双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种双余度永磁同步电动机线圈匝间短路在线检测方法，它基于线圈发生匝间短路时故障所在套剩余正常绕组阻抗减小的原理，即当电机双余度运行模式下工作时，若线圈发生了匝间短路，则故障所在套绕组的Park方程中等效电阻和电感参数将会有一定的减小量，由于两套绕组的电流几乎相同，则两套绕组的直轴电压就会出现一定的偏差。利用当前几个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的正负和绝对值大小，结合由电机永磁转子旋转方向和交轴给定电流的正负所做出的电机运行状态判断，在线诊断出各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行模式时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障。

On-line diagnosis method for interturn short circuit fault of double redundancy permanent magnet synchronous motor coil

【技术实现步骤摘要】
双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法
本专利技术属于电气工程领域，针对各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断问题，提出了一种依据当前电机的运行状态、当前两套绕组直轴给定电压之差平均值的正负和绝对值的大小，在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障的方法。
技术介绍
永磁同步电动机具有功率密度高、运行效率高、结构简单、控制简单等优点，在各个领域得到了广泛的应用。永磁同步电动机以其优越性，在航空航天、电动汽车和军事等领域得到了越来越多的重视和重视。随着现代化的发展，对电机伺服系统的可靠性有了更高的要求。余度技术是提高可靠性的最有效方法之一。在可靠性要求高场合，则需要采用双余度永磁同步电动机。双余度永磁同步电动机定子上有两套三相对称Y接绕组，共用一个永磁转子，两套三相对称Y接绕组分别由两套三相逆变器供电。目前许多并联结构的双余度永磁同步电动机的两套绕组之间存在互感，即存在电磁耦合，当某一套三相绕组出现线圈短路故障时，另一套正常的三相绕组也会受到一定的电磁影响。本专利技术所涉及的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机，在正常情况下定子上的两套三相Y接对称绕组同时工作，处于双余度工作模式；当其中一套三相绕组发生故障时，则控制系统停止为该套绕组供电，而继续为另一套三相绕组供电，处于单余度工作模式，电机的可靠性得到有效地提高。各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的主要故障是绕组开路或短路故障。出现绕组开路故障单余度运行时，故障套绕组对正常套绕组无任何不利影响。当线圈发生匝间短路故障时，就需要及时的在线检测出来，及时地停止为线圈发生匝间短路故障所在的那套三相绕组的供电，以防止线圈短路故障不断蔓延。线圈发生匝间短路时，虽然电机定子上的两套绕组的绕组结构和永磁感应电动势都不同了，但是由于两套绕组控制系统受同一个速度调节器控制，两套绕组各自的电流调节器输入是相同的，而电流调节器的调节速度极快，因而两套绕组输入的三相电流基本相同，而且会产生几乎相同的波形畸变。虽然根据两套绕组电流的波形可以诊断出绕组出现了线圈匝间短路故障，但是无法诊断出到底是哪套绕组发生了线圈匝间短路故障。现在已有的一些线圈匝间短路故障诊断方法，有的运算工作量较大，有的是针对两套绕组由理想的电压源供电时的模型提出来的，根本没有考虑双余度电机运行时两套绕组的输入电压是受到线圈短路电流产生的含有2倍于永磁转子旋转频率的电磁脉动转矩扰动后由速度电流双闭环控制系统中经过自动调节后所输出PWM电压。现有方法很难实现各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障的在线诊断。
技术实现思路
针对现有技术，本专利技术提供一种依据当前电机的运行状态、当前两套绕组直轴给定电压之差平均值的正负和绝对值的大小，在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障的方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：所涉及的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统硬件包括通常称之为DSP的数字信号处理器、两台逆变器、各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机和永磁转子位置传感器；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机上有两套三相对称Y接绕组，两套三相对称Y接绕组记为第一套绕组和第二套绕组；DSP控制两台逆变器工作，两台逆变器分别与两套三相对称Y接绕组连接；永磁转子位置传感器为DSP提供电机永磁转子位置信息；DSP内部包含有速度调节器、两套绕组电流调节器、两套绕组的SVPWM生成器、各种坐标变换器以及故障诊断及余度控制器功能模块及各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法均在DSP上完成，方法如下：控制系统上电初始化后，故障诊断及余度控制器发出命令允许为两