间短路故障相电路模型图、去耦等效电路图与简化电路模型图；

图9为C相短路正转电动运行状态时的相量图；

图10为C相短路反转电动运行状态时的相量图；

图11为C相短路正转制动运行状态时的相量图；

图12为C相短路反转制动运行状态时的相量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

由图1所示的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的横截面图及局部放大图可见，该电机采用12槽10极的分数槽双层集中绕组，符合Z＝2p+2(Z为槽数，p为极对数)的槽极数配合，各相绕组的电枢反应磁场间相互没有交链。与传统电机不同的是：该电机在相邻相绕组共槽处增设了一个小齿30，为漏磁通提供通道，大大降低了槽互漏感，可近似认为相邻两相绕组的槽漏互感是零，达到各相间无电磁耦合的目的。此外，在小齿两边加上隔热板40，实现了各相间低热耦合的目的。永磁转子的永磁体10采用表贴式结构，平行充磁。定子上布置有两套对称三相绕组20，A1、B1、C1、A2、B2、C2六个相绕组按一个线圈正绕、一个线圈反绕或一个线圈反绕、一个线圈正绕的规律绕制，然后串联在一起，两套三相绕组的串联规律相反。A1和A2、B1和B2、C1和C2的相绕组轴线重合，将X1、Y1和Z1，X2、Y2和Z2分别连接成两个星点，A1B1C1和A2B2C2便形成两套三相独立对称的Y接绕组。两套三相对称绕组各相间无电磁耦合低热耦合，由两台逆变器分别供电，两台逆变器共用一台独立直流电源。

图2给出了各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机与两台独立的逆变器连接图。两台逆变器直流侧共用一台供电电源，逆变器1(VSI1)的输出端A1、B1、C1分别与各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的第一套三相绕组输入端A1、B1、C1对应相连；逆变器2(VSI2)的输出端A2、B2、C2分别与各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的第二套三相绕组输入端A2、B2、C2对应相连。各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的转子轴非机械输出端轴上紧固安装一个永磁转子位置传感器PG的转子，电机运行时永磁转子位置传感器PG的转子随同永磁转子一起旋转，同时在电动机轴非机械输出端的电机端盖上相对应的位置处安装永磁转子位置传感器PG的定子；永磁转子位置传感器PG定子上的线缆与系统控制器连接，为控制系统实时提供永磁转子位置角θ信息。永磁转子位置角θ乘以永磁转子极对数p后转变为永磁转子位置电角θ_e信息，永磁转子位置电角θ_e用于将两相静止αβ坐标系中的实际电流i_α1和i_β1、i_α2和i_β2旋转变换得到同步旋转dq坐标系中交直轴实际电流i_q1和i_d1、i_q2和i_d2，或者用于将同步旋转dq坐标系中交直轴电压指令和和旋转逆变换得到两相静止αβ坐标系中的电压给定和和永磁转子位置角θ对时间求导后得到电动机实际角速度ω，电动机实际角速度ω用作速度闭环控制的速度负反馈输入到速度控制器ASR，电动机实际角速度ω还同时用于电机运行状态的判断而输入到故障诊断及余度控制器。

由图3所示在线诊断线圈匝间短路故障的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统框图可见，各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断都是在数字信号处理器(DSP)上完成的。控制系统为采用双余度永磁同步电动机直轴电流给定为零的空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)的速度电流双闭环调速系统。

