CN114157214A - 用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法，属于电力电子技术领域。本发明的偏心故障检测方法利用原有的电机驱动系统，属于非侵入方案，只需要改变注入电压，再结合反馈电流计算电感，进而根据电感判断偏心故障是否存在和类型，不需要对电机进行改造，无需增加额外的硬件成本。本发明的偏心气隙磁密补偿方法，无需对电机做机械加工，无需额外的偏心补偿绕组，根据所诊断的偏心类型和d轴、q轴电感特性，结合电子转子位置角，可以对各三相模块的d轴、q轴气隙磁密同时进行补偿，同时达到保证各三相模块下气隙磁密均匀，降低不平衡磁拉力导致的振动，以及保证各三相模块的功率输出平均分配，降低电机损耗的效果。

Description

用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法。

背景技术

随着电机设计制造和电力电子变频驱动技术的共同发展和深度融合，电机系统完全可以摆脱传统定子三相供电的约束，发展为由多相定子绕组的电机、多相供电桥臂的变频器构成的多相电机系统，在容错运行、转矩脉动、控制维度等方面具有显著优势。其中，由于能延用工业界已成熟的三相功率模块、方便实现电机制造的模块化拼接、可类比经典的三相电机控制理论等优势，多模块电机成为传统三相电机向多相电机过渡的最佳选择。对于电机本体而言，由于电机加工制造和装配的误差、转子运行中的磨损和变形等原因，不可避免地引入了转子偏心问题，使电机在运行中引入额外的振动噪声，但随着时间的推移，偏心故障很可能会不断加重，发展成轴承故障、短路故障等更严重的故障，最终导致整个驱动系统失效，造成远大于电机本身价值的经济损失，甚至人员伤亡。

对于电机转子偏心的检测，可分为侵入式和非侵入式两类方法。侵入式方法一般是通过检测磁场变化情况反映转子偏心情况，比如在定子侧安装霍尔传感器以测量永磁体轴向磁场变化，或在定子槽内放置搜索线圈以检测气隙磁场的变化。然而，侵入式方法需要对电机做结构上的改造，可能影响电机的机械特性和电特性，并且这种改造在很多应用场合中难以操作，通用性受到限制。相对而言，非侵入式方法的可操作性更强，成为近些年的研究热点，其中以基于电信号的检测方法最为常见。通过检测由偏心引入的特定定子电流谐波，判断偏心是否存在及偏心程度。然而电机在非平稳运行时特定谐波的提取较为困难，不平衡因素也会引入与转频相关的定子电流谐波。还有基于电压信号的检测方法，通过检测电机定子电压矢量相较于未偏心时的偏移程度，判断电机偏心情况，然而该方法地灵敏度受电机磁饱和程度和转子转速的影响较大。此外，定子机壳振动信号也被应用于偏心故障检测，然而该检测方法对测量设备精度、带宽要求较高，并且振动信号检测易受干扰，安装额外的检测装置也会增加系统成本。

对于电机转子偏心补偿的研究目前尚不多见。现有方案中有通过车削混合偏心转子的外圆的方法，抵消气隙长度的改变，实现电机的不平衡磁拉力的抑制。然而对转子的二次加工可能会再次引入偏心问题，甚至对转子造成不可逆损伤。其他方案中有通过在永磁电机内部加装补偿绕组并注入补偿电流的方法，降低电机X、Y方向的振动幅值，但需要对电机进行侵入式改造，通用性较差。还有方案在同步电机转子励磁绕组中注入直流、交流补偿电流，分别进行动态偏心和静态偏心抑制，补偿电流的幅值和相位由安装于定子表面的应变传感器确定。该方法虽然在固定工况下的补偿效果较为明显，但仅适用于电励磁式同步电机，电机转速发生变化后难以对补偿电流进行准确的在线调整。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法，其目的在于通过电机dq平面电感特征诊断电机偏心状态并实现偏心后对不均匀气隙磁密的补偿，达到抑制电机因偏心而引入的振动噪声的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，包括：

S1.为多模块同步电机各三相模块注入d轴或q轴偏心检测电压，得到d轴或q轴反馈电流；

S2.根据d轴或q轴偏心检测电压和d轴或q轴反馈电流计算各三相模块d轴或q轴电感值；

S3.根据各三相模块d轴或q轴电感值的波动特征判断转子偏心是否存在以及偏心类型。

进一步地，d轴偏心检测电压U_{d_ecc_k}的形式为：

U_{d_ecc_k}＝U_{d_ac_k}cos(ω_ecct)+U_{d_dc_k}

其中，U_{d_ac_k}为第k个三相模块注入的d轴偏心检测电压中的交流分量的幅值；ω_ecc为偏心检测电压交流分量角频率；t为系统当前运行时间；U_{d_dc_k}为第k个三相模块注入的d轴偏心检测电压中的直流分量的幅值。

进一步地，第k个三相模块d轴电感值L_{d_k}的计算表达式为：

其中，I_{d_ac_k}为第k个三相模块的d轴电流中交流分量的幅值，R_s为定子电阻。

进一步地，步骤S3具体为：

当各三相模块的d轴电感L_{d_k}不随电机转子转动而变化，且各三相模块的d轴电感L_{d_k}幅值保持一致时，判断电机不存在转子偏心；

当L_{d_k}不随电机转动而变化，各三相模块间L_{d_k}幅值不一致时，判断电机存在转子静态偏心；

当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块间L_{d_k}的两个极大值、两个极小值的大小保持一致时，判断电机存在转子动态偏心；

