永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法及系統(tǒng)，方法包括：采樣待測電機(jī)定子三相電流信號；根據(jù)所述待測永磁同步電機(jī)的極數(shù)確定失磁故障特征頻率，將失磁故障特征頻率作為失磁故障特征量；估計待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率，根據(jù)是否出現(xiàn)失磁故障特征量判斷發(fā)生失磁故障；估計待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值后，與正常狀態(tài)電機(jī)同電流區(qū)間內(nèi)同頻率分量幅值的比值判斷失磁故障發(fā)生的嚴(yán)重程度。系統(tǒng)包括永磁同步電機(jī)、霍爾電流傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、診斷控制電路、顯示電路。系統(tǒng)采樣時間短、抗干擾能力強(qiáng)、對不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷情況下的失磁故障均可以加以判斷，適合動態(tài)在線監(jiān)測。
【專利說明】永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電氣控制工程中的一種永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法及系統(tǒng)，尤其涉及用于電動汽車的失磁故障診斷，屬于電機(jī)故障診斷領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]驅(qū)動電機(jī)是電動汽車的核心設(shè)備，是車輛行駛的動力來源，其可靠性直接影響著電動汽車的行車安全。永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、效率高、工作可靠和噪聲低等性能特點，具有電動汽車驅(qū)動電機(jī)的最優(yōu)綜合指標(biāo)，是電動汽車驅(qū)動電機(jī)的最佳選擇。存在于驅(qū)動電機(jī)中的任何故障如果不能及時被診斷并得到糾正，故障就有可能進(jìn)一步擴(kuò)大，造成功能失效，影響車輛的正常運行。
[0003]電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機(jī)是一種新型電機(jī)，其運行環(huán)境復(fù)雜(如振動、高低溫、濕度、粉塵等)、頻繁起動、加速、減速、制動等，這些都不利于電機(jī)的安全運行，均有可能誘發(fā)電機(jī)故障。電動汽車用永磁同步電機(jī)多以變頻器作為驅(qū)動電源，以達(dá)到節(jié)能和提高電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍的目的，變頻器中電力電子器件的大量應(yīng)用增加了電機(jī)發(fā)生短路的幾率；永磁同步電機(jī)的短路磁動勢對永磁體會產(chǎn)生較大的去磁作用；為了獲得正弦的氣隙磁通密度波形，在電機(jī)設(shè)計時永磁體要進(jìn)行削角處理，在削角部位永磁體變薄，當(dāng)發(fā)生故障時，削角部位的永磁體容易失磁。另外永磁同步電機(jī)定子匝間短路故障是電機(jī)故障中最為常見的、破壞性強(qiáng)的故障，如果不能在早期及時發(fā)現(xiàn)并排除這種故障，電機(jī)將出現(xiàn)相間短路故障，對地故障等嚴(yán)重故障，產(chǎn)生較大的短路電流，致使永磁體有可能在大電流的作用下發(fā)生失磁故障。永磁同步電機(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域、航空領(lǐng)域以及電動汽車領(lǐng)域等方面的推廣和應(yīng)用，使人們更加關(guān)注失磁故障問題。
[0004]電動汽車用永磁同步電機(jī)失磁故障是驅(qū)動電機(jī)故障中最為嚴(yán)重的故障之一，也是永磁同步電機(jī)特有的故障。目前對電機(jī)運行時永磁體狀況動態(tài)檢測的研究尚處于起步階段，沒有像常規(guī)電機(jī)故障診斷有比較成熟的理論，很難及時掌握電機(jī)磁損和失磁故障情況。
