CN111551849B - 双y相移30°双余度永磁同步电机匝间短路故障在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双Y相移30°双余度永磁同步电机匝间短路故障在线诊断方法，该方法依据电机中两套三相绕组的空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值的绝对值大小和正负判断出线圈匝间短路故障出现在哪一套三相绕组中。若空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值的绝对值不超过所设阈值，则认为两套三相绕组均正常；当空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值的绝对值超过所设阈值，且为正时，第二套三相绕组发生线圈匝间短路故障；当空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值的绝对值超过所设阈值，且为负时，第一套三相绕组发生线圈匝间短路故障。

Description

双Y相移30°双余度永磁同步电机匝间短路故障在线诊断方法

技术领域

本发明属于电气工程领域，具体涉及一种基于空间电压矢量模与角频率比值平方的差值算术平均值的双Y相移30°双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法。

背景技术

永磁同步电动机由于结构简单、功率密度高和运行可靠等优点在各个领域得到广泛应用，但是在可靠性要求较高的场合，如国防军事领域，传统永磁同步电动机无法满足某些技术指标。为提高系统的可靠性，人们永磁同步电动机的基础上设计出具有容错能力的双余度永磁同步电动机。

本发明所涉及的双Y相移30°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一种六相永磁同步电动机，它由传统的连续两个定子齿上绕制通电方向相反线圈的分数槽集中绕组的24槽22极六相永磁同步电动机改进而来，是通过在相邻两相绕组共槽的槽中心处增加了12个小齿而成，添加小齿后基本上消除了不同相绕组间的槽漏互感，达到了各相绕组之间互感为0，各相绕组之间无电磁耦合的电气特性，物理上相互隔离；在小齿两侧添加隔热板后，减小了相绕组间的热耦合，大大提高了系统运行的可靠性。双Y相移30°各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机内部的两套三相绕组各自星(Y)接，两个Y接点互不连接，两套Y接三相绕组中相绕组轴线最为邻近的两套相绕组的感应电动势相位相差30°电角度。

永磁同步电动机内部线圈匝间短路引起的定子绕组故障是最常见的电气故障。定子绕组线圈少量线匝发生短路故障时不会对电机运行产生显著的影响，但是，在短路初期如果不对其进行检测诊断，情况会逐渐恶化，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，需要对线圈匝间短路进行在线检测，及时切断故障套三相绕组以防故障进一步恶化。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有方法的不足，基于两套三相绕组的空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值的绝对值大小和正负情况，在线判断出两套Y接相移30°的三相绕组是否正常，以及不正常时到底哪套三相绕组发生了线圈匝间短路故障。

本发明的提出的一种双Y相移30°双余度永磁同步电机匝间短路故障在线诊断方法，其中涉及的双Y相移30°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控制系统包括：一台双Y相移30°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、直流电源、两套三相逆变器、以DSP芯片为核心的控制器、电流传感器和永磁转子位置传感器；

所述的双余度永磁同步电动机控制系统的控制程序集成于DSP芯片内，至少包括坐标变换、速度调节器、电流调节器、空间电压矢量脉宽调制脉冲信号生成、线圈匝间短路故障诊断及余度控制器程序；

所述的双余度永磁同步电动机内部的两套三相绕组是两套Y接相移30°三相对称绕组，即两套三相绕组各自按照Y接，两个Y接星点互不连接，两套Y接三相绕组中相绕组轴线最为邻近的两套相绕组的感应电动势相位相差30°电角度；

所述的直流电源给两套三相逆变器同时供电，所述永磁转子位置传感器将转子的位置信息传输至以DSP芯片为核心的控制器，电流传感器将各相电流信息传输至以DSP芯片为核心的控制器，以DSP芯片为核心的控制器产生空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)脉冲信号控制两套三相逆变器内功率管的开关状态，两套三相逆变器分别为各自连接的两套Y接相移30°三相对称绕组中的一套三相对称绕组供电，实现系统运行控制；

双Y相移30°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的控制及线圈匝间短路故障在线检测过程如下：

双Y相移30°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的控制采用

矢量调制技术，控制系统为速度电流双闭环调速系统，速度调节器和电流调节器均采用比例积分特性(PI)控制器；

当两套三相绕组无故障时，线圈匝间短路故障诊断及余度控制器发出命令允许两套三相逆变器分别给两套三相绕组供电，所述的双余度永磁同步电动机运行于双余度模式，控制系统按双余度模式控制程序运行：

