永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法及装置
阅读说明：本技术 永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法及装置 (Method and device for identifying fault type of current sensor of permanent magnet motor driving system ) 是由 马光同 张晗 徐帅 任冠州 孙振耀 姚春醒 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法及装置,该方法包括采集永磁电机的三相定子电流信号和永磁电机转子的位置信号；根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号,定位故障电流传感器；对故障电流传感器采集的相电流值进行采样,构建故障识别变量；根据构建的故障识别变量对电流传感器故障类型进行识别。本发明解决了在变频调速系统中,单一使用基于模型的故障诊断方法仅能定位故障传感器不能确定故障类型的通用性问题,不需要借助额外设备即可准确识别出电流传感器的断线故障、卡死故障、增益故障和偏置故障四种典型故障类型,有较强的鲁棒性,同时该方法可以和任意基于模型的电流传感器故障诊断方法相结合。(The invention discloses a method and a device for identifying the fault type of a current sensor of a permanent magnet motor driving system, wherein the method comprises the steps of collecting three-phase stator current signals of a permanent magnet motor and position signals of a permanent magnet motor rotor; positioning a fault current sensor according to the collected three-phase stator current signals and the dq-axis reference current signals; sampling phase current values acquired by a fault current sensor to construct a fault identification variable; and identifying the fault type of the current sensor according to the constructed fault identification variable. The method solves the problem that the universality that the fault type can not be determined only by positioning the fault sensor by using a fault diagnosis method based on a model singly in a variable frequency speed control system, can accurately identify four typical fault types of disconnection fault, blocking fault, gain fault and offset fault of the current sensor without additional equipment, has stronger robustness, and can be combined with any fault diagnosis method of the current sensor based on the model.)
技术领域
本发明涉及调速系统中电流传感器的故障诊断技术领域，具体涉及一种永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法及装置。
背景技术
永磁电机驱动系统一般采用两个或三个电流传感器来采集电流信息，用于系统的闭环控制。电流传感器的反馈信号是永磁同步电机电流闭环控制的基础。在电流传感器出现故障时，控制系统的性能由于得不到正确的电流信息导致转矩和速度的性能恶化。电流传感器的故障类型一般可以分为四类：断线故障、卡死故障、增益故障和偏置故障。任何类型的电流传感器故障都会影响系统运行的可靠性，此外，故障类型的模糊性也给电机驱动系统的维护带来了困难。因此，为了保证系统的容错控制，便于维护，不仅要对故障电流传感器进行故障定位，也要对故障传感器的故障类型进行准确判断。
根据文献检索，基于信号的故障诊断方法虽然有些可以确定部分故障类型，但其只能在某些特定类型的电流传感器故障下有效；基于模型的故障诊断方法虽然可以应用在所有类型的电流传感器故障下，但其不能有效的区分故障类型；在现有的故障类型检测方法中，最多可以检测三种故障，并不够全面。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法及装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明提出了一种永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法，包括以下步骤：
