CN111123102A - 一种永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法。该方法为：首先构建永磁容错电机驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合；然后采集两套电枢绕组的各相电流，通过滤波器得到各相高频电流信号，再分别向两套电枢绕组的d轴注入高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应；接着对q轴高频电压响应和各相高频电流信号进行幅值提取，得到对应的幅值，并根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则，进行电机绕组开路故障诊断；最后根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则，对发生故障的具体位置进行定位。本发明简单易行、可靠性高，故障诊断时间短，提高了电机驱动系统的稳定性和鲁棒性。

Description

一种永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及永磁容错电机故障诊断技术领域，特别是一种永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法。

背景技术

随着多电、全电飞机及混合、纯电动汽车的发展，电机驱动系统迎来了新的发展机遇和挑战，除了要求高功率密度和高效率外，还需要同时具备高输出性能和高可靠性，这已成为电机驱动系统的关键所在。20世纪90年代，永磁容错电机及其控制系统的出现，提高了系统的安全可靠性，现已应用到航空领域。但是，受到电磁干扰、绝缘老化、接触不良等因素的影响，驱动系统中的电机和功率管经常会发生一些电气故障，一般可以归结为四种类型：功率管开路故障、功率管短路故障、绕组开路故障和绕组短路故障。当电机驱动系统发生故障后，电机非对称运行，输出的转矩脉动增大，产生较大的机械噪声，导致系统的整体性能下降，尤其是输出功率大大降低，甚至不能正常工作，严重危害系统的安全，因此如何在系统故障时的保障其容错控制能力就成为了一个亟待解决的问题。然而，要研究系统故障时的容错控制能力首先就要求能够对系统的故障进行准确地检测和定位，为了满足复杂条件下电机驱动系统的高机动性和高可靠性，研究故障诊断技术来实现电机容错控制显得尤为重要。在现有的几种电机驱动系统中，双绕组永磁容错电机驱动系统能有效地提高系统的可靠性。双绕组永磁电动机不仅具有传统三相永磁同步电机的优点，还具有可靠性高、容错性强的优势，是一种极具发展前景的航空用电气容错驱动系统。

电机驱动系统故障诊断技术是实现其容错运行的前提。一般来说，功率管和绕组故障可大致分为开路故障和短路故障两种。与短路故障相比，由于电机在发生开路故障后可能会继续运行，因此不能立即检测到开路故障，这将导致严重的事故，如电流过大、绝缘损坏、电机绕组过热、输出扭矩减小、绝缘损坏等其他问题。如果不能及时发现和解决开路故障，可能导致整个系统的损坏。目前，电机驱动系统开路故障的诊断方法主要有电压检测法和电流检测法两种。电压检测方法具有鲁棒性强、诊断速度快等优点，但其通用性差，并且增设电压传感器会导致系统的成本和复杂度增加。

考虑到系统参数和控制策略的独立性，电流检测是目前最常见的开路故障诊断方法，它不需要额外增设的传感器。在以往的电力拖动系统中，开路故障诊断方法大多缺乏足够的理论基础和算法创新，因此常见的开路故障诊断方法在不同的负载和速度条件下经常存在误报警问题，并且还存在诊断时间长、传感器数量多、电气设备多等缺点，导致系统设计变得更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易行、可靠性高、诊断时间短、误诊断率低的永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，从而有效地检测和定位永磁容错电机驱动系统中的绕组开路故障。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、构建永磁容错电机驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合；

步骤2、采集两套电枢绕组的各相电流，通过滤波器得到各相高频电流信号，再分别向两套电枢绕组的d轴注入高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应；

步骤3、对q轴高频电压响应和各相高频电流信号进行幅值提取，得到对应的幅值，并根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则，进行电机绕组开路故障诊断；

步骤4、根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则，对发生故障的具体位置进行定位。

进一步地，步骤1所述的构建永磁容错电机驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合，具体如下：

构建永磁容错电机驱动系统，包括一台双绕组永磁容错电机、两套逆变器、两套速度PI控制器、两套电流PI控制器、一个高频信号注入模块、一个高频响应信号提取模块和一个开路故障检测与处理器；

所述的双绕组永磁容错电机包括十二槽定子和十极表贴式永磁体转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组；

所述的两套逆变器为两套三相全桥驱动电路，分别对各套电枢绕组进行驱动。

进一步地，步骤2所述的采集两套电枢绕组的各相电流，通过滤波器得到各相高频电流信号，再分别向两套电枢绕组的d轴注入高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应，具体如下：

采集永磁容错电机两套电枢绕组的各相电流i_n，n＝A,B,C,X,Y,Z，通过滤波器得到各相高频电流信号i_nh，分别向两套电枢绕组的d轴注入频率为1kHz-1.5kHz的高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应u_qh为：