永磁转子位置传感器将转子位置信号传递给以DSP芯片为核心的控制器，以DSP芯片为核心的控制器将转子位置信号转换为速度负反馈信号与给定转速信号比较后经速度调节器产生交轴电流给定信号

此交轴电流给定作为两套三相绕组共同的交轴电流给定信号；同样的，

是两套三相绕组共同的直轴电流给定信号；电流传感器检测两套三相绕组的三相电流并将其传送给以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三相绕组的交轴电流负反馈信号和直轴电流负反馈信号分别与各自的交轴电流给定信号和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三相绕组的交轴电压给定信号和直轴电压给定信号；继而通过各自的坐标逆变换后得到两套三相绕组在两相静止坐标系中的电压给定，再经SVPWM脉冲发生器产生两套各自六路PWM脉冲分别控制两套三相逆变器六只功率管器件的开关状态，两套三相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，线圈匝间短路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：

无论双余度永磁同步电动机处于电动运行或制动运行状态，不论电机是正向还是反向旋转，在每一个控制采样周期内，计算第一套三相绕组与第二套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值

然后，求取最近K个PWM采样周期内两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av，再依照两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av的正负和大小判断否发生了线圈匝间短路故障；

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av的绝对值|Δε_av|不超过所设阈值ε_T，则认为两套三相绕组均正常，控制系统仍按双余度模式控制程序运行；

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av的绝对值|Δε_av|超过所设阈值，则判定有绕组发生了线圈匝间短路故障，紧接着按照下述方法判断是哪套三相绕组发生了线圈匝间短路故障：

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av为正，则判定第二套三相绕组发生线圈匝间短路故障；

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av为负，则判定第一套三相绕组发生线圈匝间短路故障；

当检测到以上情形之一，判断出哪套三相绕组发生了线圈匝间短路后，线圈匝间短路故障诊断及余度控制器发出命令，停止给发生了线圈匝间短路故障的那套三相绕组供电的那台逆变器工作，另一台逆变器继续给正常套三相绕组供电，控制系统进入单余度工作模式。当控制系统单余度模式运行时，还可以加入适合单余度运行的控制算法来提高其运行性能。

本发明是依据双Y相移30°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空间电压矢量模与角频率比值平方的差值算术平均值的关系提出的。现以第一套A1相绕组线圈发生匝间短路故障时的电气特性来简述本发明原理。

双Y相移30°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，由于电流调节器的调节速度很快，当线圈正常以及出现局部线圈匝间短路故障，且电机正向运行时，若将第一套三相绕组实际电流的相位滞后30°电角度构造出虚拟的第一套三相绕组实际电流，定子两套三相绕组的正序基波电流幅值远大于负序基波电流幅值，则虚拟的第一套三相绕组实际电流正序分量与第二套三相绕组实际电流正序分量近似相等；或者说，当电机正向运行时，若将第二套三相绕组实际电流的相位再超前30°电角度构造出虚拟的第二套三相绕组实际电流，则虚拟的第二套三相绕组实际电流正序分量与第一套三相绕组实际电流正序分量近似相等。

由于正序基波电流幅值远大于负序基波电流幅值，当线圈正常以及出现局部线圈匝间短路故障，且电机正向运行，只考虑正序基波电流和磁链基波时，双Y相移30°各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度电机各相绕组电流及所交链永磁磁链的表达式为

式中，I_m、ω、θ₀和ψ_m分别为正序基波电流幅值、基波角频率、正序基波电流相位初始值和永磁体磁链幅值，其单位为A、rad/s、rad和Wb。

将第二套三相绕组电流和所交链永磁磁链正序分量的相位都再超前30°电角度，所构造出虚拟的第二套三相绕组实际电流以及虚拟的第二套三相绕组所交链永磁磁链正序分量分别为

式中，i_A2ps、i_B2ps和i_C2ps以及ψ_fA2ps、ψ_fB2ps和ψ_fC2ps分别为所构造出虚拟的第二套三相绕组实际电流以及虚拟的第二套三相绕组所交链永磁磁链正序分量。