[0005]電機(jī)故障分析中通常提取的是定子電流信號，電動汽車用永磁同步電機(jī)定子電流信號的獲取也相對較為容易，不需要對整車系統(tǒng)做出改變，不影響電機(jī)運行。關(guān)鍵在于對定子電流信號分析所采用的數(shù)據(jù)處理方法，是一個需要深入研究的問題。電機(jī)故障診斷的目的是為了及早發(fā)現(xiàn)狀態(tài)量的微小變化，進(jìn)行故障的早期診斷，此時，表征電機(jī)性能的電氣參數(shù)變化很不明顯，且有各種噪聲干擾存在，使得尋找更為合適的信號分析方法顯得尤為重要。有關(guān)永磁同步電機(jī)失磁故障診斷方法研究的文獻(xiàn)中，主要集中在兩個方面:一是采用數(shù)值分析方法，即運用電磁場軟件建立理想狀態(tài)下的永磁同步電機(jī)模型，施加激勵條件和邊界條件進(jìn)行仿真，分析其定子電流諧波成分以判定失磁故障的發(fā)生，因其是理想狀態(tài)下的永磁同步電機(jī)模型，與實際運行電機(jī)有一定的差距，因此，其結(jié)果可靠性的信服度較低。二是采用多種方法相結(jié)合的聯(lián)合診斷方法，例如針對不同分析方法對轉(zhuǎn)速的敏感性不同，對不同轉(zhuǎn)速范圍采用不同的故障診斷方法，系統(tǒng)的診斷范圍存在局限；另外，也有根據(jù)不同診斷方法對負(fù)荷大小的敏感性不同，形成了根據(jù)負(fù)荷大小不同而采用不同的故障診斷方法，工程應(yīng)用性相對較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法及系統(tǒng)，本發(fā)明將待測永磁同步電機(jī)的失磁故障特征頻率作為失磁故障特征量，根據(jù)待測定子三相電流信號中各頻率分量是否出現(xiàn)失磁故障特征量判斷發(fā)生失磁故障，并且結(jié)合估計待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值分析，判斷失磁故障發(fā)生的嚴(yán)重程度，具體采用功率譜估計算法與直接搜索算法相結(jié)合的信號分析方法，對電機(jī)失磁故障進(jìn)行在線診斷，該方法采樣時間短、抗干擾能力強(qiáng)、對不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷情況下的失磁故障均可以加以判斷。
[0007]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題:
[0008]永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，包括以下步驟:
[0009]步驟(I)、對待測的永磁同步電機(jī)定子三相電流信號進(jìn)行采樣；
[0010]步驟(2)、根據(jù)所述待測永磁同步電機(jī)的極數(shù)確定失磁故障特征頻率，將失磁故障特征頻率作為失磁故障特征量；
[0011]步驟(3)、估計所述待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率，根據(jù)是否出現(xiàn)失磁故障特征量判斷發(fā)生失磁故障；
[0012]步驟(4)、預(yù)先采集正常狀態(tài)的永磁同步電機(jī)定子三相電流信號；估計所述待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值后，與正常狀態(tài)電機(jī)同電流區(qū)間內(nèi)同頻率分量幅值比值的倒數(shù)作為故障因子；根據(jù)所述故障因子判斷失磁故障發(fā)生的嚴(yán)重程度。
[0013]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟(4)采用直接搜索算法估計待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值。
[0014]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟(4)應(yīng)用改進(jìn)Powell直接搜索算法估計所述待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值。
[0015]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟(3)采用功率譜估計算法估計待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率。
[0016]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案所述步驟(3 )采用加權(quán)交疊平均法估計待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率。
[0017]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟(2)失磁故障特征量對應(yīng)頻率的選取避開永磁同步電機(jī)發(fā)生定子匝間短路故障和轉(zhuǎn)子偏心故障所產(chǎn)生的故障特征頻率。
[0018]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟(4)應(yīng)用分段線性化方法對正常狀態(tài)的永磁同步電機(jī)定子三相電流信號進(jìn)行采樣并存儲，即按電流大小從O到額定值分為若干點，測得各點電流作為樣本采集。