其中，ω为转速，ψ_fd为磁链，L_d1为d轴主自感，L₁为漏感，θ为电角度，i_dh为d轴注入的高频电流。

进一步地，步骤3所述的对q轴高频电压响应和各相高频电流信号进行幅值提取，得到对应的幅值，并根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则，进行电机绕组开路故障诊断，具体如下：

设置信号频率在1kHz-1.5kHz范围内，对q轴高频电压响应u_qh和各相高频电流信号i_nh进行幅值提取，得到q轴高频电压响应幅值u_qhm和各相高频电流信号幅值I_nh，将u_qhm和I_nh代入永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则中进行电机绕组开路故障诊断，其中永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则为：

其中，u_qh为q轴高频电压响应，i_nh为各相高频电流信号，F表示系统故障状态，F＝0表示系统正常运行，F＝1表示系统发生了电机绕组开路故障，M_n表示具体相绕组的工作状态，K_n和K_m为系统检测阈值，根据实际应用中对稳定性的需求，取值均在0.9-1.0之间，t为电机运行时间，t₀为电机启动时间。

进一步地，步骤4所述的根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则，对发生故障的具体位置进行定位，具体如下：

将M_n代入永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则中进行电机绕组开路故障定位，其中永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则为：

其中，W₁和W₂分别表示电机绕组ABC和XYZ的工作状态，W₁＝0和W₂＝0表示系统正常运行；W₁＝1表示系统电机绕组ABC发生了绕组开路故障，M_A＝1表示电机A相绕组发生了开路故障，M_B＝1表示电机B相绕组发生了开路故障，M_C＝1表示电机C相绕组发生了开路故障；W₂＝1表示系统电机绕组XYZ发生了绕组开路故障，M_X＝1表示电机X相绕组发生了开路故障，M_Y＝1表示电机Y相绕组发生了开路故障，M_Z＝1表示电机Z相绕组发生了开路故障。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用了基于双绕组容错电机的高可靠性电力传动系统，具有可靠性高、容错性强的优点；(2)鲁棒性强，能够实现绕组开路故障的实时检测和定位，并且不需要进行反正切函数求相角和对角度求导，也不需要进行两次不同方法分别判断来确定故障，使运算变得简捷，节约了系统成本；(3)简单易行，诊断时间短，可避免负载突变等原因引起的误诊断，能有效地检测和定位永磁容错电机驱动系统中的绕组开路故障。

附图说明

图1为本发明一种永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法的控制策略框图。

图2为本发明中永磁容错电机驱动系统绕组开路故障诊断的流程示意图。

具体实施方式

本发明永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、构建永磁容错电机驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合；

步骤2、采集两套电枢绕组的各相电流，通过滤波器得到各相高频电流信号，再分别向两套电枢绕组的d轴注入高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应；

步骤3、对q轴高频电压响应和各相高频电流信号进行幅值提取，得到对应的幅值，并根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则，进行电机绕组开路故障诊断；

步骤4、根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则，对发生故障的具体位置进行定位。

进一步地，步骤1所述的构建永磁容错电机驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合，具体如下：

构建永磁容错电机驱动系统，包括一台双绕组永磁容错电机、两套逆变器、两套速度PI控制器、两套电流PI控制器、一个高频信号注入模块、一个高频响应信号提取模块和一个开路故障检测与处理器；

所述的双绕组永磁容错电机包括十二槽定子和十极表贴式永磁体转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组；

所述的两套逆变器为两套三相全桥驱动电路，分别对各套电枢绕组进行驱动。

进一步地，步骤2所述的采集两套电枢绕组的各相电流，通过滤波器得到各相高频电流信号，再分别向两套电枢绕组的d轴注入高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应，具体如下：

采集永磁容错电机两套电枢绕组的各相电流i_n，n＝A,B,C,X,Y,Z，通过滤波器得到各相高频电流信号i_nh，分别向两套电枢绕组的d轴注入频率为1kHz-1.5kHz的高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应u_qh为：

其中，ω为转速，ψ_fd为磁链，L_d1为d轴主自感，L₁为漏感，θ为电角度，i_dh为d轴注入的高频电流。

进一步地，步骤3所述的对q轴高频电压响应和各相高频电流信号进行幅值提取，得到对应的幅值，并根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则，进行电机绕组开路故障诊断，具体如下：

设置信号频率在1kHz-1.5kHz范围内，对q轴高频电压响应u_qh和各相高频电流信号i_nh进行幅值提取，得到q轴高频电压响应幅值u_qhm和各相高频电流信号幅值I_nh，将u_qhm和I_nh代入永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则中进行电机绕组开路故障诊断，其中永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则为：

