一种PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法技术

本发明专利技术公开了一种PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，采用代数法实现包括永磁体磁链在内的PMSM电磁参数的在线辨识，永磁体磁链辨识结果作为永磁体退磁故障定性诊断的依据；引入希尔伯特黄变换提取表征永磁体局部退磁的微弱故障特征信号，实现PMSM永磁体局部退磁故障诊断，并与基于代数法的PMSM永磁体退磁故障定性诊断相结合，在平稳与非平稳系统运行工况下实现PMSM永磁体均匀退磁与局部退磁故障模式的识别，为PMSM永磁体退磁故障诊断和故障模式识别提供一体化解决方案，且有效性和可靠性高。

PMSM permanent magnet demagnetization fault diagnosis and fault pattern recognition method

The invention discloses a PMSM demagnetization fault diagnosis and fault pattern recognition method, realize the online identification of electromagnetic parameters of PMSM including the permanent magnet flux, using the algebraic method, the permanent magnet flux identification as a result of demagnetization fault diagnosis basis; the weak fault signal into the Hilbert Huang transform to extract the local characterization of permanent magnet demagnetization the implementation of local demagnetization fault diagnosis of PMSM permanent magnet, and combined with qualitative demagnetization fault diagnosis PMSM algebraic method based on a permanent magnet, to achieve recognition of PMSM permanent magnet demagnetization and uniform local demagnetization fault modes in stationary and non-stationary system operating conditions, to provide integrated solutions for PMSM demagnetization fault diagnosis and fault mode identification, and validity and reliability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及永磁同步电机的
，具体涉及一种PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，基于代数法和希尔伯特黄变换实现平稳与非平稳系统运行工况下PMSM(永磁同步电机)永磁体退磁故障的在线诊断及故障模式的在线识别。
技术介绍
永磁同步电机(PMSM)具有结构简单、故障率低和运行效率高等技术优势，逐渐在工业伺服驱动、新能源汽车以及新能源发电等领域获得了广泛应用。然而，对于电动汽车等诸多应用领域而言，受安装空间限制，PMSM功率密度高，散热条件差，运行工况复杂，多处于加减速、变负荷运行以及最大转矩电流比与弱磁联合控制下，存在较强的电枢反应，加之自然老化等因素，容易出现永磁体均匀退磁或局部退磁故障，导致电机输出转矩减少及转矩脉动，直接影响电驱动系统的转矩控制精度与运行可靠性。现有技术中，PMSM永磁体退磁故障诊断主要包括基于数据驱动、模型驱动和高频信号注入三类基本方法。基于数据驱动的PMSM永磁体退磁故障诊断方法以电压、电流、振动噪声等为分析对象，通过快速傅立叶变换(FFT)、小波变换(WT)以及希尔伯特黄变换(Hilbert-HuangTransform，HHT)进行故障特征挖掘，实现PMSM永磁体退磁故障的诊断。基于模型驱动的永磁体退磁故障诊断方法通过对电机物理模型或数学模型分析而获得PMSM永磁体磁链全局信息，从而实现永磁体退磁故障的定性与定量诊断。