一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法，所述方法包括采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；建立凸极永磁同步电机的故障描述模型；建立2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；根据故障描述模型和2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型获得d轴和q轴的故障电流表达式；根据故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；所述获得所述故障诊断中间变量时，通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；根据故障诊断中间变量获得的定子匝间短路故障严重程度评估结果以及位置角度；所述故障绕组严重程度评估结果根据获得的抗扰故障严重程度参数与预设参数范围比较得出。

【技术实现步骤摘要】
一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统
本专利技术涉及故障诊断领域，更具体地，涉及一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统。
技术介绍
随着社会对节能环保需求的日益增加，我国新能源电动汽车产业得到了快速发展。作为电动汽车的核心部件，逆变器驱动的高效闭环交流电机系统得到了技术人员的广泛关注。其中，凸极永磁同步电机具有高功率密度、大输出转矩的特点，在电动汽车牵引系统中具有广阔的应用前景。运行中的永磁电机通常处于强振动、高湿度甚至极端温度等恶劣工况，定子绕组长期处于多种应力的作用下，易引发局部过热、性能退化，致使绕组匝间出现短路故障。伴随故障的恶化电机绕组完全损毁，会对人身安全、财产安全造成严重危害。为了避免上述恶性事故的发生，目前主要采用定子绕组人工例行检修进行故障诊断的方法。但是该方法不但耗费时间、经济成本，且难以应对行驶过程中的突发故障异常。近年来，基于状态信息参量的在线定子匝间短路故障诊断技术逐步兴起，但是受控制器闭环调节的影响，“负序分量、电流频谱特征分量”等传统电网驱动电机的诊断方法，并不能直接应用于逆变器驱动电机；为克服这一问题，研究人员提出了“阻抗参数法、模型参考法”等方案，通过综合电压、电流信息，以解耦闭环控制的干扰。但此方案虽可以对逆变器驱动电机进行故障诊断，但这类方案极易受到“非故障型定子电阻不对称”的干扰，而轻微的定子电阻不对称在电机中十分常见，这导致这类方案极易发生定子匝间短路故障的误判、错判，严重降低诊断结果的可靠性与有效性。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
存在的现有定子匝间短路故障诊断技术应用于逆变器驱动时极易受到非故障型定子电阻不对称的干扰，使得定子匝间短路故障发生误判和错判，诊断结果可靠性低的问题，本专利技术提供了一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统，所述方法及系统手闭环控制影响小，仅利用电机电流信号与控制器内部信号，即可实现匝间短路故障诊断，且同时具备定子电阻不对称干扰的抑制能力，使诊断结果不受定子电阻不对称的干扰；所述一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法包括：采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；建立凸极永磁同步电机的故障描述模型；建立2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；根据故障描述模型和2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型获得d轴和q轴的故障电流表达式；所述故障电流表达式中同时包含绕组匝间短路故障分量以及定子电阻不对称干扰分量；根据故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；所述获得所述故障诊断中间变量时，通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；根据故障诊断中间变量获得的定子匝间短路故障严重程度评估结果以及位置角度；所述故障绕组严重程度评估结果根据获得的抗扰故障严重程度参数与预设参数范围比较得出；其中，N为正整数；进一步的，所述故障描述模型的建立方法包括：根据凸极永磁电机三相绕组每一相的电流构建相电流旋转矢量并根据转子位置同步信号构建同步信号旋转矢量；根据相电流旋转矢量以及转子位置同步信号获得d轴电流以及q轴电流；根据d轴电流、q轴电流以及凸极永磁同步电机参数建立故障描述模型；所述故障描述模型通过短路匝电流相量描述d轴以及q轴相电压相量；进一步的，所述2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型中包含调制比波动引入的旁带分量，所述调制比波动引入的旁带分量代表非故障型定子电阻不对称引入的干扰源；进一步的，所述d轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的d轴谐波分量频率为2Nfc的d轴谐波分量以及频率为2Nfc+2f1的d轴谐波分量所述q轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的q轴谐波分量频率为2Nfc的q轴谐波分量以及频率为2Nfc+2f1的q轴谐波分量其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率；进一步的，所述d轴故障诊断中间变量FId以及q轴故障诊断中间变量FIq的计算公式为其中，θr为转子角度、e为自然常数、j为虚部单位；进一步的，所述抗扰故障严重程度FSF的计算公式为：其中，Re[]为取实部操作，J1[]为1阶第一类贝塞尔函数，M0为调制比M的直流分量幅值，udc为直流母线电压；进一步的，所述定子匝间短路故障定位角度FLA的计算公式为：其中，Im[]为取虚部操作，∠[]为复数取角度操作，||为复数取模操作，j为虚部单位。