一种双凸极电机电流传感器信号丢失故障诊断方法

1.本发明涉及一种电流传感器故障诊断方法，尤其是一种双凸极电机电流传感器信号丢失故障诊断方法。


背景技术：

2.双凸极电机驱动系统常见的控制策略是转速电流双闭环控制，其中，电流闭环需要精确的相电流反馈信息。电流传感器信号丢失故障表现为传感器输出恒为0，当电流传感器存在信号丢失故障时，对双凸极电机驱动系统的影响如下：会产生过电流，这将严重影响系统性能。
3.另一方面，现有研究文献所提出的双凸极电机的本体开路故障和/或功率管开路故障时，电流传感器的输出也为0，即与电流传感器信号丢失故障时电流传感器输出值相同，而容错控制的前提是精确的故障定位。因此，如何精确实现电流传感器信号丢失故障的诊断是目前急需解决的技术难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种双凸极电机电流传感器信号丢失故障诊断方法，其能有效实现对双凸极电机电流传感器信号丢失的故障诊断，提高故障诊断的精度与可靠性。
5.按照本发明提供的技术方案，所述双凸极电机电流传感器信号丢失故障诊断方法，
6.配置用于获取双凸极电机相电流的电流传感器组，以及配置所述电流传感器组内电流传感器的故障检测表达式，其中，所配置的电流传感器故障检测表达式为：
7.f
de
＝tf∩fz8.其中，f
de
为故障检测标志位，tf为故障检测持续时间判断标志位，fz为等效零电流阈值判断标志位；
9.对故障检测持续时间判断标志位tf以及等效零电流阈值判断标志位fz，则有：
[0010][0011]
其中，t为对一电流传感器的故障检测持续时间，δ1为故障检测时间阈值，i为电流传感器组内一电流传感器输出的电流值，z0为等效零电流阈值，z0》0；
[0012]
对任一电流传感器进行故障诊断时，当故障检测标志位f
de
为1时，获取所述双凸极电机的转速信息，根据所获取的转速信息确定所述双凸极电机处于转速上升状态时，判定电流传感器组内当前电流传感器处于信号丢失故障状态。
[0013]
对故障检测时间阈值δ1，则有：
[0014][0015]
其中，k1为正整数，ts为电流传感器的电流采样周期，tm为双凸极电机的转子在一扇区启动时电流从0上升至等效零电流阈值z0的时间。
[0016]
对时间tm，则有：
[0017][0018]
其中，l
pmax
为电机自感最大值，l
pmin
为电机自感最小值，r为电机的电枢绕组内阻，u
dc
为直流母线电压。
[0019]
确定故障检测标志位f
de
为1时，根据所获取的转速信息确定所述双凸极电机处于转速下降状态时，则判定当前故障为逆变器故障或双凸极电机的相绕组开路故障。
[0020]
根据转速信息确定双凸极电机处于转速上升状态或转速下降状态时，有：
[0021]
δn＝n(t0 kwtw)-n(t0)
[0022]
其中，δn为转速变化量，t0为故障检测标志位f
de
＝1对应的时刻，kw为正整数，tw为转速采样周期；n(t0)为t0时刻的转速值，n(t0 kwtw)为t0 kwtw时刻的转速值；
[0023]
当δn》n
th
，则确定双凸极电机处于转速上升状态；当δn《-n
th
，确定双凸极电机处于转速下降状态；n
th
为转速阈值。
[0024]
对正整数kw，则有：
[0025][0026]
其中，tn为从故障检测标志位f
de
＝1对应的时刻至双凸极电机的转子换相对应的时间，θn为故障检测标志位f
de
＝1对应的电角度到换相时刻对应的电角度差值，p为双凸极电机的转子极对数，n
′
为稳态转速，k
w1
为正整数。
[0027]
所述直流母线电压u
dc
通过逆变器与双凸极电机适配连接，电流传感器组至少包括两个电流传感器，两个电流传感器分别与所述双凸极电机相应的绕组适配连接。
[0028]
所述逆变器包括功率管t1、功率管t2、功率管t3、功率管t4、功率管t5以及功率管t6，其中，
[0029]
功率管t1的集电极端、功率管t3的集电极端以及功率管t5的集电极与直流母线电压u
dc
的正极端连接，功率管t1的发射极端与功率管t4的集电极端以及双凸极电机的a相绕组的一端连接，功率管t3的发射极端与功率管t6的集电极端以及双凸极电机的b相绕组的一端连接，功率管t5的发射极端与功率管t2的集电极端以及双凸极电机的c相绕组的一端连接，a相绕组的另一端、b相绕组的另一端以及c相绕组的另一端相互连接；
