CN111896869A - 一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法 - Google Patents

一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法，根据正常状态和故障状态下基波电流在α‑β坐标上的不同轨迹特征，计算每个周期内基波电流轨迹到原点距离的最大值与最小值。以15种故障状态下DSP后的三次谐波电流在基波d‑q坐标上的不同轨迹特征作为诊断依据，提出相应的故障诊断策略，实现开路故障的故障模式的诊断。本发明可以实现对系统是否发生故障进行判定，以及故障模式进行辨识，具有很强的实时性，实现了五相永磁同步电机开路故障的快速检测和定位，为进一步的容错控制和系统的故障处理提供有效的依据，增强了系统安全性和维修性。

Description

一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种五相永磁同步电机开路故障下的故障诊断方法，属于电机驱动及控制领域。
背景技术
随着大型飞机电驱需求的增加，以及机载设备功率等级的大幅度提升，对机载电机提出了高功率密度，高可靠性，高安全性等要求。多相电机采用多相绕组构成，具有可靠性高、功率密度高、容错能力强等优点，正好迎合这一发展需求，促使各国对多相电机技术展开广泛的研究。
目前，针对多相永磁同步电机驱动及控制技术的研究，已取得了不少成果。实时控制多相电机的输出特性研究，解决了在正常状态下多相电机的运行控制；而功能性和安全性研究，探讨了发生故障之后维持系统正常运行的可能性及其各种应对措施，这些研究为提高系统的容错性提供了理论支撑。
根据对电驱动系统故障树的分析可知，最常见的故障为逆变器桥臂或电机绕组的短路故障和开路故障。发生短路故障时，电机和驱动器基本上都将无法继续工作，通常采用硬件保护措施，以实现故障设备从电网的快速脱离。而开路故障虽然不会像短路故障那样使系统立刻瘫痪，但开路所导致各相电流不平衡，会产生较大的转矩脉动和增大电磁干扰，长期工作可能还会带来其它隐患，为此，有必要在开路故障后快速恢复系统至稳定运行。为了保证系统的安全性和容错能力，系统需要具有快速检测和自动识别当前是否发生故障，以及实现故障判断与定位的能力。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法，用于电机驱动的五相永磁同步电机单相、两相开路故障的检测与定位。
技术方案
一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将实时采样的五相电流值，经过Clark坐标变换，分别得到α-β坐标下的基波电流和三次谐波电流；
步骤2：将三次谐波电流进行DSP，以消除延迟角χ；
步骤3：将DPS后的三次谐波电流均映射到基波旋转坐标系；
步骤4：以五个扇区内的采样数据作为故障诊断的数据来源，对基波旋转坐标系下DPS后的三次谐波电流进行预处理，得到轨迹中心点坐标和电流的轨迹分布象限；
步骤5：判定电机是否发生故障，即根据故障与非故障状态下基波电流在α-β坐标下电流轨迹的特点，将Clark坐标变换后的基波电流计算得到电流轨迹到原点距离；
Figure BDA0002580264400000022
步骤6：以电机转过五个扇区的时间作为一个周期，得到每个周期内电流轨迹到原点距离的最大值Diαβ1_max与最小值Diαβ1_min，当Diαβ1_max大于5倍的Diαβ1_min时，则认为发生了开路故障；
步骤7：当发生了开路故障，根据步骤4中得到的电流轨迹圆心所在象限和轨迹分布象限；参照表1中故障轨迹的特点，实现故障定位；
表1
Figure BDA0002580264400000021
Figure BDA0002580264400000031
所述的步骤2中的时域下数字信号处理DSP计算公式如下：
Figure BDA0002580264400000032
其中，ifαβ3(t)为数字信号处理后时域下在α-β坐标系中三次谐波电流，iαβ3(t)为时域下在α-β坐标系中三次谐波电流,Lm3为三次谐波电感幅值，kp为比例参数，kI为积分参数，Ts为采样周期。
