CN116068393A - 永磁同步电机转子失磁故障预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机转子失磁故障预警方法，永磁同步电机的驱动系统的变流器为两电平逆变器，该方法将隐藏在电机电压方程中的反电势信息，通过去励磁操作的方式进行提取。通过测量电机的定子绕组相电压，获得反电势峰值区域内的波形。根据公式(4)，取三个时刻对应的电压数据，计算出当前状态下的转子磁链。本发明实现在线化的高精度转子磁链估算，达到可靠的故障预防性保护目标。并且，无需获知精准的待监测电机的各类参数，避免了磁链估算精度受到电机变工况运行下的参数波动影响。

Description

永磁同步电机转子失磁故障预警方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体涉及永磁同步电机的转子失磁故障诊断和预防性保护领域，更具体地涉及一种永磁同步电机转子失磁故障预警方法。

背景技术

永磁同步电机广泛应用在工业伺服控制、电动汽车、航空航天等领域。在复杂的工作环境中，永磁同步电机转子永磁体可能会因为多种原因导致失磁，其中最易导致转子永磁体失磁的原因是突发性冲击电流和长时间高温环境。在实际应用中，永磁同步电机大多运行在高温、潮湿，甚至是酸、碱性的环境中，容易使得转子永磁体受到化学性腐蚀、电解，可能导致永磁体发生退磁或局部不可逆失磁。在这种情况下，若保证电机仍输出同样大小的转矩，就需要加大电机定子电压。永磁同步电机长时间运行在此状态下，会进一步降低定子绕组绝缘性能，导致匝间短路或者相间短路的发生；与此同时，导致永磁体温度激增，使得电机永久性失磁。因此，实现永磁同步电机磁链监测对防止转子永磁体发生失磁故障至关重要。

近年来，永磁电机转子失磁故障诊断技术得到较快的发展，但在实际工业应用上都存在着各自的技术壁垒。具体而言，现有的转子永磁体磁链观测的方式主要分为：基于电机数学方程的数值分析法，基于电机模型观测的估算方法，以及基于人工智能算法的信号分析与估算方法。

(1)基于电机数学方程的数值分析法：是在电机数学方程的基础上进行分析推导，在永磁同步电机正常运转时，电机内部会产生一个由多个磁场组合成的气隙磁场，电机中的磁场会出现不同介质中的分布、变换和相互交错的状况，因此需要建立可以监测电机磁链的数学方程。通过建立精确的电机数学方程来表述内部的磁场，利用数值分析的方法来求解磁场的变化。最经典的方法是由高景德先生提出的多回路分析方法，通过相关参数建立精准的电机数学模型，通过状态值估计的方法，进行监测分析。但基于数学方程精确求解的数值分析方法需要复杂的计算，有时可能因为边界问题使得数学解析无解。

(2)基于电机模型观测的估算方法：观测器法估算永磁体磁链是基于模型驱动，以动态数据处理技术进行磁链辨识。常见的观测器法有全阶状态观测器、滑膜观测器和卡尔曼滤波观测器等。这些观测器通常选择旋转坐标系下的定子电压、电流以转速为输入量，以永磁体磁链为状态估算量，利用旋转坐标系下的电压微分方程建立状态方程。其中，较为特殊的是卡尔曼滤波观测器，这种观测器的估算是采用递推的方法使得最优估计之的方差最小，在考虑观测噪声和测量噪声的基础上进行估算。在递推过程中只需要记录上一时刻的最优估计值和最小方差值便可以推算下一时刻的最优值。这种方法计算较为简单，易于通过控制器算法进行实现，另外还具有较强的抗干扰性能。

(3)基于电气量信号分析的估算方法：是从监测分析永磁同步电机电气量的角度来进行诊断和识别，如小波分析法、希尔伯特黄变换分析法、高频信号注入法等。此类诊断方法在工程项目中应用较多，例如：通过对电机定子电流进行频谱分析的方法做转子故障监测的方式，能够对转子偏心和转子永磁体机械性损伤做出评估；通过小波变换的方式对运行在非稳定状态的电机进行参数的监测，对电机进行减速操作，在运行过程中可以对降速阶段的电流信号进行信号处理，从中得到频率信息，进而对电机退磁进行诊断；通过监测三相绕组零序电压的方式对转子永磁体的局部退磁进行评估。