[0030]
功率管t4的发射极端、功率管t6的发射极端以及功率管t2的发射极端均与直流母
线电压u
dc
的负极端适配连接。
[0031]
所述功率管t1的发射极端与二极管d1的阳极端连接，二极管d1的阴极端与功率管t1的集电极端连接，功率管t3的发射极端与二极管d3的阳极端连接，二极管d3的阴极端与功率管t3的集电极端连接，功率管t5的发射极端与二极管d5的阳极端连接，二极管d5的阴极端与功率管t5的集电极端连接；
[0032]
功率管t4的发射极端与二极管d4的阳极端连接，二极管d4的阴极端与功率管t4的集电极端连接，功率管t6的发射极端与二极管d6的阳极端连接，二极管d6的阴极端与功率管t6的集电极端连接；功率管t2的发射极端与二极管d2的阳极端连接，二极管d2的阴极端与功率管t2的集电极端连接。
[0033]
还包括与直流母线电压u
dc
并联的滤波电容c1。
[0034]
本发明的优点：配置所述电流传感器组内电流传感器的故障检测表达式，其中，所配置的电流传感器故障检测表达式包括为故障检测持续时间判断标志位tf以及等效零电流阈值判断标志位fz；对任一电流传感器进行故障诊断时，当故障检测标志位f
de
为1时，获取所述双凸极电机的转速信息，根据所获取的转速信息确定所述双凸极电机处于转速上升状态时，判定电流传感器组内当前电流传感器处于信号丢失故障状态，能有效实现对双凸极电机电流传感器信号丢失的故障诊断，提高故障诊断的精度与可靠性。
附图说明
[0035]
图1为本发明的故障诊断流程图。
[0036]
图2为本发明双凸极电机的逆变器拓扑。
[0037]
图3为双凸极电机工作时的电感变化曲线示意图。
[0038]
图4为逆变器内功率管的工作逻辑状态图。
[0039]
图5为双凸极电机启动过程中相电流与转速变化的对应关系图。
[0040]
图6为本发明确定故障定位特征值的具体流程图。
具体实施方式
[0041]
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0042]
如图1所示：为了能有效实现对双凸极电机电流传感器信号丢失的故障诊断，提高故障诊断的精度与可靠性，本发明对双凸极电机电流传感器故障诊断时，具体为：
[0043]
配置用于获取双凸极电机相电流的电流传感器组，以及配置所述电流传感器组内电流传感器的故障检测表达式，其中，所配置的电流传感器故障检测表达式为：
[0044]fde
＝tf∩fz[0045]
其中，f
de
为故障检测标志位，tf为故障检测持续时间判断标志位，fz为等效零电流阈值判断标志位；
[0046]
对故障检测持续时间判断标志位tf以及等效零电流阈值判断标志位fz，则有：
[0047][0048]
其中，t为对一电流传感器的故障检测持续时间，δ1为故障检测时间阈值，i为电流传感器组内一电流传感器输出的电流值，z0为等效零电流阈值，z0》0；
[0049]
对任一电流传感器进行故障诊断时，当故障检测标志位f
de
为1时，获取所述双凸极电机的转速信息，根据所获取的转速信息确定所述双凸极电机处于转速上升状态时，判定电流传感器组内当前电流传感器处于信号丢失故障状态。
[0050]
具体地，通过电流传感器组获取并输出双凸极电机工作时对应的相电流，所配置的电流传感器组的具体情况，以能有效获取双凸极电机工作时的相电流为准；其中，通过电流传感器器组获取双凸极电机工作时的相电流时，能实现对双凸极电机的电流闭环控制，也可以实现电流传感器信号丢失故障的诊断。双凸极电机的相绕组一般采用星型连接，根据星型连接的电流关系可知，在电流传感器组内可仅包括两个电流传感器，图2中，示出了一种所配置电流传感器组的具体实施情况。
[0051]
图2中，所述两个电流传感器分别与双凸极电机的a相绕组与c相绕组适配连接，两个电流传感器分别为lem1与lem2；电流传感器lem1、电流传感器lem2与双凸极电机的a相绕组、c相绕组配合，利用电流传感器lem1可获取a相绕组的相电流ia，利用电流传感器lem2可获取c相绕组的相电流ic，具体获取并输出相电流ia、相电流ic的具体方式以及过程均可与现有相一致，具体根据实际需要选择，此处不再赘述。具体工作时，双凸极电机的三相绕组的相电流关系为：ia ib ic＝0，即在得到相电流ia与相电流ic后，即可能得到b相绕组的相电流ib。