所述的步骤2中的频域下数字信号处理DSP计算公式如下：
Figure BDA0002580264400000033
其中ifαβ3(s)为数字信号处理后(DSP)频域下在α-β坐标系中三次谐波电流，iαβ3(s)为频域下在α-β坐标系中三次谐波电流,kp比例参数，kI积分参数。
所述的步骤4中预处理具体如下：
在五个扇区内时间内，分别对ifd1-αβ3与ifq1-αβ3进行累加，得到轨迹中心点坐标，
如式(3)所示，式中t1-tn依次对应着电机转过五相扇区时间内的采样点，根据圆
心坐标来判读圆心所在象限；
Figure BDA0002580264400000034
其中，ifd1-αβ3(ti)、ifq1-αβ3(ti)为数字信号处理后(DSP)时域下在基波旋转坐标系中三次谐波电流，Cid1-αβ3、Ciq1-αβ3为数据预处理后得到的轨迹中心点坐标即圆心坐标；
以ifd1-αβ3作为横坐标，iq1-αβ3作为纵坐标，根据每一时刻ifd1-αβ3、ifq1-αβ3的正负，来判定采样点所在象限，累计电机转过五个扇区时间内的所有采样点出现的象限作为电流的轨迹分布象限。
有益效果
本发明提出的一种基于三次谐波电流轨迹的五相永磁同步电机开路故障诊断方法，通过电流轨迹的整体分布特征以实现故障诊断，可以快速、有效、可靠的在系统发生开路故障时诊断出故障并实现故障定位。
本发明没有进行三角函数运算，减小运算量，缩短了故障发生到故障诊断时间，并提高了电机高转速运行下故障诊断的准确率，避免不同故障模式之间分混淆。
本发明可以实现对系统是否发生故障进行判定，以及故障模式进行辨识，具有很强的实时性。该故障诊断算法以电机的五相电流值作为诊断数据，因此不需要增加额外的传感器，可以移植到现有五相电机的电驱动系统中。
附图说明
图1五相PMSM和逆变器等效电路图
图2五相PMSM矢量控制原理图
图3五相永磁同步电机开路故障诊断方法流程图
图4空间电压矢量分布图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明步骤如下：
步骤1：将实时采样的五相电流值，经过Clark坐标变换，分别得到α-β坐标下的基波电流和三次谐波电流；
步骤2：将三次谐波电流进行DSP，以消除延迟角χ。
时域下数字信号处理(DSP)公式如式(1)所示
Figure BDA0002580264400000051
其中ifαβ3(t)为数字信号处理后(DSP)时域下在α-β坐标系中三次谐波电流，iαβ3(t)为时域下在α-β坐标系中三次谐波电流，Lm3为三次谐波电感幅值，kp为比例参数，kI为积分参数，Ts为采样周期。
频域下数字信号处理(DSP)公式，由上面公式(1)导出。由电机参数与PI参数之间的差异性，导致传递函数分子与分母的零、极点不能相互消除，从而造成电流相位随着转速变化而变化。为了消除电机转速对电流相位的影响，对iα3、iβ3进行数字信号处理(DSP)。
Figure BDA0002580264400000052
其中ifαβ3(s)为数字信号处理后(DSP)频域下在α-β坐标系中三次谐波电流，iαβ3(s)为频域下在α-β坐标系中三次谐波电流,kp比例参数，kI积分参数。
步骤3：将DPS后的三次谐波电流均映射到基波旋转坐标系。
步骤4：本发明以五个扇区内的采样数据作为故障诊断的数据来源，对基波旋转坐标系下DPS后的三次谐波电流进行预处理，得到轨迹中心点坐标和电流的轨迹分布象限。
在五个扇区内时间内，分别对ifd1-αβ3与ifq1-αβ3进行累加，得到轨迹中心点坐标，如式(3)所示，式中t1～tn依次对应着电机转过五相扇区时间内的采样点，根据圆心坐标来判读圆心所在象限；
Figure BDA0002580264400000053
其中ifd1-αβ3(ti)、ifq1-αβ3(ti)为数字信号处理后(DSP)时域下在基波旋转坐标系中三次谐波电流，Cid1-αβ3、Ciq1-αβ3为数据预处理后得到的轨迹中心点坐标即圆心坐标。
以ifd1-αβ3作为横坐标，ifq1-αβ3作为纵坐标，根据每一时刻ifd1-αβ3、ifq1-αβ3的正负，来判定采样点所在象限，累计电机转过五个扇区时间内的所有采样点出现的象限作为电流的轨迹分布象限。
