CN110726962A - 一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法 - Google Patents

一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，该诊断方法首先结合电机三相桥逆变器的开关触发信号和直流母线电压估测电机的端部线电压，再经过线相变换和park变换得到电机的dq轴电压，之后利用一种离散式电流观测器对电机的dq轴电流进行初步估算，将估算电流和电流传感器的实测电流作比较，进行信号处理分析。利用信号残差的波动幅值判断故障的发生，利用信号残差的二倍频波动判断故障类型为增益故障，最后构造增益故障系数判断故障相，从而实现增益故障的定位。本发明无需新增特殊的传感器，即可实现对永磁直线电机相电流传感器的增益故障进行诊断，同时，本发明方法受不准确电机参数的影响较小。

Description

一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法
技术领域
本发明是一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，属于电机的故障诊断领域。
背景技术
在电机的闭环控制系统中，通常需要电机的电流信息和速度信息。在电机运行的过程中，由于电流冲击以及电磁干扰等问题容易导致电流传感器出现增益故障而影响运行。
现阶段对电流传感器故障的分析主要分为两种：基于模型的诊断方法和基于信号的诊断方法。基于模型的诊断方法是构建观测器模型观测电机的实际电流，与测量电流进行比较，诊断故障。这一类型的故障对电机模型参数的依赖度较高，当模型不准确的时候，容易造成误判。基于信号的诊断方法是选取能够表征电流传感器故障的信号，进行分析处理，实现故障的诊断。通常这种方法要么需要增加额外的测量设备，要么需要三相电流传感器。现有的诊断方法，不能够同时满足既对模型参数准确性的依赖性较低，又能够适用于两相电流传感器的电机驱动系统。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提出一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，能够在永磁直线电机运行时，利用电机驱动系统的现有运行监测量对电机两相电流传感器的增益故障进行有效诊断。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，结合开关触发信号判断电机的电压，并利用电流观测器估测电流，将估测电流与实际的电流值对比，对信号进行分析处理，利用信号特征判断电流传感器的增益故障。该方法具体包括如下步骤：
(1)结合电机三相桥逆变器的触发信号和直流母线电压估测电机的端部线电压，再进行线相变换和PARK变换得到电机的dq轴电压；
(2)利用构建的离散式电流观测器根据电机的dq轴电压估算电机的dq轴电流；
(3)将根据电流传感器实际测量值计算得到的d轴电流与电流观测器估算的d轴电流作差并进行高通滤波，对q轴电流的残差进行低通滤波；
(4)根据d轴电流残差的波动幅值是否超过设定的故障阈值判断是否发生故障，并根据d轴电流残差周期判断是否发生增益故障，根据q轴电流残差在故障前后的变化判断增益故障的极性，计算增益故障系数并根据系数定位故障相；其中当d轴电流残差周期period与周期阈值thresholdT相比，满足0.25thresholdT<period<0.75thresholdT时判定发生增益故障；增益故障系数GFDI根据如下公式计算：
Figure BDA0002255206940000021
其中，idm为根据电流传感器实际测量得到的d轴电流，idest为根据电流观测器估算的d轴电流，θe为电机位置角，ε为增益故障程度，无增益故障时为零，Porε为增益故障的极性(1为正向增益，-1为负向增益)，LPF表示低通滤波，HPF表示高通滤波，sign为符号函数；当增益故障系数GFDI大于设定阈值时，A相电流传感器故障，小于或等于设定阈值时，B相电流传感器故障。
作为优选，所述步骤(2)中构建的离散式电流观测器表示为：
其中，Rs为定子电阻，ωe为转子电角速度，T为观测器的观测周期，Ls为定子电感，ψf为永磁体磁链，ud(k)、uq(k)分别为k时刻的dq轴电压，id(k)、iq(k)分别为k时刻的dq轴电流，id(k+1)、iq(k+1)分别为k+1时刻的dq轴电流。
作为优选，所述步骤(1)中根据如下公式估测电机的端部线电压：
其中，Sa、Sb、Sc分别是ABC三相逆变器的开关触发信号，上桥臂开通为1，下桥臂开通为-1，Udc为直流母线电压，uAB、uBc、uCA分别为电机定子的线电压。
作为优选，所述步骤(1)中线相变换公式为：
Figure BDA0002255206940000024
其中，uA、uB、uC分别为电机定子的相电压，将uA、uB、uC三相电压进行PARK变换得到dq轴电压值。
作为优选，所述步骤(4)中周期阈值
Figure BDA0002255206940000031
其中ωe为转子电角速度。
有益效果：本发明方法能够在永磁直线电机运行时，对电机电流传感器的增益故障进行有效诊断，除此之外，还具有以下优势：
优势Ⅰ—该诊断方法无需安装额外的传感器设备，利用电机驱动系统的现有运行监测量即可完成故障诊断；
优势Ⅱ—该诊断方法对电机模型参数准确性的依赖程度较低，长期运行导致的电机参数的变化对诊断结果的影响较小。；
优势Ⅲ—该诊断方法能够适用于仅使用两相电流传感器进行电流检测的双闭环电机驱动系统中。
附图说明
图1为本发明的增益故障诊断方法流程图；
图2为增益故障前后电流残差的变化图；
图3为发生故障后的电流残差的细节图；
图4为发生故障前后的增益故障系数对比图；
图5为增益故障前后故障标志的变化图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明：
为了验证本发明的效果，选取永磁直线电机，该直线电机的参数：定子相电阻3Ω，定子相电感Ld＝Lq＝Ls＝33.5mH，永磁体磁链为0.125Wb。该电机控制系统采用速度电流双PI闭环控制，在速度为0.2m/s的情况下，对A相电流传感器增益故障程度ε为1的情况进行实验验证。
