本發(fā)明屬于永磁同步電機(pmsm)技術領域，具體涉及一種永磁同步電機故障診斷與容錯控制系統(tǒng)及方法，適用于具有位置傳感器反饋的永磁同步電機控制系統(tǒng)。

背景技術：

永磁同步電機由于具有高功率密度、結構緊湊、體積小、運行可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于各種場合。在永磁同步電機場定向控制(foc)中，通常需要直流母線電壓、電機電樞電流以及轉子位置信息，檢測其狀態(tài)，對電機的正常運行至關重要。通常永磁同步電機需要安裝獲取轉子位置的位置傳感器，一般為光電編碼器；然而在某些惡劣的環(huán)境下，光電編碼器容易失效，不能正確給出轉子的位置信息，foc控制無法正常進行，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性，需要設計相應的容錯控制系統(tǒng)，使得位置傳感器即使失效的情況下，電機也能運行正常。

永磁同步電機無位置傳感器矢量控制通常由觀測器估算出轉子位置而不需要位置傳感器，因此具有低成本和高可靠性的優(yōu)點，但是由于低速時，電機的反電勢以及電流都非常小，觀測器難以準確估計出轉子的位置信息。而在電機中-高速運行時，無速度傳感器矢量控制能夠達到良好的運行狀態(tài)。因此，在電機中-高速運行時，當位置傳感器發(fā)生故障，系統(tǒng)切換到無速度傳感器矢量控制，也能使電機正常運行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提出一種永磁同步電機故障診斷和容錯控制系統(tǒng)及方法，主要是在線監(jiān)測直流母線電壓、相電流、電樞元件是否開路、位置傳感器故障，以及當位置傳感器發(fā)生故障時，具有一定的容錯控制能力，電機切換到無速度傳感器矢量控制，使電機繼續(xù)正常運行。

為了達到上述目的，本發(fā)明的系統(tǒng)所采用的解決方案是：一種永磁同步電機故障診斷與容錯控制系統(tǒng)，其特征在于：包括mras觀測器、決策單元、位置傳感器故障檢測單元、容錯控制單元、永磁同步電機(pmsm)、pwm逆變器、控制器；

所述mras觀測器用于根據已知量通過算法來估計未知量，輸入為pmsm的dq軸電壓和電流，輸出為pmsm的估計轉速和估計電阻；

所述決策單元用于接收mras觀測器的估計電阻、電流傳感器信號，根據mras觀測器的反饋信號以及電流電壓信號來判斷永磁同步電機的故障情況；

所述位置傳感器故障檢測單元用于接收來自mras觀測器的估計轉速信號和位置傳感器的反饋信號，根據mras觀測器的估計轉速來判斷pmsm位置傳感器是否發(fā)生故障；

所述容錯控制單元用于接收位置傳感器故障檢測單元的信息，判斷是否發(fā)生位置傳感器故障；當pmsm的位置傳感器發(fā)生故障，不能提供場定向控制(foc)所需的位置和轉速信號時，pmsm根據mras觀測器反饋的速度信號，繼續(xù)正常運行。

本發(fā)明的方法所采用的技術方案是：一種永磁同步電機故障診斷與容錯控制方法，其特征在于：包括永磁同步電機故障診斷方法和永磁同步電機容錯控制方法；

所述永磁同步電機故障診斷方法，包括以下步驟：

步驟1：在電機中-高速運行階段，運行mras觀測器(100)；

步驟2：計算電流指數iaindex和ibindex，其中iaindex和ibingdex分別表示a相和b相的電流指數；

步驟3：在決策單元(101)做任何決策之前，等待t秒；

步驟4：設定一閾值mi，判斷|iaindex>mi|或|ibindex>mi|是否成立；

若是，則執(zhí)行下述步驟5；

若否，則執(zhí)行下述步驟8；

步驟5：設定一閾值mω，判斷|ω-ωest|<mω是否成立，其中ω電機的實際轉速，ωest為電機的估計轉速；

若是，則判斷電機位置傳感器發(fā)生故障，并賦值ω_flag＝1，本流程結束；

若否，則執(zhí)行下述步驟6；

其中ω_flag表示表示位置傳感器故障標志位，若為1，則說明位置傳感器發(fā)生故障，為0，表示沒有發(fā)生故障；

步驟6：定一閾值m0，判斷電機的電阻rest>m0是否成立；

若是，則判斷電機發(fā)生電樞元件開路故障，并賦值open_flag＝1，本流程結束；

若否，則執(zhí)行下述步驟7；

其中open_flag表示開路故障標志位，為1表示發(fā)生開路故障，為0，表示未發(fā)生故障。

步驟7：判斷>max()是否成立；

若是，則判斷判斷電機發(fā)生匝間短路故障，并賦值short_flag＝1，本流程結束；

若否，則判斷電機未發(fā)生短路故障，本流程結束；

其中表示第j(j＝a,b,c)相測得的電流值；short_flag表示電機短路故障標志位，為1，表示電機發(fā)生短路故障，為0，表示電機未發(fā)生短路故障；

