CN117054928B - 一种电机匝间短路故障诊断系统、方法和新能源汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电机匝间短路故障诊断系统、方法和新能源汽车，高频检测信号及电源驱动电压输入至电机绕组；采集并储存所述电机绕组输出的三相电流信号后，提取所述三相电流信号的高频电流分量；根据所述三相高频电流分量的均方根、所述三相高频电流分量均方根之比和故障指标的大小判断电机是否发生故障及电机故障程度。通过耦合式高频信号注入和对电机电流进行高频分析，实现对无刷直流电机绕组匝间短路故障的准确检测与识别。且此方法不受电机运行状态的影响，大大提高了无刷直流电机匝间故障诊断的可靠性。同时，耦合注入的方式减小了高频信号产生的响应电流和电磁转矩，不会对电机的正常运行产生干扰，保障了电机的稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于电机故障诊断领域，涉及一种电机匝间短路故障诊断系统、方法和新能源汽车。
背景技术
无刷直流电机因其结构简单、高效节能成为发展新能源电动汽车的重要选择，又因其具有方便维修、调速范围广、使用寿命长等优点，被广泛应用于各类工业领域。因此，作为新能源电动汽车的主要动力和执行部件，无刷直流电机的稳定运行将直接决定车辆运行过程的安全性及可靠性。无刷直流电机在长期运行过程中容易发生各类故障，从而影响电机和整车系统的安全运行。为了确保新能源电动汽车的安全、可靠和高效运行，对这些电机中可能出现的故障进行及时和准确的诊断是非常有必要的。
绕组匝间短路故障是无刷直流电机常见的故障类型之一，它通常是由于绕组的绝缘老化、电机工作时的热应力、机械振动或使用条件不当等原因引起的。匝间短路故障会导致电机绕组之间产生异常的电流流动，进而降低电机的效率且增加能量损耗，最终导致电机无法正常工作。
为了提高新能源电动车辆动力装置的可靠性和工作效率，准确诊断和及时修复无刷直流电机绕组匝间短路故障至关重要。目前，针对无刷直流电机的故障诊断方法主要包括电流分析、电压分析和振动分析等。然而，传统的无刷直流电机故障诊断方法存在一些局限性。首先，传统方法往往只能检测到单相绕组匝间短路故障，对于多相故障的检测能力较弱。其次，传统方法对于故障程度和故障相位的识别能力有限，难以准确判断故障的严重程度和位置。此外，传统方法对于电机运行状态的依赖较强，转速和负载的变化可能会影响故障的诊断结果，降低了诊断的可靠性。
发明内容
本发明提供一种电机匝间短路故障诊断系统、方法和新能源汽车，在不受转速和负载变化的影响的基础下，实现多相绕组匝间短路故障的准确检测和识别。
本发明提供一种电机匝间短路故障诊断系统，包括：高频信号发生电路、耦合电路、信号采集电路和信号处理单元；
所述高频信号发生电路输出高频检测信号至所述耦合电路；
所述耦合电路将所述高频检测信号耦合至电机绕组；
所述信号采集电路采集并储存所述电机绕组输出的三相电流信号后，提取所述三相电流信号的高频电流分量；
所述信号处理单元计算三相高频电流分量的均方根以及所述三相高频电流分量的均方根之比；
根据所述三相高频电流分量的均方根和所述三相高频电流分量均方根之比判断发生故障的电机绕组相位以及各相位的故障程度，根据所述故障指标的大小判断电机是否发生故障及电机故障程度。
进一步的，还包括逆变器；所述逆变器包括由IGBT组成的三相全桥电路；
所述逆变器将直流电压信号通过两两导通的方式输入至电机，为电机供电；
所述逆变器还根据所述电机反馈的转子位置信号调整输入至所述电机的驱动电压信号。
进一步的，电机的任一相绕组上均串联一电阻和一电感；检测电阻并联在任一所述电感的两端，通过调整所述检测电阻的大小以设置电机不同短路匝数比；