当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块间L_{d_k}的两个极大值、两个极小值的大小存在差异，判断电机存在转子混合偏心；

当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有一个峰值、一个谷值，且模块间L_{d_k}的峰值或谷值存在差异，判断电机存在转子混合偏心。

进一步地，q轴偏心检测电压U_{q_ecc_k}的形式为：

U_{q_ecc_k}＝U_{q_ac_k}cos(ω_ecct)

其中，U_{q_ac_k}为第k个三相模块注入的q轴偏心检测电压中的交流分量的幅值；ω_ecc为偏心检测电压交流分量角频率；t为系统当前运行时间。

进一步地，第k个三相模块q轴电感值L_{q_k}的计算表达式为：

其中，I_{q_ac_k}为第k个三相模块的q轴电流中交流分量的幅值，R_s为定子电阻。

进一步地，步骤S3具体为：

当L_{q_k}电感不随电机转子转动而变化，且模块间L_{q_k}幅值保持一致时，判断电机不存在转子偏心；

当L_{q_k}不随电机转子转动而变化，且模块间L_{q_k}幅值存在差异时，判断电机存在转子静态偏心；

当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L_{q_k}峰值、谷值大小不存在差异，则电机存在转子动态偏心。

当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L_{q_k}峰值、谷值大小均存在差异，则电机存在转子混合偏心。

按照本发明的另一方面提供了一种基于上述偏心故障检测方法的偏心故障气隙磁密补偿方法，包括：

S1.根据偏心故障检测结果，确定d轴和q轴偏心补偿电流；

S2.对d轴和q轴偏心补偿电流进行闭环控制，实现偏心故障气隙磁密补偿。

进一步地，第k个三相模块的q轴偏心补偿电流

由下式决定：

其中，

为系统转速闭环输出的q轴电流期望值，L_{q_1}(θ_m)、…、L_{q_m}(θ_m)分别为m模块同步电机的第1个三相模块到第m个三相模块的q轴电感，L_{q_k_max}、L_{q_k_min}分别为第k个三相模块的峰值q轴电感、第k个三相模块的谷值q轴电感，θ_{m_max_k_q}为第k个三相模块的q轴补偿初始位置角，θ_m表示转子位置角。

进一步地，q轴偏心补偿电流

计算公式中各个参数的获取方法为：

1)当L_{q_k}电感不随电机转子转动而变化，且模块间L_{q_k}幅值存在差异时，

θ_{m_max_k_q}＝0；L_{q_k_max}＝L_{q_k_min}＝L_{q_k_c}，L_{q_k_c}为转子转动于任意位置时的第k个三相模块的q轴电感；

2)当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L_{q_k}峰值、谷值大小不存在差异时，L_{q_k_max}为波动的L_{q_k}的峰值，L_{q_k_min}为波动的L_{q_k}的谷值，θ_{m_max_k_q}为L_{q_k}的波动峰值的转子位置角；

3)当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L_{q_k}峰值、谷值大小均存在差异时，L_{q_k_max}为波动的L_{q_k}的峰值，L_{q_k_min}为波动的L_{q_k}的谷值，θ_{m_max_k_q}为L_{q_k}的波动峰值的转子位置角。

进一步地，第k个三相模块的d轴偏心补偿电流

由下式决定：

I_{d_dc_max_k}为气隙峰值d轴电流直流分量，I_{d_dc_min_k}为气隙谷值d轴电流直流分量，θ_m为转子位置角，θ_{m_max_k_d}为气隙最大时的转子位置角。

进一步地，d轴偏心补偿电流

计算公式中各个参数的获取方法为：

1)当L_{d_k}不随电机转动而变化，各三相模块L_{d_k}幅值不一致时，θ_{m_max_k_d}＝0，I_{d_dc_max_k}＝I_{d_dc_min_k}＝I_{d_dc_k_c}，I_{d_dc_k_c}获取过程为，当L_{d_k}随着U_{d_dc_k}从0开始增大而减小时，使U_{d_dc_k}从0开始随系统运行时间t逐渐减小，直至L_{d_k}从先增加到不再变化，I_{d_dc_k_c}为L_{d_k}不再变化时对应的d轴电流直流分量大小；当L_{d_k}随着U_{d_dc_k}从0开始增加存在保持不变的阶段时，使U_{d_dc_k}继续随系统运行时间t逐渐增加，直至L_{d_k}开始减小，I_{d_dc_k_c}为L_{d_k}开始减小时对应的d轴电流直流分量大小；

2)当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值时，θ_{m_max_k_d}获取过程为，从0开始增大U_{d_dc_k}，将随U_{d_dc_k}从0开始增加存在保持不变阶段的极小值所对应的转子位置角作为θ_{m_max_k_d}；

I_{d_dc_max_k}获取过程为，使得U_{d_dc_k}继续随系统运行时间t逐渐增加，直至转子位置角θ_{m_max_k_d}处的L_{d_k}开始减小，I_{d_dc_max_k}为L_{d_k}开始减小时对应的d轴电流直流分量大小；

I_{d_dc_min_k}获取过程为，清零U_{d_dc_k}并使其重新从0开始随系统运行时间t逐渐减小，直至转子位置角θ_{m_min_k_d}处L_{d_k}不再增加，I_{d_dc_min_k}为L_{d_k}不再增加时对应的d轴电流直流分量大小；其中，θ_{m_min_k_d}为随U_{d_dc_k}从0开始增加而下降的极小值对应的转子位置角；