[0019]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟(I)對采集的待測永磁同步電機(jī)定子三相電流信號采用3層sym4算法濾除干擾信號。
[0020]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案:所述步驟(I)在采集待測永磁同步電機(jī)定子三相電流信號中，采樣頻率設(shè)定為10kHz，采樣時長設(shè)定為2s。
[0021]一種基于上述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法的系統(tǒng)，包括永磁同步電機(jī)、霍爾電流傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、診斷控制電路、顯示電路，其中霍爾電流傳感器用于檢測永磁同步電機(jī)的定子三相電流信號；所述定子三相電流信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入數(shù)據(jù)采集電路；所述數(shù)據(jù)采集電路用于采集信號；所述診斷控制電路對數(shù)據(jù)采集電路采集的信號進(jìn)行分析處理，根據(jù)估計待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率中是否出現(xiàn)失磁故障特征量判斷發(fā)生失磁故障；再結(jié)合估計的待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷失磁故障發(fā)生的嚴(yán)重程度后，將所述判斷結(jié)果通過顯示電路輸出。
[0022]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，能產(chǎn)生如下技術(shù)效果:
[0023]本發(fā)明在永磁同步電機(jī)運行狀態(tài)下，采用了將待測永磁同步電機(jī)的失磁故障特征頻率作為失磁故障特征量，根據(jù)是否出現(xiàn)失磁故障特征量判斷發(fā)生失磁故障，并且結(jié)合估計待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值分析，判斷失磁故障發(fā)生的嚴(yán)重程度，具體將功率譜估計算法與直接搜索算法相結(jié)合的信號分析方法，進(jìn)一步地采用加權(quán)交疊平均法與改進(jìn)Powell直接搜索算法相結(jié)合，對電機(jī)失磁故障進(jìn)行在對不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷情況下的失磁故障均可以加以判斷，再根據(jù)定子三相電流的頻譜分析結(jié)果來診斷失磁故障的發(fā)生及其嚴(yán)重程度。本發(fā)明的優(yōu)點:1、不需要改變永磁同步電機(jī)運行方式和結(jié)構(gòu)，不影響系統(tǒng)運行，傳感器安裝方便，僅將三根電源線從霍爾電流傳感器開孔中穿過；如果電動汽車整車系統(tǒng)本身可以對定子三相電流進(jìn)行測量，則更為方便；2、體積小、重量輕，工程實現(xiàn)簡單；3、檢測精度高、穩(wěn)定性好，系統(tǒng)采樣時間短、抗干擾能力強(qiáng)；4、通用性強(qiáng)，可以長時間運行；5、該診斷方法可以用來診斷電動汽車中永磁同步電機(jī)的故障診斷，還可以用于其它電氣故障或其它用永磁同步電機(jī)失磁故障的診斷；6、適用于負(fù)荷變動情況下的動態(tài)在線監(jiān)測。因此，本發(fā)明采樣時間短、抗干擾能力強(qiáng)、對不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷情況下的永磁同步電機(jī)失磁故障均可以加以判斷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷系統(tǒng)的模塊示意圖。
[0025]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子失磁故障斷面圖。
[0026]圖3為本發(fā)明的永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法的流程圖。
[0027]圖4為本發(fā)明在轉(zhuǎn)速為IOOOrpm時的永磁同步電機(jī)失磁故障定子電流頻譜。
[0028]圖5為本發(fā)明在轉(zhuǎn)速為2000rpm時的永磁同步電機(jī)失磁故障定子電流頻譜。