步骤5：判定电机是否发生故障。即根据故障与非故障状态下基波电流在α-β坐标下电流轨迹的特点，将Clark坐标变换后的基波电流计算得到电流轨迹到原点距离。
步骤6：以电机转过五个扇区的时间作为一个周期，得到每个周期内电流轨迹到原点距离的最大值Diαβ1_max与最小值Diαβ1_min，当Diαβ1_max大于5倍的Diαβ1_min时，则认为发生了开路故障。
步骤7：当发生了开路故障，根据步骤4中得到的电流轨迹圆心所在象限和轨迹分布象限。参照表1中故障轨迹的特点，实现故障定位。
表1 15中不同开路故障下的三次谐波电流在基波旋转坐标系上的分布特点
Figure BDA0002580264400000061
如图1所示主电路采用电压源型逆变器为五相永磁同步电机供电。空间矢量控制采用相邻的四个矢量合成方式，并将在基波平面处于同一方向的中向量与大向量的作用时间比控制在1:1.618，从而最大限度的降低逆变器输出端电压中三次谐波含量，其相应的矢量控制框图如图2所示。
系统实时采样电机转速，经过转速环、交直轴电流环的调节，根据转子位置得到Uα1ref与Uβ1ref。Uα1ref与Uβ1ref作为SVPWM的给定，分别计算出每个桥臂的导通或(关断)时间，和下一时刻空间电压矢量所在扇区，决定每相输出的电压波形。
本发明首先通过电流传感器检测到电机驱动系统中五相电流的实际值，然后通过硬件调理电路和软件滤波对五相电流进行滤波处理，滤除干扰信号，对滤波后的五相电流经过Clark坐标变换，分别得到α-β坐标下的基波电流iα1、iβ1和三次谐波电流iα3、iβ3；将三次谐波电流进行数字信号处理后均映射到基波旋转坐标系得到ifd1-αβ3、ifq1-αβ3，这两项进行数据预处理得到三次谐波电流轨迹圆心所在象限和轨迹分布象限。如果每个周期内电流轨迹到原点距离的最大值Diαβ1_max大于5倍的最小值Diαβ1_min，则认为发生了开路故障。最后通过三次谐波电流轨迹圆心所在象限和轨迹分布象限进行故障定位。由于五相永磁同步电机逆变器开路故障种类众多，本发明只对常见的15种故障进行检测。具体如下：
步骤1：将通过电流传感器实时采样的五相电流值，滤波处理后经过Clark坐标变换，分别得到α-β坐标下的基波电流和三次谐波电流；
步骤2：因为电机参数与PI参数之间的差异性，导致传递函数分子与分母的零、极点不能相互消除，从而造成电流相位随着转速变化而变化。为了消除电机转速对电流相位的影响，对iα3、iβ3进行数字信号处理(DSP)。如式(1)所示消除延迟角χ。
步骤3：再通过式(4)将DPS后的三次谐波电流均映射到基波旋转坐标系。
Figure BDA0002580264400000081
其中ifd1-αβ3、ifq1-αβ3为数字信号处理后(DSP)时域下在基波旋转坐标系中三次谐波电流，ifαβ3(t)为数字信号处理后(DSP)时域下在α-β坐标系中三次谐波电流。
步骤4：五相电压源型逆变器共有25＝32个电压空间矢量，在这些电压矢量中，除了两个零矢量(U0和U31)，其余的空间电压矢量可以分为3组，每组10个空间矢量：大电压矢量UL、中电压矢量UM和小电压矢量US，依次之间的幅值关系为1.6182:1.618:1。在α-β空间中的32个空间电压矢量分布如图4所示，构成了10个扇区。
因为ifd1-αβ3与ifq1-αβ1的频率为基波频率的2倍，所以电流轨迹的周期为电机转子转过五个扇区的时间。为了缩短诊断时间，在每五个扇区的时间内都将进行这两项预处理。
1)在五个扇区内时间内，分别对ifd1-αβ3与ifq1-αβ3进行累加，得到轨迹中心点坐标，如式(3)所示，式中t1～tn依次对应着电机转过五相扇区时间内的采样点，根据圆心坐标来判读圆心所在象限；
2)以ifd1-αβ3作为横坐标，iq1-αβ3作为纵坐标，根据每一时刻ifd1-αβ3、ifq1-αβ3的正负，来判定采样点所在象限，累计电机转过五个扇区时间内的所有采样点出现的象限作为电流的轨迹分布象限；
步骤5：判定电机是否发生故障。即根据故障与非故障状态下基波电流在α-β坐标下电流轨迹的特点，将Clark坐标变换后的基波电流iα1、iβ1带入式(5)得到电流轨迹到原点距离。