控制系统中设置有故障诊断及余度控制器，故障诊断及余度控制器共有3个使能控制命令信号EN1、EN2和EN3。系统上电启动后，使能控制命令信号EN1＝1和EN2＝1为“使能”状态，允许第一台逆变器VSI1和第2台逆变器VSI2同时工作，同时为各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的两套三相对称Y接绕组供电，各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机处于双余度运行工作模式；使能控制命令信号EN3＝0为“禁止”状态。当各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机处于双余度运行工作模式时，故障诊断及余度控制器实时对各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机依据当前电机的运行阶段，对当前两套三相绕组瞬时有功功率之差或瞬时无功功率之差的平均值进行计算，判断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机是否发生了线圈匝间短路故障，并判断出哪一套三相绕组发生了线圈匝间短路故障。若判断出第一套三相绕组中有线圈发生了匝间短路故障，则使能控制命令信号EN1＝1由“使能”状态变为“禁止”状态，禁止第一台逆变器VSI1为电动机的第一套三相绕组供电，使能控制命令信号EN2＝1仍为“使能”状态，第二台逆变器VSI2继续为电动机的第二套三相绕组供电，使能控制命令信号EN3＝0由“禁止”状态变为“使能”状态，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能，各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机工作于单余度运行模式；同理，若判断出第二套三相绕组中有线圈发生了线圈匝间短路故障，则使能控制命令信号EN2＝1由“使能”状态变为“禁止”状态，禁止第二台逆变器VSI2为电动机的第二套三相绕组供电，使能控制命令信号EN1＝1仍为“使能”状态，第一台逆变器VSI1继续为电动机的第一套三相绕组供电，使能控制命令信号EN3＝0由“禁止”状态变为“使能”状态，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能，各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机工作于单余度运行模式。

不论各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机工作于双余度运行模式还是单余度运行模式，电动机给定角速度ω^*与电动机实际角速度ω比较后输入到具有比例积分特性(PI)的速度调节器ASR中，经速度调节器ASR调节后的输出信号再经最大绝对值限幅后作为两套三相对称Y接绕组在同步旋转dq坐标系中交轴给定电流两套三相对称Y接绕组在同步旋转dq坐标系中交轴给定电流和实际角速度ω还同时用于电机运行状态的判断而输入到故障诊断及余度控制器。各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机两套三相对称Y接绕组在同步旋转dq坐标系中交轴给定电流相同目的是当电动机双余度运行时能够起到对两套三相绕组电流进行均流控制的效果。

在第一套三相绕组电流控制环中，交轴给定电流与第一套三相绕组的已通过坐标变换得到的同步旋转dq坐标系中的负反馈交轴实际电流i_q1进行比较，与i_q1比较后的偏差输入到具有比例积分特性(PI)的电流调节器ACR1中，经电流调节器ACR1调节后的输出信号作为交轴给定电压与此同时，给定为0的直轴给定电流与第一套三相绕组已经通过坐标变换得到的同步旋转dq坐标系中的负反馈直轴实际电流i_d1进行比较，与i_d1比较后的偏差输入到具有比例积分特性(PI)的电流调节器ACR1中，经电流调节器ACR1调节后的输出作为直轴给定电压将同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴给定电压和经dq反变换得到两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压和两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压和经SVPWM控制技术算法得到第一台逆变器VSI1中内部三相逆变全桥中6只功率开关管的6个PWM控制脉冲信号，三相逆变全桥输出的3路PWM电压分别输入到无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机第一套三相绕组的绕组输入端A1、B1和C1。使用霍尔式非接触电流传感器检测输入到第一套三相绕组中A1和B1两相实际电流i_A1和i_B1，第一套三相绕组中的属于三相静止ABC坐标系的A1和B1两相实际电流i_A1和i_B1经三相静止ABC坐标系到两相静止αβ坐标系的变换后得到两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴实际电流i_α1和i_β1。将两相静止αβ坐标系中的实际电流i_α1和i_β1经旋转变换得到同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴实际电流i_q1和i_d1，交轴和直轴实际电流i_q1和i_d1作为电流负反馈，参与第一套三相绕组的电流闭环控制。其中，两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压和以及实际α轴和β轴电流i_α1和i_β1还同时用于电机运行状态的判断而输入到故障诊断及余度控制器。