步驟8：設定一閾值mv，判斷||iaindex|-|ibindex||<mv是否成立；

若是，則判斷電機發(fā)生直流母線傳感器故障，并賦值vdc_flag＝1，本流程結束；

若否，則執(zhí)行下述步驟9；

其中vdc_flag表示直流母線傳感器故障標志位，若為1，則發(fā)生直流母線傳感器故障，若為0，則表示未發(fā)生故障；

步驟9：判斷|iaindex|<|ibindex|是否成立；

若是，則判斷電機b相傳感器發(fā)生故障，并賦值ib_flag＝1，本流程結束；

若否，則判斷電機a相傳感器發(fā)生故障，并賦值ia_flag＝1，本流程結束；

其中ib_flag表示b相傳感器故障標志位，若為1，表示b相傳感器發(fā)生故障，若為0，表示未發(fā)生故障；ia_flag表示a相傳感器故障標志位，若為1，發(fā)生a相傳感器，為0，表示未發(fā)生故障；

所述永磁同步電機容錯控制方法，當電機位置傳感器發(fā)生故障時，即ω_flag＝1，電機自動切換到基于mras觀測器的無速度傳感器矢量控制，維持電機繼續(xù)正常運行。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了一種永磁同步電機故障檢測和容錯控制系統(tǒng)及方法，基于位置傳感器故障的容錯控制方法綜合了有位置傳感器在低-中-高速運行的高效性和無速度傳感器矢量控制方案在位置傳感器故障時仍能維持電機正常運行的優(yōu)點。本發(fā)明能夠有效準確判斷電機的故障情況，在位置傳感器發(fā)生故障時，采用容錯控制方法，維持電機正常運轉。

附圖說明

圖1本發(fā)明實施例中永磁同步電機故障檢測與容錯控制系統(tǒng)總體結構圖；

圖2本發(fā)明實施例中無位置傳感器mras觀測器的結構示意圖；

圖3本發(fā)明實施例中永磁同步電機故障診斷流程圖；

圖4本發(fā)明實施例中永磁同步電機容錯控制系統(tǒng)結構示意圖。

具體實施方式

為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發(fā)明，下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請見圖1，本發(fā)明提供的一種永磁同步電機故障診斷與容錯控制系統(tǒng)，包括mras觀測器100、決策單元101、位置傳感器故障檢測單元、容錯控制單元102、永磁同步電機(pmsm)、pwm逆變器、控制器；

mras觀測器100用于根據已知量通過算法來估計未知量，輸入為pmsm的dq軸電壓和電流，輸出為pmsm的估計轉速和估計電阻；

決策單元101用于接收mras觀測器100的估計電阻、電流傳感器信號，根據mras觀測器100的反饋信號以及電流電壓信號來判斷pmsm的故障情況；

位置傳感器故障檢測單元用于接收來自mras觀測器100的估計轉速信號和位置傳感器的反饋信息，根據mras觀測器100的估計轉速來判斷pmsm是否發(fā)生故障；

容錯控制單元102用于接收位置傳感器故障檢測單元的信息，判斷是否發(fā)生位置傳感器故障；當pmsm的位置傳感器發(fā)生故障，不能提供場定向控制(foc)所需的位置和轉速信息時，pmsm根據mras觀測器100反饋的速度信息，繼續(xù)正常運行。

請見圖2，本實施例的mras觀測器100由參考模型模塊103、可調模型模塊104和自適應算法模塊105組成；

參考模型模塊103用于為永磁同步電機構建在旋轉坐標系下的定子磁鏈數學模型，如下：

可調模型模塊104用于為參數構建可調的磁鏈估算模型，如下：

式中：ud、uq表示定子d、q軸電壓，r、l表示定子電感和電阻，ω、表示轉子角速度和估計角速度，ψf表示永磁體磁鏈，表示定子d、q軸的估計磁鏈；

自適應算法模塊105用于生成自適應算法；由popov超穩(wěn)定理論和模型參考自適應律的普遍結構，可得自適應算法如下：

轉速辨識算法

電阻辨識算法

mras觀測器的輸入為d、q軸電壓、電流，輸出為估計電阻和估計轉速。

請見圖3，本發(fā)明提供了一種永磁同步電機故障診斷方法、位置傳感器故障診斷方法與容錯控制方法，本方法基于模型參考自適應系統(tǒng)(mras)觀測器檢測永磁同步電機位置傳感器的故障狀態(tài)，容錯控制系統(tǒng)根據位置傳感器的故障狀態(tài)對電機進行容錯控制，維持電機正常運轉。

通常，永磁同步電機常用的控制方法為場定向控制(foc)，需要位置傳感器提供的位置和速度信息，電機能夠在低-中-高速運行；而基于觀測器的無速度傳感器矢量控制雖不需要專門的位置傳感器，但在低速和停止時控制效果不佳，本發(fā)明主要針對電機中-高速運行時位置傳感器故障問題，提出了一種容錯控制方法，同時提出了一種電機故障診斷方法，能在線實時監(jiān)測電機的運行狀態(tài)。