因此，亟需一种针对永磁同步电机的转子失磁故障预警方法，以至少部分地解决上述技术问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种永磁同步电机转子失磁故障预警方法，可实现在线化的高精度转子磁链估算，达到可靠的故障预防性保护目标。

本发明提供的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，所述永磁同步电机的驱动系统的变流器为两电平逆变器，所述方法包括：将所述永磁同步电机在额定转速下运行，基于预设的反电势周期，每隔一个所述反电势周期检测一次所述两电平逆变器的三相上桥臂功率的开关状态；当检测到的所述开关状态处于第一状态，且通过位置传感器检测到的转子位置角处于第一角度范围时，对所述永磁同步电机进行间歇性断路的去励磁操作，以将所述开关状态从第一状态转换为第二状态；在所述去励磁操作过程中，测量获得A相定子绕组对地相电压，通过电压传感器对所述A相定子绕组对地相电压进行采样，拟合出反电势峰值区域的波形图；在所述波形图选取多个采样时刻的反电势数据，基于电角度与时间的基本假设对所述反电势数据进行处理，计算所述永磁同步电机当前状态下的磁链估算值；将所述磁链估算值与所述永磁同步电机预设的磁链健康值进行比较，判定所述永磁同步电机是否存在失磁故障风险，若存在失磁故障风险则发出预警指令。

根据本发明的实施例，所述第一角度范围为[-5°，5°]。

根据本发明的实施例，所述两电平逆变器是由三对上下桥臂组成的三相逆变器，该三相逆变器的输入端连接直流电压源Vdc，三相逆变器的输出端连接至永磁同步电机的三相定子绕组，其中，第一对上下桥臂的中间输出端与A相定子绕组连接，第二对上下桥臂的中间输出端对应连接B相定子绕组，第三对上下桥臂的中间输出端对应连接C相定子绕组；所述第一状态为：第一个上桥臂的输出端电流流向所述A相定子绕组，所述B相定子绕组的电流逆向经由第二个上桥臂流向所述第一个上桥臂的输入端，所述C相定子绕组的电流逆向经由第三个上桥臂流向所述第一个上桥臂的输入端；所述第二状态为：第一个下桥臂的输出端电流流向所述A相定子绕组，所述B相定子绕组的电流逆向经由第二个上桥臂流向所述直流电压源Vdc的正极，所述C相定子绕组的电流逆向经由第三个上桥臂流向所述直流电压源Vdc的正极。

根据本发明的实施例，对所述永磁同步电机进行间歇性断路的去励磁操作，以将所述开关状态从第一状态转换为第二状态，具体包括：关断A相上桥臂的功率开关器件，控制所述第二状态维持预设的持续时间，直至所述A相定子绕组的电流为0且电流变化率为0。

根据本发明的实施例，在所述去励磁操作过程中，测量获得A相定子绕组对地相电压，具体包括：在所述去励磁操作过程中，当所述永磁同步电机的驱动系统内的电流变化处于第2阶段时，根据以下公式测量获得A相定子绕组对地相电压：

u_a＝u_{a_bemf}

式中，u_a是A相定子绕组对地相电压，u_{a_bemf}是反电势数据，ω_e是电角速度，ψ_r是磁链，θ为转子d轴滞后A相定子绕组轴90°时的转子位置角。

根据本发明的实施例，在所述波形图选取多个采样时刻的反电势数据，具体包括：所述采样时刻具体为三个，且三个采样时刻分别选自所述波形图的反电势峰值时刻，以及所述反电势峰值时刻之后依次选取的第一衰减时刻和第二衰减时刻。

根据本发明的实施例，所述电角度与时间的基本假设具体为：从所述反电势峰值时刻到所述第二衰减时刻的时间区间中，电机转速与时间呈线性减小关系。

根据本发明的实施例，所述永磁同步电机当前状态下的磁链估算值按照以下公式来计算：

式中，α是电角度变化的加速度，u_{a_peak}是反电势峰值时刻的电压，ω_e是电角速度，ψ_r是当前状态下的磁链估算值，t₀₁，t₀₂分别是第一衰减时刻和第二衰减时刻，u_a(t01)，u_a(t02)分别是第一衰减时刻和第二衰减时刻的反电势数据。

