CN113534035B - 新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新能源电动汽车驱动系统的电流传感器微小故障诊断方法，属于故障诊断技术领域。该方法包括以下步骤：建立混合逻辑动态模型、建立状态方程、建立增广系统并进行坐标变换、建立新型自适应滑模观测器、做残差、给定自适应阈值、故障诊断。本发明采用的状态增广法对故障进行重构，使得微小故障更加容易检测；该方法采用的新型自适应滑模观测器先相较于传统滑模观测器减少了发生滑模运动的时间和抖振；该方法采用的自适应阈值提高了故障诊断的准确性、鲁棒性和抗干扰性；该方法通过比较残差与自适应阈值的关系，来定义故障检测特征量对三相两电平逆变器的电流传感器进行故障诊断。

Description

新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障诊断领域，尤其涉及新能源电动汽车驱动系统的电流传感器微小故障诊断方法。

背景技术

永磁同步电机的驱动系统是新能源电动汽车的重要组成部分，其安全性和可靠性直接影响电动汽车的正常使用。而电流传感器是驱动系统的重要部件之一，很容易产生故障，从而导致整个驱动系统故障，造成严重的交通事故、人员伤亡和财产损失。

传感器故障主要分为两类：严重故障和精度故障。严重故障主要包括：电流传感器短路、断路、卡死故障等；而精度故障包括电流传感器微小、漂移、比例故障等。目前针对传感器的故障诊断方法主要有两种：基于模型的诊断方法和基于数据的诊断方法。

目前针对传感器微小故障诊断的方法，主要有以下两种诊断方法：

1、基于模型的诊断方法。这类方法通常包括残差生成和诊断决策两个阶段。首先通过建立数学模型，将估计的系统输出与测量信息进行比较得到残差，之后基于适当的决策规则对残差分析以实现对故障的诊断。相关论文及文献如《基于滑模技术故障诊断和容错控制及应用于高速列车的研究》(张康康，南京航空航天大学，2018年12月)、《Slidingmode observer based incipient sensor fault detection with application tohigh-speed railway traction device》(基于滑模观测器的传感器微小故障检测及其在高速铁路牵引装置中的应用，张康康，ISA TRANSACTIONS，2016年7月)等，此类方法需要建立被诊断对象的较为精确的数学模型，但是对于非线性系统来说，难点就在于数学模型难以建立。

2、基于数据驱动的诊断方法。这类方法的基本原理是利用机器学习、统计分析、信号分析方法，如直接从大量的在线操作的数据分析和处理过程，找出故障特征，进行故障诊断。相关论文及专利如《Data-Driven Incipient Fault Detection via CanonicalVariate Dissimilarity and Mixed Kernel Principal ComponentAnalysis》(基于典型变量相异性和混合核主成分分析的数据驱动早期故障检测，吴平，IEEE TRANSACTIONS ONINDUSTRIAL INFORMATICS，2021年8月)、中国发明专利申请公开《一种用于高铁逆变器的微小故障诊断系统的设计方法》(CN 106959397 A)等，此类方法不需要知道系统精确的数学模型，但是需要知道准确的数据，另外针对采集的数据要选择合适的处理方法，不同处理方法会导致不同程度的偏差。

综上所述，现有技术存在的问题包括：

1、针对可以建立准确数学模型的逆变器，基于模型的故障诊断方法相较于基于数据驱动的诊断方法具有明显优势。

2、微小故障不容易检测；

3、发生滑模运动时趋近速率慢且抖震大；

4、自适应阈值抗干扰性不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法，解决上述现有技术中存在的问题。具体的，将原系统的状态方程和故障表示成增广形式，通过坐标变换，进行故障重构，让故障对系统的影响更直观的表现出来；利用新型自适应滑模观测器的趋近律取代传统的等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律，通过合理的参数设计，可以更快的到达滑模面并减小滑模运动的抖振，从而达到更好的跟踪实际情况的效果；利用自适应阈值取代传统的常数阈值，减小故障诊断的时间，同时防止漏报或者误报，提高故障诊断的鲁棒性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法，该方法所述驱动系统涉及的拓扑结构包括直流电源、三相两电平逆变器、永磁同步电机、电流传感器和控制模块，所述永磁同步电机包括三个相同的等效电阻，三个相同的等效电感和三相绕组反电动势；

