一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，包括：S1、计算α

【技术实现步骤摘要】
一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法


[0001]本专利技术涉及传感器故障检测领域，尤其涉及一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，感应电机驱动(induction motor drive，IMD)系统突破了复杂的非线性控制结构的限制，成为电力机车、暖通空调和家用电器等领域应用最为广泛的电机类型。一旦电机电流反馈值出现异常，采用矢量控制的整个控制系统将无法正常运行。为此，一些学者和科研人员开始关注一些重要传感器的故障诊断以及容错控制，以使得在传感器故障出现的时刻能够被立刻判断出来，并且在隔离该故障传感器信号的同时将通过其他方式获得传感器反馈值的替代值用以实现系统的继续正常运行。而在现有的很多电机控制系统中都采用了三个电机电流传感器，因而大多数电机电流传感器的故障诊断方案是针对三个传感器进行的。但在一些恶劣的环境中为了提高系统运行的可靠性或者为了降低整个系统的构建成本，通常会采用两个电流传感器，并且利用基尔霍夫电流定律获得第三相电流。
[0003]目前使用的基于观测器的检测方式是利用观测器观测电机电流，将观测出的电机电流信号与传感器检测反馈的信号进行对比，以判断传感器是否存在异常。但是，观测器的使用对系统模型以及系统参数存在依赖，模型的精确程度对观测器的观测结果会造成一定程度的影响，并且测量噪声也会使得观测器的观测结果产生一定的偏差。
[0004]另一种检测方式是基于知识的检测方式：包括专家系统、模糊理论、人工神经网络等。将各种人工智能技术(符号智能或者计算智能)应用于工业过程的历史数据的分析，可提取出系统的隐藏关键数据。但是，在检测和诊断故障中，这些方法需要先验知识和大量的历史数据。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，以克服上述问题。本专利技术在只有两个电机电流传感器的基础上，基于检测信号分析的方法，从故障传感器的信号中提取相关信息，利用三级差分算子和延迟算法的检测方式对电流传感器的故障进行检测。同时，利用系统的参考给定信号构建出传感器反馈信号的故障部分并进行替代，以实现系统在隔离故障传感器信号之后的正常运行，且本专利技术仅针电流传感器信号完全丢失情况下的故障判断。
[0006]本专利技术包括以下步骤：
[0007]S1、根据Clark变换原则，将电机a、b两相电流传感器的反馈值变换为对应的α和β轴电流值；将α
‑
β坐标系逆时针旋转120
°
，计算a、b两相电流传感器的反馈值在逆时针旋转后坐标系下对应的β轴电流值；
[0008]S2、为在故障时立刻检测出电流传感器异常，提出一种三级差分算法。根据三级差分算子计算公式，计算S1中α
‑
β坐标系旋转前α和β轴电流以及旋转后β轴电流值的第三级差
分值的绝对值；
[0009]S3、将S2中计算得到的第三级差分值的绝对值，即故障时刻的脉冲幅值，与设定的阈值进行对比，根据对比结果判断出两相电流传感器故障初始时刻；所述阈值根据经验设定；
[0010]S4、S3中在故障初始时刻，电流传感器故障的差分标志位进行置位，表示此时存在电流传感器故障；
[0011]S5、为防止S4所述的故障出现误报，提出一种延迟算法，在差分标志位进行置位后，检测并记录a、b相电流传感器的当前电机电流与上一个采样周期的电机电流差值为0的持续时间；
[0012]S6、若S5所述的记录时间超过设定阈值，则机车显示屏报出相应的传感器故障；
[0013]S7、当机车报出传感器故障后，相应的电流传感器反馈到控制系统中的电流信号将不能再采用，为保证控制能够继续稳定运行，将错误的α或β轴电流信号进行替换；利用控制器给定值经过变换后作为异常反馈值的替换值，即根据反Park变换原则，利用两相旋转坐标下的d
‑
q轴电流给定值获得α
‑
β轴下的电流估算值，根据具体故障类型选择性替换α或β轴电流的异常值。
[0014]进一步地，S1中该电流传感器故障判断不同于传统电流传感器故障判断需要三相电流反馈值的方式，该方法仅采用了两个电流传感器反馈值。
[0015]进一步地，S1中α
‑
β坐标系旋转前β轴与a轴重合，逆时针旋转120
°
后，β轴与b轴重合；由此可以获得两个不同的Clark变换矩阵，综合这两个矩阵，实现a、b轴电流与α、β轴电流之间故障对应关系上的解耦。
[0016]进一步地，S1中β轴分别与a、b轴重合下Cark变换后α轴、β轴的电流计算公式为：
[0017][0018]其中，i
as
表示a轴电机定子电流，i
