胡榮光 鄧智泉 蔡 駿 王 騁

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 210016）

1 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制靈活、調(diào)速性能好、容錯(cuò)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，目前已成功應(yīng)用于航空航天、電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用等眾多領(lǐng)域中[1,2]。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作在同步狀態(tài)，為了控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，激勵(lì)相必須與轉(zhuǎn)子位置保持同步關(guān)系。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行基于轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確檢測(cè)，轉(zhuǎn)子位置信息是各相開(kāi)關(guān)器件正確邏輯切換的基礎(chǔ)[3]。

目前的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)位置信號(hào)主要由位置傳感器來(lái)獲取。位置傳感器通常和電機(jī)本體裝配在一起，當(dāng)電機(jī)工作在高溫、潮濕、多粉塵等惡劣環(huán)境下時(shí)，位置傳感器容易發(fā)生故障。故障后的位置信號(hào)影響各相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致電機(jī)不正常運(yùn)行，系統(tǒng)的可靠性降低。因此，對(duì)位置信號(hào)故障診斷和容錯(cuò)控制可提高其在高可靠性場(chǎng)合的應(yīng)用潛力。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)各相磁路相互獨(dú)立，且常用的不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器實(shí)現(xiàn)了各相驅(qū)動(dòng)電路相互隔離，因此與其他電機(jī)相比，SRD 具有容錯(cuò)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是，某些故障仍將對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行造成不利的影響，需要進(jìn)行診斷和容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)[4,5]總結(jié)了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的電氣故障類(lèi)型，即功率變換器、電機(jī)繞組、供電電源、位置傳感器故障。文獻(xiàn)[6-14]對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[15]簡(jiǎn)要分析了位置傳感器的故障原因和影響，但沒(méi)有研究故障的診斷方法。文獻(xiàn)[16]分析了永磁雙凸極電機(jī)中霍爾位置信號(hào)故障，并給出了各個(gè)故障對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)[17]提出了增加2 個(gè)位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)8/6 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的容錯(cuò)控制，但未研究位置信號(hào)的故障診斷和容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)[18]針對(duì)永磁雙凸極電機(jī)位置信號(hào)的各種故障情況，系統(tǒng)提出了基于位置信號(hào)邊沿或電平變化的診斷策略。文獻(xiàn)[19]針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)位置信號(hào)的故障，提出了通過(guò)檢測(cè)各相位置信號(hào)雙邊沿的觸發(fā)順序和相鄰觸發(fā)邊沿之間的角度差實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，其中需要利用轉(zhuǎn)速計(jì)算邊沿的角度差來(lái)識(shí)別故障類(lèi)型。文獻(xiàn)[18,19]的診斷方法均利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，必須假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速在位置信號(hào)周期內(nèi)不變，若電機(jī)運(yùn)行在加速或減速情況下，由于轉(zhuǎn)速的變化，這兩種方法可能造成故障誤診斷；并且，這兩種方法均基于位置信號(hào)邊沿交替變化順序，無(wú)法診斷出兩相位置信號(hào)同時(shí)故障，且當(dāng)一個(gè)位置信號(hào)故障后，對(duì)剩下的兩個(gè)位置信號(hào)故障診斷時(shí)需要重新考慮邊沿順序，控制策略復(fù)雜。文獻(xiàn)[20]考慮電機(jī)運(yùn)行在加速狀態(tài)下，分析了文獻(xiàn)[18]中的診斷方法，證明了這一類(lèi)需要利用相鄰邊沿轉(zhuǎn)速不變條件的診斷方法對(duì)位置信號(hào)的故障來(lái)說(shuō)可靠性差，但卻沒(méi)有提出能夠解決的辦法。