[0029]圖6為本發(fā)明在轉(zhuǎn)速為3000rpm時的永磁同步電機(jī)失磁故障定子電流頻譜。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行描述。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計一種永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷系統(tǒng)，包括永磁同步電機(jī)1、霍爾電流傳感器2、信號調(diào)理電路3、數(shù)據(jù)采集電路4、診斷控制電路5、顯示電路6，其中系統(tǒng)由電池供電或汽車電源供電，三個霍爾電流傳感器2分別連接永磁同步電機(jī)I的定子三相電源線，用于檢測永磁同步電機(jī)的定子三相電流信號；所述霍爾電流傳感器2的輸出端連接信號調(diào)理電路3，將檢測信號輸出，經(jīng)信號調(diào)理電路3調(diào)理后輸入數(shù)據(jù)采集電路4 ;所述數(shù)據(jù)采集電路4用于采集信號；所述診斷控制電路5由永磁同步電機(jī)軸編碼器輸出的小信號控制，使其采樣與永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同步進(jìn)行，對數(shù)據(jù)采集電路4采集的信號進(jìn)行計算處理，根據(jù)功率譜估計算法中的加權(quán)交疊平均法中是否出現(xiàn)失磁故障特征量，判斷發(fā)生失磁故障，再根據(jù)直接搜索算法中改進(jìn)Powell直接搜索算法估計的幅值與正常狀態(tài)電機(jī)同電流區(qū)間內(nèi)故障特征量幅值相比，根據(jù)比值判斷失磁故障發(fā)生的嚴(yán)重程度。診斷控制電路5輸出端經(jīng)通信接口與顯示電路6相連接，將所述判斷結(jié)果通過顯示電路輸出。診斷控制系統(tǒng)5可以包括DSP芯片及分析診斷程序或電動汽車的整車控制系統(tǒng)，本實施例以DSP芯片為例進(jìn)行說明。
[0032]本實施例以上海汽車新能源事業(yè)部提供的電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機(jī)為例，系統(tǒng)如圖1所示，電機(jī)的運行速度可以進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集頻率為(但不限于)10kHz，采樣時長設(shè)定為(但不限于)2s，滿足分析故障頻率和精確度的要求。其永磁同步電機(jī)為8極永磁同步電機(jī)，永磁體呈內(nèi)置V型分布，額定功率為42kW，額定扭矩為lOONm，冷卻方式為水冷。永磁體失磁故障種類設(shè)置為部分失磁，失磁部位為對稱分布的四個磁體，失磁體積大約占單個永磁體體積的八分之一，其轉(zhuǎn)子失磁斷面如圖2所示。
[0033]結(jié)合該系統(tǒng)，本發(fā)明的采用的永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，如圖3所示，具體步驟如下:
[0034](1)采用永磁同步電機(jī)軸編碼器輸出的小信號觸發(fā)DSP芯片啟動監(jiān)測系統(tǒng)對待測的永磁同步電機(jī)定子三相電流信號進(jìn)行采樣；診斷控制系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)軸編碼器輸出的小信號控制，使其采樣與永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同步進(jìn)行，即永磁同步電機(jī)起動便可觸發(fā)診斷控制系統(tǒng)啟動監(jiān)測系統(tǒng)采樣。為避免負(fù)荷波動、干擾等因素的影響，對定子三相電流信號進(jìn)行采樣時，采樣時間不宜太長，同時，考慮到采樣數(shù)據(jù)過大會占用較大的存儲空間，數(shù)據(jù)處理時間也較長，因此，采樣頻率設(shè)定為(但不限于)10kHz，采樣時長設(shè)定為(但不限于)2s0
[0035](2)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)DSP芯片濾去干擾信號后進(jìn)行分析處理，其中干擾信號包括噪聲信號、電機(jī)控制器諧波信號等干擾信號等，利用處理后的信號進(jìn)行分析處理。可以采用3層sym4算法去噪濾除干擾信號。然后，根據(jù)所述待測永磁同步電機(jī)的極數(shù)確定失磁故障特征頻率，可以選取基波的奇次諧波作為失磁故障特征量。
[0036]為避開永磁同步電機(jī)定子匝間短路故障和轉(zhuǎn)子偏心故障產(chǎn)生的故障特征諧波信號，對失磁故障2η-1 (η為整數(shù))次特定諧波的選取應(yīng)考慮以下問題:
[0037]永磁同步電機(jī)發(fā)生部分失磁故障之后，將會在定子電流中產(chǎn)生故障頻率信號，其與電源基頻之間的關(guān)系可以用式(I)表示。
[0038]fdeg=fs(pk±l) (1)
[0039]式中fdeg—故障頻率；fs—電源頻率；k一整數(shù)，取1，2，…；P—極對數(shù)。