[0052]
具体实施时，对双凸极电机电流传感器信号丢失的故障诊断，具体是指对电流传感器组内两个电流传感器lem1与电流传感器lem2进行故障诊断，以确定电流传感器lem1和/或电流传感器lem2是否处于信号丢失故障状态。
[0053]
对任一电流传感器诊断是否处于信号丢失故障时，需要先配置故障检测表达式，其中，对电流传感器组内的两个电流传感器，在进行故障诊断时，采用相同的电流传感器故障检测表达式进行检测判断。
[0054]
本发明实施例中，所配置的电流传感器故障检测表达式为：f
de
＝tf∩fz，其中，∩为交集运算，f
de
为故障检测标志位，tf为故障检测持续时间判断标志位，fz为等效零电流阈值判断标志位，因此，只有当故障检测持续时间判断标志位tf为“1”且等效零电流阈值判断标志位fz也为“1”时，故障检测标志位f
de
才为“1”。当故障检测标志位f
de
为1时，则表明整个双凸极电机系统存在故障情况，当故障检测标志位f
de
为0时，一般可认为双凸极电机系统工作时不存在故障。
[0055]
一般地，分别对电流传感器组内的两个电流传感器故障诊断，具体为利用电流传感器获取所对应相绕组的相电流过程中进行故障诊断。本发明实施例中，对任一电流传感器，需要根据所述电流传感器所检测输出的电流进行相应的故障诊断，当故障检测标志位为1时，即表明存在故障，由上述说明，此时，还无法直接判断电流传感器是否为电流传感器
信号丢失故障。
[0056]
具体实施时，当利用上述电流传感器故障检测表达式确定故障检测标志位f
de
为1时，还需要获取所述双凸极电机的转速信息，其中，可以采用转速传感器等方式获取双凸极电机的转速信息，具体获取转速信息的方式可以根据需要选择，以能获取转速信息为准。在获取得到转速信息后，根据所获取的转速信息确定所述双凸极电机处于转速上升状态时，则可判定电流传感器组内当前电流传感器处于信号丢失故障状态。
[0057]
下面对等效零电流阈值判断标志位fz、故障检测持续时间判断标志位tf的情况进行具体详细说明。
[0058]
如图2所示，为本发明双凸极电机工作时的电路原理图，即在工作时，需要提供一直流母线电压u
dc
，所述直流母线电压u
dc
通过逆变器与双凸极电机适配连接。此外，还包括与直流母线电压u
dc
并联的滤波电容c1，直流母线电压u
dc
通过逆变器与双凸极电机配合实现控制双凸极电机工作的方式以及过程与现有相一致。
[0059]
具体地，所述逆变器包括功率管t1、功率管t2、功率管t3、功率管t4、功率管t5以及功率管t6，其中，
[0060]
功率管t1的集电极端、功率管t3的集电极端以及功率管t5的集电极与直流母线电压u
dc
的正极端连接，功率管t1的发射极端与功率管t4的集电极端以及双凸极电机的a相绕组的一端连接，功率管t3的发射极端与功率管t6的集电极端以及双凸极电机的b相绕组的一端连接，功率管t5的发射极端与功率管t2的集电极端以及双凸极电机的c相绕组的一端连接，a相绕组的另一端、b相绕组的另一端以及c相绕组的另一端相互连接；
[0061]
功率管t4的发射极端、功率管t6的发射极端以及功率管t2的发射极端均与直流母线电压u
dc
的负极端适配连接。
[0062]
本发明实施例中，功率管t1～功率管t6可为igbt器件，一般地，还包括与功率管t1～功率管t6适配的二极管组，具体地：
[0063]
所述功率管t1的发射极端与二极管d1的阳极端连接，二极管d1的阴极端与功率管t1的集电极端连接，功率管t3的发射极端与二极管d3的阳极端连接，二极管d3的阴极端与功率管t3的集电极端连接，功率管t5的发射极端与二极管d5的阳极端连接，二极管d5的阴极端与功率管t5的集电极端连接；
[0064]
功率管t4的发射极端与二极管d4的阳极端连接，二极管d4的阴极端与功率管t4的集电极端连接，功率管t6的发射极端与二极管d6的阳极端连接，二极管d6的阴极端与功率管t6的集电极端连接；功率管t2的发射极端与二极管d2的阳极端连接，二极管d2的阴极端与功率管t2的集电极端连接。