所述一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断系统包括：数据采集单元，所述数据采集单元用于采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；所述数据采集单元向系统中其他所有单元发送采集数据；数学模型建立单元，所述数学模型建立单元用于建立凸极永磁同步电机的故障描述模型以及以2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；所述数学模型建立单元用于将建立的数学模型发送至故障诊断变量生成单元；故障诊断变量生成单元，所述故障诊断变量生成单元用于根据数学模型建立单元传输的数学模型生成故障诊断中间变量；所述故障诊断中间变量通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；所述故障诊断中间变量包括d轴故障诊断中间变量以及q轴故障诊断中间变量；所述故障诊断变量生成单元将故障诊断中间变量传输至故障严重程度评估单元以及故障位置角度计算单元；故障严重程度评估单元，所述故障严重程度评估单元用于根据故障诊断变量生成单元传输的故障诊断中间变量生成定子匝间短路故障严重程度参数，并将所述定子匝间短路故障严重程度参数与预设参数范围进行比较，得出定子匝间短路故障严重程度评估结果；故障位置角度计算单元，所述故障位置角度计算单元用于根据故障诊断变量生成单元传输的故障诊断中间变量计算故障绕组的位置角度；进一步的，所述故障诊断变量生成单元用于根据数学模型建立单元传输的数学模型生成d轴以及q轴故障电流表达式，并通过所述故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；进一步的，所述故障电流表达式谐波分量的频率包括2Nfc-2f1、2Nfc以及2Nfc+2f1；其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率。本专利技术的有益效果为：本专利技术的技术方案，给出了一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法及系统，所述方法及系统选择逆变器固有开关谐波作为激励，综合凸极永磁电机高频故障模型，并基于坐标变换，建立同步系电流信号中包含的定子绕组匝间短路故障描述模型；所述方法及系统考虑了定子绕组电阻不对称干扰经由闭环回路与调制过程，会在开关电流谐波中引入类似匝间短路故障特征的混淆分量，提出了故障诊断中间变量的计算公式，实现了定子绕组电阻不对称干扰的消除；并综合同步系双轴向故障诊断中间变量的有效信息，在消除定子绕组电阻不对称干扰的基础上，完成了定子匝间短路故障的严重程度评估与定位角度计算。所述方法及系统计算便捷、易于实现、诊断精度高，适用于电动汽车用凸极永磁同步电机系统，仅利用电机电流信号与控制器内部信号，即可实现匝间短路故障诊断，同时具备定子绕组电阻不对称干扰的抑制能力。附图说明通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本专利技术的示例性实施方式：图1为本专利技术具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法，所述方法包括：采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；建立凸极永磁同步电机的故障描述模型；建立2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；根据故障描述模型和2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型获得d轴和q轴的故障电流表达式；所述故障电流表达式中同时包含绕组匝间短路故障分量以及定子电阻不对称干扰分量；根据故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；所述获得所述故障诊断中间变量时，通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；根据故障诊断中间变量获得的定子匝间短路故障严重程度评估结果以及位置角度；所述故障绕组严重程度评估结果根据获得的抗扰故障严重程度参数与预设参数范围比较得出；其中，N为正整数。

【技术特征摘要】
1.一种凸极永磁同步电机定子绕组匝间短路抗干扰故障诊断方法，所述方法包括：采集凸极永磁电机三相绕组每一相的电流以及控制器信号；所述控制器信号包括调制比信号、直流母线电压以及转子位置同步信号；建立凸极永磁同步电机的故障描述模型；建立2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型；根据故障描述模型和2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型获得d轴和q轴的故障电流表达式；所述故障电流表达式中同时包含绕组匝间短路故障分量以及定子电阻不对称干扰分量；根据故障电流表达式的谐波分量获得对应轴向的故障诊断中间变量；所述获得所述故障诊断中间变量时，通过共轭相减消除定子绕组不对称干扰分量；根据故障诊断中间变量获得的定子匝间短路故障严重程度评估结果以及位置角度；所述故障绕组严重程度评估结果根据获得的抗扰故障严重程度参数与预设参数范围比较得出；其中，N为正整数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述故障描述模型的建立方法包括：根据凸极永磁电机三相绕组每一相的电流构建相电流旋转矢量并根据转子位置同步信号构建同步信号旋转矢量；根据相电流旋转矢量以及转子位置同步信号获得d轴电流以及q轴电流；根据d轴电流、q轴电流以及凸极永磁同步电机参数建立故障描述模型；所述故障描述模型通过短路匝电流相量描述d轴以及q轴相电压相量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述2N倍载波频段的开关电压谐波数学模型中包含调制比波动引入的旁带分量，所述调制比波动引入的旁带分量代表非故障型定子电阻不对称引入的干扰源。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述d轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的d轴谐波分量频率为2Nfc的d轴谐波分量以及频率为2Nfc+2f1的d轴谐波分量所述q轴故障电流表达式的谐波分量包括频率为2Nfc-2f1的q轴谐波分量频率为2Nfc的q轴谐波分量以及频率为2Nfc+2f1的q轴谐波分量其中，f1为基波频率，fc为调制载波频率。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述d轴故障诊断中间变量FId以及q轴故障诊断中间变量FIq的计算公式为其中，θr为转子角度、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘赫，黄进，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京,11