3)当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有一个峰值、一个谷值时，

a.若L_{d_k}峰值、谷值随着U_{d_dc_k}从0开始增加存在保持不变的阶段，θ_{m_max_k_d}为L_{d_k}波动谷值的转子位置角；

I_{d_dc_min_k}获取过程为，使得U_{d_dc_k}继续随系统运行时间t逐渐增加，直至L_{d_k}的波动峰值开始减小，I_{d_dc_min_k}为L_{d_k}的波动峰值开始减小时对应的d轴电流直流分量大小；

I_{d_dc_max_k}获取过程为，继续增大U_{d_dc_k}增直至L_{d_k}的波动谷值开始减小，I_{d_dc_max_k}为L_{d_k}的波动谷值开始减小时对应的d轴电流直流分量大小；

b.若L_{d_k}峰值和谷值随着U_{d_dc_k}从0开始增加而减小，

θ_{m_max_k_d}为L_{d_k}波动峰值的转子位置角；

I_{d_dc_max_k}获取过程为，清零U_{d_dc_k}并使其重新从0开始随系统运行时间t逐渐减小，直至L_{d_k}的波动峰值不再增大，I_{d_dc_max_k}为波动峰值不再增大时对应的d轴电流直流分量大小；

I_{d_dc_min_k}获取过程为，继续增加U_{d_dc_k}直至L_{d_k}波动谷值不再增大，I_{d_dc_min_k}为L_{d_k}波动谷值不再增大对应的d轴电流直流分量大小。

进一步地，步骤S2具体为，

若系统为在静态偏心，在dq平面采用比例—积分控制器对q轴偏心补偿电流

d轴偏心补偿电流

进行闭环控制；

若系统为动态偏心或混合偏心，在dq平面采用比例—积分—谐振控制器对q轴偏心补偿电流

d轴偏心补偿电流

进行闭环控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明的偏心故障检测方法利用原有的电机驱动系统，属于非侵入方案，只需要改变注入电压，再结合反馈电流计算电感，进而根据电感判断偏心故障是否存在和类型，不需要对电机进行改造，无需增加额外的硬件成本。

(2)本发明的偏心故障检测方法通过电机电感特性诊断偏心故障，相比于基于电信号的电流谐波检测方案，无需提取难以提取且易受电机运行状态影响的电流谐波。相比于基于电信号的电压信号的检测方法，不会因电机磁饱和特性降低偏心故障检测准确度，因此，本方案具有更广的适用性。

(3)本发明的偏心故障检测方法通过综合分析多个三相模块的电感特性诊断偏心故障，可同时实现无偏心、静态偏心、动态偏心、混合偏心四种偏心类型的诊断，偏心类型划分更加细致。

(4)本发明的优选的通过d轴电感特性判断偏心故障方案，可对混合偏心进一步进行更加细致的划分，识别出混合偏心所包含的静态偏心和动态偏心中程度更大的偏心。

(5)本发明的偏心气隙磁密补偿方法，无需对电机做机械加工，无需额外的偏心补偿绕组，根据所诊断的偏心类型和d轴、q轴电感特性，结合电子转子位置角，可以对各三相模块的d轴、q轴气隙磁密同时进行补偿，同时达到保证各三相模块下气隙磁密均匀，降低不平衡磁拉力导致的振动，以及保证各三相模块的功率输出平均分配，降低电机损耗的效果。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为转子偏心示意图；

图3为q轴电感L_{q_k}与气隙关系示意图；

图4为d轴电感L_{q_k}与气隙关系示意图；

图5为四模块电机静态偏心示意图

图6为四模块电机动态偏心示意图；

图7为四模块电机混合偏心中静态偏心程度较小示意图；

图8为四模块电机混合偏心中静态偏心与动态偏心程度相近示意图；

图9为四模块电机混合偏心中静态偏心程度较大示意图；

图10为q轴补偿电流

闭环控制示意图；

图11为d轴补偿电流

闭环控制示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种用于多模块同步电机的偏心故障气隙磁密补偿方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、为电机各三相模块注入偏心检测电压；

步骤2、根据反馈电流计算各三相模块的d轴或q轴电感值；

步骤3、根据各三相模块的d轴或q轴电感值的特征判断偏心类型，并进一步调节偏心检测电压，确定d轴或q轴偏心补偿电流；

步骤4、并对d轴和q轴偏心补偿电流进行闭环控制；

本发明中，电机d轴电感L_{d_k}、q轴电感L_{q_k}特征是转子偏心检测和补偿的重要依据。在dq平面内有

其中，I_{d_ac_k}为第k个三相模块的d轴电流中交流分量的幅值。I_{q_ac_k}为第k个三相模块的q轴电流中交流分量的幅值。R_s为定子电阻；

整理可以得到L_{d_k}、L_{q_k}的计算式为

具体实现时，如步骤1所述，可控制电机转子转动，为电机各三相第k个三相模块注入d轴偏心检测电压U_{d_ecc_k}以及q轴偏心检测电压U_{q_ecc_k}。U_{d_ecc_k}、U_{q_ecc_k}的形式为：

U_{d_ecc_k}＝U_{d_ac_k}cos(ω_ecct)+U_{d_dc_k}

U_{q_ecc_k}＝U_{q_ac_k}cos(ω_ecct)