根据本发明的实施例，所述永磁同步电机预设的磁链健康值根据磁链＝反电势常数/转速

来求出，其中，所述反电势常数是永磁同步电机出厂时给定的不同转速下的反电势常数。

根据本发明的实施例，将所述磁链估算值与所述永磁同步电机预设的磁链健康值进行比较，判定所述永磁同步电机是否存在失磁故障风险，若存在失磁故障风险则发出预警指令，包括：当所述磁链估算值与所述磁链健康值的比值小于设定阈值时，判定所述永磁同步电机存在失磁故障风险，发出预警指令。

与现有技术相比，本发明提供的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，至少具有以下有益效果：

(1)针对实际应用中难以直接测量反电势的技术壁垒，本发明提出间歇性控制变换器开关状态，在指定时间区间内，测量容易获取的电机相电压，来代替电机反电势。

(2)针对实际应用中难以保证电机转速高精度测量的技术壁垒，本发明提出根据反电势波形推算峰值点转速的方法，进而估算出当前运行状态下的电机磁链。本发明实现在线化的高精度转子磁链估算，达到可靠的故障预防性保护目标。并且，无需获知精准的待监测电机的各类参数，避免了磁链估算精度受到电机变工况运行下的参数波动影响。

(3)针对实际应用中的总体效果，本发明克服在变工况运行状态下电机参数变化带来的磁链估算误差，需要提高失磁故障诊断的准确度，尽量避免安装额外的位置传感器和电压传感器，尽量利用方便获取的信息量完成失磁故障诊断和预警。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了永磁同步电机定子绕组的等效电路图；

图2(a)～图2(b)示意性示出了永磁同步电机的驱动系统的电路图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的永磁同步电机转子失磁故障预警方法的流程图；

图4示意性示出了间歇性A相去激励操作过程的电压变化图；

图5示意性示出了在验证例1中的间歇性断路的去激励操作中的A相电流和电压变化图；

图6示意性示出了在验证例1中的A相反电动势波形图；

图7示意性示出了在验证例1中的不同运行工况下磁链估算结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

正如背景技术所介绍的，在现有的转子永磁体磁链观测的三种方式中，至少存在以下技术缺陷：

(1)基于电机数学方程的数值分析法需要复杂的计算，有时可能因为边界问题使得数学解析无解；还对监测电机参数信息准确度有很高要求，磁链估算精度会受到参数波动的影响。

(2)基于电机模型观测的估算方法需要对电机和逆变器进行精确建模，通过参数预测量并存储电机磁通与电流之间的饱和函数查找表，但实际应用中无法适应运行过程中的动态变化。

(3)基于电气量信号分析的估算方法难以适应各应用场景的复杂性，由于随机扰动，在失磁问题出现的早期时刻，电气量变化微弱，会导致分析结果可能出现误诊断。

有鉴于此，本发明提供了一种永磁同步电机转子失磁故障预警方法，一方面，实现在线化的高精度转子磁链估算，达到可靠的故障预防性保护目标。另一方面，能够在转子永磁体失磁的早期，及时地检测到失磁趋势，从而及时的排除风险，使电机停止运行或者适当降低电机的工作强度，维护系统的安全稳定。

首先以获取A相定子绕组电压代替反电势为例，说明本发明实施例提出的方法的工作原理。

图1示意性示出了永磁同步电机定子绕组的等效电路图。

如图1所示，基于该永磁同步电机的定子绕组等效电路，A相定子绕组对地相电压u_a与反电势u_{a_bemf}可表示为：

式中，i_a为A相电流，R_s和L_s为绕组电阻和电感，ω_e是电角速度，ψ_r是磁链，θ为转子d轴滞后A相定子绕组轴90°时转子位置角。

相应地，可以分别列出B相定子绕组对地相电压u_b和C相定子绕组对地相电压u_c分别与反电势u_{a_bemf}的关系式。

图2(a)～图2(b)示意性示出了永磁同步电机的驱动系统的电路图。图3示意性示出了根据本发明实施例的永磁同步电机转子失磁故障预警方法的流程图。

请结合图2(a)～图2(b)，对图3所述的方法进行详细说明。该永磁同步电机的驱动系统的变流器为两电平逆变器，在此基础上，根据该实施例的永磁同步电机转子失磁故障预警方法可以包括步骤S31～步骤S35。

