一種基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，屬于電動汽車電機故障診斷領域，首先采集電機失電瞬間定子端任一相的電壓瞬時信號；從電壓瞬時信號中截取自失電時刻起的失電殘壓波形，初步判斷發(fā)生失磁故障的可能性；對截取的失電殘壓進行頻譜變換，確定基波分量幅值；確定基波分量幅值與電機轉速的比值即為故障特征；設置故障預警閥值，所述故障特征與故障預警閥值的比值即為故障因子；依據(jù)故障因子判斷是否存在失磁故障。本發(fā)明不受變頻器供電的影響，從永磁同步電機本身進行測試，不受負載的影響，有效克服了傳統(tǒng)的利用定子電流進行診斷的不足，可高靈敏度、高可靠性地診斷電動汽車永磁同步電機失磁故障。
【專利說明】—種基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種能夠診斷電動汽車永磁同步電機永磁體失磁故障的方法，屬于電動汽車驅動電機故障診斷領域。
【背景技術】
[0002]永磁同步電機因其結構緊湊、體積小、重量輕、效率高、高轉矩、功率密度高、工作可靠、噪聲低等性能特點，具有電動汽車驅動的最優(yōu)綜合指標，非常適用于電動汽車驅動領域。但電動汽車驅動電機運行環(huán)境惡劣，運行工況復雜，轉子永磁體受到電、磁、熱、機械等應力會產(chǎn)生退磁，一旦永磁體發(fā)生不可逆退磁故障，會導致永磁電機性能指標下降、發(fā)熱和轉矩性能變差，嚴重情況下電機可能失控和報廢。同時，由于永磁電機轉子上嵌入永磁體，永磁體發(fā)生失磁故障是永磁電機特有的故障類型。永磁同步電機在電動汽車領域、風電領域以及航空領域等方面的推廣和應用，使得失磁問題更加引人關注。因此，必須實施對永磁同步電機失磁故障診斷的研究。
[0003]目前國內(nèi)專門針對永磁同步電機故障診斷的研究較常規(guī)電機故障診斷的研究還相對較少，主要研究也是在國外。較多文獻研究提出永磁電機發(fā)生失磁故障之后，在其定子電流中將出現(xiàn)(I土k/p)fe特定頻率的附加電流分量(k為正整數(shù)，P為極對數(shù)，fe為供電頻率)，可以作為失磁故障特征。而電流信號易于采集，因此形成了以定子電流信號為分析對象的不同的失磁故障診斷方法，例如快速傅立葉變換(FFT)方法、希爾伯特黃(HHT)方法、連續(xù)小波變換(CWT)方法、離散小波變換方法(DWT)等。但是利用定子電流進行電機轉子失磁故障診斷，不論是穩(wěn)態(tài)分析還是暫態(tài)分析，仍有一定的局限性:
[0004](I)轉子的其他類型故障也會產(chǎn)生與上述相同的諧波，例如動態(tài)偏心，導致區(qū)分失磁故障與其他類型故障困難。另外，變頻器作為驅動電源其輸出電壓非正弦，含有大量的時間諧波，導致電流中包含大量的諧波成分，這給利用電流諧波診斷失磁故障帶來難題。
[0005](2)當轉子有輕微失磁故障時，定子電流中故障頻率分量相對于基波頻率分量的比值很小，若電機運行于輕載時其比值更小，這給信號處理帶來困難，使得診斷靈敏度下降。
[0006](3)電動機所拖動的負載有時是不平穩(wěn)的，負載的擺動使定子電流發(fā)生畸變，反映在頻譜圖上常表現(xiàn)為基波頻率的各種調(diào)制成分，這些調(diào)制成分的譜峰大多分布于主頻兩偵U。這樣就導致在頻譜圖上難以直觀地看出有無故障頻率分量。
[0007]對于正常運行的永磁同步電機，當其失去外加電源電壓后，氣隙內(nèi)的旋轉磁場僅由轉子永磁體產(chǎn)生的磁勢提供，在定子繞組中產(chǎn)生感應電壓，該電壓并不立即減小到零，而是能保持一定的時間。此電壓稱為失電殘余電壓，簡稱失電殘壓?；谏鲜銮闆r，本發(fā)明提出一種基于失電殘壓的診斷方法，該方法不僅采集電壓信號簡單、方便，而且能克服上述利用定子電流進行診斷本身的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于失電殘壓的電動汽車永磁同步電機失磁故障診斷方法，它能夠克服利用定子電流進行診斷帶來的缺陷，有效提高診斷電動汽車永磁同步電機失磁故障的準確性。
[0009]本發(fā)明具體采用以下技術方案解決上述技術問題:
[0010]一種基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，包括以下步驟:
[0011]步驟(I)利用電壓傳感器采集轉速為η的電機失電瞬間定子端任意一相電壓瞬時信號Us ；