[0065]
双凸极电机电感曲线，如图3所示。逆变器的导通逻辑，如图4所示；具体工作时，一个电角度周期分为三个导通状态，分别是t1t2→
t3t4→
t5t6。分了叙述方便，定义0
°‑
120
°
为扇区1，120
°‑
240
°
为扇区2，240
°‑
360
°
为扇区3。双凸极电机在启动时，对应的相电流和转速如图5所示。
[0066]
由上述说明可知，利用电流传感器lem1可输出的电流为i
a_out
，利用电流传感器lem2可输出的电流i
c_out
。根据三相绕组星型连接配合可知，三相电流和为0，从而可得到：
[0067][0068]
结合图3和图4，根据双凸极电机的电感曲线，可得到双凸极电机一个电角度周期下不同扇区相电流关系：
[0069]
扇区1：g1＝1，g2＝0，g3＝0，功率管t1与功率管t2导通工作，功率管t3、功率管t4、功率管t5、功率管t6均处于关闭状态，电流正负为a c-，|ia|＝|ic|；
[0070]
扇区2：g1＝0，g2＝1，g3＝0，功率管t3与功率管t4导通工作，功率管t1、功率管t2、功率管t5、功率管t6均处于关闭状态，电流正负为b a-，|ib|＝|ia|；
[0071]
扇区3：g1＝0，g2＝0，g3＝1，功率管t5与功率管t6导通工作，功率管t1、功率管t2、功率管t3、功率管t4均处于关闭状态，电流正负为c b-，|ic|＝|ib|。
[0072]
由于三个扇区相对独立，故以扇区1为例分析，其余两个扇区的情况可以参照说明。信号丢失故障表现如式(2)所示：
[0073][0074]
而逆变器内功率管开路或双凸极电机的相绕组开路对应的故障表现如式(3)所示：
[0075][0076]
因此，对比式(2)、(3)可得，信号丢失故障与功率管或相绕组开路故障特征相同，故需要进一步区分。
[0077]
由式(2)和(3)可知，故障时，i
a_out
＝0。考虑实际工作时，电流传感器lem1、电流传感器lem2测量均会存在测量误差的情况，故障发生后，相电流i
a_out
并不会严格为0。为防止漏诊断，定义z0为等效零电流阈值，其中，z0》0且等效零电流阈值z0要小于所述双凸极电机空载运行时的电流值，双凸极电机空载运行时的电流值的具体情况与双凸极电机的工作参数相对应，具体确定双凸极电机空载运行时的电流值的大小以及方式为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
[0078]
综上，得到等效零电流阈值判断标志fz为：
[0079][0080]
其中，i为对当前故障诊断电流传感器所输出的电流值。
[0081]
具体实施时，双凸极电机启动过程时，也会出现fz＝1的情况，以双凸极电机在扇区1启动为例，如图4所示，转速n从0逐渐上升到给定值，电流ia从0逐渐上升到电流最大值，ib＝0，ic从0反向增加。同理，其它扇区启动时也会出现类似情况。
[0082]
因此，仅仅利用等效零电流阈值判断标志fz对电流传感器是否处于信号丢失故障进行判断，容易出现误判的情况。
[0083]
为了解决利用等效零电流阈值判断标志fz会出现误判的情况，本发明实施例中，配置故障检测时间阈值δ1，其值为采样周期ts的整数倍，所述采样周期ts为对电流传感器输
出电流的采样周期。设双凸极电机的转子在扇区1启动时，启动电流由0上升到等效零电流阈值z0的时间为tm，由于转速响应速度没有电流响应速度快，此过程中，可近似认为转速为0。
[0084]
根据电路kvl可得：
[0085][0086]
求得电流响应为：
[0087][0088]
其中，r为电机的电枢绕组内阻，τ＝(la lc)/2r；结合图3可知，扇区1中la lc＝l
pmax
l
pmin
，从而得到时间tm：
[0089][0090]
其中，l
pmax
为电机自感最大值，l
pmin
为电机自感最小值。
[0091]
电机自感最大值l
pmax
、电机自感最小值l
pmin
的具体情况与现有相一致，如图3所示，即电机自感最大值l
pmax
、电机自感最小值l
pmin
的具体取值可以采用本技术领域技术手段确定得到。当双凸极若电机在扇区2或扇区3启动，求得电流由0上升到z0的时间tm与上述式(7)相同。
