CN114115175A - 永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机控制系统高阻抗连接故障诊断系统，参考模型模块输出离散化参考模型电流，离散化参考模型电流和离散化电流输入到电压失真模块中，电压失真模块得到的平均失真电压和电机控制系统输出的电流输入到故障特征信号模块中，故障特征信号模块得到的故障特征信号输入到故障信号提取模块，故障信号提取模块提取出振幅和初始相位角，振幅、初始相位角和电机控制系统输出的电流共同输入到故障诊断定位模块中，故障诊断定位模块根据初始相位角的大小判断出故障位置；本发明通过计算出的失真电压以及根据分解故障诊断信号直接获得单相或双相故障类型，根据附加电阻大小关系判断故障严重程度。

Description

永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机技术领域，特别涉及永磁同步电机的变速驱动控制系统的故障诊断技术。

背景技术

变速驱动在工业应用中得到了广泛的应用，特别是永磁同步电机的驱动控制系统，具有高效率、高扭矩和小体积等优点，然而，其在主传动系统中可能发生多种故障，主要包括电气故障、机械故障和退磁故障。其中高阻抗连接是工业电机常见的电气故障之一，高阻抗连接中过度局部加热导致的接头失效是工业配电系统故障的主要根源之一。高阻抗连接可能是由于工艺差、热循环和振动或由于点蚀、腐蚀或污染而造成的接触面损坏等综合因素造成的。由于电气故障不能及时诊断，其传播会造成严重的意外后果。因此，为了防止严重损坏的发生，提高电机的可靠性，必须进行故障诊断。

中国专利申请号为201810411549.8、名称为“一种永磁同步电机故障检测方法和系统”的文献中提出的故障检测技术，是采用经过图像处理的图像数据进行特征提取，在无需直接接触电机情况下判断电机故障，但其存在的问题是：对于模型参数失配不具有鲁棒性，受参数变化影响严重，需要额外设备，可靠性差。

发明内容

本发明的目的是针对永磁同步电机驱动控制系统出现故障时诊断可靠性差的问题情况，提供了一种永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，能有效进行永磁同步电机控制系统的故障诊断，不仅可以检测出高阻抗连接故障，而且可以估计故障严重程度，保证故障诊断的可靠性。

本发明所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统采用的技术方案是：其由依次串联的参考模型模块、电压失真模块、故障特征信号模块、故障信号提取模块和故障诊断定位模块组成，永磁同步电机控制系统的输出端分别连接参考模型模块、故障特征信号模块以及故障诊断定位模块，永磁同步电机控制系统输出的电流i_d、i_q经离散化后得到离散化电流i_d(k)、i_q(k)，离散化电流i_d(k)、i_q(k)与永磁同步电机控制系统输出的电压u_d、u_q共同输入到参考模型模块中，参考模型模块输出的是离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)，离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)和离散化电流i_d(k)、i_q(k)共同输入到电压失真模块中，电压失真模块得到平均失真电压Δu_d、Δu_q，平均失真电压Δu_d、Δu_q和电流i_d、i_q共同输入到故障特征信号模块中，故障特征信号模块根据电流i_d、i_q和平均失真电压Δu_d、Δu_q得到故障特征信号F_sum，该故障特征信号F_sum输入到故障信号提取模块，故障信号提取模块根据故障特征信号F_sum提取出F_sum的振幅F₂和初始相位角θ_f，振幅F₂、初始相位角θ_f和电流i_d、i_q共同输入到故障诊断定位模块中，故障诊断定位模块根据初始相位角θ_f的大小判断出故障位置。

进一步地，当初始相位角θ_f＝-π/3、π/3或π时，故障诊断定位模块判断为单相故障，并计算出单相附加电阻；当初始相位角θ_f为其他值时，故障诊断定位模块判断为两相故障，根据初始相位角θ_f所在的范围判断出两相中的故障较严重的一相。

本发明的有益效果是：

1、本发明可通过计算失真电压，并根据分解故障诊断信号直接可获得单相或双相故障类型，并根据附加电阻大小关系判断故障严重程度，不需完全计算出附加电阻大小。

2、整个故障诊断过程中不需要额外的设备和测量装置，从而降低了故障诊断的成本；通过故障诊断信号交流初始角位置可有效判断具体相的故障情况，简单有效。

附图说明

图1是本发明所述的永磁同步电机控制系统高阻抗连接故障诊断系统的构成框图以及与永磁同步电机控制系统的连接示意图；

图2是图1中永磁同步电机控制系统1的构成图；

图3是由电阻R_s、电感L_s、A相空载电动势、B相空载电动势、C相空载电动势、三相附加电阻R_{add_a}、R_{add_b}、R_{add_c}组成的高阻抗故障时永磁同步电机的等效模型示意图；