其中，PMSM有限元模型法、以进化算法为代表的人工智能法、采用动态数据处理技术构建永磁体磁链观测器法等先后被用于实现包括永磁体磁链在内的PMSM电磁参数辨识，并形成了一定的技术成果。基于高频信号注入的PMSM永磁体退磁故障诊断方法将退磁故障发生前后磁路状态的变化作为故障诊断依据，被用于永磁体均匀退磁和局部退磁两种退磁故障的诊断及故障模式识别。基于上述方法，可以实现PMSM永磁体退磁故障的诊断，但仍存在如下技术不足：(1)基于数据驱动的PMSM永磁体退磁故障诊断方法，其本质是利用永磁体局部退磁故障造成的永磁体等效物理结果的不对称性在PMSM定子电流中的电气特性表征，并采用快速傅里叶变换、小波变换、希尔伯特黄变换等方法从PMSM定子电流中提取表征永磁体局部退磁故障的故障特征信号。因此，该类方法仅适用于永磁体局部退磁故障的诊断，不适用于均匀退磁故障的诊断；(2)基于模型驱动的PMSM永磁体退磁故障诊断方法容易受测量噪声、电机参数变化、辨识模型欠秩、确保多参数同时收敛的自适应率难以合理确定等一个或多个因素的影响，实际应用中难以实现永磁体磁链的准确辨识及辨识精度、辨识速度的合理兼顾；(3)基于高频信号注入的PMSM永磁体退磁故障诊断方法将永磁体退磁前后的磁路状态变化作为故障诊断依据，同时适用于永磁体局部退磁和均匀退磁两种退磁故障的诊断及故障模式识别，但该方案需要叠加随退磁程度不同而变化的高频电流，且只能在电机静止状态下实现，无法实现退磁故障的在线诊断。鉴于此，PMSM永磁体退磁故障的准确、在线诊断及局部退磁与均匀退磁两种故障模式的有效识别已成为PMSM退磁故障诊断领域亟待解决的关键技术。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，采用基于代数法的永磁体磁链辨识与基于希尔伯特黄变换的局部退磁故障特征信号提取相结合的方法来实现PMSM驱动系统平稳、非平稳运行工况下永磁体退磁故障的诊断及故障模式识别。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，采用代数法实现PMSM所有电磁参数的在线辨识，永磁体磁链辨识结果作为退磁故障定性诊断的依据；在系统平稳与非平稳运行工况下引入希尔伯特黄变换，提取表征永磁体局部退磁的故障特征信号，实现PMSM永磁体局部退磁故障诊断，并与基于代数法的PMSM永磁体退磁故障定性诊断相结合实现PMSM永磁体局部退磁与均匀退磁故障模式的识别；步骤如下：步骤一、采集PMSM的d-q轴系上的定子电压ud和uq，定子电流id和iq及PMSM驱动系统转子电气角速度ωe；步骤二、建立d-q轴系上PMSM动态电流方程，基于代数法实现PMSM所有电磁参数的实时在线辨识，若永磁体磁链辨识值小于其设计值，则确认出现永磁体退磁故障；步骤三、基于采集的PMSM定子相电流，采用希尔伯特黄变换提取表征永磁体局部退磁故障的定子电流故障特征信号，实现PMSM永磁体局部退磁故障诊断；步骤四、在步骤二和步骤三的基础上进行PMSM永磁体均匀退磁与故障退磁模式识别。所述PMSM的d-q轴系上定子电压ud和uq，定子电流id和iq的获取方法为：采样PMSM的定子线电压uab、ubc，三相电流ia、ib、ic，并通过坐标变换获得，坐标变换矩阵分别为：式中，θ为转子磁链位置角。所述PMSM的d-q轴系上定子电压ud和uq，定子电流id和iq的获取方法为：直接采用PMSM驱动系统控制器计算出来的d-q轴电压指令值和代替d-q轴定子电压ud和uq，d-q轴电流指令值代替d-q轴定子电流id和iq。所述PMSM驱动系统转子电气角速度的获取方法是通过增量式光电编码器获得，步骤为：(1)在t1和t2相邻采样时刻采样PMSM的d-q轴上光电旋转编码器发出的脉冲数N1、N2，采样时刻t1和t2之差为采样周期T；(2)根据转子电角速度ωe与光电旋转编码器脉冲采样值N1、N2以及采样周期T之间的关系计算转子电角速度ωe，其表达式为：式中，M为光电旋转编码器一周的脉冲数，p为永磁同步电机极对数。所述基于代数法实现包含永磁体磁链在内的PMSM所有电磁参数的实时在线辨识的方法是：建立d-q轴系上PMSM动态电流方程：其中，ud和uq分别表示d-q轴定子电压，id和iq分别表示d-q轴定子电流，Ld和Lq分别表示d-q轴定子电感；Rs表示定子电阻，ψf表示永磁体磁链、ωe表示转子电角频率；将q轴的PMSM动态电流方程两边乘以t，并在[0,t]上积分，化简得：令：γ＝[LqLdRsψf]Pt＝[tiq-∫iq∫tωeid∫tiq∫tωe]qt＝∫tuq则：Pt*γ＝qt；定义误差向量为：ε(t)＝Pt*γ-qt，平方误差准则函数为：将误差向量代入平方误差准则函数，可得：对待辨识参数向量γ求，可得：令获得待辨识参数表达式为：所述基于采样的PMSM定子相电流，采用希尔伯特黄变换提取表征永磁体局部退磁故障的定子电流故障特征信号，实现PMSM永磁体局部退磁故障诊断的诊断过程的步骤为：(1)采样PMSM定子相电流ia或ib或ic；(2)对采样电流进行经验模态分解，获得一簇由高频到低频变化的本征模态函数IMF，对每一个本征模态函数IMFi进行希尔伯特变换，得到相应的希尔伯特谱；(3)将每一个本征模态函数IMFi的希尔伯特谱表征在同一个时频图中，得到含时间、频率及幅值信息的定子电流三维时频谱H(ω(t),t)。