CN114499351B - 一种电机系统故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种电机系统故障检测方法，包括步骤：利用电流传感器实时采集各相电流，计算每个电气周期内的电流过零点，并根据记录的过零点前后的电流值与相位值，通过插值方法求得每相电流的相位；对每相电流相位实测值与理想值进行求差，根据所得到的相位误差对故障进行判断和处理。本发明实施例提供的技术方案，能够实时诊断出电机系统中的电流传感器和驱动系统的故障位置和类型，并能根据故障类型和位置，进行针对性的容错控制，实现高可靠、高性能运行。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体而言，涉及一种基于电流相位闭环控制的电机系统高可靠运行方法。
背景技术
在电机系统中，为了保证系统能够高可靠运行，即带故障运行/容错运行，首先需要实时进行故障诊断，既需要检测出故障，又需要对故障的种类和位置进行识别。为了进行故障诊断，在工程中，一般常用电流传感器采集各相绕组电流，通过判断电流是否发生异常来进行故障诊断，这种方法非常简单、成本低、不影响控制算法运算速度，但是如果电流传感器发生故障的话，或者是电流传感器时好时坏的情况下，就不好判断到底是电机系统故障还是电流传感器故障，容易造成误判。为了解决误判问题，出现了很多基于模型和自适应故障诊断方法，它们的优点是故障诊断准确率较高，但是随之而来的是造成算法运算速度慢、算法复杂化、系统响应慢等。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于电流相位闭环控制的电机系统高可靠运行方法，不仅算法简单，运算速度快、适用面广，而且能够诊断出是测量部分还是驱动部分的故障，进而实现容错控制，还可以根据工况进行每相电流的相位闭环控制，最终实现高可靠、高性能运行。
本发明的技术方案是：基于电流相位闭环控制的电机系统高可靠运行方法，其特征在于通过每相自己的电流传感器，通过测量每个电气周期内的电流过零点就能够测量出电流的相位，根据每相电流相位实测值与理想值的偏差来判断电流传感器故障是否故障，若传感器发生故障就利用理想相位值进行相位闭环；若是电机驱动系统发生故障，利用电机各相电流的相互残差，诊断出电机系统故障类型和故障位置，然后进行故障容错控制，最后对非故障相每相电流相位进行独立相位闭环控制，通过控制电流相位滞后或者超前每相对应的反电动势，也即通过控制每相反电动势相位与每相电流相位之差的正负，进而实现电机的增磁或者弱磁控制，步骤如下：
1)实时测量电机转子角度，并根据电机转子的极对数，转变为归一化的电气角度；
2)利用电流传感器实时采集各相电流，计算每个电气周期内的电流过零点；
3)基于电流过零点与反电动势过零点相位之差最小的原则，并根据记录的过零点前后的电流值与相位值，通过插值方法求得每相电流的相位；
4)对每相电流相位实测值与理想值进行求差，若相位误差没有超过设定阈值，说明电流传感器工作正常，可以直接转到8)进行各相电流相位闭环控制；
5)如果相位误差超过阈值，还要进一步判断是否电流传感器发生了故障，若电流传感器发生了故障，将理想值赋给电流相位实测值，以便进行相位闭环控制，转到8)进行各相电流相位闭环控制；若电流传感器没有发生故障，则转到6)；
6)则可以初步诊断为驱动系统发生了故障，还需要进一步诊断是开路故障还是短路故障，若是开路故障，将故障进行隔离，采用故障前后磁链不变为控制目标，对非故障相电流幅值和相位采取容错控制策略，然后转到8)进行各相电流相位闭环控制；若是发生了短路故障，则转到7)；
7)若是短路故障，将故障进行隔离，并采用非故障相补偿短路相的转矩缺失，然后再采用6)中的容错控制策略，最后转到8)进行各相电流相位闭环控制；
8)将期望的相位作为输入量，与每相电流实际的相位做差，输入给相位控制器，求得每相控制电压，然后送给速度控制器，求得电机转速，经过电机得到期望的每相电流相位，从而实现每相电流相位的独立闭环控制。
进一步地，步骤5)中电流传感器故障诊断步骤如下：
1)电流传感器定时采集每相电流电压值以及对应的电流值并记录；