[0012]步驟(2)從采集的定子端電壓瞬時信號Us中截取自失電時刻起的失電殘壓波形，觀察所述失電殘壓波形是否發(fā)生畸變，并進行頻譜分析比較諧波分量是否發(fā)生變化，即初步判斷發(fā)生失磁故障可能性的高低；
[0013]步驟(3)對截取的失電殘壓波形進行頻譜變換，確定失電殘壓波形的基波分量幅值仏；
[0014]步驟(4)確定所述失電殘壓波形的基波分量的幅值U1與電機轉速η的比值即為故障特征C ；
[0015]步驟(5)設置故障預警閥值B，所述故障特征C與故障預警閥值B的比值即為故障因子μ。
[0016]步驟(6)依據(jù)所述故障因子μ判斷是否存在失磁故障。
[0017]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案:所述步驟(2)中截取的失電殘壓波形為從電機失電瞬間立即進行采樣，并且從采樣所`得電壓信號的過零點開始整周期截取，得到待分析的所述失電殘壓波形。
[0018]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案:所述步驟(3)中對截取的失電殘壓波形應用傅立葉變換方法確定基波分量幅值U10
[0019]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案:所述步驟(5)中故障預警閥值B為一動態(tài)閥值，所述故障預警閥值B為電機正常運行狀態(tài)時根據(jù)不同負載下的失電殘壓波形的基波分量幅值與轉速η的比值，或根據(jù)不同轉速η下的失電殘壓波形的基波分量幅值與失電時刻轉速的比值。
[0020]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案:所述故障預警閥值B優(yōu)先采用空載情況下的失電殘壓波形的基波分量幅值與失電時刻轉速的比值。
[0021]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案:所述步驟(6)中根據(jù)所述故障因子μ進行邏輯比較判斷是否存在失磁故障，具體為:
[0022]步驟(6a)預先設定電機處于健康狀態(tài)的故障系數(shù)k1;以及處于失磁故障狀態(tài)的故障系數(shù)k2 ；
[0023]步驟(6b)將所述故障因子μ與k1、k2進行比較；當所述故障因子μ > Ii1，表示電機處于健康狀態(tài)，且故障因子μ越大，電機越健康；當所述故障因子μ <k2，表示電機處于失磁故障狀態(tài)，且其因子越小，失磁故障狀態(tài)越嚴重；當所述故障因子kZ μ <k2,表示電機處于亞健康狀態(tài)。
[0024]本發(fā)明采用上述技術方案，能產(chǎn)生如下技術效果:
[0025]本發(fā)明通過電壓傳感器采集定子端電壓信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀將此信號傳送到計算機，由計算機對電壓信號進行處理，判斷是否存在失磁故障，操作簡單方便。[0026]本發(fā)明突出的優(yōu)點是:不受變頻器供電的影響，變頻器的輸出電壓含有大量的時間諧波，它是從電機本身進行測試，不受負載的影響(如負載大小、負載性質、波動情況等)，有效克服了利用定子電流進行診斷的不足，可高靈敏度、高可靠性地診斷電動汽車永磁同步電機失磁故障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的電壓傳感器采集信號的原理圖。
[0028]圖2為本發(fā)明的基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法采用的結構示意圖。
[0029]圖3為本發(fā)明的永磁同步電機正常情況下失電前后定子端電壓的波形圖。
[0030]圖4為本發(fā)明的永磁同步電機失磁故障情況下失電前后定子端電壓的波形圖。
[0031]圖5為本發(fā)明的永磁同步電機正常情況下失電殘壓頻譜圖。
[0032]圖6為本發(fā)明的永磁同步電機失磁故障情況下失電殘壓頻譜圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式進行描述。
[0034]一種基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，包括以下步驟:
[0035]步驟(I)利用電壓傳感器采集轉速為η的電機失電瞬間定子端任意一相的電壓瞬時信號Us ；
[0036]步驟(2)從采集的定子端電壓瞬時信號Us中截取自失電時刻起的失電殘壓波形，觀察所述失電殘壓波形是否發(fā)生畸變，并進行頻譜分析比較諧波分量是否發(fā)生變化，即初步判斷發(fā)生失磁故障可能性的高低；
[0037]步驟(3)對截取的失電殘壓波形進行頻譜變換，確定失電殘壓波形的基波分量幅值仏；
[0038]步驟(4)確定所述失電殘壓波形的基波分量幅值U1與電機轉速η的比值即為故障特征C ;
[0039]步驟(5)設置故障預警閥值B，所述故障特征C與故障預警閥值B的比值即為故障因子μ ；
[0040]步驟(6)依據(jù)所述故障因子μ判斷是否存在失磁故障。
[0041]上述基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，為準確判斷故障存在與否，首先判斷故障存在的可能性，即失電殘壓波形發(fā)生畸變且其諧波分量發(fā)生變化只能說明發(fā)生失磁故障的可能性比較高，沒有發(fā)生上述變化僅說明可能性低，為準確判斷故障的發(fā)生與否，還需進行故障因子的判斷。對于截取失電殘余信號應盡可能靠前，即盡可能取失電殘壓時域波形中最前面的波進行分析。這是因為隨轉子轉速的衰減，失電殘壓的幅值、頻率也隨之衰減，采集到的失電殘壓信號受傳感器溫漂及精度、噪音等因素影響明顯，易受到干擾，且采集時間也會變長。同時，截取信號應盡可能從信號第一個過零點開始，而從正向過零點或負向過零點開始對其分析沒有影響，截取波形應盡量整周期截取，即從電壓信號過零點開始，截取失電殘壓信號的整數(shù)個周期，否則會使頻譜分析產(chǎn)生較大的誤差。因此，從定子端電壓瞬時信號Us中截取的失電殘壓波形，是指電機失電后的前幾個周期之內(nèi)的定子端電壓信號，如10個或8個周期，且波形為整周期信號。
[0042]電動汽車運行工況復雜，永磁同步電機的運行狀態(tài)隨負載、轉速的變化而變化，因此故障預警閥值B也是隨負載、轉速的變化而變化的，并不是唯一不變的值。所述的故障預警閥值B，是指電機正常運行狀態(tài)時根據(jù)不同負載下的失電殘壓波形的基波分量幅值與轉速η的比值，或根據(jù)不同電機轉速η下的失電殘壓波形的基波分量幅值與失電時刻轉速的比值。故障預警閥值B優(yōu)先采用空載情況下的失電殘壓波形的基波分量幅值與失電時刻轉速的比值進行故障邏輯比較。
[0043]為了不局限于對某一特定電機系統(tǒng)進行故障判斷，且為了更全面細致對電動汽車永磁同步電機的健康狀態(tài)做出判斷，預先設定電機處于健康狀態(tài)的故障系數(shù)Ic1，以及處于失磁故障狀態(tài)的故障系數(shù)k2。當判斷故障時故障因子μ ，表示電機處于健康狀態(tài)，且其因子越大，電機越健康；故障因子μ <k2，表示電機處于失磁故障狀態(tài)，且其因子越小，失磁故障狀態(tài)越嚴重；當故障因子1^〈μ <k2，表示電機處于亞健康狀態(tài)，需要加強監(jiān)測。
[0044]下面為列舉采用本方法的一個具體實施例:
[0045]本發(fā)明采用圖1所示電路進行采集信號，該電路由霍爾電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集儀以及計算機組成，永磁同步電機失電后定子端電壓瞬時信號通過霍爾電壓傳感器，霍爾傳感器輸出端由電纜線接數(shù)據(jù)采集儀的一個模擬信號輸入通道，數(shù)據(jù)采集儀的輸出端口接便攜式計算機的USB 口。便攜式計算機通過與尼高力采集儀相配套的采集數(shù)據(jù)軟件設定采集頻率、采集時長等參數(shù)，將采集到的定子端電壓瞬時信號以txt格式存儲與硬盤，再由便攜式計算機對電壓信號進行處理，判斷是否存在失磁故障。