[0040]但永磁同步電機(jī)發(fā)生其它故障，如定子匝間短路故障、轉(zhuǎn)子偏心故障等，定子電流中也會出現(xiàn)式(I)中的部分特征頻率。永磁同步電機(jī)失磁故障特征頻率的選取是一個深入細(xì)化的過程，如下:
[0041]①定子匝間短路故障
[0042]如是考慮轉(zhuǎn)子諧波，定子繞組匝間短路后，定子電流中將出現(xiàn)新的諧波頻率，可表示為式(2)。
[0043]
【權(quán)利要求】
1.永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟(I)、對待測的永磁同步電機(jī)定子三相電流信號進(jìn)行采樣； 步驟(2)、根據(jù)所述待測永磁同步電機(jī)的極數(shù)確定失磁故障特征頻率，將失磁故障特征頻率作為失磁故障特征量； 步驟(3)、估計所述待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率，根據(jù)是否出現(xiàn)失磁故障特征量判斷發(fā)生失磁故障； 步驟(4)、預(yù)先采集正常狀態(tài)的永磁同步電機(jī)定子三相電流信號；估計所述待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值后，與正常狀態(tài)電機(jī)同電流區(qū)間內(nèi)同頻率分量幅值比值的倒數(shù)作為故障因子；根據(jù)所述故障因子判斷失磁故障發(fā)生的嚴(yán)重程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于:所述步驟(4)采用直接搜索算法估計待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于:所述步驟(4)應(yīng)用改進(jìn)Powell直接搜索算法估計所述待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于:所述步驟(3)采用功率譜估計算法估計待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于:所述步驟(3)采用加權(quán)交疊平均法估計待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率。
6.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于:所述步驟(2)失磁故障特征量對應(yīng)頻率的選取避開永磁同步電機(jī)發(fā)生定子匝間短路故障和轉(zhuǎn)子偏心故障所產(chǎn)生的故障特征頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于:所述步驟(4)應(yīng)用分段線性化方法對正常狀態(tài)的永磁同步電機(jī)定子三相電流信號進(jìn)行采樣并存儲，即按電流大小從O到額定值分為若干點，測得各點電流作為樣本采集。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于:所述步驟(I)對采集的待測永磁同步電機(jī)定子三相電流信號采用3層sym4算法濾除干擾信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法，其特征在于:所述步驟(I)在采集待測永磁同步電機(jī)定子三相電流信號中，采樣頻率設(shè)定為10kHz，采樣時長設(shè)定為2s。
10.一種基于上述任一項權(quán)利要求所述永磁同步電機(jī)失磁故障在線診斷方法的系統(tǒng)，其特征在于:包括永磁同步電機(jī)、霍爾電流傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、診斷控制電路、顯示電路，其中霍爾電流傳感器用于檢測永磁同步電機(jī)的定子三相電流信號；所述定子三相電流信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入數(shù)據(jù)采集電路；所述數(shù)據(jù)采集電路用于采集信號；所述診斷控制電路對數(shù)據(jù)采集電路采集的信號進(jìn)行分析處理，根據(jù)估計待測定子三相電流信號中各頻率分量的頻率中是否出現(xiàn)失磁故障特征量判斷發(fā)生失磁故障；再結(jié)合估計的待測定子三相電流信號中各頻率分量幅值進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷失磁故障發(fā)生的嚴(yán)重程度后，將所述判斷結(jié)果通過顯示電路輸出。
【文檔編號】G01R31/34GK103926533SQ201410110914
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】馬宏忠, 張志艷, 鐘欽, 陳誠, 梁偉銘, 任紀(jì)良, 顧海麟 申請人:河海大學(xué)