[0092]
综合上述分析，对故障检测时间阈值δ1，则有：
[0093][0094]
式中，k1为正整数。对于正整数k1，由于采样周期ts为已知，在利用公式(7)确定时间tm后，可以具体确定所述正整数k1。
[0095]
从而，可得故障检测持续时间判断标志位tf：
[0096][0097]
进一步地，在得到故障检测持续时间判断标志位tf与等效零电流阈值判断标志fz后，可得到，配置的电流传感器故障检测表达式为：
[0098]fde
＝tf∩fzꢀꢀꢀ
(10)
[0099]
根据双凸极电机的运动方程和转矩方程，如式(11)、(12)所示，式中，te为电磁转矩，t
l
为负载转矩，j为转动惯量，ω为转子角速度，a为转子加速度，if为励磁电流，k
pf
为互感变化率。
[0100][0101][0102]
具体工作时，若电流传感器发生信号丢失故障，则根据电流闭环反馈作用，驱动状
态恒为1，电流回路为：u
dc
→
功率管t1→
a相绕组
→
c相绕组
→
功率管t2，相电流(所述相电流为ia或相电流ic)上升，te逐渐上升，根据式(11)可得，ja》0，对应双凸极电机的转速为上升趋势。若功率管或相绕组发生开路故障，则根据电流闭环反馈作用，驱动状态恒为1，但由于a相绕组、c相绕组无法与直流电源u
dc
形成回路，电流i
p
持续保持为0，te＝0，根据式(11)可得，ja《0，则对应双凸极电机的转速为下降趋势。
[0103]
具体实施时，为准确判断双凸极电机的转速的变化趋势，确定双凸极电机的转速n的变化趋势时，定义转速差值δn和故障定位特征值f
loc
，则有：
[0104]
δn＝n(t0 kwtw)-n(t0)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0105][0106]
其中，t0为故障检测标志位f
de
＝1对应的时刻，kw为正整数，tw为转速采样周期，n
th
为转速阈值。
[0107]
n(t0)为t0时刻的转速值，n(t0 kwtw)为t0 kwtw时刻的转速值。转速阈值n
th
一般可以设置为10r/min～20r/min。由上述分析可知，正常情况下，故障定位特征值f
loc
＝0；若发生电流传感器信号丢失故障，则故障定位特征值f
loc
＝2；若功率管或相绕组开路故障，则故障定位特征值f
loc
＝1。因此，在进行故障诊断时，可以根据故障定位特征值f
loc
的值，确定双凸极电机的故障类型。
[0108]
为选择一个合适的kw，考虑转速响应速度慢于电流响应速度，从故障检测标志位f
de
＝1到双凸极电机的转子换相对应的时间tn如下式：
[0109][0110]
其中，θn为故障检测标志位f
de
＝1对应的电角度到换相时刻对应的电角度差值，p为双凸极电机的转子极对数，n
′
为稳态转速。
[0111]
稳态转速n
′
即为得到故障检测标志位f
de
＝1前测得的转速值。本技术领域人员可知，双凸极电机的换相时刻角度是固定，即可直接得到所述电角度差值θn，确定电角度差值θn的具体过程，此处不再赘述。
[0112]
因此，通过上述公式(15)，可以计算得到时间tn。根据式(15)可得到时间tn后，由于转速采样周期tw为已知，从而根据时间tn与转速采样周期tw，可确定正整数kw的取值范围，正整数kw的取值范围具体为：
[0113][0114]
其中，k
w1
为正整数。
[0115]
综上，确定双凸极电机的转速的变化趋势时，当δn》n
th
时，则可确定双凸极电机的转速处于上升趋势；当δn《-n
th
时，则双凸极电机的转速确定处于下降趋势。
[0116]
基于上述分析可得，当故障检测标志位f
de
为1时，若双凸极电机的转速为上升趋
势，即为电流传感器信号丢失故障。确定故障检测标志位f
de
为1时，根据所获取的转速信息确定所述双凸极电机处于转速下降状态时，则判定当前故障为逆变器故障或双凸极电机的相绕组开路故障。
[0117]
图6中，给出了对双凸极电机进行故障诊断以及故障诊断类型判断的流程图，可根据故障定位特征值f
loc
的值，确定双凸极电机相应的故障类型。当然，根据图6中的流程，还给出了确定正整数kw具体取值的流程，即可通过图6的流程步骤确定正整数kw的取值。