U_{d_ac_k}、U_{q_ac_k}指定初始值且固定不变，U_{d_dc_k}初始值为0。

如步骤2所述，通过第k个三相模块的d轴反馈电流中交流分量的幅值I_{d_ac_k}，以及第k个三相模块的q轴反馈电流中交流分量的幅值I_{q_ac_k}，即可根据计算式得到d轴电感L_{d_k}、q轴电感L_{q_k}。

如步骤3所述，可根据各三相模块d轴电感L_{d_k}、q轴电感L_{q_k}的特征确定偏心类型，并进一步调整偏心检测电压，得到最终的d轴和q轴偏心补偿电流，下面详述步骤3的原理以及具体实施方式。

图2是电机转子偏心类型示意图，(a)、(b)、(c)分别对应静态偏心、动态偏心、混合偏心，其中混合偏心可视为静态偏心和动态偏心的组合，三种偏心类型均会造成电机气隙不均匀，三种偏心类型下气隙宽度表达式如下式所示。

δ_S(θ_air,θ_m)≈δ_C+d_Scos(θ_air-θ_{ecc_S})

δ_D(θ_air,θ_m)≈δ_C+d_Dcos[θ_air-(θ_m+θ_{ecc_D})]

δ_H(θ_air,θ_m)≈δ_C+d_Scos(θ_air-θ_{ecc_S})+d_Hcos[θ_air-(θ_m+θ_{ecc_D})]

其中δ_S、δ_D、δ_H分别为静态偏心、动态偏心、混合偏心下气隙宽度，δ_C为正常未偏心情况下气隙宽度，d_S、d_D对应静态偏心、动态偏心距离，θ_air为气隙空间位置角，p_r0转子外圆0°位置点，θ_m为转子位置角，θ_{ecc_S}为静态偏心方向角,θ_{ecc_D}为动态偏心方向角。

由δ_S表达式可知，静态偏心下，固定气隙空间位置角时，气隙宽度不随转子转动而变化；转子静止时，气隙宽度随气隙空间位置角呈现正弦形式变化。而由式δ_D、δ_H表达式可知，动态偏心和混合偏心时，固定的气隙空间位置角下，气隙宽度随转子转动呈现正弦形式变化。

正常情况下，电机转子不存在偏心故障，气隙空间分布均匀，对于q轴电感L_{q_k}，非重载情况下，定子q轴磁链未进入饱和状态，q轴电感L_{q_k}固定不变，且其大小与气隙宽度呈反比。如图3所示，如果发生偏心故障，气隙宽度减小时L_{q_k}随之增大，气隙宽度增大时L_{q_k}随之减小，由此可见，q轴电感L_{q_k}可直接反映转子偏心所导致的气隙宽度的变化，其变化特征可作为转子偏心的判断依据。

若各三相模块的q轴电感不随电机转子转动而变化，且模块间q轴电感保持一致，则说明各模块气隙宽度保持不变，模块间气隙宽度对称度良好，电机转子不存在偏心。

若各三相模块的q轴电感不随电机转子转动而变化，而模块间q轴电感存在幅值差异，则说明各模块气隙宽度存在静态差异，电机转子存在静态偏心。

若各三相模块的q轴电感随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块q轴电感峰值、谷值不存在差异，则各模块气隙宽度仅存在动态差异，电机转子存在动态偏心。

若各三相模块的q轴电感随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块q轴电感峰值、谷值均存在差异，则各模块气隙宽度既存在由静态偏心导致静态差异又存由动态偏心导致的在动态差异，电机转子存在混合偏心。

除了q轴电感，d轴电感也可以作为偏心指示量，永磁同步电机中，转子未偏心时定子磁链工作点通常设计在膝点附近，如图4所示。当气隙减小时，定子d轴磁链高于膝点，进入饱和状态，定子d轴电感L_{d_k}会因磁饱和现象而降低。气隙增大时，定子d轴磁链低于膝点，处于不饱和状态，d轴电感L_{d_k}与气隙宽度呈反比，L_{d_k}同样会降低，因此通过d轴电感的变化特征也可以对偏心进行诊断。

此处以4模块三相电机为例，对通过d轴电感进行偏心诊断的方法进行详细说明。如图5所示，当电机存在静态偏心时，各三相模块下气隙宽度不再一致，相比于正常气隙宽度存在固定偏置，该偏置不随转子转动而变化，因此各三相模块L_{d_k}的幅值将存在差异，但不随电机转动而变化。模块M1、M4气隙宽度小于正常值，定子磁链位于膝点上方处于饱和状态，L_{d_1}、L_{d_4}小于正常值。模块M2、M3气隙宽度大于正常值，定子磁链处于欠饱和状态，L_{d_2}、L_{d_3}小于正常值。此外，由于各模块气隙偏置量存在差异，且气隙小于正常值时和气隙大于正常值造成L_d下降的机理不同，前者是由磁饱和效应导致，后者单纯由气隙宽度增加导致，L_d下降的程度会有所不同，所以各模块的电感幅值会存在一定差异。

如图6所示，当电机存在动态偏心时，各三相模块对应的气隙宽度随转子转动时，将在正常宽度δ_C上下呈现正弦形式变化，气隙宽度最小时，定子d轴磁链进入饱和程度最大状态，定子d轴电感L_{d_k}出现一个极小值。气隙宽度大于正常宽度时，定子d轴磁链处于不饱和状态，气隙宽度最大时，d轴电感L_{d_k}同样出现一个极小值。而气隙宽度等于δ_C时，L_{d_k}为极大值。因此，一个转速周期内L_{d_k}会有两个极大值、两个极小值。