由于电流调节器的调节速度很快，则可以认为

按功率相等原则将各物理量由三相静止坐标系转换到同步旋转坐标系，可得

式中，θ_e为三相静止坐标系与同步旋转坐标系中A1相轴与d轴的夹角。

定子电压空间矢量的模可以表示为

当两套三相绕组正常运行时，整理可以得到定子电压方程为

式中，R和L分别为各相绕组的电阻和电感，其单位分别为Ω和H；p为微分算子。

所构造出虚拟的第二套三相绕组定子电压方程可以表示为

未发生线圈匝间短路故障时，根据式(6)、式(13)和式(15)可知，u_A1≈u_A2ps，u_B1≈u_B2ps，u_C1≈u_C2ps，则两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值

当第一套三相绕组中A1相发生线圈匝间短路故障时，定子电压方程为

式中，R_h、L_h和ψ_fh分别为第一套三相绕组中A1相发生线圈匝间短路故障后A1相剩余正常绕组的电阻、电感和所交链的永磁磁链，单位分别为Ω、H和Wb；M_hf为A1相绕组发生线圈匝间短路故障部分线匝与A1相绕组剩余正常部分线匝之间的互感，单位为H；i_f为发生线圈匝间短路故障A1相绕组电流，其单位为A；R_s和i_s发生线圈匝间短路故障处接触电阻和流过接触电阻的短路电流，其单位分别为Ω和A；且

ψ_fh＝ψ_mhsin(ωt) (18)

ψ_mh为发生线圈匝间短路故障后A1相剩余正常绕组磁链幅值，

第二套三相绕组定子电压方程不变，由式(6)(15)(17)可知u_A1≠u_A2ps，u_B1≈u_B2ps，u_C1≈u_C2ps，则

令

u_A1-u_A2ps＝U_m1sin(ωt+θ₁) (20)

u_A1+2u_A2ps＝U_m2sin(ωt+θ₂) (21)

则

其中，U_m1、U_m2、U_m、θ₁、θ₂和Δθ为中间变量，且

U_m＝U_m1·U_m2 (23)

Δθ＝θ₁-θ₂ (24)

DSP在每个控制采样周期得到第一套三相绕组与第二套三相绕组的空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值Δε，并更新最新的K个Δε的算术平均值Δε_av，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，电机正转，不论电机处于电动运行还是制动运行状态，若cos(Δθ)＞0，第一套三相绕组与第二套三相绕组的空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值为正，即Δε_av＞0，则第二套三相绕组发生匝间短路；若cos(Δθ)＜0，第一套三相绕组与第二套三相绕组的空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值为负，即Δε_av＜0，则第一套三相绕组发生匝间短路。

同理，电机反转时，不论电机处于电动运行还是制动运行状态，结论也是一样的。

因此，可根据上述方法判断双Y相移30°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。

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阈值，而将这些影响因素囊括在内，以避免误诊断。

附图说明

图1为双Y相移30°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，图中：1-定子铁心，2-小齿，3-绕组，4-隔热板，5-大齿，6-永磁体；

图2为双Y相移30°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定子三相绕组与两套三相逆变器连接图；

图3为在线诊断线圈匝间短路故障的双Y相移30°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双Y相移30°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空间电压矢量模与角频率比值平方的差值算术平均值的程序流程图；

图6是在线诊断双Y相移30°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7是线圈匝间短路故障相电路模型图。

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所示双Y相移30°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可见，该电机定子采用24槽22极的分数槽双层集中绕组，槽极数配合符合Z₀＝2p₀+2(这里Z₀为槽数，p₀为极对数)关系，各相绕组产生的电枢反应磁场相互间没有交链。与传统电机不同的是，该电机定子铁心1上不同相绕组共槽处增设了一个小齿2，为漏磁通提供通道，大大降低了槽互漏感，可近似认为槽互漏感是零，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4，实现了各相间低热耦合的目的。永磁转子的永磁体6采用表贴式结构，永磁体6平行充磁。定子铁心1上布置有两套对称三相绕组3，所有线圈的绕制方向一样，每个线圈都有一个首端和一个尾端，所述的两个相邻小齿之间的Z₀/12＝2个大齿5上绕制的Z₀/12＝2个线圈在定子铁心圆周上沿逆时针方向按照正向串联、反向串联、……、正向串联、反向串联的规律依次串联成一相绕组支路，即两个线圈在定子铁心圆周上沿逆时针方法按照尾接尾、首接首、……、尾接尾、首接首的规律依次串联成一条相绕组支路，共能连接成十二条相绕组支路；