所述在步骤二和步骤三的基础上进行PMSM永磁体均匀退磁与故障退磁模式识别的识别过程的步骤为：(1)由步骤二获得的永磁体磁链辨识结果，将其与设计值比较，判断是否出现PMSM永磁体退磁故障，若出现永磁体退磁故障，则执行步骤三；(2)由步骤三实现PMSM永磁体局部退磁故障特征谐波的获取，若能够获得此故障特征谐波，即获得的结果能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，其特征在于，采用代数法实现PMSM所有电磁参数的在线辨识，永磁体磁链辨识结果作为永磁体退磁故障定性诊断的依据；在系统平稳与非平稳运行工况下引入希尔伯特黄变换，提取表征永磁体局部退磁的故障特征信号，实现PMSM永磁体局部退磁故障诊断，并与基于代数法的PMSM永磁体退磁故障定性诊断相结合实现PMSM永磁体局部退磁与均匀退磁故障模式的识别；步骤如下：步骤一、采集PMSM的d‑q轴系上的定子电压ud和uq，定子电流id和iq及PMSM驱动系统转子电气角速度ωe；步骤二、建立d‑q轴系上PMSM动态电流方程，基于代数法实现PMSM所有电磁参数的实时在线辨识，若永磁体磁链辨识值小于其设计值，则确认出现永磁体退磁故障；步骤三、基于采集的PMSM定子相电流，采用希尔伯特黄变换提取表征永磁体局部退磁故障的定子电流故障特征信号，实现PMSM永磁体局部退磁故障诊断；步骤四、在步骤二和步骤三的基础上进行PMSM永磁体均匀退磁与故障退磁模式识别。

【技术特征摘要】
1.一种PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，其特征在于，采用代数法实现PMSM所有电磁参数的在线辨识，永磁体磁链辨识结果作为永磁体退磁故障定性诊断的依据；在系统平稳与非平稳运行工况下引入希尔伯特黄变换，提取表征永磁体局部退磁的故障特征信号，实现PMSM永磁体局部退磁故障诊断，并与基于代数法的PMSM永磁体退磁故障定性诊断相结合实现PMSM永磁体局部退磁与均匀退磁故障模式的识别；步骤如下：步骤一、采集PMSM的d-q轴系上的定子电压ud和uq，定子电流id和iq及PMSM驱动系统转子电气角速度ωe；步骤二、建立d-q轴系上PMSM动态电流方程，基于代数法实现PMSM所有电磁参数的实时在线辨识，若永磁体磁链辨识值小于其设计值，则确认出现永磁体退磁故障；步骤三、基于采集的PMSM定子相电流，采用希尔伯特黄变换提取表征永磁体局部退磁故障的定子电流故障特征信号，实现PMSM永磁体局部退磁故障诊断；步骤四、在步骤二和步骤三的基础上进行PMSM永磁体均匀退磁与故障退磁模式识别。2.根据权利要求1所述的PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，其特征在于，所述PMSM的d-q轴系上定子电压ud和uq，定子电流id和iq的获取方法为：采样PMSM的定子线电压uab、ubc，三相定子相电流ia、ib、ic，并通过坐标变换获得，坐标变换过程分别为：uduq=cosθsinθ-sinθcosθ2/31/30-3/3uabubc]]>idiq=cosθsinθ-sinθcosθ2/3-1/3-1/30-3/33/3iaibic]]>式中，θ为转子磁链位置角。3.根据权利要求1所述的PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，其特征在于，所述PMSM的d-q轴系上定子电压ud和uq，定子电流id和iq的获取方法为：直接采用PMSM驱动系统控制器计算出来的d-q轴电压指令值和代替d-q轴定子电压ud和uq，d-q轴电流指令值代替d-q轴定子电流id和iq。4.根据权利要求1所述的PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，其特征在于，所述PMSM驱动系统转子电气角速度的获取方法的步骤为：(1)在t1和t2相邻采样时刻采样PMSM的d-q轴上光电旋转编码器发出的脉冲数N1、N2，采样时刻t1和t2之差为采样周期T；(2)根据转子电角速度ωe与光电旋转编码器脉冲采样值N1、N2以及采样周期T之间的关系计算转子电角速度ωe，其表达式为：ωe=N2-N1M×T×p×2π;]]>式中，M为光电旋转编码器一周的脉冲数，p为永磁同步电机极对数。5.根据权利要求1所述的PMSM永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，郭壮志，薛鹏，任鹏飞，徐其兴，肖海红，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南;41