[0046]本發(fā)明采用圖1所示電路進行采集信號，該電路由霍爾電壓傳感器、尼高力采集儀以及便攜式計算機組成，該霍爾電壓傳感器由兩臺量程為O~15V的穩(wěn)壓電源供電，其信號輸入兩端口分別接于永磁同步電機定子繞組的一個相線接線柱、地線接線柱，其信號輸出端由電纜線接尼高力采集儀的一個模擬信號輸入通道，該尼高力采集儀的輸出端口接便攜式計算機的USB 口。尼高力采集儀英文名稱為LDS Test and Measurement LLC,采用7700信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)，集成了低通濾波器、信號采集保持、模/數(shù)轉換等電路。便攜式計算機的型號是聯(lián)想Y480。永磁同步電機失電前后定子端電壓瞬時信號送至尼高力采集儀，尼高力采集儀通過USB接口連接至便攜式計算機。便攜式計算機通過與尼高力采集儀相配套的采集數(shù)據(jù)軟件設定采集頻率、采集時長等參數(shù)，將采集到的定子端電壓瞬時信號以txt格式存儲與硬盤，再由便攜式計算機對電壓信號進行處理，判斷是否存在失磁故障。該配套軟件基于Windows 7操作系統(tǒng)并采用Visual Studio 2010應用程序開放平臺編制。
[0047]A.霍爾電壓傳感器輸入兩端口分別接于電機定子接線端、接地端，再采集穩(wěn)定運行在轉速為η的電機失電前后電機定子端三相中的任意一相的電壓瞬時信號Us ;米集頻率設定為5kHz、采樣時間設定為Is ；
[0048]B.從采集的定子端電壓瞬時信號Us中根據(jù)設定周期個數(shù)截取自失電時刻起的失電殘壓波形，首先觀察它較正常時是否發(fā)生畸變，然后并對其進行頻譜分析，比較諧波分量較正常時是否發(fā)生變化，進而初步判斷發(fā)生失磁故障可能性的高低；該步驟是判斷故障存在的可能性，即失電殘壓波形發(fā)生畸變且其諧波分量發(fā)生變化只能說明發(fā)生失磁故障的可能性比較高。
[0049]C.對截取的所述失電殘壓波形應用快速傅立葉變換方法，確定前幾個周期(如前10個周期)的波形基波分量的幅值U1 ；
[0050]D.確定提取的失電殘壓波形的基波分量幅值U1與轉速η的比值C，把它作為故障特征；
[0051]Ε.根據(jù)電動汽車永磁同步電機剛出廠在不同負載、不同轉速情況下的失電殘壓基波分量的幅值與失電時刻轉速的比值集，設置一個故障預警閥值B，C與故障預警閥值B的比值即為故障因子μ，優(yōu)先采用空載情況下的失電殘壓基波分量的幅值與失電時刻轉速的比值進行故障邏輯比較；
[0052]F.根據(jù)故障因子μ判斷是否存在失磁故障；首先設定處于健康狀態(tài)的故障系數(shù)4=1.05，設定失磁故障狀態(tài)的故障系數(shù)1 2=0.95。當故障因子μ >1.05，表示電機處于健康狀態(tài)，且其因子越大，健康狀態(tài)越明確；故障因子μ <0.95，表示電機處于失磁故障狀態(tài)，且其因子越小，故障狀態(tài)越嚴重。當故障因子0.95〈μ〈1.05，表示電機處于亞健康狀態(tài)，需要加強監(jiān)測。
[0053]本具體實施例中的電機可以為剛出廠的永磁同步電機，其各項性能指標良好，且試驗的環(huán)境對電機運行的影響很小，所以可以設置的健康狀態(tài)的故障系數(shù)稍小(相對于1)，而失磁故障狀態(tài)的故障系數(shù)稍大(相對于I)。
[0054]基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法的采用的結構如圖2所示，其中電網(wǎng)側工頻交流電經(jīng)過三相空氣開關(起保護電機系統(tǒng)的作用)輸入至大功率直流開關電源，它將三相交流電整流成直流并將電壓升到能滿足電機正常運轉的高壓(其實電網(wǎng)側及大功率直流開關電源相當于電動汽車中蓄電池供電升壓系統(tǒng))直流高壓輸入至電機控制器做為其輸入電源；PC機輸入的電機工作指令經(jīng)過CAN盒給電機控制器，將輸入的直流電源逆變成三相交流電同時變頻，驅動帶有負載的永磁同步電機工作；霍爾電壓傳感器采集電機任意一相的定子端電壓，將采集到的電壓信號輸入至數(shù)據(jù)采集儀，設置適當?shù)牟杉l率及采集時長，經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀處理并采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機進行分析處理。電機采用電動汽車用270ZWS002型三相交流永磁同步電機(8極、42kW、375VDC、4000rpm)，除正常轉子外，另行配備設置不同故障形態(tài)的轉子以模擬失磁故障，具體設置故障:從轉子對稱位置的四個永磁體槽內(nèi)各去除長度約為總長度5%的永磁體。