本文針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)加減速頻繁時(shí)，不能利用轉(zhuǎn)速恒定這一假設(shè)，提出了基于邊沿時(shí)刻預(yù)測(cè)的位置信號(hào)故障診斷方法，并分析了該方法對(duì)于其他電機(jī)位置信號(hào)故障診斷的通用性。該方法假設(shè)位置信號(hào)周期內(nèi)電機(jī)運(yùn)行的角加速度恒定，適用于電機(jī)加速或減速運(yùn)行情況，并且各相位置信號(hào)的故障診斷相互獨(dú)立，能夠診斷多相位置信號(hào)同時(shí)故障。本文最后對(duì)電機(jī)運(yùn)行在勻速以及加減速狀態(tài)時(shí)的位置信號(hào)故障診斷進(jìn)行了Matlab/Simulink 仿真，并通過(guò)故障模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的正確性和可靠性。

2 位置信號(hào)故障概述

2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)位置信號(hào)概述

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)位置傳感器主要有電磁式、光電式、磁敏式等，其中光電式位置傳感器的應(yīng)用最為廣泛。光電式位置傳感器一般由轉(zhuǎn)盤(pán)、光電發(fā)射器和接收傳感器構(gòu)成。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定在轉(zhuǎn)子軸上的齒盤(pán)是否遮住光線(xiàn)將引起光敏元件信號(hào)的高低電平變化，產(chǎn)生方波形式的位置信號(hào)。

12/8 結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的光電式位置傳感器安裝如圖1 所示，光電傳感器P、Q、R 固定在定子上相隔60°安裝，轉(zhuǎn)盤(pán)上有8 個(gè)齒和8 個(gè)槽，齒和槽等寬，所占角度均為22.5°。圖2 所示為位置信號(hào)與相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每一個(gè)位置信號(hào)的邊沿均能確定一次三相的位置角。由于一個(gè)位置信號(hào)相鄰兩個(gè)邊沿的間隔角度為22.5°，只要通過(guò)DSP 邊沿捕獲得到這兩個(gè)邊沿之間的計(jì)數(shù)值，就能計(jì)算出電機(jī)每轉(zhuǎn)一度對(duì)應(yīng)DSP 中定時(shí)器的計(jì)數(shù)值A(chǔ)ngleRpm，然后即可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)角度。為了增加準(zhǔn)確性，通常將三個(gè)位置信號(hào)分別計(jì)數(shù)得出的AngleRpm_i（i=1，2，3 對(duì)應(yīng)每個(gè)位置信號(hào)的序號(hào)）取平均，再計(jì)算出相對(duì)較精確的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角。因此，如果把正常位置信號(hào)誤診斷為故障信號(hào)，則將降低轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角的計(jì)算精度，是不可取的。

圖1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)位置傳感器安裝圖Fig.1 Installation of position sensors for SRM

如果某個(gè)位置傳感器出現(xiàn)故障，位置信號(hào)不再出現(xiàn)邊沿，該信號(hào)的AngleRpm_i 不再發(fā)生變化，導(dǎo)致三個(gè)位置信號(hào)取平均后的 AngleRpm 不再正確，電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算有誤，驅(qū)動(dòng)信號(hào)不正確，影響電機(jī)運(yùn)行。如果及時(shí)診斷出位置信號(hào)故障，只對(duì)剩下正常位置信號(hào)的AngleRpm_i 取平均，就能避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的AngleRpm，產(chǎn)生正常驅(qū)動(dòng)信號(hào)，達(dá)到位置信號(hào)故障后電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的目的。

圖2 位置信號(hào)與三相電感對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding relationship between position signal and the phase inductance

2.2 位置信號(hào)故障類(lèi)型

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于碰撞、灰塵或潮濕環(huán)境的影響，位置傳感器易發(fā)生臨時(shí)性或永久性故障。故障后，位置信號(hào)將保持低電平（見(jiàn)圖3b、3e）或高電平狀態(tài)（見(jiàn)圖3c、3d）。因此，可將位置信號(hào)故障分為低電平故障和高電平故障。