所述三相两电平逆变器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并连，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由两个开关管串联组成，即逆变电路共包含6个开关管，将6个开关管记为V_kη，η表示开关管的序号，η＝1，2；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2依次串联，开关管V_k1、开关管V_k2的连接点记为点

所述三个相同的等效电阻记为电阻R_k、三个相同的等效电感记为电感L_k、三相绕组反电动势记为反电动势e_k，k＝a，b，c，所述电阻R_k的一端与输出点

相连，另一端与电感L_k相连，电感L_k的另一端连接反电动势e_k的正极，反电动势e_k的负极接地；

所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端Γ_k，k＝a，b，c，检测端Γ_k连接在输出点

和电阻R_k之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接6个开关管V_kη；

所述诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将三相两电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

所述逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c，U_dc为直流侧电压；

所述k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，建立逆变器的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为三相输出电流i_a，i_b，i_c的导数，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，e_a为a相绕组的反电动势，e_b为b相绕组的反电动势，e_c为c相绕组的反电动势，D为系数矩阵1，

F为逆变器的微小扰动信号；

步骤3，令电流传感器的微小故障为微小故障f，建立微小故障方程，其表达式如下：

其中，

为微小故障f的导数，A_f为Hurwitz矩阵，ξ表示微小故障的激励信号；

步骤4，采用状态增广法对微小故障方程和逆变器的电流状态方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：

步骤5，给定状态变量x_i，i＝1，2，3，4，状态变量x_i的表达式为：

将状态变量x_i的导数记为状态变量导数

则状态量导数

与增广系统输出y的表达式分别如下

步骤6，将状态变量x_i的估计值记为状态变量估计值

将状态变量估计值

的导数记为状态变量估计值导数

输出y的估计值记为输出估计值

构建新型自适应滑模观测器，其表达式为：

A为系数矩阵2，

B为系数矩阵3，

C为系数矩阵4，

k₁为可调参数1，且k₁＞0，k₂为可调参数2，且k₂＞0，λ为可调参数3，且λ∈(0，1)，α为可调参数4，α＝5，p为可调参数5，p＝0.75，sign()为符号函数，s为滑模面，且

步骤7，定义残差r_i，

则残差r_i的导数

的表达式为：

步骤8，给定故障诊断自适应阈值T_th；

步骤9，定义故障检测特征量Z，

并进行如下诊断：

若Z＝0，则认定逆变器的电流传感器未发生微小故障；

若Z＝1，则认定逆变器的电流传感器发生了微小故障。

优选地，所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从三相两电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向三相两电平逆变器为负，定义逻辑变量δ_k，δ_k＝1表示k相电流为正，δ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kη的开关信号记为μ_kη，且用符号“-”表示逻辑非，μ_kη＝1表示开关管V_kη处于导通状态，μ_kη＝0表示开关管V_kη处于断开状态，则k相桥臂的开关函数S_k的表达式为：

优选地，步骤8所述故障诊断自适应阈值T_th的给定依据残差r₄，给定过程如下：

首先定义残差r₄如下：

其中，t是时间变量，表示驱动系统运行的时间，e为自然对数函数的底数，r₄(0)表示残差r₄在t＝0时刻的初始值；τ是时间常数，d表示微分，∫表示一重积分号；||||为范数符号，

表示当电流传感器发生微小故障时所对应故障激励信号ξ的值；

故障诊断自适应阈值T_th定义如下：

由于采用了上述故障诊断方法，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、采用了状态增广法和坐标变换对故障进行重构，使得微小故障可以具体的体现出来，更加容易检测；

2、采用了新型自适应滑模观测器，解决了传统滑模观测器发生滑模运动时趋近速率慢和抖振大的问题；

3、设计新型的自适应阈值和残差比较做故障诊断，增加了抗干扰性，提高了故障检测的准确性和鲁棒性；

4、实现了对电流传感器微小故障诊断并检验了故障诊断结果的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例中新能源电动汽车驱动系统涉及的拓扑图；

图2是本发明新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法的示意图；

图3是本发明新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法的流程图；

图4是本发明实施例中在微小故障发生前后的状态变量x₄的仿真波形图；

图5是本发明实施例中诊断残差r₄和诊断自适应阈值T_th的仿真波形图；

图6是本发明实施例中故障检测特征量Z的仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的及技术方案进行清晰、完整的阐述。