S1、采集永磁电机的三相定子电流信号和永磁电机转子的位置信号；
S2、根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，定位故障电流传感器；
S3、对故障电流传感器采集的相电流值进行采样，构建故障识别变量；
S4、根据构建的故障识别变量对电流传感器故障类型进行识别。
进一步地，所述步骤S1具体包括以下分步骤：
S1-1、采集永磁电机任意两相的定子电流信号，并利用基尔霍夫电流定律计算第三相的定子电流信号；
S1-2、采集永磁电机转子的实时速度信号和角度信号。
进一步地，所述步骤S2具体包括：
S2-1、采用永磁同步电机模型预测电流控制方法对永磁电机进行驱动控制；
S2-2、根据永磁电机转子的实时速度信号和设定参考速度信号，计算dq旋转坐标系下的q轴参考电流信号；同时设定d轴参考电流信号为0；
S2-3、根据三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，采用基于坐标变换的电流传感器故障定位方法定位故障电流传感器。
更进一步地，所述采用永磁同步电机模型预测电流控制方法对永磁电机进行驱动控制，具体包括：
建立永磁电机及其驱动变流系统的数学模型；
对建立的永磁电机的数学模型进行离散化处理，建立旋转坐标系下的离散化定子电流预测模型，并对系统时延进行一步补偿后，预测永磁电机下一时刻的电流值；
根据跟踪电流误差建立代价函数，确定开关状态，输出并控制逆变器开关管的导通和关断。
更进一步地，所述永磁电机及其驱动变流系统的数学模型表示为：
其中，ud、uq为dq轴下的定子电压，RS为定子绕组电阻，id、iq为dq轴下的定子电流，Ld、Lq为dq轴下的定子电感，ωe为为永磁电机电角度，ψf为永磁体磁链，Te为电机电磁转矩，pn为电机极对数。
更进一步地，所述对建立的永磁电机的数学模型进行离散化处理，建立旋转坐标系下的离散化定子电流预测模型，具体为：
采用一阶向前欧拉法对建立的永磁电机及其驱动变流系统的数学模型进行离散化处理，建立旋转坐标系下的离散化定子电流预测模型，表示为
其中，id(k+1)、iq(k+1)表示k+1采样时刻下的dq轴定子电流预测值，id(k)、iq(k)表示当前k采样时刻下的dq轴定子电流采样值，ud(k)、uq(k)表示当前k采样时刻下的dq轴定子电压采样值，Ts表示采样周期。
更进一步地，所述采用基于坐标变换的电流传感器故障定位方法定位故障电流传感器，具体包括：
根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，利用坐标变换，计算α-βa坐标系下α轴的测量电流分量和估计电流分量，并计算其残差绝对值；
根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，利用坐标变换，计算α-βb坐标系下α轴的测量电流分量和估计电流分量，并计算其残差绝对值；
将α-βa坐标系下的α轴电流残差绝对值和α-βb坐标系下的α轴电流残差绝对值与设定残差阈值进行比较，得到故障电流传感器定位结果。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下分步骤：
S3-1、对故障电流传感器采集的相电流值进行采样，得到一个相电流周期内所有采样点的相电流值；
S3-2、根据一个相电流周期内所有采样点的相电流值计算所有采样点的相电流值之和Sx，表示为
其中，ix(n)为一个相电流周期内的第n个采样点的相电流值，N为一个相电流周期内的采样点数；
S3-3、对故障电流传感器采集的相电流值求导后进行采样，得到一个相电流周期内所有采样点的相电流导数值；
S3-4、计算任意两个连续采样点的相电流导数值之和dx(n)，表示为
dx(n)＝i′x(n)+i′x(n-1)
其中，i′x(n)为一个相电流周期内的第n个采样点的电流导数值，式中i′x(n-1)为一个相电流周期内的第n-1个采样点的电流导数值；
S3-5、根据计算的相电流值之和Sx和相电流导数值之和dx(n)，构建故障识别变量(Sx，dx(n))。
进一步地，所述步骤S4具体包括以下分步骤：
S4-1、根据构建的故障识别变量判断一个相电流周期内所有采样点的相电流值之和是否小于设定阈值；若是，则执行步骤S4-2；否则执行步骤S4-3；
S4-2、判断一个相电流周期内任意两个连续采样点的相电流导数值之和是否等于零；若是，则判断该故障电流传感器为断线故障；否则判断该故障电流传感器为增益故障；
S4-3、判断一个相电流周期内任意两个连续采样点的相电流导数值之和是否等于零；若是，则判断该故障电流传感器为卡死故障；否则判断该故障电流传感器为偏置故障。
第二方面，本发明还提出了一种应用上述的永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法的装置，包括：
数据采集模块，用于采集永磁电机的三相定子电流信号和永磁电机转子的位置信号；
故障定位模块，用于根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，定位故障电流传感器；
诊断变量构建模块，用于对故障电流传感器采集的相电流值进行采样，构建故障识别变量；
故障识别模块，用于根据构建的故障识别变量对电流传感器故障类型进行识别。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明解决了在变频调速系统中，单一使用基于模型的故障诊断方法仅能定位故障传感器不能确定故障类型的通用性问题。