圖3 位置信號(hào)故障表現(xiàn)形式Fig.3 Expressions of faulted position signals

根據(jù)故障發(fā)生的時(shí)刻不同，低電平故障和高電平故障發(fā)生后的位置信號(hào)有如下兩種:①若故障后電平與故障前的電平不一致，將產(chǎn)生錯(cuò)誤邊沿；②若故障后的電平與故障前的電平一致，那么本該出現(xiàn)的邊沿消失。因此，只需檢測(cè)位置信號(hào)的邊沿是否正常，即是否提前出現(xiàn)或在正常出現(xiàn)時(shí)刻消失，就可診斷兩種故障。

若位置信號(hào)邊沿提前出現(xiàn)，將導(dǎo)致對(duì)轉(zhuǎn)子角度的錯(cuò)誤定位，可能立即在這錯(cuò)誤的位置（某相電感下降區(qū)）驅(qū)動(dòng)該相而使電流過(guò)大[19]，需要及時(shí)進(jìn)行診斷，避免嚴(yán)重的后果。因此，位置信號(hào)的故障診斷方法需要具有較好的快速性，即必須能夠在故障瞬間診斷出故障，然后利用剩下正常的位置信號(hào)獲取AngleRpm；并且，位置信號(hào)的故障診斷方法需具有正確性，不能將正常的位置信號(hào)誤判為故障信號(hào)。

3 位置信號(hào)故障診斷與容錯(cuò)控制

3.1 位置信號(hào)的故障診斷方法

圖3a 給出了正常的位置信號(hào)波形，對(duì)相鄰4個(gè)邊沿進(jìn)行分析，由于位置信號(hào)具有周期性，因此，第一個(gè)邊沿為上升沿或者下降沿對(duì)分析的結(jié)果沒(méi)有影響，下面說(shuō)明位置信號(hào)故障診斷方法。

圖3a 中t1、t2、t3、t4分別為4 個(gè)邊沿時(shí)刻，ω1、ω2、ω3、ω4分別為4 個(gè)邊沿時(shí)刻的瞬時(shí)角速度，θ為連續(xù)兩個(gè)邊沿間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。因?yàn)槲恢脗鞲衅鞯拿總€(gè)齒槽各占22.5°，所以連續(xù)兩個(gè)邊沿間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ 固定為22.5°。

通常情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，可假設(shè)相鄰邊沿轉(zhuǎn)子的角速度恒定，因此，在利用三相位置信號(hào)邊沿順序出現(xiàn)的診斷方法中，可以利用前一個(gè)邊沿的角速度來(lái)計(jì)算下一個(gè)邊沿應(yīng)該出現(xiàn)的時(shí)刻，或者利用前一個(gè)邊沿的角速度來(lái)計(jì)算前一個(gè)邊沿與下一個(gè)邊沿之間的角度，來(lái)區(qū)分難以判別的故障情況[18,19]。但是當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在加速或減速的情況下，這種假設(shè)不成立，因此，這類(lèi)診斷方法存在局限，需要進(jìn)行改進(jìn)。

由于兩個(gè)位置信號(hào)周期的時(shí)間很短，可以認(rèn)為這兩個(gè)周期內(nèi)的電機(jī)角加速度α 恒定。電機(jī)加速運(yùn)行時(shí)，α＞0，連續(xù)兩個(gè)邊沿的間隔時(shí)間將縮短，即t2-t1＞t3-t2＞t4-t3；電機(jī)減速運(yùn)行時(shí)，α＜0，連續(xù)兩個(gè)邊沿的間隔時(shí)間將延長(zhǎng)，即t2-t1＜t3-t2＜t4-t3；電機(jī)勻速運(yùn)行時(shí)，α=0，連續(xù)兩個(gè)邊沿的間隔時(shí)間不變，即t2-t1=t3-t2=t4-t3。實(shí)際操作中，DSP 能夠準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)邊沿出現(xiàn)的時(shí)刻，因此可準(zhǔn)確地計(jì)算出連續(xù)兩個(gè)邊沿之間的間隔。令Δt1=t2-t1，Δt2=t3-t2，Δt3=t4-t3，若加速度恒定，則連續(xù)通過(guò)三個(gè)相同角度所需的時(shí)間Δt1、Δt2和Δt3存在一定的關(guān)系。下面對(duì)這個(gè)關(guān)系進(jìn)行理論推導(dǎo)。