图中；1.永磁同步电机控制系统；2.故障诊断系统；8.转速给定模块；9.转速PI模块；10.电流PI模块；11.电压坐标变换模块；12.脉宽调制模块；13.逆变器；14.永磁同步电机；15.电流坐标变化模块；16.角度传感器模块；17.速度传感器模块；21.参考模型模块；22.电压失真模块；23.故障特征信号模块；24.故障信号提取模块；25.估计电阻模块；26.故障诊断定位模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的永磁同步电机控制系统高阻抗连接故障诊断系统2的输入端与永磁同步电机控制系统1的输出端相连接，输出的是诊断结果。该故障诊断系统2由参考模型模块21、电压失真模块22、故障特征信号模块23、故障信号提取模块24、故障诊断定位模块25组成。其中，参考模型模块21、电压失真模块22、故障特征信号模块23、故障信号提取模块24、故障诊断定位模块25依次串联。永磁同步电机控制系统1输出的是d、q轴旋转坐标系下的电压u_d、u_q和电流i_d、i_q，永磁同步电机控制系统1的输出端分别连接参考模型模块21、故障特征信号模块23以及故障诊断定位模块25，电流i_d、i_q经离散化后得到离散化电流i_d(k)、i_q(k)，离散化电流i_d(k)、i_q(k)与电压u_d、u_q一起共同输入到参考模型模块21中，作为参考模型模块21的四个输入，参考模型模块21输出的是离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)。离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)和离散化电流i_d(k)、i_q(k)共同输入到电压失真模块22中，作为电压失真模块22的四个输入，电压失真模块22得到平均失真电压Δu_d、Δu_q。平均失真电压Δu_d、Δu_q和电流i_d、i_q共同输入到故障特征信号模块23中，作为故障特征信号模块23的四个输入，故障特征信号模块23根据电流i_d、i_q和平均失真电压Δu_d、Δu_q得到故障特征信号F_sum。该故障特征信号F_sum输入到故障信号提取模块24，作为故障信号提取模块24的唯一输入，故障信号提取模块24根据故障特征信号F_sum提取出F_sum的振幅F₂和初始相位角θ_f，其中，振幅F₂、初始相位角θ_f和电流i_d、i_q共同输入到故障诊断定位模块25中，作为故障诊断定位模块25的四个输入，故障诊断定位模块25根据初始相位角θ_f的大小可判断且定位出故障状态和故障位置，当单相故障时，能计算得到单相附加电阻的幅值，当两相故障时，能判断两相故障的严重程度，然后将诊断结果输出。具体是：θ_f＝-π/3、π/3或者π时，为单相故障，然后根据公式计算出单相附加电阻；当θ_f为其他值时，为两相故障，然后根据θ_f所在的范围判断出两相中的较严重的一相。

如图2所示，永磁同步电机控制系统1由速度给定模块8、转速PI模块9、电流PI模块10、电压坐标变换模块11、脉宽调制模块12、逆变器13、永磁同步电机14、电流坐标变化模块15、角度传感器模块16和速度传感器模块17组成。此永磁同步电机控制系统1由内部转速给定模块8输出的参考转速ω^*为输入，以d、q轴旋转坐标系下的电压u_d、u_q和电流i_d、i_q作为输出。角度传感器模块16检测永磁同步电机14输出的角度θ₀信号，角度传感器模块16输出转子角度θ。转子角度θ作为速度传感器模块17的输入，速度传感器模块17输出为反馈转速ω。将参考转速ω^*和反馈转速ω作差，得到转速误差e_ω，转速误差e_ω输入转速PI模块9，转速PI模块9输出为q轴参考电流i_q ^*。设定0为d轴参考电流i_d ^*，d轴参考电流i_d ^*，与q轴参考电流i_q ^*输入给电流PI模块10，电流PI模块10输出为d、q轴旋转坐标系下的电压u_d、u_q，将电压u_d、u_q作为电压坐标变换模块11的输入，电压坐标变换模块11输出为α、β轴两相静止坐标系下的电压u_α、u_β。电压u_α、u_β作为脉宽调制模块12的输入，脉宽调制模块12输出开关信号S_a、S_b、S_b给逆变器13，逆变器13输出三相电流i_a、i_b、i_c驱动永磁同步电机14。三相电流i_a、i_b、i_c输入给电流坐标变换模块15，输出为d、q轴旋转坐标系下电流i_d、i_q。电流i_d、i_q既作为电流PI模块10的输入，又和电压u_d、u_q一起共同作为永磁同步电机控制系统1的输出。