当混合偏心时，电机等同于受静态偏心和动态偏心的共同影响，气隙宽度相对于正常宽度同时存在固定偏置和正弦波动。根据静态偏心和动态偏心量程度的不同，混合偏心时气隙宽度与转子转动角度的变化情况如图7、图8、图9所示。当混合偏心中静态偏心量相对于动态偏心量较小时，如图7所示，气隙宽度在正常宽度叠加一个较小偏置量的基础上上下波动，一个转速周期内，气隙宽度同时存在大于和小于正常宽的情况，气隙宽度最大时定子磁链处于欠饱和状态，d轴电感为极小值，气隙宽度最小时，定子磁链处于饱和程度最严重，d轴电感为极小值，当气隙宽度等于正常值时，d轴电感为极大值。因此，一个转速周期内L_{d_k}同样会有两个极大值、两个极小值。此外，由于各模块间由静态偏心导致的气隙偏置量的大小会存在不同，气隙的最大宽度和最小宽度在模块之间会存在差异，因此L_{d_k}的极小值在各模块之间会存在差异。

当混合偏心中静态偏心量相与动态偏心量较为接近或较大时，较大的气隙偏置量会使气隙宽度在始终高于或低于正常宽度的范围内波动，如图8、图9所示。当气隙宽度始终高于正常值时，气隙磁链始终处于欠饱和状态，气隙宽度最大时L_{d_k}最小，气隙宽度最小时L_{d_k}最大。当气隙宽度始终低于正常值时，气隙磁链始终处于饱和状态，气隙宽度最小，气隙磁链饱和程度最大，L_{d_k}最小，气隙宽度最大时L_{d_k}反而最大。因此，一个转速周期内，L_{d_k}将存在一个峰值、一个谷值，同样考虑到各模块间由静态偏心导致的气隙偏置量的大小会存在不同，各模块L_{d_k}之间峰值或谷值会存在差异。

由上述分析可知，d轴电感与q轴电感均可用作偏心的诊断。其中，q轴电感不容易受到磁场饱和的影响，不同偏心类型下的变化特征比较统一，因此基于q轴电感的偏心诊断方法较为简单。而由于d轴电感受磁场饱和程度影响较大，混合偏心情况下受静态偏心量和动态偏心量的相对大小的影响，d轴电感会存在多种变化特征，所以基于d轴电感的偏心诊断方案实现起来会相对复杂，但d轴电感的多种变化特征有助于可以进一步对混合偏心做更为细致的划分。综上，当仅需要进行三种偏行类型的诊断时，更为简单的基于q轴电感的偏心诊断方法可以作为优选方法。

补偿电流确定：

对于q轴偏心补偿电流，其确定原则为等功率原则，以平衡各模块的热状态，降低铜损。其实现方式是保证各模块提供相同的转矩输出。对于第k个三相模块的输出转矩T_k，有

T_k∝Ψ_{d_k}×Ψ_{q_k}∝|Ψ_{d_k}|·i_{q_k}·L_{q_k}

其中，Ψ_{d_k}为第k个三相模块的d轴定子磁链；Ψ_{q_k}为第k个三相模块的q轴定子磁链；i_{q_k}为第k个三相模块的q轴电流幅值。

当各模块d轴定子磁链Ψ_{d_k}保持一致时

T_k∝i_{q_k}·L_{q_k}

则根据等功率原则，则需满足

因此第k个三相模块的q轴偏心补偿电流

由各模块q轴电感倒数决定，即：

L_{q_k}(θ_m)根据基于q轴电感的偏心诊断结果确定，

当L_{q_k}电感不随电机转子转动而变化，且模块间L_{q_k}幅值存在差异时，θ_{m_max_k_q}＝0；L_{q_k_max}＝L_{q_k_min}＝L_{q_k_c}，L_{q_k_c}为转子转动于任意位置时的第k个三相模块的q轴电感。

当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L_{q_k}峰值、谷值大小不存在差异时，L_{q_k_max}为波动的L_{q_k}的峰值，L_{q_k_min}为波动的L_{q_k}的谷值，θ_{m_max_k_d}为L_{q_k}的波动峰值的转子位置角。

当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L_{q_k}峰值、谷值大小均存在差异时，

其中，

为系统转速闭环输出的q轴电流期望值。L_{q_k_max}、L_{q_k_min}分别为第k个三相模块的峰值q轴电感、谷值q轴电感，θ_{m_max_k_q}为第k个三相模块q轴电感的峰值对应转子位置角。静态偏心时，取

L_{q_k_max}＝L_{q_k_min}＝L_{q_k}

θ_{m_max_k_q}＝0

对于d轴补偿电流，其确定原则是控制d轴定子磁链重归正常大小，即位于膝点位置，直接体现为d轴电感L_{d_k}重归拐点附近。因此，偏心检测电压应向d轴电感L_{d_k}重归拐点的方向调节，具体实现方式为：

当L_{d_k}不随电机转动而变化，各三相模块L_{d_k}幅值不一致时，

若L_{d_k}随着U_{d_dc_k}从0开始增加而减小，说明该模块气隙磁链已经处于饱和状态，励磁电流的产生使得磁场饱和程度加剧，L_{d_k}进一步减小，因此，应将U_{d_dc_k}清零并逐渐减小，产生去磁电流逐渐降低气隙磁链的饱和程度，L_{d_k}会逐渐增大，当L_{d_k}不再增大时，说明定子磁链已经到达膝点位置，L_{d_k}不再增大时刻对应的d轴电流直流分量大小记为I_{d_dc_c}，可作为该模块d轴补偿电流。