同理，在第二套三相绕组电流控制环中，交轴给定电流与第二套三相绕组的已经通过坐标变换得到的同步旋转dq坐标系中的负反馈交轴实际电流i_q2进行比较，与i_q2比较后的偏差输入到具有比例积分特性(PI)的电流调节器ACR2中，经电流调节器ACR2调节后的输出信号作为交轴给定电压与此同时，给定为0的直轴给定电流与第二套三相绕组已经通过坐标变换得到的同步旋转dq坐标系中的负反馈直轴实际电流i_d2进行比较，与i_d2比较后的偏差输入到具有比例积分特性(PI)的电流调节器ACR2中，经电流调节器ACR2调节后的输出作为直轴给定电压将同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴给定电压和经旋转逆变换得到两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压和两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压和经SVPWM控制技术算法得到第二台逆变器VSI2中内部三相逆变全桥中6只功率开关管的6个PWM控制脉冲信号，三相逆变全桥输出的3路PWM电压分别输入到无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机第二套三相绕组的绕组输入端A2、B2和C2。使用霍尔式非接触电流传感器检测输入到第二套三相绕组中A2和B2两相实际电流i_A2和i_B2，第二套三相绕组中的属于三相静止ABC坐标系的A2和B2两相实际电流i_A2和i_B2经三相静止ABC坐标系到两相静止αβ坐标系的变换后得到两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴实际电流i_α2和i_β2。将两相静止αβ坐标系中的实际电流i_α2和i_β2经旋转变换得到同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴实际电流i_q2和i_d2，交轴和直轴实际电流i_q2和i_d2作为电流负反馈，参与第二套三相绕组的电流闭环控制。其中，两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压和以及实际α轴和β轴电流i_α2和i_β2还同时用于电机运行状态的判断而输入到故障诊断及余度控制器。

由于两套三相绕组两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压和以及和与实际的α轴和β轴电压u_α1和u_β1以及u_α2和u_β2之间仅差一个比例关系，依次在计算两套三相绕组瞬时功率时用两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压和以及和来代替实际的α轴和β轴电压u_α1和u_β1以及u_α2和u_β2。第一套三相绕组与第而套三相绕组间的瞬时有功功率之差和瞬时无功功率之差计算公式为

图4是本发明中控制系统上电时对在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中有关寄存器中控制量和变量进行初始化的程序流程图。每次控制系统上电程序初始化时，对于各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中有关寄存器中控制量和变量进行初始化：EN1＝1控制“使能”，允许第一台逆变器VSI1为电动机的第一套三相绕组供电；EN2＝1控制“使能”，允许第二台逆变器VSI2为电动机的第二套三相绕组供电；EN3＝0控制“禁止”，系统按双余度工作模式工作；将求取两套三相绕组瞬时有功功率之差的平均值时所涉及变量对应的有关寄存器中变量初值置0，初值置0的变量分别为两套三相绕组瞬时有功功率之差的平均值Δp_av、当前之前1次两套三相绕组瞬时有功功率之差的1/K倍Δp_1/K(K)、当前之前2次两套三相绕组瞬时有功功率之差的1/K倍Δp_1/K(K-1)、…、当前之前(K-1)次两套三相绕组瞬时有功功率之差的1/K倍Δp_1/K(2)和当前之前K次两套三相绕组瞬时有功功率之差的1/K倍Δp_1/K(1)；将求取两套三相绕组瞬时无功功率之差的平均值时所涉及变量对应的有关寄存器中变量初值置0，初值置0的变量分别为两套三相绕组瞬时无功功率之差的平均值Δq_av、当前之前1次两套三相绕组瞬时无功功率之差的1/K倍Δq_1/K(K)、当前之前2次两套三相绕组瞬时无功功率之差的1/K倍Δq_1/K(K-1)、…、当前之前(K-1)次两套三相绕组瞬时无功功率之差的1/K倍Δq_1/K(2)和当前之前K次两套三相绕组瞬时无功功率之差的1/K倍Δq_1/K(1)。