耦合电容与所述绕组相连，将所述高频检测信号耦合至电机绕组上。
进一步的，所述信号采集电路包括采集装置、滤波器和采样电路；
所述采集装置采集并储存所述电机正常运行或故障运行状态下的三相电流信号；
所述滤波器对所述三相电流信号进行滤波，并将三相电流信号传递至所述采样电路，所述采样电路提取三相电流信号的高频电流分量。
本发明还提供一种电机匝间短路故障诊断方法，采用上述的电机匝间短路故障诊断系统，所述方法包括：
以所述高频电流分量为基准计算三相高频电流分量的均方根和所述三相高频电流分量的均方根之比，以所述三相高频电流分量的均方根之比为基准计算故障指标；
根据所述三相高频电流分量的均方根和所述三相高频电流分量均方根之比判断发生故障的电机绕组相位以及各相位的故障程度，根据所述故障指标的大小判断电机是否发生故障及电机故障程度。
进一步的，当任一电机绕组匝间发生故障，其余电机绕组匝间正常运行时；
发生故障的匝间的高频电流分量的均方根为；
正常运行的匝间的高频电流分量的均方根为；
其中，Ia,rms为发生故障的a相匝间的高频电流分量，Ib,rms和Ic,rms为正常运行的b相和c相匝间的高频电流分量，U为交流电压信号，ω为电机角速度，Ls为定子绕组电感；
三相高频电流分量的均方根之比分别为：，，；
其中，Kab为a相匝间和b相匝间的高频电流分量的均方根之比，Kbc为b相匝间和c相匝间的高频电流分量的均方根之比；Kca为c相匝间和a相匝间的高频电流分量的均方根之比。
进一步的，所述故障指标的计算方法为：，其
中，，F为所述故障指标。
进一步的，当所述电机绕组匝间发生故障时，所述故障指标大于第一阈值，根据所述故障指标大于第一阈值的程度判断所述故障程度；
当所述电机绕组匝间正常运行时，所述故障指标等于第一阈值。
进一步的，当任一电机绕组匝间发生故障，其余电机绕组匝间正常运行时，故障相与非故障相的高频电流分量的均方根比值偏离第二阈值，且故障相的高频电流分量的均方根值大于非故障相的高频电流分量的均方根值；
当任一电机绕组匝间正常运行，其余电机绕组匝间发生故障时，若故障程度不相同，则所述三相高频电流分量的均方根比值均偏离第二阈值，若两相故障程度相同，则故障相之间的高频电流分量的均方根比值等于第二阈值。
本发明还提供一种新能源汽车，采用上述的电机匝间短路故障诊断系统。
相比于现有技术，本发明至少具有以下技术效果:
本发明通过采用高频信号发生电路输出高频检测信号至所述耦合电路，耦合电路将高频检测信号及电源驱动电压输入至电机绕组，通过耦合注入的方式，在提高检测信号频率的同时，大幅降低了检测信号的幅值，从而减小了高频信号产生的响应电流和电磁转矩，不会对电机的正常运行产生干扰。所述信号采集电路采集并储存电机的三相电流信号后，提取三相电流信号的高频电流分量，实现对多项电机绕组匝间短路故障的检测与识别，且检测过程不受转速和负载变化的影响。
附图说明
图1为本发明实施例一中电机匝间短路故障诊断系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一中电机绕组的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的一种电机匝间短路故障诊断系统、方法和新能源汽车的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本实施例提供一种电机匝间短路故障诊断系统，请参考图1，包括：高频信号发生电路、耦合电路、信号采集电路和信号处理单元。
所述高频信号发生电路输出高频检测信号至所述耦合电路。
所述耦合电路将所述高频检测信号耦合至电机绕组。
所述信号采集电路采集并储存所述电机绕组输出的三相电流信号后，提取所述三相电流信号的高频电流分量。