按照逆时针方向将这12条相绕组支路的首端-尾端对应的相绕组支路的首端尾端命名规律是：A1相绕组支路1的首端A1₁-尾端X1₁，A2相支路1的首端A2₁-尾端X2₁，C1相绕组支路1的尾端Z1₁-首端C1₁，C2相绕组支路1的尾端Z2₁-首端C2₁，B1相绕组支路1的首端B1₁-尾端Y1₁，B2相绕组支路1的首端B2₁-尾端Y2₁，A1相绕组支路2的尾端X1₂-首端A1₂，A2相绕组支路2的尾端X2₂-首端A2₂，C1相绕组支路2的首端C1₂-尾端Z1₂，C2相绕组支路2的首端C2₂-尾端Z2₂，B1相绕组支路2的尾端Y1₂-首端B2₂，B2相绕组支路2的尾端Y2₂-首端B2₂；所述的12个相绕组支路的永磁电动势相位依次滞后30°、210°、30°、210°、30°、210°、30°、210°、30°、210°、30°电角度，且各个相绕组支路之间的互感为零。所述的十二条相绕组支路电动势大小和相位都相同的2条相绕组支路可以两两并联或者两两串联后组成六个相绕组A1X1、A2X2、B1Y1、B2Y2、C1Z1、C2Z2，所述的六个相绕组中永磁电动势大小相等相位互差120°的三个相绕组能够Y接成一套三相对称绕组，共能连接成两套Y接三相对称绕组，两套Y接三相对称绕组相对应的相绕组间的永磁感应电动势大小相等相位相差30°电角度，而将其称为双Y相移30°三相对称绕组，两套三相对称绕组由两个三相逆变器单独供电。

图2所示为双Y相移30°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定子三相绕组与两套三相逆变器连接图。两套三相逆变器直流侧共用一台供电电源，三相逆变器I(VSI1)的输出端A1、B1、C1分别与双Y相移30°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A1、B1、C1对应相连；三相逆变器II(VSI2)的输出端A2、B2、C2分别与双Y相移30°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A2、B2、C2对应相连。双Y相移30°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的转子，同时在电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，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；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p₀后转变为永磁转子位置电θ_e信息，永磁转子位置电角θ_e用于第一套三相绕组静止αβ坐标系中的实际电流i_α1和i_β1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，或者用于将同步旋转dq坐标系中交直轴电压指令

和

旋转逆变换得到两相静止αβ坐标系中的电压给定

和

永磁转子位置电角θ_e用于第二套三相绕组静止αβ坐标系中的实际电流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_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

旋转逆变换得到两相静止αβ坐标系中的电压给定

和

永磁转子位置角θ对时间求导后得到电机实际角速度Ω，电机实际角速度Ω用作速度闭环控制的速度负反馈输入到速度控制器ASR，电机实际角速度Ω还同时用于故障诊断。

由图3所示在线诊断线圈匝间短路故障的双Y相移30°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，双Y相移30°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两个使能控制命令信号EN1和EN2。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和第二台逆变器VSI2同时工作，同时为双Y相移30°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，双Y相移30°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。当双Y相移30°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两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值进行计算，判断双Y相移30°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继续为电机的第二套三相绕组供电，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，双Y相移30°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继续为电机的第一套三相绕组供电，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，双Y相移30°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。

不论双Y相移30°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，电机给定角速度Ω^*与电机实际角速度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

在第一套三相绕组电流控制环中，第一套三相绕组交轴给定电流

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第一套三相绕组的交轴给定电压

与此同时，给定为0的第一套三相绕组直轴给定电流

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调节后的输出作为第一套三相绕组直轴给定电压

将同步旋转dq坐标系中的第一套三相绕组交轴和第一套三相绕组直轴给定电压

和

经dq反变换得到第一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

第一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

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六只功率开关管的六个PWM控制脉冲信号，第一台逆变器VSI1的三相逆变全桥输出的三路PWM电压分别输入到双Y相移30°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第一套三相绕组两相静止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经旋转变换得到第一套三相绕组同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴实际电流i_q1和i_d1，第一套三相绕组的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，第一套三相绕组同步旋转dq坐标系中的d轴和q轴给定电压