套三相对称Y接绕组供电的两台逆变器的工作；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的控制系统为速度电流双闭环调速系统，采用直轴电流id＝0矢量控制技术和SVPWM技术，当电动机定子上的两套三相对称Y接绕组正常时，给两套三相对称Y接绕组供电的逆变器的同时工作，电机处于双余度运行模式；直轴电流id＝0矢量控制是控制系统中两套绕组的电流调节器的直轴给定电流始终为0；当电机定子上的两套三相对称Y接绕组正常，电机处于双余度运行模式时，控制系统的速度电流双闭环调速系统共用同一个速度调节器，给定速度与实际负反馈速度比较后输入到速度调节器，速度调节器的输出再经过绝对值最大限幅后作为两套绕组电流调节器的交轴给定电流分别输入到两套绕组的电流调节器，两套绕组的交轴、直轴给定电流与负反馈的交轴、直轴实际电流各自一一对应的比较后分别输入到各自的电流调节器，两套绕组电流调节器的输出分别是两套绕组的交轴、直轴给定电压，两套绕组的交轴、直轴给定电压经旋转逆变换后的输出分别是两套绕组两相静止坐标系中两个给定电压；两个给定电压分别输入到两套绕组的SVPWM生成器，两套绕组的SVPWM生成器分别输出6路PWM脉冲，两套6路PWM脉冲分别控制与两套绕组对应的两台逆变器中三相逆变桥的6个功率开关管，两台逆变器分别输出三相PWM电压为电动机定子上的两套绕组供电；控制系统在完成控制策略控制命令执行的同时，系统中的故障诊断及余度控制器均进行一次电机线圈匝间短路故障在线诊断；在DSP的每一个PWM采样控制周期内还将当前第一套绕组直轴给定电压减去第二套绕组直轴给定电压的运算而得到当前两套绕组直轴给定电压之差，并求取当前两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值，将当前两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值与此前得到的(N-1)个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值求和而得到当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值；若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值小于设定的阈值，则判断为两套三相对称Y接绕组正常，结束此次控制周期内线圈匝间短路故障的在线诊断，而返回控制系统主程序；若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值大于等于设定的阈值，则依据当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的正负以及电机的当前运行状态继续进行双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断，包括以下情形之一：1)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；2)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；3)若本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：所涉及的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统硬件包括DSP、两台逆变器、各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机和永磁转子位置传感器；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机上有两套三相对称Y接绕组，两套三相对称Y接绕组记为第一套绕组和第二套绕组；DSP控制两台逆变器工作，两台逆变器分别与两套三相对称Y接绕组连接；永磁转子位置传感器为DSP提供电机永磁转子位置信息；DSP内部包含有速度调节器、两套绕组电流调节器、两套绕组的SVPWM生成器、各种坐标变换器以及故障诊断及余度控制器功能模块及各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法均在DSP上完成，方法如下：控制系统上电初始化后，故障诊断及余度控制器发出命令允许为两套三相对称Y接绕组供电的两台逆变器的工作；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的控制系统为速度电流双闭环调速系统，采用直轴电流id＝0矢量控制技术和SVPWM技术，当电动机定子上的两套三相对称Y接绕组正常时，给两套三相对称Y接绕组供电的逆变器的同时工作，电机处于双余度运行模式；直轴电流id＝0矢量控制是控制系统中两套绕组的电流调节器的直轴给定电流始终为0；当电机定子上的两套三相对称Y接绕组正常，电机处于双余度运行模式时，控制系统的速度电流双闭环调速系统共用同一个速度调节器，给定速度与实际负反馈速度比较后输入到速度调节器，速度调节器的输出再经过绝对值最大限幅后作为两套绕组电流调节器的交轴给定电流分别输入到两套绕组的电流调节器，两套绕组的交轴、直轴给定电流与负反馈的交轴、直轴实际电流各自一一对应的比较后分别输入到各自的电流调节器，两套绕组电流调节器的输出分别是两套绕组的交轴、直轴给定电压，两套绕组的交轴、直轴给定电压经旋转逆变换后的输出分别是两套绕组两相静止坐标系中两个给定电压；两个给定电压分别输入到两套绕组的SVPWM生成器，两套绕组的SVPWM生成器分别输出6路PWM脉冲，两套6路PWM脉冲分别控制与两套绕组对应的两台逆变器中三相逆变桥的6个功率开关管，两台逆