如圖3a 所示，第一個(gè)邊沿與第二個(gè)邊沿之間的平均角速度為ω1av，第二個(gè)邊沿與第三個(gè)邊沿之間的平均角速度為ω2av，第三個(gè)邊沿與第四個(gè)邊沿之間的平均角速度為ω3av，平均角速度等于相鄰邊沿角度除以通過(guò)這段角度的時(shí)間，即

當(dāng)角加速度恒定時(shí)，平均角速度等于初速度和末速度的平均值，即

綜合以上六式，可得式（2）-式（1）=式（5）-式（4），式（3）-式（2）=式（6）-式（5），即

在恒加速運(yùn)動(dòng)中，角速度ω1、ω3與時(shí)間、角加速度的關(guān)系為

角速度ω2、ω4與時(shí)間和角加速度的關(guān)系為

將式（9）代入式（7）中，式（10）代入式（8）中，消除各個(gè)時(shí)刻的角速度ω1、ω2、ω3、ω4，得

其中θ 是固定的，為22.5°，但是角加速度α在不同的運(yùn)行階段是變化的。因此，需要將角加速度α 消去。當(dāng)角加速度α≠0 時(shí)，式（11）除以式（12），得到

由式（13）可以看出，若已知了Δt1和Δt2，就可以計(jì)算出Δt3。為求出Δt3，對(duì)式（13）變形即可得到以Δt3為未知量，Δt1和Δt2為已知量的一元二次方程

當(dāng)?shù)诙€(gè)邊沿出現(xiàn)時(shí)，可以得到Δt1，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)邊沿出現(xiàn)時(shí)，可以得到Δt2，這時(shí)若Δt1≠Δt2，則說(shuō)明加速度α≠0，可以根據(jù)Δt1和Δt2，利用式（15）計(jì)算出第四個(gè)邊沿與第三個(gè)邊沿之間的時(shí)間間隔Δt3。若Δt1=Δt2，則角加速度α=0，這時(shí)Δt3=Δt1=Δt2，同樣也可以得到Δt3。

以當(dāng)前邊沿為第三個(gè)邊沿，記錄當(dāng)前邊沿以及前兩個(gè)邊沿時(shí)刻，就能夠利用上述方法預(yù)測(cè)出下一個(gè)邊沿即第四個(gè)邊沿應(yīng)該出現(xiàn)的時(shí)刻，即圖 3a中t4。

若誤差ξ≤5%，可認(rèn)為這個(gè)邊沿出現(xiàn)的時(shí)刻是正確的，即沒(méi)有發(fā)生故障；若誤差ξ＞5%，可認(rèn)為這個(gè)邊沿出現(xiàn)時(shí)刻不正確，即邊沿提前出現(xiàn)，可判斷傳感器故障。

若發(fā)生了如圖3c 的高電平故障2 和如圖3e 所示的低電平故障2，即邊沿消失故障，由于沒(méi)有下一個(gè)邊沿出現(xiàn)，因此檢測(cè)不到tx。理論計(jì)算出下一個(gè)邊沿出現(xiàn)的時(shí)刻為t3+Δt3，這個(gè)時(shí)刻后電平將發(fā)生改變?？紤]實(shí)際誤差，令 t4'=(1+5%)·Δt3+t3，若 t4'時(shí)位置信號(hào)電平仍不改變，說(shuō)明未出現(xiàn)邊沿，可判斷傳感器故障。