图5和图6分别为求取两套三相绕组瞬时有功功率之差或瞬时无功功率之差平均值的程序流程图。求取两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值时，首先利用和i_α1、i_β1、i_α2、i_β2计算两套三相绕组的瞬时有功功率，即执行 步骤，然后取当前两套三相绕组瞬时有功功率之差的1/K倍，即“Δp_1/K(K+1)＝(p₁-p₂)/K”，再求取当前最近K个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套三相绕组瞬时有功功率之差的平均值Δp_av，即进行“Δp_av＝Δp_av+Δp_1/K(K+1)-Δp_1/K(1)”的运算；再依次更新目前的K个DSP的PWM采样控制周期内每一个两套三相绕组瞬时有功功率之差的1/K倍，即完成“Δp_1/K(1)＝Δp_1/K(2)、Δp_1/K(2)＝Δp_1/K(3)、…、Δp_1/K(K-1)＝Δp_1/K(K)和Δp_1/K(K)＝Δp_1/K(K+1)”等操作，为下一次计算两套瞬时无功功率之差平均值Δp_av做好准备。

求取两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值时，首先利用和i_α1、i_β1、i_α2、i_β2计算两套三相绕组的瞬时有功功率，即执行 步骤，然后取当前两套三相绕组瞬时无功功率之差的1/K倍，即“Δq_1/K(K+1)＝(q₁-q₂)/K”，再求取当前最近K个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套三相绕组瞬时无功功率之差的平均值Δq_av，即进行“Δq_av＝Δq_av+Δq_1/K(K+1)-Δq_1/K(1)”的运算，再依次更新目前的K个DSP的PWM采样控制周期内每一个两套三相绕组瞬时无功功率之差的1/K倍，即完成“Δq_1/K(1)＝Δq_1/K(2)、Δq_1/K(2)＝Δq_1/K(3)、…、Δq_1/K(K-1)＝Δq_1/K(K)和Δq_1/K(K)＝Δq_1/K(K+1)”等操作，为下一次计算两套瞬时无功功率之差平均值Δq_av做好准备。

图7是本发明中在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序流程图。在DSP的每一个PWM采样控制周期内都执行一次本发明中在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序。执行所述程序时，首先读入控制系统中设置的故障诊断及余度控制器的10个输入：电机转速ω、两套三相绕组在转子同步旋转dq坐标系中交轴给定电流第一套三相绕组两相静止αβ坐标系中α轴给定电压第一套三相绕组两相静止αβ坐标系中β轴给定电压第一套三相绕组两相静止αβ坐标系中的实际电流i_α1和i_β1、第二套三相绕组两相静止αβ坐标系中α轴给定电压第二套三相绕组两相静止αβ坐标系中β轴给定电压第二套三相绕组两相静止αβ坐标系中的实际电流i_α2和i_β2。然后，判断电机转速ω与交轴给定电流的乘积是否大于等于0，即进行的判断，判断结果分为以下两种情况：

若电机转速ω与交轴给定电流的乘积大于等于0，则执行求取两套三相绕组瞬时无功功率之差平均值的子程序。随后转入在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序。判断两套三相绕组瞬时无功功率之差Δq_av的绝对值|Δq_av|是否大于等于所设定的两套三相绕组瞬时无功功率之差阈值q_T，即进行“|Δq_av|≥q_T？”判断；若两套三相绕组瞬时无功功率之差平均值Δq_av的绝对值|Δq_av|小于所设定的两套三相绕组瞬时无功功率之差阈值q_T，即|Δq_av|＜q_T，则判断为两套三相对称Y接绕组都正常；若两套三相绕组瞬时无功功率之差平均值Δq_av的绝对值|Δq_av|大于等于设定的两套三相绕组瞬时无功功率之差阈值q_T，即|Δq_av|≥q_T，则判断电机转速ω与两套三相绕组瞬时无功功率之差平均值Δq_av的乘积是否大于等于0，即进行“ω·Δqav＞0？”的判断。若二者乘积大于0，则判断第二套三相绕组发生匝间短路；若二者乘积小于0，则判断第一套三相绕组发生匝间短路。