2)根据两点式计算公式，利用当前时刻采集的每相电流电压值以及电流值与前一时刻采集的每相电流电压值以及电流值，求得电流传感器当前的测量斜率值，即
3)通过计算在第x时刻的测量斜率值kxx是否与前面时刻保持一致来诊断第x相电流传感器是否保持正常工作状态，从而实现该相电流传感器的故障诊断功能。
进一步地，步骤6)和7)中的驱动系统开路和短路故障诊断步骤如下：
1)电流传感器实时采集的各相电流，将各相电流进行平方处理，并将相邻两相电流平方进行做差求得各相电流相互残差；
2)对正常时各相电流相互残差进行范数计算，建立正常各相电流相互残差时范数值表；
3)对步骤1)得到的各相电流相互残差进行范数计算，通过实时对比各相电流相互残差范数值与正常时各相电流相互残差时范数值，判定故障类型和发生故障的具体位置，并实现故障识别和隔离。
进一步地，步骤1)中若电流相数为奇数，各相电流残差的具体计算公式为：
其中in为第n相电流，1...n为奇数电流相数；
若电流相数为偶数，各相电流残差的具体计算公式为：
其中im为第m相电流，1...2m为偶数电流相数。
进一步地，步骤3)中根据各相电流的相互残差值进行实时范数值判定故障类型和发生位置的具体方法为：
若电流相数为奇数，
若电流相数为偶数，
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)具有结构简单、物理概念清晰等优点。
(2)能够实时诊断出电机系统中的电流传感器和驱动系统的故障位置和类型。
(3)根据故障类型和位置，进行针对性的容错控制，实现高可靠、高性能运行。
(4)无需实时计算坐标变换，减小的算法复杂度，提高了系统控制动态性能。
(5)仅测量各相电流过零点，提高了测量的鲁棒性，进而提高了系统控制的鲁棒性。
(6)根据各相绕组的逻辑关系，可以根据某相的电流相位推测出其他相电流相位，进而可以实现各相电流相位检测的相互冗余备份功能，避免了某个电流传感器发生故障引起的系统控制性能下降。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明的相位闭环控制框图；
图3和图4分别是增磁控制和弱磁控制时每相绕组的相量图。
具体实施方式
本发明流程图见附图1，其特征在于通过每相自己的电流传感器，通过测量每个电气周期内的电流过零点就能够测量出电流的相位，根据每相电流相位实测值与理想值的偏差来判断电流传感器故障是否故障，若传感器发生故障就利用理想相位值进行相位闭环；若是电机驱动系统发生故障，利用电机各相电流的相互残差，诊断出电机系统故障类型和故障位置，然后进行故障容错控制，最后对非故障相每相电流相位进行独立相位闭环控制，通过控制电流相位滞后或者超前每相对应的反电动势，也即通过控制每相反电动势相位与每相电流相位之差的正负，进而实现电机的增磁或者弱磁控制，步骤如下：
1)实时测量电机转子角度，并根据电机转子的极对数，转变为归一化的电气角度；
2)利用电流传感器实时采集各相电流，计算每个电气周期内的电流过零点；
3)基于电流过零点与反电动势过零点相位之差最小的原则，并根据记录的过零点前后的电流值与相位值，通过插值方法求得每相电流的相位；
4)对每相电流相位实测值与理想值进行求差，若相位误差没有超过设定阈值，说明电流传感器工作正常，可以直接转到8)进行各相电流相位闭环控制；
5)如果相位误差超过阈值，还要进一步判断是否电流传感器发生了故障，若电流传感器发生了故障，将理想值赋给电流相位实测值，以便进行相位闭环控制，转到8)进行各相电流相位闭环控制；若电流传感器没有发生故障，则转到6)；
6)则可以初步诊断为驱动系统发生了故障，还需要进一步诊断是开路故障还是短路故障，若是开路故障，将故障进行隔离，采用故障前后磁链不变为控制目标，对非故障相电流幅值和相位采取容错控制策略，然后转到8)进行各相电流相位闭环控制；若是发生了短路故障，则转到7)；
7)若是短路故障，将故障进行隔离，并采用非故障相补偿短路相的转矩缺失，然后再采用6)中的容错控制策略，最后转到8)进行各相电流相位闭环控制；
8)将期望的相位作为输入量，与每相电流实际的相位做差，输入给相位控制器，求得每相控制电压，然后送给速度控制器，求得电机转速，经过电机得到期望的每相电流相位，从而实现每相电流相位的独立闭环控制。
