基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法

1.本发明涉及电机控制技术领域，特别是一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法。


背景技术：

2.随着高速永磁电机广泛应用于航空航天等对可靠性要求高的场合，永磁同步电机的故障诊断得到了广大研究人员的关注。永磁同步电机的故障主要可以分为绕组故障、永磁体故障、转子故障等，其中绕组匝间故障故障率较高、故障危害较大，因此对于永磁同步电机绕组匝间故障的诊断具有重要意义。
3.目前现有的永磁同步电机绕组匝间故障的诊断多是依靠检测电压量或电流量的方法，但仅仅依靠电压量或电流量的方法容易受到暂态过程的影响，造成误诊断，影响永磁同步电机驱动系统的正常运行。此外，由于匝间短路电流受到电机负载与运行速度的影响，当电机在低载、低速运行时故障特征不太明显，因此常规的故障诊断方法可能会发生漏诊断。为了提高故障诊断方法的鲁棒性，实现匝间故障的可靠诊断，有必要深入研究在电机全运动周期内的故障诊断方法。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，本发明无需增加硬件成本，通过本方法即可实现对永磁同步电机匝间故障的诊断，且诊断方法简单可靠。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.根据本发明提出的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，包括以下步骤：
7.实时估计永磁同步电机的三相反电势；
8.将三相反电势的三次谐波幅值作差，分别得到ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
；其中，ε
ab
为a、b相反电势三次谐波幅值之差，ε
bc
为b、c相反电势三次谐波幅值之差，ε
ca
为c、a相反电势三次谐波幅值之差；
9.定义三相反电势的三次谐波幅值的最大值e
max
和最小值e
min
分别为e
max
＝max{ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
}、e
min
＝min{ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
}；若e
max-e
min
≥ε,ε为故障诊断的阈值，则电机发生匝间短路故障。
10.作为本发明所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法进一步优化方案，估计永磁同步电机的三相反电势的具体步骤如下：
11.步骤1、获取三相电流ia、ib、ic以及电流环控制器输出的控制电压u
d*
和u
q*
；其中，ia、ib、ic分别为a相电流、b相电流、c相电流，u
d*
、u
q*
分别为d轴控制电压、q轴控制电压；
12.步骤2、根据park变换将三相电流ia、ib、ic转换到dq轴坐标系得到id、iq；其中，id、iq分别为d轴电流、q轴电流；
13.步骤3、根据id、iq和u
d*
、u
q*
，通过滑膜观测器观测反电势ed、eq；其中，ed、eq分别为d轴反电势、q轴反电势；
14.步骤4、通过反park变换将观测到的反电势ed、eq转换到三相坐标系下，得到三相反电势ea、eb、ec；其中，ea、eb、ec分别为a相反电势、b相反电势、c相反电势。
15.作为本发明所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法进一步优化方案，步骤3中通过滑膜观测器观测反电势ed、eq，具体如下：
16.步骤3.1：根据电压方程得到电流的状态方程表达式为：
[0017][0018]
其中，a、b均为中间变量；
[0019][0020]
其中，rs为相电阻，ld为d轴电感，ωe为电角速度，lq为q轴电感；
[0021]
步骤3.2：设计滑膜观测器为：
[0022][0023]
其中，分别为d轴电流的观测值、q轴电流的观测值；ud、uq分别为d轴观测器的控制输入、q轴观测器的控制输入，vd、vq分别为观测的d轴反电势、q轴反电势；
[0024]
步骤3.3：将公式(1)和公式(2)作差，得到：
[0025][0026]
其中，为d、q轴电流的观测误差；
[0027]
步骤3.4：设计滑膜控制率为：
[0028][0029]
其中，k为系数；
[0030]
当观测器的状态变量达到滑膜面后，观测器将一直保持在滑膜面上，此时的控制量看作等效控制量，得到
[0031][0032]
其中，[*]
eq
、(*)
eq
表示当观测器的状态变量达到滑膜面之后，相应的变量值。
[0033]
作为本发明所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法进一步优化方案，三相反电势的三次谐波幅值为a、b、c相反电势的三次谐波幅值e
a3
、e
b3
、ec3
；
[0034][0035][0036][0037]
其中，θa、θb、θc分别为a、b、c相的初相，ea为a相反电势的幅值，eb为b相反电势的幅值，ec为c相反电势的幅值。
[0038]
作为本发明所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法进一步优化方案，获得三相反电势的三次谐波幅值e