其中，u_qh为q轴高频电压响应，i_nh为各相高频电流信号，F表示系统故障状态，F＝0表示系统正常运行，F＝1表示系统发生了电机绕组开路故障，M_n表示具体相绕组的工作状态，K_n和K_m为系统检测阈值，根据实际应用中对稳定性的需求，取值均在0.9-1.0之间，t为电机运行时间，t₀为电机启动时间。

进一步地，步骤4所述的根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则，对发生故障的具体位置进行定位，具体如下：

将M_n代入永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则中进行电机绕组开路故障定位，其中永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则为：

其中，W₁和W₂分别表示电机绕组ABC和XYZ的工作状态，W₁＝0和W₂＝0表示系统正常运行；W₁＝1表示系统电机绕组ABC发生了绕组开路故障，M_A＝1表示电机A相绕组发生了开路故障，M_B＝1表示电机B相绕组发生了开路故障，M_C＝1表示电机C相绕组发生了开路故障；W₂＝1表示系统电机绕组XYZ发生了绕组开路故障，M_X＝1表示电机X相绕组发生了开路故障，M_Y＝1表示电机Y相绕组发生了开路故障，M_Z＝1表示电机Z相绕组发生了开路故障。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例

如图1所示，本发明一种永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、构建永磁容错电机驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合，具体如下：

构建永磁容错电机驱动系统，包括一台双绕组永磁容错电机、两套逆变器、两套速度PI控制器、两套电流PI控制器、一个高频信号注入模块、一个高频响应信号提取模块和一个开路故障检测与处理器；

所述的双绕组永磁容错电机包括十二槽定子和十极表贴式永磁体转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立对称的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组；

所述两套逆变器为两套三相全桥驱动电路，分别对各套电枢绕组进行驱动；

步骤2、采集两套电枢绕组的各相电流，设置信号频率在1kHz-1.5kHz范围内,通过滤波器得到各相高频电流信号，再分别向两套电枢绕组的d轴注入高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应，具体如下：

采集永磁容错电机两套电枢绕组的各相电流i_n(n＝A,B,C,X,Y,Z)，通过滤波器得到各相高频电流信号i_nh，分别向两套电枢绕组的d轴注入频率为1kHz-1.5kHz的高频方波电流信号，将采集到的相电流用向量空间解耦坐标变换法，把其在自然坐标系下的各变量映射到正交子空间α-β、x-y和零阶子空间，可表示为：

[f_α f_β f_x f_y f_o1 f_o2]^T

＝T_s[f_A f_B f_C f_X f_Y f_Z]^T

根据恒幅原理，变换矩阵T_s可以定义为下式：

式中前两条线对应于α-β子空间，α-β子空间包含电机的基本元件，参与电机能量转换；

为了简化分析，将静态坐标系转换为同步旋转坐标系：

[f_d f_q]^T＝T_dq[f_α f_β f_x f_y f_o1 f_o2]^T

变化矩阵T_dq可定义为：

设定双绕组永磁容错电机是一个理想的电机，自然坐标系下电压磁链的基本方程可表示为：

在正常状态下，d-q坐标系中的空间电压方程如下所示：

其中L_d＝3L_d1+L₁，L_q＝3L_q1+L₁，L_d1为d轴主自感，L_q1为q轴主自感，L₁为漏感；

在自然坐标系下，当单相绕组发生开路故障时，得到其余五相的电压和磁通方程。R_s，i_s是从正常六相绕组系数矩阵中去掉故障行列式的故障状态系数矩阵，λ是去掉故障线的结果。d-q坐标系中的空间电压u_d和u_q可表示为：

a和b的值与故障类型有关，单相绕组开路故障时，a＝0.75，b＝0.25。单相故障条件下的q轴高频电压响应可以表示为下式，当某一高频电流信号注入d轴时，u_qh值低于正常情况下的u_qh值：

其中，ω为转速，ψ_fd为磁链，L_d1为d轴主自感，L₁为漏感,θ为电角度，i_dh为d轴注入的高频电流；

步骤3、对q轴高频电压响应和各相高频电流信号进行幅值提取，得到对应的幅值，并根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则，进行电机绕组开路故障诊断，具体如下：

如图2所示，设置信号频率在1kHz-1.5kHz范围内,对q轴高频电压响应u_qh和各相高频电流信号i_nh进行幅值提取，得到q轴高频电压响应幅值u_qhm和各相高频电流信号幅值I_nh，将u_qhm和I_nh代入永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则中进行电机绕组开路故障诊断，其中永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则为：

其中，u_qh为q轴高频电压响应，i_nh为各相高频电流信号，F表示系统故障状态，F＝0表示系统正常运行，F＝1表示系统发生了电机绕组开路故障，M_n表示具体相绕组的工作状态，K_n和K_m为系统检测阈值，根据实际应用中对稳定性的需求，一般取值在0.9-1.0之间，t为电机运行时间，t₀为电机启动时间。