进一步地，步骤5)中电流传感器故障诊断步骤如下：
1)电流传感器定时采集每相电流电压值以及对应的电流值并记录；
2)根据两点式计算公式，利用当前时刻采集的每相电流电压值以及电流值与前一时刻采集的每相电流电压值以及电流值，求得电流传感器当前的测量斜率值，即
3)通过计算在第x时刻的测量斜率值kxx是否与前面时刻保持一致来诊断第x相电流传感器是否保持正常工作状态，从而实现该相电流传感器的故障诊断功能。
进一步地，步骤6)和7)中的驱动系统开路和短路故障诊断步骤如下：
1)电流传感器实时采集的各相电流，将各相电流进行平方处理，并将相邻两相电流平方进行做差求得各相电流相互残差；
2)对正常时各相电流相互残差进行范数计算，建立正常各相电流相互残差时范数值表；
3)对步骤1)得到的各相电流相互残差进行范数计算，通过实时对比各相电流相互残差范数值与正常时各相电流相互残差时范数值，判定故障类型和发生故障的具体位置，并实现故障识别和隔离。
进一步地，步骤1)中若电流相数为奇数，各相电流残差的具体计算公式为：
其中in为第n相电流，1...n为奇数电流相数；
若电流相数为偶数，各相电流残差的具体计算公式为：
其中im为第m相电流，1...2m为偶数电流相数。
进一步地，步骤3)中根据各相电流的相互残差值进行实时范数值判定故障类型和发生位置的具体方法为：
若电流相数为奇数，
若电流相数为偶数，
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电机系统故障检测方法，其特征在于，步骤如下：
1）利用电流传感器实时采集各相电流，计算每个电气周期内的电流过零点，并根据记录的过零点前后的电流值与相位值，通过插值方法求得每相电流的相位；
2）对每相电流相位实测值与理想值进行求差，若相位误差没有超过设定阈值，说明电流传感器工作正常；
3）如果相位误差超过阈值，还要进一步判断是否电流传感器发生了故障，若电流传感器发生了故障，将理想值赋给电流相位实测值，
若电流传感器工作正常没有发生故障，则转到4）；
4）初步诊断为驱动系统发生了故障，还需要进一步诊断是开路故障还是短路故障，若是开路故障，将故障进行隔离，采用故障前后磁链不变为控制目标，对非故障相电流幅值和相位采取容错控制策略；若是发生了短路故障，则转到5）；
5）若是短路故障，将故障进行隔离，并采用非故障相补偿短路相的转矩缺失，然后再采用4）中的容错控制策略；
步骤3）中电流传感器故障诊断步骤如下：
（a1）电流传感器定时采集每相电流电压值以及对应的电流值并记录；
（a2）根据两点式计算公式，利用当前时刻采集的每相电流电压值以及电流值与前一时刻采集的每相电流电压值以及电流值，求得电流传感器当前的测量斜率值，即；
（a3）通过计算在第x时刻的测量斜率值是否与前面时刻保持一致来诊断第x相电流传感器是否保持正常工作状态，从而实现该相电流传感器的故障诊断功能；
步骤4）和5）中的驱动系统开路和短路故障诊断步骤如下：
（b1）电流传感器实时采集的各相电流，将各相电流进行平方处理，并将相邻两相电流平方进行做差求得各相电流相互残差；
（b2）对正常时各相电流相互残差进行范数计算，建立正常时各相电流相互残差范数值表；
（b3）对步骤（b1）得到的各相电流相互残差进行范数计算，通过实时对比各相电流相互残差范数值与正常时各相电流相互残差范数值，判定故障类型和发生故障的具体位置，并实现故障识别和隔离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（b1）中若电流相数为奇数，各相电流相互残差的具体计算公式为：
；
若电流相数为偶数，各相电流相互残差的具体计算公式为：
。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（b3）中通过实时对比各相电流相互残差范数值与正常时各相电流相互残差范数值，判定故障类型和发生故障的具体位置的具体方法为：
若电流相数为奇数，；
若电流相数为偶数，
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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