上述診斷過(guò)程的流程圖如圖4 所示。

圖4 故障診斷流程圖Fig.4 Process of fault diagnose

從上述分析可以看出，本文提出的基于加速度恒定的位置信號(hào)故障診斷方法只需利用自身位置信號(hào)，因此，三相位置信號(hào)的故障診斷相互獨(dú)立，所以該方法也適用于兩相或多相位置信號(hào)同時(shí)發(fā)生故障的情況。

3.2 診斷方法的通用性

上述診斷方法的推導(dǎo)利用了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)齒槽等寬轉(zhuǎn)盤(pán)的光電傳感器信號(hào)。然而永磁同步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)或者開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的某些位置傳感器，其齒槽并不等寬，而是成一定的比例關(guān)系。圖5 為齒寬為槽寬k 倍的轉(zhuǎn)盤(pán)及其對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)，其中槽寬為θ，則齒寬為kθ。

若要診斷下一個(gè)邊沿為下降沿，則令第一個(gè)邊沿為上升沿，式（2）改為

圖5 齒槽不等寬的位置傳感器安裝圖與位置信號(hào)Fig.5 Installation and position signal of position sensor with unequal tooth and slot width

利用前述方法可得將要出現(xiàn)的下降沿與當(dāng)前上升沿之間時(shí)間間隔

若要診斷的下一個(gè)邊沿為上升沿，則第一個(gè)邊沿為下降沿，式（1）和式（3）分別改為

得出將要出現(xiàn)的上升沿與當(dāng)前下降沿之間的時(shí)間間隔為

得到Δt3后，診斷方法與2.1 節(jié)中所述相同。因此，對(duì)于其他矩形波形式位置信號(hào)的故障，該方法均能及時(shí)診斷，具有通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

3.3 容錯(cuò)控制

當(dāng)三個(gè)位置信號(hào)都正常時(shí)，DSP 通過(guò)檢測(cè)位置信號(hào)的邊沿進(jìn)入中斷程序。根據(jù)位置傳感器實(shí)際裝配位置，每個(gè)位置信號(hào)的邊沿均能對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)子位置角（0～45°），因此可以在邊沿中斷中定位六個(gè)角度。

當(dāng)一個(gè)位置信號(hào)發(fā)生故障時(shí)，程序中每一度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值A(chǔ)ngleRpm 應(yīng)立即改變成剩下的兩個(gè)正常位置信號(hào)AngleRpm_i 的平均值，以保證角度計(jì)算的正確性。同時(shí)，由于故障位置信號(hào)不再有邊沿變化，不能對(duì)角度進(jìn)行定位，使得一個(gè)周期內(nèi)的定位角度減少為4 個(gè)，并不影響程序中角度的計(jì)算。因此實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)控制。

當(dāng)兩個(gè)位置信號(hào)發(fā)生故障時(shí)，AngleRpm 應(yīng)直接變成剩下正常位置信號(hào)的AngleRpm_i 來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算角度，且一個(gè)周期內(nèi)的定位角度減少為2 個(gè)。雖然這樣會(huì)降低角度計(jì)算的精確度，但對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行影響不大，也可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。

當(dāng)三個(gè)位置信號(hào)都發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法再通過(guò)硬件獲得位置信號(hào)，上述容錯(cuò)方法不能實(shí)現(xiàn)，需要通過(guò)無(wú)位置傳感器技術(shù)來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行，不在本文討論范圍之內(nèi)。