具体地，如图1所示，本发明实施例公开的一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，包括如下步骤：
(1)利用电机三相桥逆变器的开关触发信号和直流母线电压估测电机的端部线电压：
Figure BDA0002255206940000041
其中，Sa、Sb、Sc分别是ABC三相逆变器的开关触发信号，上桥臂开通为1，下桥臂开通为-1，Udc为直流母线电压，uAB、uBc、uCA分别为电机定子的线电压。之后利用线相变换得到电机的相电压。
Figure BDA0002255206940000042
其中，uA、uB、uC分别为电机定子的相电压，将uA、uB、uC三相电压进行PARK变换得到dq轴电压值。
(2)利用构建的离散式电流观测器观测电机的dq轴电流：
Figure BDA0002255206940000043
其中，Rs为定子电阻，ωe为转子电角速度，T为观测器的观测周期，Ls为定子电感，ψf为永磁体磁链，ud(k)、uq(k)分别为k时刻的dq轴电压，id(k)、iq(k)分别为k时刻的dq轴电流，id(k+1)、iq(k+1)分别为k+1时刻的dq轴电流。
(3)将电流传感器测量的实际电流进行PARK变换后得到的dq轴电流idm、iqm与电流观测器观测的dq轴电流作差，并进行高通滤波。增益故障前后电流残差的变化参见图2、3。
(4)根据滤波后的电流残差信号进行分析，利用残差信号特征判断电流传感器的增益故障，具体包括：
(4.1)利用q轴电流残差iq_error在故障前后的变化判断增益故障的极性，增加为正极性，减小为负极性。当故障前的iq_error大于故障后的iq_error，增益故障的极性Porε则为负值，否则Porε为正值。
(4.2)判断d轴电流残差id_error的波动幅值是否超过故障阈值，超过即为发生故障。
(4.3)判断发生故障后将电流残差周期与周期阈值thresholdT相比判断是否发生增益故障；其中计算周期阈值为：
Figure BDA0002255206940000051
判断电流残差的二倍频波动，以周期的形式判断二倍频。将d轴电流残差周期period与周期阈值相比，当满足以下条件即为增益故障：
0.25thresholdT<period<0.75thresholdT
(4.4)在判断发生增益故障后再计算增益故障系数GFDI并根据系数定位故障相，增益故障系数：
Figure BDA0002255206940000052
其中，idm为根据电流传感器实际测量得到的d轴电流，idest为电流观测器估算的d轴电流，θe为电机位置角；ε为增益故障的极性，1为正向增益，-1为负向增益，增益故障的极性Porε与增益故障程度ε相关，
Figure BDA0002255206940000053
无增益故障时ε为零，I为相电流幅值，sign为符号函数，LPF为低通滤波，HPF为高通滤波。增益故障系数大于阈值时，即为A相电流传感器故障，小于或等于阈值时为B相电流传感器故障。阈值的确定根据电机运行的实际情况确定。
图4为发生故障前后的增益故障系数对比图，可以看出当A相电流传感器发生增益故障时，增益系数明显大于阈值；图5为增益故障前后故障标志的变化图，可以看出该方法能够有效的判断电流传感器的增益故障。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)结合电机三相桥逆变器的触发信号和直流母线电压估测电机的端部线电压，再进行线相变换和PARK变换得到电机的dq轴电压；
(2)利用构建的离散式电流观测器根据电机的dq轴电压估算电机的dq轴电流；
(3)将根据电流传感器实际测量值计算得到的d轴电流与电流观测器估算的d轴电流作差并进行高通滤波，对q轴电流的残差进行低通滤波；
(4)根据d轴电流残差的波动幅值是否超过设定的故障阈值判断是否发生故障，并根据d轴电流残差周期判断是否发生增益故障，根据q轴电流残差在故障前后的变化判断增益故障的极性，计算增益故障系数并根据系数定位故障相；其中当d轴电流残差周期period与周期阈值thresholdT相比，满足0.25thresholdT<period<0.75thresholdT时判定发生增益故障；增益故障系数GFDI根据如下公式计算：
其中，idm为根据电流传感器实际测量得到的d轴电流，idest为根据电流观测器估算的d轴电流，θe为电机位置角，ε为增益故障的极性，1为正向增益，-1为负向增益；LPF表示低通滤波，HPF表示高通滤波；当增益故障系数GFDI大于设定阈值时，A相电流传感器故障，小于或等于设定阈值时，B相电流传感器故障。
2.根据权利要求1所述的永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(2)中构建的离散式电流观测器表示为：
Figure FDA0002255206930000012
其中，Rs为定子电阻，ωe(k)为转子电角速度，T为观测器的观测周期，Ls为定子电感，ψf为永磁体磁链，ud(k)、uq(k)分别为k时刻的dq轴电压，id(k)、iq(k)分别为k时刻的dq轴电流，id(k+1)、iq(k+1)分别为k+1时刻的dq轴电流。
3.根据权利要求1所述的永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(1)中根据如下公式估测电机的端部线电压：
Figure FDA0002255206930000021
其中，Sa、Sb、Sc分别是ABC三相逆变器的开关触发信号，上桥臂开通为1，下桥臂开通为-1，Udc为直流母线电压，uAB、uBc、uCA分别为电机定子的线电压。
4.根据权利要求3所述的永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(1)中线相变换公式为：
Figure FDA0002255206930000022
其中，uA、uB、uC分别为电机定子的相电压，将uA、uB、uC三相电压进行PARK变换得到dq轴电压值。
5.根据权利要求1所述的永磁直线电机电流传感器增益故障诊断方法，其特征在于：所述步骤(4)中周期阈值
Figure FDA0002255206930000023
其中ωe为转子电角速度。
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