如图3所示的永磁同步电机14在高阻抗故障时的等效模型，永磁同步电机14的每相都由空载电动势、阻抗R_s、电感L_s以及相应的附加电阻R_{add_a}、R_{add_b}、R_{add_c}分别依次串联组成，U_A、U_B、U_C为A、B、C三相电压，即空载电动势，i_a、i_b、i_c为三相电流，L_s为单相电感，U_dc为直流电压，R_{add_a}、R_{add_b}、R_{add_c}为A、B、C三相附加电阻。

如图1所示，本发明所述的永磁同步电机控制系统高阻抗连接故障诊断系统2工作时，电机控制系统1输出的电压u_d、u_q输入到参考模型模块21中，同时，对电机控制系统1输出的电流i_d、i_q进行离散化处理，得到离散化电流i_d(k)、i_q(k)，参考模型模块21对输入的离散化电流i_d(k)、i_q(k)与电压u_d、u_q作处理，得到离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)如下：

式中，T_s为采样周期0.00001s；k为时间变量，k和k-1之间差一个采样周期；i_d(k-1)、i_q(k-1)分别为k-1时刻的d、q轴电流，u_d(k-1)、u_q(k-1)分别为k-1时刻的d、q轴电压，R_s是单相阻抗；ω_e(k-1)是k-1时刻的电角度；L_d、L_q分别是d、q轴感抗；θ是转子角度；ψ_f是永磁磁链；u_d ^dead和u_q ^dead分别是d、q轴死区效应补偿电压，由下式得出：

式中，u_a ^dead、u_b ^dead、u_c ^dead为三相静止坐标系下死区效应补偿电压，分别由下式得出：

式中，

·代表式(3)中i_a，i_b，i_c；U_dc为直流母线电压；U_ce为主开关饱和电压；U_d为反并联二极管正向电压；t_dead为死区保护时间；t_on为开通延迟时间，t_off为关断延迟时间。

在得到离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)后，电压失真模块22可利用离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)以及电机控制系统1输出的离散化电流i_d(k)、i_q(k)得到失真电压Δu_d、Δu_q：

T_s为采样周期；L_d、L_q分别是d、q轴感抗；u_d ^dead和u_q ^dead分别是d、q轴死区效应补偿电压。

故障特征信号模块23根据失真电压Δu_d、Δu_q及电机控制系统1输出的电流i_d、i_q计算得到故障特征信号F_sum，计算公式如式(5)所示：

F_sum＝Δu_di_q+Δu_qi_d (5)

故障信号提取模块24将所求得的故障特征信号F_sum分解为直流分量F_dc与交流分量F₂sin(2θ+θ_f)两部分，F₂为交流部分的振幅，θ_f为交流部分的初始相位角，即：

F_dc+F₂sin(2θ+θ_f)＝Δu_di_q+Δu_qi_d (6)

提取出交流部分的振幅F₂和初始相位角θ_f。

然后，故障诊断定位模块25根据初始相位角θ_f的大小判断故障相数，当θ_f＝-π/3，π/3及π时，为单相故障；当初始相位角θ_f为其他值时，为两相故障。当θ_f＝-π/3，π/3，π时，单独某相发生高阻抗故障，此时，故障诊断定位模块25根据交流部分的振幅F₂和电机控制系统1输出的电流i_d、i_q计算得到单相附加电阻R_{add_e}为：

R_{add_e}代表三相附加电阻R_{add_a}、R_{add_b}或R_{add_c}，若某相存在附加电阻R_{add_e}，则判定该相就存在高阻抗故障。

当初始相位角θ_f为其他情况时,则判定有两相发生高阻抗故障，本发明以A、B相故障为例，故障诊断定位模块25并不可直接得到A、B两相附加电阻R_{add_a}、R_{add_b}的大小，通过关系式可求得A、B两相附加电阻R_{add_a}、R_{add_b}的关系式，如下：

当初始相位角θ_f属于(-π，-2π/3)范围时，

公式(8)值小于1，可推得到A相附加电阻R_{add_a}大于B相附加电阻R_{add_b}，则A相故障比B相严重。

当初始相位角θ_f等于-2π/3时，公式(8)值等于1，

可判断A相附加电阻R_{add_a}等于B相R_{add_b}。当θ_f属于(-2π/3，-π/3)范围时，

公式(8)值大于1，可推得A相附加电阻R_{add_a}小于B相附加电阻R_{add_b}，则B相故障比A相严重。

同理，可得出其余两相故障时附加电阻的关系式，从而判断相应的两相故障的状态。

因此，故障诊断定位模块25可根据附加电阻R_{add_e}大小以及初始相位角θ_f比较判断各相故障大小关系和位置，当θ_f＝-π/3，π/3，π时，单相存在附加电阻，大小为R_{add_e}，证明该相单独发生高阻抗故障，当θ_f为其他情况，两相存在附加电阻，通过公式(8)可判断θ_f在不同范围时两相附加电阻的大小关系，判断两相高阻抗故障的严重程度，附加电阻值越大，高阻抗故障越严重，具体关系如表1所示：