所述信号处理单元计算三相高频电流分量的均方根以及所述三相高频电流分量的均方根之比。
在一具体示例中，所述电机为无刷三相直流电机，但本实施例提供的诊断系统不仅限于判断无刷三相直流电机的故障情况。
具体的，所述信号采集电路包括采集装置、滤波器和采样电路。
所述采集装置采集并储存所述电机正常运行或故障运行状态下的三相电流信号。
所述滤波器对所述三相电流信号进行滤波，并将三相电流信号传递至所述采样电路，所述采样电路提取三相电流信号的高频电流分量。
在一具体示例中，所述采集装置可以为电流钳或电流传感器，还可以是其他信号采集装置。
在另一具体示例中，所述滤波器可以为带通滤波器（butter），也可以根据实际情况选择不同的滤波器进行滤波。
进一步的，诊断系统还包括逆变器。
请参考图2，所述逆变器包括由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）组成的三相全桥电路，还包括晶体管Q1，所述逆变器将直流电压源通过两两导通的方式输入至电机，为所述电机供电。所述逆变器还与一译码器（Decoder）相连，译码器对所述电机提供的霍尔反馈信号（Hall）进行译码，并传递至逆变器，使逆变器对输入至电机的电源驱动电压进行调整。
再请参考图2，展示了电机绕组部分的具体结构，电机的任一相绕组均等效为串联一电阻Rs、一电感LS和一反电动势ea；所述耦合电路包括耦合电容Cf，任一耦合电容Cf与所述任一相绕组的一端相连，所述耦合电容Cf将所述高频检测信号耦合至电机绕组上。
在本示例中，为了便于滤波和降低电机噪声，将高于逆变器开关频率N倍的高频检测信号（HF Injected Signal），例如：N为20，且所述高频检测信号为高频正弦信号，通过耦合电容Cf耦合到电机绕组上。通过选择合适的耦合电容Cf，实现通高频和阻低频的功能，从而阻止低频的电源驱动电压通往高频信号发生电路的一侧，保护外部的高频信号发生电路。
进一步的，在进行短路实验时，所述电感LS的两端并联一检测电阻Rf，调整检测电阻Rf的值设置电机不同短路匝数比，从而控制匝间故障程度。
由此可见，本实施例提供的一种电机匝间短路故障诊断系统具有以下技术效果：
1）多相故障检测与故障相位识别：不仅可以检测单相匝间短路故障，还可以检测多相匝间短路故障，同时确定故障的相位位置，有助于快速定位故障点。
2）不受转速和负载影响：本实施例采用高频检测信号注入的方式进行故障检测，不依赖于电机的运行状态，因此不受转速和负载变化的影响，能够在不同工况下实现准确的故障诊断。
3）减小高频信号响应带来的干扰：通过耦合注入的方式，在提高高频检测信号频率的同时，降低了检测信号的幅值，从而减小了高频信号产生的响应电流和电磁转矩，不会对电机的正常运行产生干扰。
4）应用范围广，本实施例所提供的一种电机匝间短路故障诊断系统可以在新能源电动汽车中使用，也可以应用于家用电器、工业自动化以及其余电动汽车防故障领域中。
实施例二
本实施例提供一种电机匝间短路故障诊断方法，采用实施例一中的电机匝间短路故障诊断系统，所述方法包括步骤：
S1.高频检测信号输入至电机绕组。
S2.采集并储存电机的三相电流信号后，提取三相电流信号的高频电流分量。
S3.以所述高频电流分量为基准计算三相高频电流分量的均方根之比，以所述三相高频电流分量的均方根之比为基准计算故障指标。
S4.根据所述三相高频电流分量的均方根和所述三相高频电流分量均方根之比判断发生故障的电机绕组相位以及各相位的故障程度，根据所述故障指标的大小判断电机是否发生故障及电机故障程度。
具体的，在S1步骤中，通过搭建高频信号发生电路和耦合电路，高频信号发生电路输出高频检测信号，将高于逆变器开关频率N倍的高频检测信号通过耦合电容Cf耦合到电机绕组上。