若电机转速ω与交轴给定电流的乘积小于0，则执行求取两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值的子程序。随后转入在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序。判断两套三相绕组瞬时有功功率之差Δp_av的绝对值|Δp_av|是否大于等于设定的两套三相绕组瞬时有功功率之差阈值p_T，即进行“|Δp_av|≥p_T？”判断；若两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值Δp_av的绝对值|Δp_av|小于设定的两套三相绕组瞬时有功功率之差阈值p_T，即|Δp_av|＜pT，则判断为两套三相对称Y接绕组都正常；若两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值Δp_av的绝对值|Δp_av|大于等于设定的设定的两套三相绕组瞬时有功功率之差阈值p_T，即|Δp_av|≥pT，则进行两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值Δp_av的是否大于等于0，即进行“Δp_av＞0？”的判断。若两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值Δp_av大于0，则判断第一套三相绕组发生匝间短路；若两套三相绕组瞬时有功功率之差平均值Δp_av小于0，则判断第二套三相绕组发生匝间短路。

判断出哪套三相绕组发生匝间短路故障之后，控制各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机转入单余度运行模式，到此完成了各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断，最后，转入主控制程序，并且在以后各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机单余度运行模式下，不再进行上述的线圈匝间短路故障在线诊断。

其中，K值一般取10～20比较合适。K取得值较小时，占用DSP的资源较少，数字滤波效果差一些，但是，故障诊断迅速一些；K取得值较大时，占用DSP的资源较多，数字滤波效果好一些，故障诊断较为迟钝一些。K值取大或取小还与DSP的每一个PWM采样控制周期的长短有关，若控制周期长，K取值应小一些。

按照上面所述过程就能依据当前电机的运行阶段、当前两套三相绕组瞬时有功功率之差或瞬时无功功率之差的平均值，在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底那一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障。

图8是匝间短路故障相电路模型图、去耦等效电路图与简化电路模型图。图中，R_s为短路线圈电阻；R_Cn为剩余同相正常线圈电阻；L_s为短路线圈自感；M为短路线圈与剩余同相正常线圈的互感；L_Cn为短路相剩余正常线圈的自感；e_s为短路线圈上的永磁感应电动势；e_cn为剩余同相正常线圈上的永磁感应电动势；ΔR为匝间短路后故障相绕组等效电阻的减小量；ΔL为匝间短路后故障相绕组等效电感的减小量；Δe为匝间短路后故障相绕组等效感应电动势的减小量；R_e为线圈短路接触电阻；i_e为流过接触电阻的电流；i_s为流过短路线匝的电流；i_C为相电流。由于i_e和i_s较i_C大，使得短路相发热较正常相大，故短路相的等效电阻较正常相电阻大，即ΔR<0。另外，由于去耦等效电路中“-M”的存在使得短路相的等效电感较正常相电感小，即ΔL>0。

图9至图12分别为C相短路时正转电动状态、反转电动状态、正转制动状态和反转制动状态的相量关系示意图。由图可见当电机处于正转电动阶段时，ω>0，sinξ>0，故Δq_av>0；当电机处于反转电动阶段时ω<0，sinξ>0，故Δq_av<0；当电机处于正转制动阶段或反转制动阶段时，cosξ<0，故Δp_av<0。据此特征便可根据电机所处运行状态和两套三相绕组瞬时有功功率或瞬时无功功率差值的平均值情况判断哪套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种双余度永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：

基于瞬时功率理论、利用双余度永磁同步电动机控制系统实现对各相绕组间无电磁耦合低热耦合的双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断；

所述的双余度永磁同步电动机控制系统包括：一台各相绕组间无电磁耦合低热耦合的双余度永磁同步电动机、永磁转子位置传感器、直流电源、两台逆变器、电流传感器和以DSP芯片为核心的控制器；所述直流电源用于给两台逆变器同时供电，所述永磁转子位置传感器用于将双余度永磁同步电动机转子的位置信息传输至以DSP芯片为核心的控制器，该以DSP芯片为核心的控制器产生PWM控制脉冲控制逆变器上功率管的开关状态；所述两台逆变器分别为各相绕组间无电磁耦合低热耦合的双余度永磁同步定子上的两套Y接三相对称绕组供电，两套Y接三相对称绕组包括第一套三相绕组与第二套三相绕组；以DSP芯片为核心的控制器内至少集成有坐标变换、速度调节器、电流调节器、PWM生成、故障诊断及余度控制器的程序；