表1

由上表可知，当初始相位角θ_f属于(-π，-2π/3)范围时，故障诊断定位模块25判断出A相附加电阻R_{add_a}大于B相附加电阻R_{add_b}，说明A、B两相故障，且A相故障比B相严重，C相不存在故障。

当初始相位角θ_f是-2π/3时，故障诊断定位模块25判断附加电阻R_{add_a}与R_{add_b}大小为

说明A、B两相故障，且故障程度相等，C相不存在故障。

当初始相位角θ_f属于(-2π/3，-π/3)范围时，故障诊断定位模块25可判断A相附加电阻R_{add_a}小于B相附加电阻R_{add_b}，说明A、B两相故障，且B相故障比A相严重，C相不存在故障。

当初始相位角θ_f是-π/3时，故障诊断定位模块25可判断B相附加电阻R_{add_b}＝R_{add_e}，说明仅B相故障。

当初始相位角θ_f属于(-π/3，0)范围时，故障诊断定位模块25判断B相附加电阻R_{add_b}大于C相附加电阻R_{add_c}，说明B、C两相故障，且B相故障比C相严重，A相不存在故障。

当初始相位角θ_f是0时，故障诊断定位模块25可判断附加电阻R_{add_b}与R_{add_c}大小为

说明B、C两相故障，且故障程度相等，A相不存在故障。

当初始相位角θ_f属于(0，π/3)范围时，故障诊断定位模块25可判断B相附加电阻R_{add_b}小于C相附加电阻R_{add_c}，说明B、C两相故障，且C相故障比B相严重，A相不存在故障。

当初始相位角θ_f是π/3时，C相附加电阻R_{add_c}＝R_{add_e}，说明仅C相故障。

当初始相位角θ_f属于(π/3，2π/3)范围时，故障诊断定位模块25可判断C相附加电阻R_{add_c}大于A相附加电阻R_{add_a}，说明C、A两相故障，且C相故障比A相严重，B相不存在故障。

当初始相位角θ_f是2π/3时，故障诊断定位模块25可判断附加电阻R_{add_c}与R_{add_a}大小为

说明C、A两相故障，且故障程度相等，B相不存在故障。

当初始相位角θ_f属于(2π/3，π)范围时，故障诊断定位模块25可判断C相附加电阻R_{add_c}小于A相附加电阻R_{add_a}，说明C、A两相故障，且A相故障比C相严重，B相不存在故障。

当初始相位角θ_f是π时，A相附加电阻R_{add_a}＝R_{add_e}，说明仅A相故障。

本发明中的参考模型模块21在不需要外部设备的情况下建立参考模型，输出参考模型电流i_dm、i_qm给电压失真模块21，电压失真模块22输出平均失真电压Δu_d、Δu_q，从而分析参数鲁棒性失配，得出该故障诊断系统2在所依据的永磁同步电机系统1模型参数不匹配情况下，依然能够进行准确的故障诊断和定位。故障特征信号模块23以平均电压失真Δu_d、Δu_q为输入，输出为故障特征信号F_sum，故障信号提取模块24能准确提取出F_sum的振幅F₂和初始相位角θ_f，故障诊断定位模块25以F₂和初始相位角θ_f为输入，能输出估计的附加电阻R_{add_e}，并能判断出附加电阻的位置。因此，本发明对模型参数失配具有鲁棒性，能检测单相或两相高阻抗连接，估计故障严重程度，不需要额外的设备和测量装置降低了故障诊断的成本，及时的故障诊断能够防止严重损坏的发生，提高电机运行的可靠性。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：其由依次串联的参考模型模块(21)、电压失真模块(22)、故障特征信号模块(23)、故障信号提取模块(24)和故障诊断定位模块(25)组成，永磁同步电机控制系统的输出端分别连接参考模型模块(21)、故障特征信号模块(23)以及故障诊断定位模块(25)，永磁同步电机控制系统输出的电流i_d、i_q经离散化后得到离散化电流i_d(k)、i_q(k)，离散化电流i_d(k)、i_q(k)与永磁同步电机控制系统输出的电压u_d、u_q共同输入到参考模型模块(21)中，参考模型模块(21)输出的是离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)，离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)和离散化电流i_d(k)、i_q(k)共同输入到电压失真模块(22)中，电压失真模块(22)得到平均失真电压Δu_d、Δu_q，平均失真电压Δu_d、Δu_q和电流i_d、i_q共同输入到故障特征信号模块(23)中，故障特征信号模块(23)根据电流i_d、i_q和平均失真电压Δu_d、Δu_q得到故障特征信号F_sum，该故障特征信号F_sum输入到故障信号提取模块(24)，故障信号提取模块(24)根据故障特征信号F_sum提取出F_sum的振幅F₂和初始相位角θ_f，振幅F₂、初始相位角θ_f和电流i_d、i_q共同输入到故障诊断定位模块(25)中，故障诊断定位模块(25)根据初始相位角θ_f的大小判断出故障位置。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：当初始相位角θ_f＝-π/3、π/3或π时，故障诊断定位模块(25)判断为单相故障，并计算出单相附加电阻；当初始相位角θ_f为其他值时，故障诊断定位模块(25)判断为两相故障，根据初始相位角θ_f所在的范围判断出两相中的故障较严重的一相。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：参考模型模块(21)对输入的离散化电流i_d(k)、i_q(k)与电压u_d、u_q作处理，得到的离散化参考模型电流i_dm(k)、i_qm(k)分别为：