2、本发明在不需要借助额外设备的情形下，仅通过分析故障电流特性就能实现传感器断线故障、卡死故障、增益故障和偏置故障四种故障类型的识别。
3、本发明不受电机参数的影响，鲁棒性强，同时可以和任意基于模型的故障诊断方法相结合。
附图说明
图1为本发明提供的永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法流程示意图；
图2为本发明提供的具有两个电流传感器的永磁电机驱动系统原理框图；
图3为本发明提供的基于坐标变换的电流传感器故障定位方法的坐标变换示意图；其中图3(a)为α-βa坐标系下α轴与三相坐标系下a轴重合时的坐标变换，图3(b)为α-βb坐标系下α轴与三相坐标系下b轴重合时的坐标变换；
图4为本发明提供的仿真结果示意图；其中图4(a)为A相电流传感器采样波形；图4(b)为A相电流残差及其阈值波形；图4(c)为dx(n)波形；图4(d)为Sa及Sth波形；图4(e)为A相故障类型代码波形。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供了一种永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法，包括以下步骤S1至S4：
S1、采集永磁电机的三相定子电流信号和永磁电机转子的位置信号；
在本实施例中，步骤S1具体包括以下分步骤S1-1至S1-2：
S1-1、采集永磁电机任意两相的定子电流信号，并利用基尔霍夫电流定律计算第三相的定子电流信号；
具体而言，本发明利用两个电流传感器分别采集得到永磁牵引电机的A相定子电流ia和B相定子电流ib，利用基尔霍夫电流定律获得C相定子电流ic，表示为
ic＝-ia-ib
作为可选地，本发明也可以利用三个电流传感器分别采集得到永磁牵引电机的A相定子电流ia、B相定子电流ib和C相定子电流ic。
S1-2、采集永磁电机转子的实时速度信号和角度信号。
具体而言，本发明利用增量式光电编码器检测获得永磁电机转子的实时速度信号ωm和角度信号θe。
S2、根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，定位故障电流传感器；
在本实施例中，步骤S2具体包括以下分步骤S2-1至S2-3：
S2-1、采用永磁同步电机模型预测电流控制方法对永磁电机进行驱动控制；
具体而言，本发明采用永磁同步电机模型预测电流控制方法对永磁电机进行驱动控制，具体包括：
建立永磁电机及其驱动变流系统的数学模型；
具体而言，本发明针对在仅安装两个电流传感器且采用模型预测电流控制方法对电机进行驱动控制的永磁电机驱动系统，如图2所示，建立永磁电机及其驱动变流系统的数学模型，表示为
其中，ud、uq为dq轴下的定子电压，RS为定子绕组电阻，id、iq为dq轴下的定子电流，Ld、Lq为dq轴下的定子电感，ωe为永磁电机电角度，ψf为永磁体磁链，Te为电机电磁转矩，pn为电机极对数；
对建立的永磁电机的数学模型进行离散化处理，建立旋转坐标系下的离散化定子电流预测模型，并对系统时延进行一步补偿后，预测永磁电机下一时刻的电流值；
具体而言，本发明采用一阶向前欧拉法对建立的永磁电机及其驱动变流系统的数学模型进行离散化处理，建立旋转坐标系下的离散化定子电流预测模型，表示为
其中，id(k+1)、iq(k+1)表示k+1采样时刻下的dq轴定子电流预测值，id(k)、iq(k)表示当前k采样时刻下的dq轴定子电流采样值，ud(k)、uq(k)表示当前k采样时刻下的dq轴定子电压采样值，Ts表示采样周期。
为了保证控制系统的精确性和实时性，需要对延迟进行补偿，因此本发明对采样延时和控制延时进行一步补偿，得到k+2采样时刻下的dq轴定子电流预测值，表示为
其中，id(k+2)、iq(k+2)表示k+1采样时刻下的dq轴定子电流预测值，ud(k+1)、uq(k+1)表示k+1采样时刻下的dq轴定子电压预测值。
根据跟踪电流误差建立代价函数，确定开关状态，输出并控制逆变器开关管的导通和关断。
具体而言，本发明根据跟踪电流误差建立代价函数J，表示为
J＝(id(k)-id(+2))2+(iq(k)-iq(+2))2
在建立总代价函数后，本发明将逆变器矢量进行预选后，通过枚举法穷举所有当前允许的开关状态带入代价函数中进行计算，找出使得代价函数最小的开关状态，然后直接将该开关状态作为逆变器控制信号输入，控制逆变器开关管的导通和关断。
S2-2、根据永磁电机转子的实时速度信号和设定参考速度信号，计算dq旋转坐标系下的q轴参考电流信号；同时设定d轴参考电流为0；
具体而言，本发明根据永磁电机转子的实时速度信号ωm和设定的参考速度ωm,ref，通过转速环PI调节器计算dq旋转坐标系下的q轴参考电流信号iq,ref；同时设定d轴参考电流信号为0。
S2-3、根据三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，采用基于坐标变换的电流传感器故障定位方法定位故障电流传感器。
具体而言，针对两电平逆变器驱动的永磁同步电机驱动系统，本发明采用基于坐标变换的电流传感器故障定位方法定位故障电流传感器，具体包括：
根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，利用坐标变换，计算α-βa坐标系下α轴的测量电流分量和估计电流分量，并计算其残差绝对值；
具体而言，α-βa坐标系为α轴正方向与电机A相绕组正方向重合的两相静止坐标系，如图3(a)所示，α-βa坐标系下的α轴的测量电流分量iαa由A相测量电流ia和B相测量电流ib经过Clark变换得到，表示为