步骤S31，将永磁同步电机在额定转速下运行，基于预设的反电势周期，每隔一个反电势周期检测一次两电平逆变器的三相上桥臂功率的开关状态。

步骤S32，当检测到的开关状态处于第一状态，且通过位置传感器检测到的转子位置角处于第一角度范围时，对永磁同步电机进行间歇性断路的去励磁操作，以将开关状态从第一状态转换为第二状态。

可选地，第一角度范围为[-5°，5°]。

请参阅图2(a)～图2(b)，永磁同步电机驱动系统的变流器通常为两电平逆变器。本发明实施例中，该两电平逆变器是由三对上下桥臂组成的三相逆变器，该三相逆变器的输入端连接直流电压源Vdc，三相逆变器的输出端连接至永磁同步电机的三相定子绕组M，其中，第一对上下桥臂的中间输出端与A相定子绕组连接，第二对上下桥臂的中间输出端对应连接B相定子绕组，第三对上下桥臂的中间输出端对应连接C相定子绕组。

本发明实施例中，对永磁同步电机进行间歇性断路的去励磁操作，以将开关状态从第一状态转换为第二状态，具体包括：关断A相上桥臂的功率开关器件，控制第二状态维持预设的持续时间，直至A相定子绕组的电流为0且电流变化率为0。

示例性地，当两电平逆变器的三相上桥臂功率的开关状态处于如图2(a)所示的第一状态，并且转子位置角θ∈[-5°，5°]时，对永磁同步电机开始进行间歇性断路的去励磁操作，也即关断A相上桥臂功率开关器件，此时两电平逆变器的三相上桥臂功率的开关状态处于如图2(b)所示的第二状态。

具体而言，如图2(a)所示的第一状态为：第一个上桥臂的输出端电流流向A相定子绕组，B相定子绕组的电流逆向经由第二个上桥臂流向第一个上桥臂的输入端，C相定子绕组的电流逆向经由第三个上桥臂流向第一个上桥臂的输入端。

如图2(b)所示的第二状态为：第一个下桥臂的输出端电流流向A相定子绕组，B相定子绕组的电流逆向经由第二个上桥臂流向直流电压源Vdc的正极，C相定子绕组的电流逆向经由第三个上桥臂流向直流电压源Vdc的正极。

需要说明的是，间歇性断路的去励磁操作并非长时间持续进行，是根据监测需求，在指定情况下完成整套步骤。规定两次检测之间的时间间隔为一个反电势周期T_int。

步骤S33，在去励磁操作过程中，测量获得A相定子绕组对地相电压，通过电压传感器对A相定子绕组对地相电压进行采样，拟合出反电势峰值区域的波形图。

示例性地，通过电压互感器测量获得A相定子绕组对地相电压。

图4示意性示出了间歇性A相去激励操作过程的电压变化图。

如图4所示，去励磁操作进行后，永磁同步电机驱动系统内的电流变化可以分为两个阶段，记作第1阶段和第2阶段。

第1阶段在去励磁操作的初期，由于绕组的感性特性，使得绕组中剩余电流不会立刻消失，三相电流根据其各自的流向，通过开关器件的反并联二极管进行续流，导致电机绕组不会立即和直流母线侧断开。

第2阶段持续的预设时间为T_c。在剩余电流归零之后，A相定子绕组和直流母线侧完全断开，导致A相定子绕组的电流为0且电流变化率为0，即i_a＝0且di_a/dt＝0。A相定子绕组对地相电压u_a先增大后减小。

因此，在永磁同步电机的驱动系统内的电流变化处于第2阶段时，u_a和u_{a_bemf}存在如下关系：

u_a＝u_{a_bemf}   (2)