本發(fā)明提供的一種永磁同步電機故障診斷與容錯控制方法，包括永磁同步電機故障診斷方法和永磁同步電機容錯控制方法；

永磁同步電機故障診斷方法，包括以下步驟：

步驟1：在電機中-高速運行階段，運行mras觀測器100；

步驟2：計算電流指數iaindex和ibindex，其中iaindex和ibindex分別表示a相和b相的電流指數；

步驟3：在決策單元101做任何決策之前，等待t秒；

其中t包含電機上電時間，控制系統(tǒng)上電時間，以及軟件啟動時間等；t與控制器的處理速度，電機的性能等因素都有很大的關系，實際中可根據經驗或者實驗得到。

步驟4：設定一閾值mi，判斷|iaindex>mi|或|ibindex>mi|是否成立；

若是，則執(zhí)行下述步驟5；

若否，則執(zhí)行下述步驟8；

步驟5：設定一閾值mω，判斷|ω-ωest|<mω是否成立，其中ω電機的實際轉速，ωest為電機的估計轉速；

若是，則判斷電機位置傳感器發(fā)生故障，并賦值ω_flag＝1，本流程結束；

若否，則執(zhí)行下述步驟6；

其中ω_flag表示表示位置傳感器故障標志位，若為1，則說明位置傳感器發(fā)生故障，為0，表示沒有發(fā)生故障；

步驟6：定一閾值m0，判斷電機的電阻rest>m0是否成立；

若是，則判斷電機發(fā)生電樞元件開路故障，并賦值open_flag＝1，本流程結束；

若否，則執(zhí)行下述步驟7；

其中open_flag表示開路故障標志位，為1表示發(fā)生開路故障，為0，表示未發(fā)生故障。

步驟7：判斷ij>max(ij)是否成立；

若是，則判斷判斷電機發(fā)生匝間短路故障，并賦值short_flag＝1，本流程結束；

若否，則判斷電機未發(fā)生短路故障；

其中ij表示第j相測得的電流，j＝a,b,c值；short_flag表示電機短路故障標志位，為1，表示電機發(fā)生短路故障，為0，表示電機未發(fā)生短路故障；

步驟8：設定一閾值mv，判斷||iaindex|-|ibindex||<mv是否成立；

若是，則判斷電機發(fā)生直流母線傳感器故障，并賦值vdc_flag＝1，本流程結束；

若否，則執(zhí)行下述步驟9；

其中vdc_flag表示直流母線傳感器故障標志位，若為1，則發(fā)生直流母線傳感器故障，若為0，則表示未發(fā)生故障；

步驟9：判斷|iaindex|<|ibindex|是否成立；

若是，則判斷電機b相傳感器發(fā)生故障，并賦值ib_flag＝1，本流程結束；

若否，則判斷電機a相傳感器發(fā)生故障，并賦值ia_flag＝1，本流程結束；

其中ib_flag表示b相傳感器故障標志位，若為1，表示b相傳感器發(fā)生故障，若為0，表示未發(fā)生故障；ia_flag表示a相傳感器故障標志位，若為1，發(fā)生a相傳感器，為0，表示未發(fā)生故障；

永磁同步電機容錯控制方法，當電機位置傳感器發(fā)生故障時，即ω_flag＝1，電機自動切換到基于mras觀測器的無速度傳感器矢量控制，維持電機繼續(xù)正常運行。

本實施例中涉及到的閥值，不同的電機工作時參數各不一樣，因此可以根據操縱者的經驗或者試驗得到。

本發(fā)明所提出的容錯控制模塊結構示意圖如圖4所示。場定向控制(foc)技術已有相關資料介紹，這里不再詳述。

本實施例中只考慮一個電流傳感器失效的情形，實際中兩個電流傳感器同時失效的可能性非常低，本發(fā)明暫不考慮兩個電流傳感器同時失效的情形。關于電流傳感器故障檢測最常用的方法是，根據基爾霍夫電流定律，三個相電流的和為零，若為非零，則發(fā)生電流傳感器故障，此簡單方法的缺點：在永磁同步電機場定向控制(foc)中通常只需要兩個傳感器，此外此種方法還不能判斷故障傳感器的位置。

本發(fā)明所提出的永磁同步電機故障檢測方法能在線實時檢測電機的運行狀態(tài)。

本發(fā)明的控制系統(tǒng)在位置傳感器無故障時，低速時采用位置傳感器反饋，克服了完全只采用無速度傳感器矢量控制方法在低速時失效的缺點。

本發(fā)明利用位置傳感器反饋的foc控制能夠使電機在低-中-高速運行，而基于觀測器的無速度傳感器矢量控制則在低速和停止時無作用，本發(fā)明中的容錯控制系統(tǒng)在位置傳感器正常時不起作用。

本發(fā)明能夠有效監(jiān)測永磁同步電機的運行狀態(tài)，在位置傳感器發(fā)生故障時，采用容錯控制方法，維持電機繼續(xù)正常運轉，能夠解決突發(fā)性的位置傳感器故障造成的不安全性及其他損害。

應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術。

應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發(fā)明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內，本發(fā)明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。