步骤4、根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则，对发生故障的具体位置进行定位，具体如下：

如图2所示，将M_n代入永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则中进行电机绕组开路故障定位，其中永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则为：

其中，W₁和W₂分别表示电机绕组ABC和XYZ的工作状态，W₁＝0和W₂＝0表示系统正常运行；W₁＝1表示系统电机绕组ABC发生了绕组开路故障，M_A＝1表示电机A相绕组发生了开路故障，M_B＝1表示电机B相绕组发生了开路故障，M_C＝1表示电机C相绕组发生了开路故障；W₂＝1表示系统电机绕组XYZ发生了绕组开路故障，M_X＝1表示电机X相绕组发生了开路故障，M_Y＝1表示电机Y相绕组发生了开路故障，M_Z＝1表示电机Z相绕组发生了开路故障。

Claims (5)

1.一种永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建永磁容错电机驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合；

步骤2、采集两套电枢绕组的各相电流，通过滤波器得到各相高频电流信号，再分别向两套电枢绕组的d轴注入高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应；

步骤3、对q轴高频电压响应和各相高频电流信号进行幅值提取，得到对应的幅值，并根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则，进行电机绕组开路故障诊断；

步骤4、根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则，对发生故障的具体位置进行定位。

2.根据权利要求1所述的永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，其特征在于，步骤1所述的构建永磁容错电机驱动系统，完成各个模块的搭建和整个驱动系统的整合，具体如下：

构建永磁容错电机驱动系统，包括一台双绕组永磁容错电机、两套逆变器、两套速度PI控制器、两套电流PI控制器、一个高频信号注入模块、一个高频响应信号提取模块和一个开路故障检测与处理器；

所述的双绕组永磁容错电机包括十二槽定子和十极表贴式永磁体转子，其中十二槽定子中包含两套相互独立且对称设置的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组；

所述的两套逆变器为两套三相全桥驱动电路，分别对各套电枢绕组进行驱动。

3.根据权利要求1所述的永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，其特征在于，步骤2所述的采集两套电枢绕组的各相电流，通过滤波器得到各相高频电流信号，再分别向两套电枢绕组的d轴注入高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应，具体如下：

采集永磁容错电机两套电枢绕组的各相电流i_n，n＝A,B,C,X,Y,Z，通过滤波器得到各相高频电流信号i_nh，分别向两套电枢绕组的d轴注入频率为1kHz-1.5kHz的高频方波电流信号，得到q轴高频电压响应u_qh为：

其中，ω为转速，ψ_fd为磁链，L_d1为d轴主自感，L₁为漏感，θ为电角度，i_dh为d轴注入的高频电流。

4.根据权利要求1所述的永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，其特征在于，步骤3所述的对q轴高频电压响应和各相高频电流信号进行幅值提取，得到对应的幅值，并根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则，进行电机绕组开路故障诊断，具体如下：

设置信号频率在1kHz-1.5kHz范围内，对q轴高频电压响应u_qh和各相高频电流信号i_nh进行幅值提取，得到q轴高频电压响应幅值u_qhm和各相高频电流信号幅值I_nh，将u_qhm和I_nh代入永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则中进行电机绕组开路故障诊断，其中永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障诊断准则为：

其中，u_qh为q轴高频电压响应，i_nh为各相高频电流信号，F表示系统故障状态，F＝0表示系统正常运行，F＝1表示系统发生了电机绕组开路故障，M_n表示具体相绕组的工作状态，K_n和K_m为系统检测阈值，取值均在0.9-1.0之间，t为电机运行时间，t₀为电机启动时间。

5.根据权利要求1所述的永磁容错电机驱动系统的故障诊断方法，其特征在于，步骤4所述的根据永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则，对发生故障的具体位置进行定位，具体如下：

将M_n代入永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则中进行电机绕组开路故障定位，其中永磁容错电机驱动系统电机绕组开路故障定位准则为：

其中，W₁和W₂分别表示电机绕组ABC和XYZ的工作状态，W₁＝0和W₂＝0表示系统正常运行；W₁＝1表示系统电机绕组ABC发生了绕组开路故障，M_A＝1表示电机A相绕组发生了开路故障；M_B＝1表示电机B相绕组发生了开路故障，M_C＝1表示电机C相绕组发生了开路故障；W₂＝1表示系统电机绕组XYZ发生了绕组开路故障，M_X＝1表示电机X相绕组发生了开路故障，M_Y＝1表示电机Y相绕组发生了开路故障，M_Z＝1表示电机Z相绕组发生了开路故障。

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