T_s为采样周期0.00001s；k为时间变量，k和k-1之间差一个采样周期；i_d(k-1)、i_q(k-1)分别为k-1时刻的d、q轴电流，u_d(k-1)、u_q(k-1)分别为k-1时刻的d、q轴电压，R_s是单相阻抗；ω_e(k-1)是k-1时刻的电角度；L_d、L_q分别是d、q轴感抗；θ是转子角度；ψ_f是永磁磁链；u_d ^dead和u_q ^dead分别是d、q轴死区效应补偿电压：

u_a ^dead、u_b ^dead、u_c ^dead为三相静止坐标系下死区效应补偿电压：

·代表式i_a，i_b，i_c；U_dc为直流母线电压；U_ce为主开关饱和电压；U_d为反并联二极管正向电压；t_dead为死区保护时间；t_on为开通延迟时间，t_off为关断延迟时间。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：失真电压

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：故障特征信号F_sum＝Δu_di_q+Δu_qi_d。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：故障信号提取模块(24)将故障特征信号F_sum分解为直流分量F_dc与交流分量F₂sin(2θ+θ_f)两部分，提取出交流部分的振幅F₂和初始相位角θ_f。

7.根据权利要求2所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：当初始相位角θ_f＝-π/3、π/3或π时，故障诊断定位模块(25)计算得到单相附加电阻

R_{add_e}为A、B、C相附加电阻R_{add_a}、R_{add_b}或R_{add_c}。

8.根据权利要求2所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：当初始相位角θ_f属于(-π，-2π/3)范围时，故障诊断定位模块(25)判断A相故障比B相严重，C相不存在故障；当θ_f等于-2π/3时，A、B相故障程度相同，C相不存在故障；当θ_f属于(-2π/3，-π/3)范围时，B相故障比A相严重，C相不存在故障；当初始相位角θ_f是-π/3时，仅B相故障；当初始相位角θ_f属于(-π/3，0)范围时，B、C两相故障，且B相故障比C相严重，A相不存在故障；当初始相位角θ_f是0时，B、C两相故障，且故障程度相等，A相不存在故障；当初始相位角θ_f属于(0，π/3)范围时，B、C两相故障，且C相故障比B相严重，A相不存在故障；当初始相位角θ_f是π/3时，仅C相故障；当初始相位角θ_f属于(π/3，2π/3)范围时，C、A两相故障，且C相故障比A相严重，B相不存在故障；当初始相位角θ_f是2π/3时，C、A两相故障，且故障程度相等，B相不存在故障；当初始相位角θ_f属于(2π/3，π)范围时，C、A两相故障，且A相故障比C相严重，B相不存在故障；当初始相位角θ_f是π时，仅A相故障。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机控制系统的高阻抗连接故障诊断系统，其特征是：以A、B相故障为例，当初始相位角θ_f属于(-π，-2π/3)范围时，式

得到A相附加电阻R_{add_a}大于B相附加电阻R_{add_b}，则A相故障比B相严重；当θ_f等于-2π/3时，式

判断A相附加电阻R_{add_a}等于B相附加电阻R_{add_b}；当θ_f属于(-2π/3，-π/3)范围时，

大于1，则A相附加电阻R_{add_a}小于B相附加电阻R_{add_b}，B相故障比A相严重。

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