ψ_r与u_{a_bemf}存在如下关系：

接着，根据式(2)，测量获得的u_a数据即可以表征第2阶段中的反电势u_{a_bemf}。根据电压传感器对u_a采样的结果，拟合出反电势峰值区域的波形图。

由此，本发明将隐藏在电机电压方程中的反电势信息，通过去励磁操作的方式进行提取。通过测量电机的定子绕组相电压，获得反电势峰值区域内的波形图。

步骤S34，在波形图选取多个采样时刻的反电势数据，基于电角度与时间的基本假设对反电势数据进行处理，计算永磁同步电机当前状态下的磁链估算值。

本发明实施例中，采样时刻具体为三个，且三个采样时刻分别选自波形图的反电势峰值时刻，以及反电势峰值时刻之后依次选取的第一衰减时刻和第二衰减时刻。

具体而言，如图4所示，在第2阶段选取三个采样时刻记为t₀，t₀₁，t₀₂，其中t₀时刻对应的u_a数据点是反电势峰值u_{a_peak}，t₀₁，t₀₂时刻对应的u_a数据点记作u_a(t01)，u_a(t02)。

本发明实施例中，电角度与时间的基本假设具体为：从反电势峰值时刻到第二衰减时刻的时间区间中，电机转速与时间呈线性减小关系。

具体而言，假定在时间区间[t₀，t₀₂]中，电机转速与时间呈线性减小关系。根据式(3)，存在以下关系：

式中，α是电角度变化的加速度，u_{a_peak}是反电势峰值时刻的电压，ω_e是电角速度，ψ_r是当前状态下的磁链估算值，t₀₁，t₀₂分别是第一衰减时刻和第二衰减时刻，u_a(t01)，u_a(t02)分别是第一衰减时刻和第二衰减时刻的反电势数据。

由此根据式(4)，可求解三个未知数，即ω_e，ψ_r和α。ψ_r是永磁同步电机当前状态下被估算出的磁链。

步骤S35，将磁链估算值与永磁同步电机预设的磁链健康值进行比较，判定永磁同步电机是否存在失磁故障风险，若存在失磁故障风险则发出预警指令。

本发明实施例中，永磁同步电机预设的磁链健康值根据

磁链＝反电势常数/转速   (5)

来求出，式中，反电势常数是永磁同步电机出厂时给定的不同转速下的反电势常数。

本发明实施例中，将磁链估算值与永磁同步电机预设的磁链健康值进行比较，判定永磁同步电机是否存在失磁故障风险，若存在失磁故障风险则发出预警指令，包括：当磁链估算值与磁链健康值的比值小于设定阈值时，判定永磁同步电机存在失磁故障风险，发出预警指令。

具体而言，在工业应用中，通常每台永磁同步电机出厂时，会给定不同转速下的反电势常数。根据“磁链＝反电势常数/转速”，可以求出健康状态下的磁链，记作ψ₀(转子正常时，是常数，ψ₀与运行状态无关)。比较磁链估算值ψ_r与健康值ψ₀的大小，当ψ_r/ψ₀小于设定阈值时，判定该永磁同步电机存在失磁故障风险，发出预警指令。

通过上述公开的实施例，本发明给出了一种高精度转子永磁体磁链估算步骤，利用测量地电机相电压，重构反电势峰值区域内的波形，取三个有效点，计算出当前状态下的转子磁链。进而，实现在线化的高精度转子磁链估算，达到可靠的故障预防性保护目标。

同时，本发明给出了一种在线获取电机反电势的方法，也即控制驱动逆变器的开关状态，在毫秒级别的去励磁操作下，通过测量电机相电压，间接地精确提取了反电势信息。

此外，本发明能够在转子永磁体失磁的早期，及时地检测到失磁趋势，从而及时的排除风险，使电机停止运行或者适当降低电机的工作强度，维护系统的安全稳定。

为让公开的上述内容和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

实施例1

该实施例1以获取A相定子绕组电压代替反电势为例，说明本发明的具体执行步骤，包括(11)～(16)。

(11)每隔一个反电势周期T_int检测一次两电平逆变器的三相上桥臂功率的开关状态是否处于第一状态并且位置传感器检测到的转子位置角是否满足θ∈[-5°，5°]；若是，进行后续操作。

(12)进行间歇性断路的去励磁操作，关断A相上桥臂的功率开关器件，控制第二状态维持一持续时间T_c。

(13)获取第二状态下电压互感器测量所得的u_a，拟合出反电势峰值区域的波形图。选取包含峰值的三个时刻对应的电压数据，即u_{a_peak}，u_a(t01)，u_a(t02)。