变器分别输出三相PWM电压为电动机定子上的两套绕组供电；控制系统在完成控制策略控制命令执行的同时，系统中的故障诊断及余度控制器均进行一次电机线圈匝间短路故障在线诊断；在DSP的每一个PWM采样控制周期内还将当前第一套绕组直轴给定电压减去第二套绕组直轴给定电压的运算而得到当前两套绕组直轴给定电压之差，并求取当前两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值，将当前两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值与此前得到的N‑1个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值求和而得到当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值；若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值小于设定的阈值，则判断为两套三相对称Y接绕组正常，结束此次控制周期内线圈匝间短路故障的在线诊断，而返回控制系统主程序；若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值大于等于设定的阈值，则依据当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的正负以及电机的当前运行状态继续进行双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断，包括以下情形之一：1)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；2)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；3)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向回馈制动状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；4)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向回馈制动状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；当故障诊断及余度控制器检测到某一套三相绕组中的线圈发生匝间短路故障后，故障诊断及余度控制器发出命令停止为线圈发生匝间短路故障的那套三相绕组供电的逆变器工作，为正常的另一套三相绕组供电的逆变器继续工作，控制系统转入单余度运行模式；在控制系统转入单余度运行模式的同时，故障诊...

【技术特征摘要】
1.一种双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：所涉及的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统硬件包括DSP、两台逆变器、各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机和永磁转子位置传感器；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机上有两套三相对称Y接绕组，两套三相对称Y接绕组记为第一套绕组和第二套绕组；DSP控制两台逆变器工作，两台逆变器分别与两套三相对称Y接绕组连接；永磁转子位置传感器为DSP提供电机永磁转子位置信息；DSP内部包含有速度调节器、两套绕组电流调节器、两套绕组的SVPWM生成器、各种坐标变换器以及故障诊断及余度控制器功能模块及各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法均在DSP上完成，方法如下：控制系统上电初始化后，故障诊断及余度控制器发出命令允许为两套三相对称Y接绕组供电的两台逆变器的工作；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的控制系统为速度电流双闭环调速系统，采用直轴电流id＝0矢量控制技术和SVPWM技术，当电动机定子上的两套三相对称Y接绕组正常时，给两套三相对称Y接绕组供电的逆变器的同时工作，电机处于双余度运行模式；直轴电流id＝0矢量控制是控制系统中两套绕组的电流调节器的直轴给定电流始终为0；当电机定子上的两套三相对称Y接绕组正常，电机处于双余度运行模式时，控制系统的速度电流双闭环调速系统共用同一个速度调节器，给定速度与实际负反馈速度比较后输入到速度调节器，速度调节器的输出再经过绝对值最大限幅后作为两套绕组电流调节器的交轴给定电流分别输入到两套绕组的电流调节器，两套绕组的交轴、直轴给定电流与负反馈的交轴、直轴实际电流各自一一对应的比较后分别输入到各自的电流调节器，两套绕组电流调节器的输出分别是两套绕组的交轴、直轴给定电压，两套绕组的交轴、直轴给定电压经旋转逆变换后的输出分别是两套绕组两相静止坐标系中两个给定电压；两个给定电压分别输入到两套绕组的SVPWM生成器，两套绕组的SVPWM生成器分别输出6路PWM脉冲，两套6路PWM脉冲分别控制与两套绕组对应的两台逆变器中三相逆变桥的6个功率开关管，两台逆变器分别输出三相PWM电压为电动机定子上的两套绕组供电；控制系统在完成控制策略控制命令执行的同时，系统中的故障诊断及余度控制器均进行一次电机线圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈益广，陈雪敏，沈勇环，张博，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12