此外，还通过逆变器将直流电压源输出的直流电压信号结合反馈转子位置信号通过逆变器三相全桥电路两两导通的方式输出电压信号作为直流电机的电源驱动电压。
在S2步骤中，进行短路控制实验时，首先对直流电机进行短路故障设置，调整检测电阻Rf的大小设置不同短路匝数比，从而控制不同的匝间故障程度，采集直流电机绕组输出的三相电流信号，利用电流钳或电流传感器等采集装置对直流电机在正常和故障运行状态下的三相电流信号进行采集并存储。通过滤波器对所述三相电流信号进行滤波，并将三相电流信号传递至所述采样电路，所述采样电路提取三相电流信号的高频电流分量。
在S3步骤中，在高频检测信号注入下的电机定子绕组的检测电阻Rf值远小于电感LS感抗值，且绕组反电动势为低频电压，因此直流电机可以等效为电感负载。
因此，电机处于正常工作状态时，三相高频电流有效值为：
。
其中，Ia、Ib、Ic分别为a相、b相、c相的高频电流分量的有效值，U为直流电压，ω为电机角速度，Ls为电感值。
以a相故障为例构建高频等效模型，在一个电周期Te内，，（其中，Te为一
个电周期，ωe为一个电周期内的电机角速度）三相全桥电路导通状态为a+b-/a+c-/b+c-/b
+a-/c+a-/c+b-，即a相导通的时间为2Te/3。
a相和c相导通时，a相高频电流分量的有效值Ia为：。
其中，μ为电机绕组短路时的匝数比。当μ为0时，电机处于正常运行状态，当μ>0时，发生匝间短路故障。
b相和c相导通时，两相的高频电流分量的有效值Ib和Ic均为：。
a相和b相导通时，两相的高频电流分量的有效值Ib和Ia均为。
信号处理单元计算每个相位的高频电流分量在一个电周期内的均方根，并计算每
个相位的高频电流分量均方根之间的比值。所述均方根（RMS）计算方法如下：，此公式为均方根计算的一般代数式。将Ia、Ib和IC带入上式。
由此可得，正常工作状态下三相高频电流分量均方根为：
。
其中，Ia,rms、Ib,rms和Ic,rms为a相、b相和c相的高频电流分量均方根。
a相匝间故障时三相高频电流分量均方根为：
。
。
可得三相高频电流分量均方根比值：
，，。
其中，Kab为a相匝间和b相匝间的高频电流分量的均方根之比，Kbc为b相匝间和c相匝间的高频电流分量的均方根之比；Kca为c相匝间和a相匝间的高频电流分量的均方根之比。
进一步的，根据Kab、Kbc和Kca计算故障指标F，具体的，，其中，。
请参考表1，在S4步骤中，根据三相高频电流分量的均方根之比可以判断直流电机是否发生故障以及每个相位的故障程度。
表1
具体如下：当任一直流电机绕组匝间发生故障，其余直流电机绕组匝间正常运行时，故障相与非故障相的高频电流分量的均方根比值偏离第二阈值，且故障相的高频电流分量的均方根值大于非故障相的高频电流分量的均方根值。
当任一直流电机绕组匝间正常运行，其余直流电机绕组匝间发生故障时，若故障程度不相同，则所述三相高频电流分量的均方根比值均偏离第二阈值，若两相故障程度相同，则故障相之间的高频电流分量的均方根比值等于第二阈值。
在一具体示例中，所述第二阈值为1。
此外，在本示例中，上述故障指标F表征整体的不对称性，根据故障指标F可以判断出直流电机整体的故障程度。
当所述直流电机绕组匝间发生故障时，所述故障指标大于第一阈值，其值越大，证明故障程度越大。
当所述直流电机绕组匝间正常运行时，所述故障指标等于第一阈值。
在一具体示例中，所述第一阈值为0。
本实施例提供的一种直流电机匝间短路故障诊断方法所实现的技术效果与实施例一中电机匝间短路故障诊断系统所实现的技术效果相同，在此不再赘述。
实施例三
本实施例提供一种电机故障判断的具体示例，采用实施例二中的直流电机匝间短路故障诊断方法，具体如下：
S1.完成高频信号发生电路和耦合电路的搭建后，将高于逆变器开关频率20倍的高频正弦信号通过耦合电容Cf耦合到电机绕组上。设置开关频率为5kHz，注入的高频检测信号频率为100kHz。