(14)根据式(4)计算得到估算磁链ψ_r。

(15)计算ψ_r/ψ₀。

(16)判断当ψ_r/ψ₀小于设定阈值时，判定该永磁同步电机存在失磁故障风险，发出预警指令。

验证例1

该验证例1以获取A相定子绕组电压代替反电势为例来说明，验证步骤包括(21)～(25)。

示例性地，监测的永磁同步电机的相关参数如表1所示。

表1

参数	数值
		额定功率	400W
额定转速	3000rpm
		额定电流	2.89A
定子绕组电感	3.66mH
		<![CDATA[正常磁链ψ<sub>0</sub>]]>	0.0575Wb
额定转矩	1.27N·m
		极对数	4
转动惯量	<![CDATA[2.16*10<sup>-4</sup>kg·m<sup>2</sup>]]>
		摩擦系数	0.0001

(21)永磁同步电机运行在额定转速下，设置反电势周期为0.005s。每隔1个反电势周期检测一次两电平逆变器的三相上桥臂功率的开关状态，即T_int＝0.02s。

(22)当开关状态处于第一状态并且位置传感器检测到θ∈[-5°，5°]时，执行间歇性断路的去励磁操作。

图5示意性示出了在验证例1中的间歇性断路的去激励操作中的A相电流和电压变化图。

如图5所示是5次去励磁操作下的A相定子电流和电压(i_a和u_a)。

(23)在每个去励磁操作中，检测到u_a过零点后，记录持续时间T_c内的u_a数据。取峰值附近的采样点，重构反电动势波形图。

图6示意性示出了在验证例1中的A相反电动势波形图。

如图6所示，t₀＝0.156096s；u_{a_peak}＝71.591V；t₀₁＝0.156205s；u_a(t01)＝70.4904V；t₀₂＝0.156337s；u_a(t02)＝67.47210V。

(24)利用三个时刻的电压数据，根据式(4)，计算出电机当前状态下的磁链估算值ψ_r等于0.05737Wb。根据表1，磁链健康值ψ₀等于0.0575Wb。则磁链估算误差等于0.226％。

由此充分说明了本发明提出的方法在永磁同步电机磁链估算上的高准确度，能够实现基于在线磁链估算的转子失磁故障预警目标。

(25)为了进一步验证本发明提出的方法的可行性，在四种运行工况下开展了多组验证实验。

情况1：100％额定转速

情况2：67％额定转速

情况3：33％额定转速

情况4：10％额定转速

图7示意性示出了在验证例1中的不同运行工况下磁链估算结果图。

以上每个情况下，做了18组间歇性去励磁操作。每组去励磁操作中，按照步骤3和步骤4，估算出当前状态下的磁链，所有结果如图7所示。

根据图7，在72组测试中，估算磁链ψ_r基本维持在0.05725～0.05780Wb之间，与ψ₀0.0575Wb相比，误差在0.53％以内，充分说明了本发明提出的方法在永磁同步电机磁链估算上的高准确度，能够实现基于在线磁链估算的转子失磁故障预警目标。

综上所述，本发明上述的实施例提供的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，将隐藏在电机电压方程中的反电势信息，通过去励磁操作的方式进行提取。通过测量电机的定子绕组相电压，获得反电势峰值区域内的波形。根据公式(4)，取三个时刻对应的电压数据，计算出当前状态下的转子磁链。

分析可知，本发明实现在线化的高精度转子磁链估算，达到可靠的故障预防性保护目标。并且，无需获知精准的待监测电机的各类参数，避免了磁链估算精度受到电机变工况运行下的参数波动影响。

并且，针对实际应用中的总体效果，本发明克服在变工况运行状态下电机参数变化带来的磁链估算误差，需要提高失磁故障诊断的准确度，尽量避免安装额外的位置传感器和电压传感器，尽量利用方便获取的信息量完成失磁故障诊断和预警。

附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，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例而已，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种永磁同步电机转子失磁故障预警方法，所述永磁同步电机的驱动系统的变流器为两电平逆变器，其特征在于，所述方法包括：