Figure BDA0002580264400000082
其中iα1(t)、iβ1(t)为时域下α-β坐标系中基波电流，Diαβ1(t)为时域下α-β坐标系中基波电流到原点距离。
步骤6：为了简化计算，节省控制器的计算单元，即在每一个扇区范围内仅进行一次幅值计算，每当电机转子转入一个新的扇区时，进行一次电流轨迹到原点距离计算，因此五个扇区时间内有五个轨迹到原点距离，得到其中的最大值Diαβ1_max与最小值Diαβ1_min。当Diαβ1_max大于5倍的Diαβ1_min时，则认为发生了开路故障。
步骤7：当发生了开路故障，根据两项预处理的数据，得到电流轨迹圆心所在象限和轨迹分布象限。参照表1中故障轨迹的特点，进行故障定位。整个故障辨识的流程图如图3所示。

Claims (4)

1.一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将实时采样的五相电流值，经过Clark坐标变换，分别得到α-β坐标下的基波电流和三次谐波电流；
步骤2：将三次谐波电流进行DSP，以消除延迟角χ；
步骤3：将DPS后的三次谐波电流均映射到基波旋转坐标系；
步骤4：以五个扇区内的采样数据作为故障诊断的数据来源，对基波旋转坐标系下DPS后的三次谐波电流进行预处理，得到轨迹中心点坐标和电流的轨迹分布象限；
步骤5：判定电机是否发生故障，即根据故障与非故障状态下基波电流在α-β坐标下电流轨迹的特点，将Clark坐标变换后的基波电流计算得到电流轨迹到原点距离；
Figure FDA0002580264390000011
步骤6：以电机转过五个扇区的时间作为一个周期，得到每个周期内电流轨迹到原点距离的最大值Diαβ1_max与最小值Diαβ1_min，当Diαβ1_max大于5倍的Diαβ1_min时，则认为发生了开路故障；
步骤7：当发生了开路故障，根据步骤4中得到的电流轨迹圆心所在象限和轨迹分布象限；参照表1中故障轨迹的特点，实现故障定位；
表1
Figure FDA0002580264390000021
2.根据权利要求1所述的一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法，其特征在于所述的步骤2中的时域下数字信号处理DSP计算公式如下：
Figure FDA0002580264390000022
其中，ifαβ3(t)为数字信号处理后时域下在α-β坐标系中三次谐波电流，iαβ3(t)为时域下在α-β坐标系中三次谐波电流,Lm3为三次谐波电感幅值，kp为比例参数，kI为积分参数，Ts为采样周期。
3.根据权利要求1所述的一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法，其特征在于所述的步骤2中的频域下数字信号处理DSP计算公式如下：
Figure FDA0002580264390000023
其中ifαβ3(s)为数字信号处理后(DSP)频域下在α-β坐标系中三次谐波电流，iαβ3(s)为频域下在α-β坐标系中三次谐波电流,kp比例参数，kI积分参数。
4.根据权利要求1所述的一种五相永磁同步电机开路故障诊断方法，其特征在于所述的步骤4中预处理具体如下：
在五个扇区内时间内，分别对ifd1-αβ3与ifq1-αβ3进行累加，得到轨迹中心点坐标，如式(3)所示，式中t1-tn依次对应着电机转过五相扇区时间内的采样点，根据圆心坐标来判读圆心所在象限；
Figure FDA0002580264390000031
其中，ifd1-αβ3(ti)、ifq1-αβ3(ti)为数字信号处理后(DSP)时域下在基波旋转坐标系中三次谐波电流，Cid1-αβ3、Ciq1-αβ3为数据预处理后得到的轨迹中心点坐标即圆心坐标；
以ifd1-αβ3作为横坐标，iq1-αβ3作为纵坐标，根据每一时刻ifd1-αβ3、ifq1-αβ3的正负，来判定采样点所在象限，累计电机转过五个扇区时间内的所有采样点出现的象限作为电流的轨迹分布象限。
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