若L_{d_k}随着U_{d_dc_k}从0开始增加而存在保持不变的阶段，说明该模块气隙磁链处于欠饱和状态，较小的励磁电流不足以使气隙磁链饱和，L_{d_k}保持不变。逐渐增大U_{d_dc_k}，产生的励磁电流会使气隙磁链逐渐从欠饱和状态越过膝点到达饱和状态，L_{d_k}会经历先保持不变后逐渐下降的状态，L_{d_k}开始下降的时刻，说明定子磁链已到达膝点位置，此时d轴电流直流分量大小记为I_{d_dc_c}，可作为该模块d轴补偿电流。

2.当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块L_{d_k}两个极大值、两个极小值的大小保持一致时，

气隙宽度最大处对应的L_{d_k}极小值，因为气隙磁链处于欠饱和状态，所以随U_{d_dc_k}从0开始增加会先保持不变，记录该极小值对应转子位置角θ_{m_max_k_d}。逐渐增大U_{d_dc_k}，L_{d_k}开始下降时，说明定子磁链已到达膝点位置，记录d轴L_{d_k}开始下降时刻d轴电流直流分量大小I_{d_dc_max_k}。气隙宽度最小处对应的L_{d_k}极小值，因为气隙磁链处于饱和状态，随U_{d_dc_k}从0开始增加会直接下降，记录该极小值对应转子位置角θ_{m_min_k_d}，清零并逐渐减小U_{d_dc_k}，产生的去磁电流会逐渐降低气隙磁链的饱和程度，该L_{d_k}极小值逐渐增大，当该L_{d_k}极小值不再增大时，说明定子磁链已经越过膝点位置，记录当L_{d_k}不再增大时刻的d轴电流直流分量大小I_{d_dc_min_k}。

3.当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块L_{d_k}两个极大值、两个极小值的大小存在差异时，

气隙宽度最大处对应的L_{d_k}极小值，因为气隙磁链处于欠饱和状态，所以随U_{d_dc_k}从0开始增加会先保持不变，记录该极小值对应转子位置角θ_{m_max_k_d}。逐渐增大U_{d_dc_k}，L_{d_k}开始下降时，说明定子磁链已到达膝点位置，记录d轴L_{d_k}开始下降时刻d轴电流直流分量大小I_{d_dc_max_k}。气隙宽度最小处对应的L_{d_k}极小值，因为气隙磁链处于饱和状态，随U_{d_dc_k}从0开始增加会直接下降，记录该极小值对应转子位置角θ_{m_min_k_d}，清零并逐渐减小U_{d_dc_k}，产生的去磁电流会逐渐降低气隙磁链的饱和程度，该L_{d_k}极小值逐渐增大，当该L_{d_k}极小值不再增大时，说明定子磁链已经越过膝点位置，记录当L_{d_k}不再增大时刻的d轴电流直流分量大小I_{d_dc_min_k}。

4.当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有一个峰值、一个谷值，且模块间L_{d_k}峰值或谷值存在差异时，

气隙宽度始终大于正常值的模块，由于气隙磁链处于欠饱和状态，当U_{d_dc_k}从0开始增加时，L_{d_k}峰值、谷值均会存在保持不变的阶段，U_{d_dc_k}增大到一定程度，气隙宽度最小时模块会先出现气隙磁链饱和现象，而气隙宽度最小时对应着L_{d_k}为峰值，因此L_{d_k}峰值先出现降低现象，记L_{d_k}峰值转子位置角θ_{m_min_k_d}，此时d轴电流直流分量大小为I_{d_dc_min_k}。当U_{d_dc_k}进一步增大，气隙宽度最大时模块也随之出现气隙磁链饱和现象，L_{d_k}谷值大小开始降低，记L_{d_k}谷值的转子位置角θ_{m_max_k_d}，此时d轴电流直流分量大小I_{d_dc_max_k}。

气隙宽度始终小于正常值的模块，由于气隙磁链处于过饱和状态，当U_{d_dc_k}从0开始增加时，气隙磁链饱和程度的加深，会使L_{d_k}峰值、谷值直接下降，此时清零并逐渐减小U_{d_dc_k}，产生逐渐增大的去磁电流，L_{d_k}峰值、谷值均会出现先增大现象，而气隙宽度最大时模块气隙磁链会先退出饱和，气隙宽度最小时模块气隙磁链会后退出饱和，而气隙宽度最大时对应着L_{d_k}为峰值，因此L_{d_k}峰值会先进入保持不变的状态，记L_{d_k}峰值转子位置角θ_{m_max_k_d}，L_{d_k}峰值出现保持不变时刻的d轴电流直流分量大小为I_{d_dc_max_k}。记L_{d_k}谷值转子位置角θ_{m_min_k_d}，L_{d_k}谷值出现保持不变时的d轴电流直流分量大小为I_{d_dc_min_k}。

最终，各偏心类型下，第k个三相模块的气隙宽度最大时的d轴偏心补偿电流I_{d_dc_max_k}，以及气隙宽度最小时的偏心补偿电流均已确定I_{d_dc_min_k}，根据I_{d_dc_max_k}、I_{d_dc_min_k}，以及所确定的最大气隙宽度转子位置角θ_{m_max_k_d}，各模块的d轴偏心补偿电流表达式如下