S2.设置直流电压源信号为460V，电感LS为0.0085H，ω为1256.64 rad/s，调整检测电阻Rf大小设置不同短路匝数比，控制得到三相电流信号Ia=1.75A，Ib=1.746A，Ic=1.758A。再通过滤波器和采样电路，提取电机三相电流信号的高频电流分量。
S3.信号处理单元计算三相高频电流分量的均方根以及所述三相高频电流分量的均方根之比。
在一具体实例中，电机处于正常运行状态时，根据实施例二中的计算公式可得，Ia,rms=2.878e-4A，Ib,rms=2.877e-4A，Ic,rms=2.878e-4A。此时，Kab=1，Kbc=0.9997≈1，Kca=1。计算可得，故障指标F=2.361e-5≈0。
在另一具体示例中，a相发生匝间短路故障时，设置检测电阻Rf=0.1Ω，电机绕组短路时的匝数比μ=10%。则三相高频电流分量的均方根为Ia,rms=3.1e-4A，Ib,rms=2.94e-4A，Ic,rms=2.935e-4A。此时，Kab=1.054>1，Kbc=1，Kca=0.9469<1。计算可得，故障指标F=0.08836>0。
S4.通过计算所得，判断直流电机是否发生故障及故障程度，由于Ia,rms明显大于Ib,rms和Ic,rms，由此可得故障相为a相。
在另一具体示例中，假设匝间短路故障发生在a相和c相，设置a相故障μ=10%，c相故障μ=20%，则Ia,rms=3.269e-4A，Ib,rms=3.047e-4A，Ic,rms=3.465e-4A。此时，Kab=1.073>1，Kbc=0.879<1，Kca=1.06>1，F=0.08836>0。
S4.通过计算所得，判断直流电机是否发生故障及故障程度，由于Ia,rms和Ic,rms明显大于Ib,rms，由此可得故障相为a相和c相。且由于Kca=1.06>1可得，上述具体示例中故障相的故障程度并不相同。
最后，对比上述的两个具体示例，a相发生μ=10%故障时，F=0.0439，a相和c相同时故障且故障程度分别为μ=10%和μ=20%时，F=0.08836，可以看出故障程度越大，F值越大。
综上，本发明通过采用高频信号发生电路输出高频检测信号至所述耦合电路，耦合电路将高频检测信号及电源驱动电压输入至电机绕组，通过耦合注入的方式，在提高检测信号频率的同时，大幅降低了检测信号的幅值，从而减小了高频信号产生的响应电流和电磁转矩，不会对电机的正常运行产生干扰。所述信号采集电路采集并储存电机的三相电流信号后，提取三相电流信号的高频电流分量，实现对多相电机绕组匝间短路故障的检测与识别，且检测过程不受转速和负载变化的影响。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种电机匝间短路故障诊断系统，其特征在于，包括：高频信号发生电路、耦合电路、信号采集电路和信号处理单元；
所述高频信号发生电路输出高频检测信号至所述耦合电路；
无刷直流电机的任一相绕组均等效为一电阻、一电感和一反电动势串联；检测电阻并联在任一所述绕组的两端，通过调整所述检测电阻的大小设置无刷直流电机不同短路匝数比；
耦合电容与所述绕组相连，将所述高频检测信号耦合至无刷直流电机绕组上；
所述耦合电路将所述高频检测信号耦合至无刷直流电机绕组；
所述信号采集电路采集并储存所述无刷直流电机绕组输出的三相电流信号后，提取所述三相电流信号的高频电流分量；
所述信号处理单元计算三相高频电流分量的均方根以及所述三相高频电流分量的均方根之比；
根据所述三相高频电流分量的均方根和所述三相高频电流分量均方根之比判断发生故障的无刷直流电机绕组相位以及各相位的短路故障程度，根据所述故障指标的大小判断无刷直流电机是否发生故障及无刷直流电机的短路故障程度。