图1是本发明例中的新能源电动汽车驱动系统涉及的拓扑图。由图可见，所述驱动系统涉及的拓扑结构包括直流电源、三相两电平逆变器、永磁同步电机、电流传感器和控制模块，所述永磁同步电机包括三个相同的等效电阻，三个相同的等效电感和三相绕组反电动势。

所述三相两电平逆变器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并连，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c。在三相桥臂中，每相桥臂由两个开关管串联组成，即逆变电路共包含6个开关管，将6个开关管记为V_kη，η表示开关管的序号，η＝1，2。在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2依次串联，开关管V_k1、开关管V_k2的连接点记为点

所述三个相同的等效电阻记为电阻R_k、三个相同的等效电感记为电感L_k、三相绕组反电动势记为反电动势e_k，k＝a，b，c，所述电阻R_k的一端与输出点

相连，另一端与电感L_k相连，电感L_k的另一端连接反电动势e_k的正极，反电动势e_k的负极接地。

所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端Γ_k，k＝a，b，c，检测端Γ_k连接在输出点

和电阻R_k之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接6个开关管V_kη。

在图1中，PMSM为永磁同步电机。

图2是本发明新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法的示意图，图3是本发明新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法的流程图。由图2-图3可见，所述诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将三相两电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

所述逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c，U_dc为直流侧电压；

所述k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

在本实施例中，直流侧电压U_dc＝311V。

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，建立逆变器的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为三相输出电流i_a，i_b，i_c的导数，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，e_a为a相绕组的反电动势，e_b为b相绕组的反电动势，e_c为c相绕组的反电动势，D为系数矩阵1，

F为逆变器的微小扰动信号。

步骤3，令电流传感器的微小故障为微小故障f，建立微小故障方程，其表达式如下：

其中，

为微小故障f的导数，A_f为Hurwitz矩阵，ξ表示微小故障的激励信号。

在本实施例中，

A_f＝-1000。

步骤4，采用状态增广法对微小故障方程和逆变器的电流状态方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：

步骤5，给定状态变量x_i，i＝1，2，3，4，状态变量x_i的表达式为：

将状态变量x_i的导数记为状态变量导数

则状态变量导数

与增广系统输出y的表达式分别如下；

步骤6，将状态变量x_i的估计值记为状态变量估计值

将状态变量估计值

的导数记为状态变量估计值导数

输出y的估计值记为输出估计值

构建新型自适应滑模观测器，其表达式为：

A为系数矩阵2，

B为系数矩阵3，

C为系数矩阵4，

k₁为可调参数1，且k₁＞0，k₂为可调参数2，且k₂＞0，λ为可调参数3，且λ∈(0，1)，α为可调参数4，α＝5，p为可调参数5，p＝0.75，sign()为符号函数，s为滑模面，且

在本实施例中，取k₁＝5，k₂＝1，λ＝0.25。

步骤7，定义残差r_i，

则残差r_i的导数

的表达式为：

步骤8，给定故障诊断自适应阈值T_th。

由步骤7的表达式可见，只有残差r₄包含了微小故障故障的激励信号ξ，所以对微小故障进行检测时，故障诊断自适应阈值T_th的给定和步骤9中的故障检测特征量Z的给定均依据残差r₄。

故障诊断自适应阈值T_th的给定依据残差r₄，给定过程如下：

首先定义残差r₄如下：

其中，t是时间变量，表示驱动系统运行的时间，e为自然对数函数的底数，r₄(0)表示残差r₄在t＝0时刻的初始值；τ是时间常数，d表示微分，∫表示一重积分号；||||为范数符号，

表示当电流传感器发生微小故障时所对应故障激励信号ξ的值。

故障诊断自适应阈值T_th定义如下：

步骤9，定义故障检测特征量Z，

并进行如下诊断：

若Z＝0，则认定逆变器的电流传感器未发生微小故障；

若Z＝1，则认定逆变器的电流传感器发生了微小故障。

至此，诊断结束。

在以上步骤中，步骤1所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从三相两电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流

向三相两电平逆变器为负，定义逻辑变量δ_k，δ_k＝1表示k相电流为正，δ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kη的开关信号记为μ_kη，且用符号“-”表示逻辑非，μ_kη＝1表示开关管V_kη处于导通状态，μ_kη＝0表示开关管V_kη处于断开状态，则k相桥臂的开关函数S_k的表达式为：