bs
表示b轴电机定子电流；i
αs
表示经过Clark变换后α轴的电流，i
βs
表示经过Clark变换后β轴的电流；
[0019]将α
‑
β坐标系逆时针旋转120
°
后α轴、β轴的电流计算公式为：
[0020][0021]其中，i
′
αs
表示α轴旋转120
°
后经过Clark变换后的电流，i
′
βs
表示β轴旋转120
°
后经过Clark变换后的电流。
[0022]进一步地，S2中采用了一种新的电流故障判断方式，即电流信号即使产生微小瞬时变化，其不同级的差分值都会产生高幅值的脉冲；而第三次差分运算产生的脉冲幅值远高于其他差分运算产生的脉冲幅度。
[0023]进一步地，S2中设电流信号产生微小变化时的电流为t0时刻的电流，下一周期的电流为t1时刻的电流，依次类推。一级差分值即为后一周期的值与前一周期的值的差值，二级差分值即为一级差分值的差分值，依次类推。因第三级差分值远大于前两级差分值，可以作为故障判断的依据。
[0024]进一步地，S5中延迟算法用于防止故障误报；
[0025]所述延迟算法包括：
[0026]将电流传感器测得的正弦相位电流信号与其延迟信号进行对比，读取由电流传感器测量的瞬时电流值；
[0027]在下一个采样周期，读取另一瞬时电流值；
[0028]相邻采样周期电流值偏差的绝对值计算公式为：
[0029]Index_i＝|i
‑
i
delay
|
ꢀꢀ
(3)
[0030]其中，i表示当前电流值；i
delay
表示上一周前电流值；Index_i表示相邻采样周期电流值偏差的绝对值。
[0031]Index_i这一偏差值的绝对值为0持续时间超过设定值，则报电流传感器故障。
[0032]进一步地，S7中由Park逆变换矩阵和d、q轴给定参考值可以计算得到α
‑
β轴电流的估算值包括：
[0033]1)β轴与a轴重合：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，包括：S1、根据Clark变换原则，将电机a、b两相电流传感器的反馈值变换为对应的α和β轴电流值；将α
‑
β坐标系逆时针旋转120
°
，计算a、b两相电流传感器的反馈值在逆时针旋转后坐标系下对应的β轴电流值；S2、为在故障时立刻检测出电流传感器异常，提出一种三级差分算法。根据三级差分算子计算公式，得到S1中α
‑
β坐标系旋转前α和β轴电流以及旋转后β轴电流值的第三级差分值的绝对值；S3、将S2中计算的第三级差分值的绝对值，即故障时刻的脉冲幅值，与设定的阈值进行对比，根据对比结果判断出两相电流传感器故障初始时刻；所述阈值根据经验设定；S4、S3中在故障初始时刻，电流传感器故障的差分标志位进行置位，表示此时存在电流传感器故障；S5、为防止S4所述的故障出现误报，提出一种延迟算法，在差分标志位进行置位后，检测并记录a、b相电流传感器的当前电机电流与上一个采样周期的电机电流差值为0的持续时间；S6、若S5所述的记录时间超过设定阈值，则机车显示屏报出相应的传感器故障；S7、如S6所述，当机车报出传感器故障后，相应的电流传感器反馈到控制系统中的电流信号将不能再采用，此时为保证控制能够继续稳定运行，需要将异常的α或β轴电流信号进行替换。本发明利用控制器给定值经过变换后作为异常反馈值的替换值，即根据反Park变换原则，利用两相旋转坐标下的d
‑
q轴电流给定值获得α
‑
β轴下的电流估算值，根据具体故障类型选择性替换α或β轴电流的异常值。2.根据权利要求1所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，所述S1中该电流传感器故障判断不同于传统电流传感器故障判断需要三相电流反馈值的方式，该方法仅采用了两个电流传感器反馈值。3.根据权利要求1所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，所述S1中α
‑
β坐标系旋转前β轴与a轴重合，逆时针旋转120
°
后，β轴与b轴重合。由此可以获得两个不同的Clark变换矩阵，而综合这两个矩阵，可以实现a、b轴电流与α、β轴电流之间故障对应关系上的解耦。4.根据权利要求3所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，β轴分别与a、b轴重合下Cark变换后α轴、β轴的电流计算公式为：其中，i
as
表示a轴电机定子电流，i
bs
表示b轴电机定子电流；i
αs
表示经过Clark变换后α轴的电流，i
βs
表示经过Clark变...

【专利技术属性】
技术研发人员：张戟，吴志友，张林，
申请(专利权)人：中车大连电力牵引研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：