上式等号右侧第一项是常值分量，用于补偿气隙宽度的固定偏置，第二项是关于转子位置角的正弦分量，其角频率与转子角频率保持一致，用于补偿动态偏心以及混合偏心中气隙宽度的正弦波动，当转子转动到气隙宽度最大位置时，即θ_m＝θ_{m_max_k_d}时，

当转子转动到气隙宽度最小位置时，即θ_m＝θ_{m_max_k_d}+π时，

静态偏心情况下，各模块气隙宽度恒定偏置，与转子位置无关，I_{d_dc_k}保持恒定，无I_{d_dc_max_k}、I_{d_dc_min_k}之分，因此可取

I_{d_dc_max_k}＝I_{d_dc_min_k}＝I_{d_dc_k}

θ_{m_max_k_d}＝0

此时，

确定d轴和q轴偏心补偿电流后，最终需要对其进行闭环控制，如步骤4所述，具体方法为，若系统仅存在静态偏心，dq平面内

为直流量，可采用比例—积分控制器对其进行闭环控制。若系统存在动偏心，dq平面内

为具有直流偏置的交流量，可采用比例—积分—谐振控制器对其进行闭环控制。

闭环控制框图分别如图10、图11所示。

实现d轴偏心补偿电流闭环控制后，电机各三相模块的气隙磁链可被控制在膝点附近，偏心所导致的不均匀气隙磁场现象得以改善，不均匀气隙磁所导致的不平衡磁拉力减小，电机振动可以得到有效抑制。同时，实现q轴偏心补偿电流闭环控制后，电机各三相模块将具有相同的转矩贡献，提供相同的功率输出，可保证各模块热状态相同，有效降低电机系统系统损耗。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，包括：

S1.为多模块同步电机各三相模块注入d轴或q轴偏心检测电压，得到d轴或q轴反馈电流；

S2.根据d轴或q轴偏心检测电压和d轴或q轴反馈电流计算各三相模块d轴或q轴电感值；

S3.根据各三相模块d轴或q轴电感值的波动特征判断转子偏心是否存在以及偏心类型。

2.根据权利要求1所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，d轴偏心检测电压U_{d_ecc_k}的形式为：

U_{d_ecc_k}＝U_{d_ac_k}cos(ω_ecct)+U_{d_dc_k}

其中，U_{d_ac_k}为第k个三相模块注入的d轴偏心检测电压中的交流分量的幅值；ω_ecc为偏心检测电压交流分量角频率；t为系统当前运行时间；U_{d_dc_k}为第k个三相模块注入的d轴偏心检测电压中的直流分量。

3.根据权利要求2所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，第k个三相模块d轴电感值L_{d_k}的计算表达式为：

其中，I_{d_ac_k}为第k个三相模块的d轴电流中交流分量的幅值，R_s为定子电阻。

4.根据权利要求3所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，步骤S3具体为：

当各三相模块的d轴电感L_{d_k}不随电机转子转动而变化，且各三相模块的d轴电感L_{d_k}幅值保持一致时，判断电机不存在转子偏心；

当L_{d_k}不随电机转动而变化，各三相模块间L_{d_k}幅值不一致时，判断电机存在转子静态偏心；

当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块间L_{d_k}的两个极大值、两个极小值的大小保持一致时，判断电机存在转子动态偏心；

当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块间L_{d_k}的两个极大值、两个极小值的大小存在差异，判断电机存在转子混合偏心；

当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有一个峰值、一个谷值，且模块间L_{d_k}的峰值或谷值存在差异，判断电机存在转子混合偏心。

5.根据权利要求1所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，q轴偏心检测电压U_{q_ecc_k}的形式为：

U_{q_ecc_k}＝U_{q_ac_k}cos(ω_ecct)

其中，U_{q_ac_k}为第k个三相模块注入的q轴偏心检测电压中的交流分量的幅值；ω_ecc为偏心检测电压交流分量角频率；t为系统当前运行时间。

6.根据权利要求5所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，第k个三相模块q轴电感值L_{q_k}的计算表达式为：

其中，I_{q_ac_k}为第k个三相模块的q轴电流中交流分量的幅值。

7.根据权利要求6所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，步骤S3具体为：

当L_{q_k}电感不随电机转子转动而变化，且模块间L_{q_k}幅值保持一致时，判断电机不存在转子偏心；

当L_{q_k}不随电机转子转动而变化，且模块间L_{q_k}幅值存在差异时，判断电机存在转子静态偏心；

当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块间L_{q_k}峰值、谷值大小不存在差异，则电机存在转子动态偏心；

当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块间L_{q_k}峰值、谷值大小均存在差异，则电机存在转子混合偏心。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述偏心故障检测方法的偏心故障气隙磁密补偿方法，其特征在于，包括：

S1.根据偏心故障检测结果，确定d轴和q轴偏心补偿电流；

S2.对d轴和q轴偏心补偿电流进行闭环控制，实现偏心故障气隙磁密补偿。

9.根据权利要求8所述的气隙磁密补偿方法，其特征在于，第k个三相模块的q轴偏心补偿电流

由下式决定：

其中，

为系统转速闭环输出的q轴电流期望值，L_{q_1}(θ_m)、…、L_{q_m}(θ_m)分别为m模块同步电机的第1个三相模块到第m个三相模块的q轴电感。L_{q_k_max}、L_{q_k_min}分别为第k个三相模块的峰值q轴电感、第k个三相模块的谷值q轴电感，θ_{m_max_k_q}为第k个三相模块的q轴补偿初始位置角，θ_m表示转子位置角。