为了佐证本发明的有益效果，对本发明进行了仿真。

图4是本发明实施例中在微小故障发生前后的状态变量x₄的仿真波形图。由图可见，在微小故障发生0.2秒后状态变量x₄发生微小变化。

图5是本发明实施例中诊断残差r₄和诊断自适应阈值T_th的仿真波形图。由图可见，微小故障发生0.201秒时r₄突然变大超过自适应阈值T_th。

图6是本发明实施例中故障检测特征量Z的仿真波形图。由图可见，故障检测特征量Z在0.201秒时由0变为1，可以判断电流传感器发生微小故障。

Claims (2)

1.一种新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法，该方法所述驱动系统涉及的拓扑结构包括直流电源、三相两电平逆变器、永磁同步电机、电流传感器和控制模块，所述永磁同步电机包括三个相同的等效电阻，三个相同的等效电感和三相绕组反电动势；

所述三相两电平逆变器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并连，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a,b,c；在三相桥臂中，每相桥臂由两个开关管串联组成，即逆变电路共包含6个开关管，将6个开关管记为V_kη，η表示开关管的序号，η＝1,2；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2依次串联，开关管V_k1、开关管V_k2的连接点记为点

所述三个相同的等效电阻记为电阻R_k、三个相同的等效电感记为电感L_k、三相绕组反电动势记为反电动势e_k，k＝a,b,c，所述电阻R_k的一端与输出点

相连，另一端与电感L_k相连，电感L_k的另一端连接反电动势e_k的正极，反电动势e_k的负极接地；

所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端Γ_k，k＝a,b,c，检测端Γ_k连接在输出点

和电阻R_k之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接6个开关管V_kη；

其特征在于，所述诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将三相两电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

所述逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a,b,c，U_dc为直流侧电压；

所述k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a,i_b,i_c，建立逆变器的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为三相输出电流i_a,i_b,i_c的导数，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，e_a为a相绕组的反电动势，e_b为b相绕组的反电动势，e_c为c相绕组的反电动势，D为系数矩阵1，

F为逆变器的微小扰动信号；

步骤3，令电流传感器的微小故障为微小故障f，建立微小故障方程，其表达式如下：

其中，

为微小故障f的导数，A_f为Hurwitz矩阵，ξ表示微小故障的激励信号；

步骤4，采用状态增广法对微小故障方程和逆变器的电流状态方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：

步骤5，给定状态变量x_i，i＝1,2,3,4，状态变量x_i的表达式为：

将状态变量x_i的导数记为状态变量导数

则状态变量导数

与增广系统输出y的表达式分别如下；

步骤6，将状态变量x_i的估计值记为状态变量估计值

将状态变量估计值

的导数记为状态变量估计值导数

输出y的估计值记为输出估计值

构建新型自适应滑模观测器，其表达式为：

A为系数矩阵2，

B为系数矩阵3，

C为系数矩阵4，

k₁为可调参数1，且k₁＞0，k₂为可调参数2，且k₂＞0，λ为可调参数3，且λ∈(0,1)，α为可调参数4，α＝5，p为可调参数5，p＝0.75，sign()为符号函数，s为滑模面，且

步骤7，定义残差r_i，

则残差r_i的导数

的表达式为：

步骤8，给定故障诊断自适应阈值T_th；

所述故障诊断自适应阈值T_th的给定依据残差r₄，给定过程如下：

首先定义残差r₄如下：

其中，t是时间变量，表示驱动系统运行的时间，e为自然对数函数的底数，r₄(0)表示残差r₄在t＝0时刻的初始值；τ是时间常数，d表示微分，∫表示一重积分号；|| ||为范数符号，

表示当电流传感器发生微小故障时所对应故障激励信号ξ的值；

故障诊断自适应阈值T_th定义如下：

步骤9，定义故障检测特征量Z，

并进行如下诊断：

若Z＝0，则认定逆变器的电流传感器未发生微小故障；

若Z＝1，则认定逆变器的电流传感器发生了微小故障。

2.根据权利要求1所述的一种新能源电动汽车驱动系统电流传感器微小故障诊断方法，其特征在于，所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从三相两电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向三相两电平逆变器为负，定义逻辑变量δ_k，δ_k＝1表示k相电流为正，δ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kη的开关信号记为μ_kη，且用符号“-”表示逻辑非，μ_kη＝1表示开关管V_kη处于导通状态，μ_kη＝0表示开关管V_kη处于断开状态，则k相桥臂的开关函数S_k的表达式为：

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