[0055]對于圖3，表示正常電機在輕載、穩(wěn)定運行在轉速1744rpm情況下的失電前后定子端電壓及其局部放大波形圖。圖4表示故障電機在輕載、穩(wěn)定運行在轉速1687rpm情況下的失電前后定子端電壓及其局部放大波形圖。圖5表示正常電機在輕載、穩(wěn)定運行在轉速1744rpm情況下的失電殘壓頻譜圖。圖6表示故障電機在輕載、穩(wěn)定運行在轉速1687rpm情況下的失電殘壓頻譜圖。
[0056]根據(jù)圖3、圖4可知:故障電機的失電殘壓波形較正常電機發(fā)生了畸變，又由圖5、圖6可見電機失磁故障后，失電殘壓中的3次、5次、7次、9次、11次諧波分量明顯增強，表明可以通過觀察電機的失電殘壓波形及其頻譜圖初步診斷失磁故障，判斷發(fā)生失磁故障可能性的高低。由于諧波分量增強，初步判斷發(fā)生失磁故障的可能性比較高，為了準確判斷失磁故障發(fā)生與否，還需計算失磁故障因子，并與預先設置的故障系數(shù)進行比較，得到最終的結果。
[0057]表I為正常電機、故障電機在輕載、穩(wěn)定運行在不同轉速情況下依據(jù)本發(fā)明的方法得到的故障因子。表中ηι、η2分別為正常和故障電機失電時刻的轉速。[0058]表I實驗電機的故障因[OO59]
【權利要求】
1.一種基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟(I)利用電壓傳感器采集轉速為η的電機失電瞬間定子端任意一相的電壓瞬時信號Us ； 步驟(2)從采集的定子端電壓瞬時信號Us中截取自失電時刻起的失電殘壓波形，觀察所述失電殘壓波形是否發(fā)生畸變，并進行頻譜分析比較諧波分量是否發(fā)生變化，即初步判斷發(fā)生失磁故障可能性的高低； 步驟(3)對截取的失電殘壓波形進行頻譜變換，確定失電殘壓波形的基波分量幅值U1; 步驟(4)確定所述失電殘壓波形的基波分量的幅值U1與電機轉速η的比值即為故障特征C; 步驟(5)設置故障預警閥值B，所述故障特征C與故障預警閥值B的比值即為故障因子μ ； 步驟(6)依據(jù)所述故障因子μ判斷是否存在失磁故障。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，其特征在于:所述步驟(2)中截取的失電殘壓波形為從電機失電`瞬間立即進行采樣，并且從采樣所得電壓信號的過零點開始整周期截取，得到失電殘壓波形。
3.根據(jù)權利要求1所述基的基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，其特征在于:所述步驟(3)中對截取的失電殘壓波形應用傅立葉變換方法確定基波分量幅值U10
4.根據(jù)權利要求1所述基的基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，其特征在于:所述步驟(5)中故障預警閥值B為一動態(tài)閥值，所述故障預警閥值B為電機正常運行狀態(tài)時根據(jù)不同負載下的失電殘壓波形的基波分量幅值與轉速η的比值，或根據(jù)不同轉速η下的失電殘壓波形的基波分量幅值與失電時刻轉速的比值。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，其特征在于:所述故障預警閥值B優(yōu)先采用空載情況下的失電殘壓波形基波分量幅值與失電時刻轉速的比值。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于失電殘壓的永磁同步電機失磁故障診斷方法，其特征在于:所述步驟(6)中根據(jù)所述故障因子μ進行邏輯比較判斷是否存在失磁故障，具體為: 步驟(6a)預先設定電機處于健康狀態(tài)的故障系數(shù)k1;以及處于失磁故障狀態(tài)的故障系數(shù)讓2 ； 步驟(6b)將所述故障因子μ與匕、1-2進行比較；當所述故障因子μ >ki，表示電機處于健康狀態(tài)，且故障因子μ越大，電機越健康；當所述故障因子μ <k2，表示電機處于失磁故障狀態(tài)，且其因子越小，失磁故障狀態(tài)越嚴重；當所述故障因子ki〈 μ <k2,表示電機處于亞健康狀態(tài)。
【文檔編號】G01R31/34GK103454585SQ201310378729
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權日:2013年8月27日
【發(fā)明者】馬宏忠, 鐘欽, 張志艷, 趙宏飛, 朱躍光, 徐剛, 陳濤濤 申請人:河海大學