10.根据权利要求9所述的气隙磁密补偿方法，其特征在于，q轴偏心补偿电流

计算公式中各个参数的获取方法为：

1)当L_{q_k}电感不随电机转子转动而变化，且模块间L_{q_k}幅值存在差异时，

θ_{m_max_k_q}＝0；L_{q_k_max}＝L_{q_k_min}＝L_{q_k_c}，L_{q_k_c}为转子转动于任意位置时的第k个三相模块的q轴电感；

2)当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L_{q_k}峰值、谷值大小不存在差异时，L_{q_k_max}为波动的L_{q_k}的峰值，L_{q_k_min}为波动的L_{q_k}的谷值，θ_{m_max_k_q}为L_{q_k}的波动峰值的转子位置角；

3)当L_{q_k}随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L_{q_k}峰值、谷值大小均存在差异时，L_{q_k_max}为波动的L_{q_k}的峰值，L_{q_k_min}为波动的L_{q_k}的谷值，θ_{m_max_k_q}为L_{q_k}的波动峰值的转子位置角。

11.根据权利要求8所述的气隙磁密补偿方法，其特征在于，第k个三相模块的d轴偏心补偿电流

由下式决定：

I_{d_dc_max_k}为气隙峰值d轴电流直流分量，I_{d_dc_min_k}为气隙谷值d轴电流直流分量，θ_m为转子位置角，θ_{m_max_k_d}为气隙最大时的转子位置角。

12.根据权利要求11所述的气隙磁密补偿方法，其特征在于，d轴偏心补偿电流

计算公式中各个参数的获取方法为：

1)当L_{d_k}不随电机转动而变化，各三相模块L_{d_k}幅值不一致时，θ_{m_max_k_d}＝0，I_{d_dc_max_k}＝I_{d_dc_min_k}＝I_{d_dc_k_c}，I_{d_dc_k_c}获取过程为，当L_{d_k}随着U_{d_dc_k}从0开始增大而减小时，使U_{d_dc_k}从0开始随系统运行时间t逐渐减小，直至L_{d_k}从先增加到不再变化，I_{d_dc_k_c}为L_{d_k}不再变化时对应的d轴电流直流分量大小；当L_{d_k}随着U_{d_dc_k}从0开始增加存在保持不变的阶段时，使U_{d_dc_k}继续随系统运行时间t逐渐增加，直至L_{d_k}开始减小，I_{d_dc_k_c}为L_{d_k}开始减小时对应的d轴电流直流分量大小；

2)当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值时，θ_{m_max_k_d}获取过程为，从0开始增大U_{d_dc_k}，将随U_{d_dc_k}从0开始增加存在保持不变阶段的极小值所对应的转子位置角作为θ_{m_max_k_d}；

I_{d_dc_max_k}获取过程为，使得U_{d_dc_k}继续随系统运行时间t逐渐增加，直至转子位置角θ_{m_max_k_d}处的L_{d_k}开始减小，I_{d_dc_max_k}为L_{d_k}开始减小时对应的d轴电流直流分量大小；

I_{d_dc_min_k}获取过程为，清零U_{d_dc_k}并使其重新从0开始随系统运行时间t逐渐减小，直至转子位置角θ_{m_min_k_d}处L_{d_k}不再增加，I_{d_dc_min_k}为L_{d_k}不再增加时对应的d轴电流直流分量大小；其中，θ_{m_min_k_d}为随U_{d_dc_k}从0开始增加而下降的极小值对应的转子位置角；

3)当L_{d_k}随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有一个峰值、一个谷值时，

a.若L_{d_k}峰值、谷值随着U_{d_dc_k}从0开始增加存在保持不变的阶段，θ_{m_max_k_d}为L_{d_k}波动谷值的转子位置角；

I_{d_dc_min_k}获取过程为，使得U_{d_dc_k}继续随系统运行时间t逐渐增加，直至L_{d_k}的波动峰值开始减小，I_{d_dc_min_k}为L_{d_k}的波动峰值开始减小时对应的d轴电流直流分量大小；

I_{d_dc_max_k}获取过程为，继续增大U_{d_dc_k}增直至L_{d_k}的波动谷值开始减小，I_{d_dc_max_k}为L_{d_k}的波动谷值开始减小时对应的d轴电流直流分量大小；

b.若L_{d_k}峰值和谷值随着U_{d_dc_k}从0开始增加而减小，

θ_{m_max_k_d}为L_{d_k}波动峰值的转子位置角；

I_{d_dc_max_k}获取过程为，清零U_{d_dc_k}并使其重新从0开始随系统运行时间t逐渐减小，直至L_{d_k}的波动峰值不再增大，I_{d_dc_max_k}为波动峰值不再增大时对应的d轴电流直流分量大小；

I_{d_dc_min_k}获取过程为，继续增加U_{d_dc_k}直至L_{d_k}波动谷值不再增大，I_{d_dc_min_k}为L_{d_k}波动谷值不再增大对应的d轴电流直流分量大小。

13.根据权利要求8-12任一项所述的气隙磁密补偿方法，其特征在于，步骤S2具体为，

若系统为在静态偏心，在dq平面采用比例—积分控制器对q轴偏心补偿电流

d轴偏心补偿电流

进行闭环控制；

若系统为动态偏心或混合偏心，在dq平面采用比例—积分—谐振控制器对q轴偏心补偿电流

d轴偏心补偿电流

进行闭环控制。

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