2.如权利要求1所述的电机匝间短路故障诊断系统，其特征在于，还包括逆变器；所述逆变器包括由IGBT组成的三相全桥电路；
所述逆变器将直流电压信号通过两两导通的方式输入至无刷直流电机，为无刷直流电机供电；
所述逆变器还根据所述无刷直流电机反馈的转子位置信号调整输入至所述无刷直流电机的驱动电压信号。
3.如权利要求1所述的电机匝间短路故障诊断系统，其特征在于，
所述信号采集电路包括采集装置、滤波器和采样电路；
所述采集装置采集并储存所述无刷直流电机正常运行或故障运行状态下的三相电流信号；
所述滤波器对所述三相电流信号进行滤波，并将三相电流信号传递至所述采样电路，所述采样电路提取三相电流信号的高频电流分量。
4.一种电机匝间短路故障诊断方法，采用如权利要求1-3中的任一项所述的电机匝间短路故障诊断系统，其特征在于，所述方法包括步骤：
高频检测信号输入至无刷直流电机绕组；
采集并储存所述无刷直流电机绕组输出的三相电流信号后，提取所述三相电流信号的高频电流分量；
以所述高频电流分量为基准计算三相高频电流分量的均方根和所述三相高频电流分量的均方根之比，以所述三相高频电流分量的均方根之比为基准计算故障指标；
根据所述三相高频电流分量的均方根和所述三相高频电流分量均方根之比判断发生故障的无刷直流电机绕组相位以及各相位的故障程度，根据所述故障指标的大小判断无刷直流电机是否发生故障及无刷直流电机故障程度。
5.如权利要求4所述的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，当任一无刷直流电机绕组匝间发生故障，其余无刷直流电机绕组匝间正常运行时；
发生故障的匝间的高频电流分量的均方根为；
正常运行的匝间的高频电流分量的均方根为；
其中，Ia,rms为发生故障的a相匝间的高频电流分量，Ib,rms和Ic,rms为正常运行的b相和c相匝间的高频电流分量，U为交流电压信号，ω为无刷直流电机角速度，Ls为定子绕组电感；
三相高频电流分量的均方根之比分别为：，/>，；
其中，Kab为a相匝间和b相匝间的高频电流分量的均方根之比，Kbc为b相匝间和c相匝间的高频电流分量的均方根之比；Kca为c相匝间和a相匝间的高频电流分量的均方根之比。
6.如权利要求5所述的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述故障指标的计算方法为：，其中，/>，F为所述故障指标。
7.如权利要求6所述的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，
当所述无刷直流电机绕组匝间发生故障时，所述故障指标大于第一阈值，根据所述故障指标大于第一阈值的程度判断所述故障程度；
当所述无刷直流电机绕组匝间正常运行时，所述故障指标等于第一阈值。
8.如权利要求7所述的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，
当任一无刷直流电机绕组匝间发生故障，其余无刷直流电机绕组匝间正常运行时，故障相与非故障相的高频电流分量的均方根比值偏离第二阈值，且故障相的高频电流分量的均方根值大于非故障相的高频电流分量的均方根值；
当任一无刷直流电机绕组匝间正常运行，其余无刷直流电机绕组匝间发生故障时，若故障程度不相同，则所述三相高频电流分量的均方根比值均偏离第二阈值，若两相故障程度相同，则故障相之间的高频电流分量的均方根比值等于第二阈值。
9.一种新能源汽车，其特征在于，采用如权利要求1-3中任一项所述的无刷直流电机匝间短路故障诊断系统。
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