α-βa坐标系下的α轴的估计电流分量i* αa由控制环中d-q轴估计电流i* d和i* q经过Park变换得到，表示为
根据α-βa坐标系下的α轴的测量电流分量iαa和估计电流分量i* αa，计算测量电流分量iαa和估计电流分量i* αa的残差绝对值εa，表示为
根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，利用坐标变换，计算α-βb坐标系下α轴的测量电流分量和估计电流分量，并计算其残差绝对值；
具体而言，α-βb坐标系为α轴正方向与电机B相绕组正方向重合的两相静止坐标系，如图3(b)所示，α-βb坐标系下的α轴的测量电流分量iαb由A相测量电流ia和B相测量电流ib经过Clark变换获得的，表示为
α-βb坐标系下的α轴的估计电流分量由控制环中d-q轴估计电流i* d和i* q经过Park变换获得的，表示为
根据α-βb坐标系下的α轴的测量电流分量iαb和估计电流分量计算测量电流分量iαb和估计电流分量的残差绝对值εb，表示为
将α-βa坐标系下的α轴电流的残差绝对值和α-βb坐标系下的α轴电流的残差绝对值与设定残差阈值进行比较，得到故障电流传感器定位结果。
具体而言，本发明将α-βa坐标系下的α轴电流的残差绝对值εa和α-βb坐标系下的α轴电流的残差绝对值εb与设定残差阈值ε进行比较：
若残差绝对值εa小于设定残差阈值ε，则判定A相电流传感器未发生故障；
若残差绝对值εa大于设定残差阈值ε，则判定A相电流传感器发生故障；
若残差绝对值εb小于设定残差阈值ε，则判定B相电流传感器未发生故障；
若残差绝对值εb大于设定残差阈值ε，则判定B相电流传感器发生故障。
S3、对故障电流传感器采集的相电流值进行采样，构建故障识别变量；
在本实施例中，步骤S3具体包括以下分步骤S3-1至S3-5：
S3-1、对故障电流传感器采集的相电流值进行采样，得到一个相电流周期内所有采样点的相电流值；
S3-2、根据一个相电流周期内所有采样点的相电流值计算所有采样点的相电流值之和Sx，表示为
其中，ix(n)为一个相电流周期内的第n个采样点的相电流值，N为一个相电流周期内的采样点数；
S3-3、对故障电流传感器采集的相电流值求导后进行采样，得到一个相电流周期内所有采样点的相电流导数值；
S3-4、计算任意两个连续采样点的相电流导数值之和dx(n)，表示为
dx(n)＝i′x(n)+i′x(n-1)
其中，i′x(n)为一个相电流周期内的第n个采样点的电流导数值，式中i′x(n-1)为一个相电流周期内的第n-1个采样点的电流导数值；
S3-5、根据计算的相电流值之和Sx和相电流导数值之和dx(n)，构建故障识别变量(Sx，dx(n))。
S4、根据构建的故障识别变量对电流传感器故障类型进行识别。
在本实施例中，步骤S4具体包括以下分步骤S4-1至S4-3：
S4-1、根据构建的故障识别变量(Sx，dx(n))判断一个相电流周期内所有采样点的相电流值之和Sx是否小于设定阈值Sth；若是，则执行步骤S4-2；否则执行步骤S4-3；
S4-2、判断一个相电流周期内任意两个连续采样点的相电流导数值之和dx(n)是否等于零；若是，则判断该故障电流传感器为断线故障；否则判断该故障电流传感器为增益故障；
S4-3、判断一个相电流周期内任意两个连续采样点的相电流导数值之和dx(n)是否等于零；若是，则判断该故障电流传感器为卡死故障；否则判断该故障电流传感器为偏置故障。
下面通过仿真验证本发明的电流传感器故障类型识别方法并给出实验结果；
电机在600rpm下运行，0-0.5s处于正常运行状态，在0.5s时，A相电流传感器出现断线故障，0.5s后又恢复运行；在1.5s时，A相电流传感器出现卡死故障，同样的0.5s后又恢复运行；在2.5s时，A相电流传感器出现断线故障，0.5s后又恢复运行；在3.5s时，A相电流传感器出现断线故障，0.5s后又恢复运行，其中A相电流波形如图4(a)所示；其诊断结果如图4(b)-5(e)所示。
实验结果证明，本发明中所提出方法能够实现电流传感器故障类型的识别。
本发明所提出的永磁电机驱动系统电流传感器故障定位与识别方法，也可以选择其他故障传感器定位方法，如：基于滑膜观测器的故障诊断方法，与本发明所述的电流传感器故障类型识别方法相结合，仍可以进行电流传感器故障定位与识别。
在安装三个电流传感器的永磁电机驱动系统中，也可以选择合适的故障传感器定位方法，如：利用全阶自适应观测器对故障电流传感器进行定位，与本发明所述的电流传感器故障类型识别方法相结合，仍可以进行电流传感器故障定位与识别。
实施例2
本发明还提出了一种永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别装置，包括：
数据采集模块，用于采集永磁电机的三相定子电流信号和永磁电机转子的位置信号；
故障定位模块，用于根据采集的三相定子电流信号和dq轴参考电流信号，定位故障电流传感器；
诊断变量构建模块，用于对故障电流传感器采集的相电流值进行采样，构建故障识别变量；
故障识别模块，用于根据构建的故障识别变量对电流传感器故障类型进行识别。
本发明提供的永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别装置部分的实施例与方法部分的实施例相互照应，具有上述永磁电机驱动系统电流传感器故障类型识别方法的有益效果。因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
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