将所述永磁同步电机在额定转速下运行，基于预设的反电势周期，每隔一个所述反电势周期检测一次所述两电平逆变器的三相上桥臂功率的开关状态；

当检测到的所述开关状态处于第一状态，且通过位置传感器检测到的转子位置角处于第一角度范围时，对所述永磁同步电机进行间歇性断路的去励磁操作，以将所述开关状态从第一状态转换为第二状态；

在所述去励磁操作过程中，测量获得A相定子绕组对地相电压，通过电压传感器对所述A相定子绕组对地相电压进行采样，拟合出反电势峰值区域的波形图；

在所述波形图选取多个采样时刻的反电势数据，基于电角度与时间的基本假设对所述反电势数据进行处理，计算所述永磁同步电机当前状态下的磁链估算值；

将所述磁链估算值与所述永磁同步电机预设的磁链健康值进行比较，判定所述永磁同步电机是否存在失磁故障风险，若存在失磁故障风险则发出预警指令。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，所述第一角度范围为[-5°，5°]。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，所述两电平逆变器是由三对上下桥臂组成的三相逆变器，该三相逆变器的输入端连接直流电压源Vdc，三相逆变器的输出端连接至永磁同步电机的三相定子绕组，其中，第一对上下桥臂的中间输出端与A相定子绕组连接，第二对上下桥臂的中间输出端对应连接B相定子绕组，第三对上下桥臂的中间输出端对应连接C相定子绕组；

所述第一状态为：第一个上桥臂的输出端电流流向所述A相定子绕组，所述B相定子绕组的电流逆向经由第二个上桥臂流向所述第一个上桥臂的输入端，所述C相定子绕组的电流逆向经由第三个上桥臂流向所述第一个上桥臂的输入端；

所述第二状态为：第一个下桥臂的输出端电流流向所述A相定子绕组，所述B相定子绕组的电流逆向经由第二个上桥臂流向所述直流电压源Vdc的正极，所述C相定子绕组的电流逆向经由第三个上桥臂流向所述直流电压源Vdc的正极。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，对所述永磁同步电机进行间歇性断路的去励磁操作，以将所述开关状态从第一状态转换为第二状态，具体包括：

关断A相上桥臂的功率开关器件，控制所述第二状态维持预设的持续时间，直至所述A相定子绕组的电流为0且电流变化率为0。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，在所述去励磁操作过程中，测量获得A相定子绕组对地相电压，具体包括：

在所述去励磁操作过程中，当所述永磁同步电机的驱动系统内的电流变化处于第2阶段时，根据以下公式测量获得A相定子绕组对地相电压：

u_a＝u_{a_bemf}

式中，u_a是A相定子绕组对地相电压，u_{a_bemf}是反电势数据，ω_e是电角速度，ψ_r是磁链，θ为转子d轴滞后A相定子绕组轴90°时的转子位置角。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，在所述波形图选取多个采样时刻的反电势数据，具体包括：

所述采样时刻具体为三个，且三个采样时刻分别选自所述波形图的反电势峰值时刻，以及所述反电势峰值时刻之后依次选取的第一衰减时刻和第二衰减时刻。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，所述电角度与时间的基本假设具体为：

从所述反电势峰值时刻到所述第二衰减时刻的时间区间中，电机转速与时间呈线性减小关系。

8.根据权利要求6所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，所述永磁同步电机当前状态下的磁链估算值按照以下公式来计算：

式中，α是电角度变化的加速度，u_{a_peak}是反电势峰值时刻的电压，ω_e是电角速度，ψ_r是当前状态下的磁链估算值，t₀₁，t₀₂分别是第一衰减时刻和第二衰减时刻，u_a(t01)，u_a(t02)分别是第一衰减时刻和第二衰减时刻的反电势数据。

9.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，所述永磁同步电机预设的磁链健康值根据

磁链＝反电势常数/转速

来求出，其中，所述反电势常数是永磁同步电机出厂时给定的不同转速下的反电势常数。

10.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子失磁故障预警方法，其特征在于，将所述磁链估算值与所述永磁同步电机预设的磁链健康值进行比较，判定所述永磁同步电机是否存在失磁故障风险，若存在失磁故障风险则发出预警指令，包括：

当所述磁链估算值与所述磁链健康值的比值小于设定阈值时，判定所述永磁同步电机存在失磁故障风险，发出预警指令。

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