和

用于电机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，第二套三相绕组交轴给定电流

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第二套三相绕组交轴给定电压

与此同时，给定为0的第二套三相绕组直轴给定电流

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调节后的输出作为第二套三相绕组直轴给定电压

将同步旋转dq坐标系中的第二套三相绕组交轴和直轴给定电压

和

经旋转逆变换得到第二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

第二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

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六只功率开关管的六个PWM控制脉冲信号，第二台逆变器VSI2三相逆变全桥输出的三路PWM电压分别输入到双Y相移30°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第二套三相绕组两相静止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经旋转变换得到第二套三相绕组同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴实际电流i_q2和i_d2，第二套三相绕组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，第二套三相绕组同步旋转dq坐标系中的d轴和q轴给定电压

和

用于电机故障诊断及余度控制器。

图4是本发明中控制系统上电时对在线诊断双Y相移30°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，对于双Y相移30°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VSI1为电机的第二套三相绕组供电，系统按双余度工作模式工作；将求取两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方的差值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空间电压矢量模与角频率比值平方的差值平均值Δε_av、当前之前1次两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方的差值的1/K倍Δε_1/K(K)、当前之前2次两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方的差值的1/K倍Δε_1/K(K-1)、…、当前之前(K-1)次两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方的差值的1/K倍Δε_1/K(2)和当前之前K次两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方的差值的1/K倍Δε_1/K(1)。

图5为求取两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方的差值平均值的程序流程图。求取两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方的差值平均值时，首先利用两套三相绕组的直轴、交轴给定电压和角频率

和ω计算两套三相绕组的空间电压矢量模与角频率比值平方，即执行“

”步骤，然后取当前两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方之差的1/K倍，即“Δε_1/K(K+1)＝(ε₁-ε₂)/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空间电压矢量模与角频率比值平方之差的平均值Δε_av，即进行“Δε_av＝Δε_av+Δε_1/K(K+1)-Δε_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空间电压矢量模与角频率比值平方之差的1/K倍，即完成“Δε_1/K(1)＝Δε_1/K(2)、Δε_1/K(2)＝Δε_1/K(3)、…、Δε_1/K(K-1)＝Δε_1/K(K)和Δε_1/K(K)＝Δε_1/K(K+1)”等操作，为下一次计算两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方之差平均值Δε_av做好准备。

图6是本发明中在线诊断双Y相移30°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的每一个控制采样周期内都执行一次本发明中在线诊断双Y相移30°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五个输入：电机电源角频率ω、第一套三相绕组同步旋转dq坐标系中的d轴给定电压

第一套三相绕组同步旋转dq坐标系中的q轴给定电压

第二套三相绕组同步旋转dq坐标系中的d轴给定电压

第二套三相绕组同步旋转dq坐标系中的q轴给定电压

然后，判断电机两套三相绕组空间电压矢量模与角频率比值平方之差的平均值Δε_av的大小和正负判断否发生了线圈匝间短路故障。

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av的绝对值|Δε_av|不超过所设阈值ε_T，则认为两套三相绕组均正常，控制系统仍按双余度模式控制程序运行；

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av的绝对值|Δε_av|超过所设阈值，则判定有绕组发生了线圈匝间短路故障，紧接着判断到底哪套三相绕组发生了线圈匝间短路故障，具体判断方法如下：

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av为正，则判定第二套三相绕组发生线圈匝间短路故障；

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av为负，则判定第一套三相绕组发生线圈匝间短路故障；

判断出哪套三相绕组发生匝间短路故障之后，控制双Y相移30°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，到此完成了双Y相移30°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，并且在以后双Y相移30°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。

图7是匝间短路故障相电路模型图。图中，R_f，L_f分别为发生线圈匝间短路故障后A1相短路绕组的电阻值，电感值，i_f为发生线圈匝间短路故障A1相绕组电流，e_f为发生线圈匝间短路故障后A1相短路绕组上的永磁感应电动势；R_h，L_h分别为发生线圈匝间短路故障后A1相剩余正常绕组的电阻值，电感值，M_hf为A1相发生线圈匝间短路故障绕组和A1剩余正常绕组之间的互感，e_h为发生线圈匝间短路故障后A1相剩余正常绕组上的永磁感应电动势；R_s和i_s发生线圈匝间短路故障处接触电阻和流过接触电阻的短路电流。利用图7可以建立故障套三相绕组的数学模型。