p3
的方法如下,其中，变量p＝a、b、c：
[0039]
步骤a：将三相反电势e
p
分别乘sin3θ和cos3θ得到：
[0040][0041]
其中，θ为转子位置，θ
p
为p相的初相，e
p
为p相反电势的幅值；
[0042]
步骤b：求e
p
sin3θ和e
p
cos3θ在一个周期内的平均值，由于六倍频分量在一个周期内的平均值为零，因此得到直流分量为和
[0043]
步骤c：将所得的直流分量和求均方根值，并将结果求和后乘以2便得到p相的反电势的三次谐波幅值e
p3
：
[0044][0045]
作为本发明所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法进一步优化方案，
[0046]
ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
分别为：
[0047]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0048]
(1)本发明通过实时估计永磁同步电机的反电势并根据三相反电势中三次谐波幅值的差异实现匝间短路故障的诊断；
[0049]
(2)本方法只需在电机控制软件中加入反电势的估计算法以及三次谐波提取算法即可完成匝间故障的诊断，无需增加硬件成本；
[0050]
(3)本发明的诊断方法简单可靠，具有很强的鲁棒性。
附图说明
[0051]
图1是故障诊断方法的流程图。
[0052]
图2是永磁同步电机双闭环控制的框图。
[0053]
图3是永磁同步电机的截面图。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
[0055]
本发明的故障诊断流程如图1所示，针对的永磁同步电机如图2所示，永磁同步电机所用的控制策略如图3所示。
[0056]
本发明具体实施步骤如下：
[0057]
一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间短路故障诊断方法，包括如下步骤：
[0058]
当永磁同步电机健康运行时，反电势中三次谐波含量较低且三相对称；而当永磁同步电机发生匝间短路故障时，三相绕组不再对称，反电势中引入了不对称的三次谐波分量，因此可以根据三相反电势的三次谐波进行匝间故障的诊断，包括如下步骤：
[0059]
步骤1.1：获取三相电流ia、ib、ic以及电流环控制器输出的控制电压u
d*
和u
q*
；
[0060]
步骤1.2：根据park变换将三相电流ia、ib、ic转换到dq轴坐标系id、iq；
[0061]
步骤1.3：根据id、iq和u
d*
、u
q*
，通过滑膜观测器观测反电势ed、eq；
[0062]
步骤1.4：通过反park变换将观测到的反电势ed、eq转换到三相坐标系下ea、eb、ec；
[0063]
步骤1.5：提取三相反电势ea、eb、ec中的三次谐波幅值e
a3
、e
b3
、e
c3
；
[0064]
步骤1.6：将三相反电势的三次谐波幅值作差，根据三相反电势三次谐波的幅值差进行匝间故障的判断。
[0065]
步骤1.3所述的通过滑膜观测器观测反电势ed、eq，包括如下步骤：
[0066]
步骤1.3.1：根据电压方程可得电流的状态方程表达式为：
[0067][0068]
其中：
[0069][0070]
步骤1.3.2：设计滑膜观测器为：
[0071][0072]
其中：为电流的观测值；ud、uq是观测器的控制输入。
[0073]
步骤1.3.3：将上式作差，可得：
[0074][0075]
其中
[0076]
步骤1.3.4：设计滑膜控制率为：
[0077][0078]
当观测器的状态变量达到滑膜面后，观测器将一直保持在滑膜面上，此时的控制量可以看作等效控制量，可得
[0079][0080]
步骤1.5获得三相反电势的三次谐波幅值e
p3
的方法如下,其中，变量p＝a、b、c：
[0081]
步骤a：将三相反电势e
p
分别乘sin3θ和cos3θ得到：
[0082][0083]
其中，θ为转子位置，θ
p
为p相的初相，e
p
为p相反电势的幅值；
[0084]
步骤b：求e
p
sin3θ和e
p
cos3θ在一个周期内的平均值，由于六倍频分量在一个周期内的平均值为零，因此得到直流分量为和
[0085]
步骤c：将所得的直流分量和求均方根值，并将结果求和后乘以2便得到p相的反电势的三次谐波幅值e
p3
：
[0086][0087]
步骤1.6所述的将三相反电势的三次谐波幅值作差，根据三相反电势的三次谐波幅值差异进行匝间故障的诊断，包括如下步骤：
[0088]
步骤1.6.1：定义三相反电势三次谐波幅值差分别为ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
：
[0089][0090]
步骤1.6.2：定义三相反电势三次谐波幅值的最大值和最小值分别为e
max
＝max{ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
}、e
min
＝min{ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
}；若e
max-e
min
《ε,则永磁同步电机正常运行；若e
max-e
min
≥ε,ε为故障诊断的阈值，则电机发生匝间短路故障。
[0091]
通过上述步骤即可在不添加任何检测设备的前提下，实现永磁同步电机绕组匝间故障的诊断。