所述的双余度永磁同步电动机控制系统采用直轴电流给定为零的SVPWM发生器、且为速度电流双闭环调速系统，速度调节器和电流调节器均为具有比例积分特性的控制器；

当两套Y接三相对称绕组无故障时，故障诊断及余度控制器发出命令允许两台逆变器各自为两套Y接三相绕组供电，各相绕组间无电磁耦合低热耦合的双余度永磁同步电动机运行于双余度工作模式，所述的双余度永磁同步电动机控制系统按双余度工作模式控制程序运行，电机角速度为ω；永磁转子位置传感器将转子的位置信号传递给以DSP芯片为核心的控制器，以DSP芯片为核心的控制器将转子的位置信号转换为速度负反馈信号与给定转速比较后经速度调节器和电流调节器产生交轴电流给定信号此交轴电流给定作为两套Y接三相对称绕组共同的交轴电流给定信号；同样的，是两套Y接三相对称绕组共同的直轴电流给定信号；电流传感器检测两套Y接三相对称绕组的三相电流并经信号处理后将其传送给以DSP芯片为核心的控制器，结合转子位置信息经过坐标变换得到两套Y接三相对称绕组的交、直轴电流负反馈信号分别与各自的交、直轴电流给定信号比较，经各自的电流调节器分别生成两套Y接三相对称绕组的交、直轴电压给定信号；继而通过各自的坐标逆变换后得到两套Y接三相对称绕组在两相静止坐标系中的电压给定，再经SVPWM发生器产生两套六路PWM控制脉冲分别控制两台逆变器上的六只功率管器件的开关状态，两台逆变器输出三相电压为两套Y接三相对称绕组供电；

在上述系统运行过程的同时，故障诊断及余度控制器不断进行着线圈匝间短路故障的在线诊断工作；在每一个PWM控制脉冲采样周期内，若电机处于电动运行状态，即时，计算第一套三相绕组与第二套三相绕组的瞬时无功功率差值Δq；若电机处于制动运行状态，即时，计算第一套三相绕组与第二套三相绕组的瞬时有功功率差值Δp；然后，依据电机处于电动运行状态还是制动运行状态，决定是求取最近K个PWM采样周期内两套三相绕组的瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av，还是瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av；再依照瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av或者瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av的绝对值大小作为是否发生匝间短路的判据；

若瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av或者瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av的绝对值不超过所设定的两套三相绕组瞬时无功功率之差阈值或者两套三相绕组瞬时有功功率之差阈值，则认为两套Y接三相对称绕组均正常，所述的双余度永磁同步电动机控制系统仍按双余度工作模式控制程序运行；若瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av或者瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av超过所设定的两套三相绕组瞬时无功功率之差阈值或者两套三相绕组瞬时有功功率之差阈值，则判定发生了线圈匝间短路故障，紧接着判断两套Y接三相对称绕组中哪套三相绕组发生了匝间短路故障，具体判断方法如下：

(1)当电机处于电动运行状态时，若电机角速度ω与瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av的乘积为正，即ω·Δq_av＞0，则判定第二套三相绕组发生匝间短路；若电机角速度ω与瞬时无功功率差值算术平均值Δq_av的乘积为负，即ω·Δq_av＜0，则判定第一套三相绕组发生匝间短路；

(2)当电机处于制动运行状态时，若瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av为正，即Δp_av＞0，则判定第一套三相绕组发生匝间短路；若瞬时有功功率差值算术平均值Δp_av为负，即Δp_av＜0，则判定第二套三相绕组发生匝间短路；

当判断出哪套三相绕组发生匝间短路后，故障诊断及余度控制器发出命令停止为发生了线圈电流故障的那套三相绕组供电的那台逆变器工作，另一台逆变器继续为正常的那套三相绕组供电，所述的双余度永磁同步电动机控制系统进入单余度工作模式，同时停止故障诊断及余度控制器的运行。