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Y相移30°双余度永磁同步电机匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：其中涉及的双Y相移30°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控制系统包括：一台双Y相移30°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、直流电源、两套三相逆变器、以DSP芯片为核心的控制器、电流传感器和永磁转子位置传感器；

所述的双余度永磁同步电动机控制系统的控制程序集成于DSP芯片内，至少包括坐标变换、速度调节器、电流调节器、空间电压矢量脉宽调制脉冲信号生成、线圈匝间短路故障诊断及余度控制器程序；

所述的双余度永磁同步电动机内部的两套三相绕组是两套Y接相移30°三相对称绕组，即两套三相绕组各自按照Y接，两个Y接星点互不连接，两套Y接三相绕组中相绕组轴线最为邻近的两套相绕组的感应电动势相位相差30°电角度；

所述的直流电源给两套三相逆变器同时供电，所述永磁转子位置传感器将转子的位置信息传输至以DSP芯片为核心的控制器，电流传感器将各相电流信息传输至以DSP芯片为核心的控制器，以DSP芯片为核心的控制器产生空间电压矢量脉宽调制脉冲信号控制两套三相逆变器内功率管的开关状态，两套三相逆变器分别为各自连接的两套Y接相移30°三相对称绕组中的一套三相对称绕组供电，实现系统运行控制；

双Y相移30°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的控制及线圈匝间短路故障在线检测过程如下：

双Y相移30°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的控制采用

矢量调制技术，控制系统为速度电流双闭环调速系统，速度调节器和电流调节器均采用PI控制器；

当两套三相绕组无故障时，线圈匝间短路故障诊断及余度控制器发出命令允许两套三相逆变器分别给两套三相绕组供电，所述的双余度永磁同步电动机运行于双余度模式，控制系统按双余度模式控制程序运行：

永磁转子位置传感器将转子位置信号传递给以DSP芯片为核心的控制器，以DSP芯片为核心的控制器将转子位置信号转换为速度负反馈信号与给定转速信号比较后经速度调节器产生交轴电流给定信号

此交轴电流给定信号 作为两套三相绕组共同的交轴电流给定信号；同样的，

是两套三相绕组共同的直轴电流给定信号；电流传感器检测两套三相绕组的三相电流并将其传送给以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三相绕组的交轴电流负反馈信号和直轴电流负反馈信号分别与各自的交轴电流给定信号和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三相绕组的交轴电压给定信号和直轴电压给定信号；继而通过各自的坐标逆变换后得到两套三相绕组在两相静止坐标系中的电压给定信号 ，再经SVPWM脉冲发生器产生两套各自六路PWM脉冲分别控制两套三相逆变器六只功率管器件的开关状态，两套三相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，线圈匝间短路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：

无论双余度永磁同步电动机处于电动运行或制动运行状态，不论电机是正向还是反向旋转，在每一个控制采样周期内，计算第一套三相绕组与第二套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值

然后，求取最近K个PWM采样周期内两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av，再依照两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av的正负和大小判断是 否发生了线圈匝间短路故障；

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av的绝对值|Δε_av|不超过所设阈值ε_T，则认为两套三相绕组均正常，控制系统仍按双余度模式控制程序运行；

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av的绝对值|Δε_av|超过所设阈值，则判定有绕组发生了线圈匝间短路故障，紧接着按照下述方法判断是哪套三相绕组发生了线圈匝间短路故障：

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av为正，则判定第二套三相绕组发生线圈匝间短路故障；

若两套三相绕组空间电压矢量模平方差值与角频率平方比值的算术平均值Δε_av为负，则判定第一套三相绕组发生线圈匝间短路故障；

当检测到以上情形之一，判断出哪套三相绕组发生了线圈匝间短路后，线圈匝间短路故障诊断及余度控制器发出命令，停止给发生了线圈匝间短路故障的那套三相绕组供电的那台逆变器工作，另一台逆变器继续给正常套三相绕组供电，控制系统进入单余度工作模式。

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