[0092]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应
涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：实时估计永磁同步电机的三相反电势；将三相反电势的三次谐波幅值作差，分别得到ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
；其中，ε
ab
为a、b相反电势三次谐波幅值之差，ε
bc
为b、c相反电势三次谐波幅值之差，ε
ca
为c、a相反电势三次谐波幅值之差；定义三相反电势的三次谐波幅值的最大值e
max
和最小值e
min
分别为e
max
＝max{ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
}、e
min
＝min{ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
}；若e
max-a
min
≥ε，ε为故障诊断的阈值，则电机发生匝间短路故障。2.根据权利要求1所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，其特征在于，估计永磁同步电机的三相反电势的具体步骤如下：步骤1、获取三相电流i
a
、i
b
、i
c
以及电流环控制器输出的控制电压u
d*
和u
q*
；其中，i
a
、i
b
、i
c
分别为a相电流、b相电流、c相电流，u
d*
、u
q*
分别为d轴控制电压、q轴控制电压；步骤2、根据park变换将三相电流i
a
、i
b
、i
c
转换到dq轴坐标系得到i
d
、i
q
；其中，i
d
、i
q
分别为d轴电流、q轴电流；步骤3、根据i
d
、i
q
和u
d*
、u
q*
，通过滑膜观测器观测反电势e
d
、e
q
；其中，e
d
、e
q
分别为d轴反电势、q轴反电势；步骤4、通过反park变换将观测到的反电势e
d
、e
q
转换到三相坐标系下，得到三相反电势e
a
、e
b
、e
c
；其中，e
a
、e
b
、e
c
分别为a相反电势、b相反电势、c相反电势。3.根据权利要求2所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，其特征在于，步骤3中通过滑膜观测器观测反电势e
d
、e
q
，具体如下：步骤3.1：根据电压方程得到电流的状态方程表达式为：其中，a、b均为中间变量；其中，r
s
为相电阻，l
d
为d轴电感，ω
e
为电角速度，l
q
为q轴电感；步骤3.2：设计滑膜观测器为：其中，分别为d轴电流的观测值、q轴电流的观测值；u
d
、u
q
分别为d轴观测器的控制输入、q轴观测器的控制输入，ν
d
、ν
q
分别为观测的d轴反电势、q轴反电势；步骤3.3：将公式(1)和公式(2)作差，得到：其中，其中，为d、q轴电流的观测误差；
步骤3.4：设计滑膜控制率为：其中，k为系数；当观测器的状态变量达到滑膜面后，观测器将一直保持在滑膜面上，此时的控制量看作等效控制量，得到其中，[*]
eq
、(*)
eq
表示当观测器的状态变量达到滑膜面之后，相应的变量值。4.根据权利要求1所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，其特征在于，三相反电势的三次谐波幅值为a、b、c相反电势的三次谐波幅值e
a3
、e
b3
、e
c3
；；；其中，θ
a
、θ
b
、θ
c
分别为a、b、c相的初相，e
a
为a相反电势的幅值，e
b
为b相反电势的幅值，e
c
为c相反电势的幅值。5.根据权利要求4所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，其特征在于，获得三相反电势的三次谐波幅值e
p3
的方法如下，其中，变量p＝a、b、c：步骤a：将三相反电势e
p
分别乘sin3θ和cos3θ得到：其中，θ为转子位置，θ
p
为p相的初相，e
p
为p相反电势的幅值；步骤b：求e
p
sin3θ和e
p
cos3θ在一个周期内的平均值，由于六倍频分量在一个周期内的平均值为零，因此得到直流分量为和步骤c：将所得的直流分量和求均方根值，并将结果求和后乘以2便得到p相的反电势的三次谐波幅值e
p3
：6.根据权利要求4所述的一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，其特征在于，
ε
ab
、ε
bc
、ε
ca
分别为：

技术总结
本发明公开了一种基于反电势三次谐波的高速永磁电机匝间故障诊断方法，涉及电机控制技术领域。高速永磁电机可依靠其电压和反电势信息进行在线故障诊断。当永磁同步电机运行在健康状态下时，反电势中的三次谐波含量较低且三相对称。而当永磁同步电机发生匝间短路故障时，三相绕组不再对称，反电势中引入了不对称的三次谐波分量。通过实时估计永磁同步电机的反电势并根据三相反电势中三次谐波幅值的差异实现匝间短路故障的诊断。本方法只需在电机控制软件中加入反电势的估计算法以及三次谐波提取算法即可完成匝间故障的诊断，无需增加硬件成本。硬件成本。硬件成本。


技术研发人员：汪波 冯小宝
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.08.01
技术公布日：2023/10/15