4 位置信號(hào)故障恢復(fù)診斷

當(dāng)位置信號(hào)從電平保持不變的故障狀態(tài)恢復(fù)至電平高低變化的正常狀態(tài)時(shí)，根據(jù)之前的故障類(lèi)型，也可以將故障恢復(fù)分成兩種，即低電平故障恢復(fù)（見(jiàn)圖6c、6d，電平一直為低到恢復(fù)正常）和高電平故障恢復(fù)（見(jiàn)圖6a、6b，電平一直為高到恢復(fù)正常）。在不同的時(shí)刻恢復(fù)故障可能會(huì)產(chǎn)生不正常的邊沿，為了防止錯(cuò)誤的邊沿錯(cuò)誤定位轉(zhuǎn)子角度，同時(shí)影響轉(zhuǎn)速計(jì)算，此時(shí)須延時(shí)一段時(shí)間才能更改故障狀態(tài)，恢復(fù)到正常運(yùn)行時(shí)的控制算法。

圖6 位置信號(hào)故障恢復(fù)Fig.6 Recovery of faulted position signals

如圖6a 所示，位置信號(hào)為高電平故障，但是在信號(hào)本該為低電平時(shí)，傳感器恢復(fù)正常，電平由高變低，產(chǎn)生了一個(gè)錯(cuò)誤的下降沿。圖6c 中位置信號(hào)故障恢復(fù)時(shí)也產(chǎn)生了一個(gè)錯(cuò)誤邊沿。由于此時(shí)仍然認(rèn)為位置信號(hào)是故障的，因此不會(huì)錯(cuò)誤定位轉(zhuǎn)子角度，也不會(huì)影響轉(zhuǎn)速的計(jì)算。

若以這個(gè)錯(cuò)誤邊沿為第一個(gè)邊沿，令其時(shí)刻為t1，第二個(gè)邊沿時(shí)刻為t2，第三個(gè)沿時(shí)刻為t3，根據(jù)這三個(gè)邊沿出現(xiàn)的時(shí)刻預(yù)測(cè)出的下一個(gè)邊沿時(shí)刻為t4。由于第一個(gè)邊沿到第二個(gè)邊沿之間的距離θ0≠θ，因此實(shí)際下一個(gè)邊沿時(shí)刻tx≠t4，仍然認(rèn)為傳感器為故障狀態(tài)。若考慮出現(xiàn)時(shí)刻分別為t2、t3和t4的邊沿，預(yù)測(cè)的下一個(gè)邊沿時(shí)刻t5與實(shí)際下一個(gè)邊沿時(shí)刻 tx' 相差不大，可判斷故障已經(jīng)恢復(fù)。因此，若故障恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生了錯(cuò)誤的邊沿，在這個(gè)錯(cuò)誤邊沿后第五個(gè)邊沿出現(xiàn)時(shí)診斷出故障恢復(fù)正常，開(kāi)始定位角度，恢復(fù)為正常運(yùn)行時(shí)的控制算法。

如圖6b 所示，若高電平故障恢復(fù)在高電平區(qū)間內(nèi)，則恢復(fù)時(shí)刻不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的下降沿，而是在正常的下降沿時(shí)刻出現(xiàn)正確的下降沿。圖6d 中位置信號(hào)故障恢復(fù)時(shí)出現(xiàn)的第一個(gè)邊沿也是正確的。以該邊沿為第一個(gè)邊沿考慮連續(xù)三個(gè)邊沿，預(yù)測(cè)的下一個(gè)邊沿出現(xiàn)的時(shí)刻t4與實(shí)際出現(xiàn)時(shí)刻tx基本相同，即可判斷故障已經(jīng)恢復(fù)。因此，若故障恢復(fù)時(shí)不產(chǎn)生錯(cuò)誤邊沿，則在第一個(gè)邊沿后第四個(gè)邊沿出現(xiàn)時(shí)診斷出故障恢復(fù)正常。

綜上所述，即使位置信號(hào)有了高低電平的變化，但是如果邊沿不是在正常時(shí)刻出現(xiàn)，也不會(huì)診斷其恢復(fù)正常。本方法將延時(shí)一兩個(gè)周期診斷出故障恢復(fù)，保證位置信號(hào)的正確性，

5 仿真與實(shí)驗(yàn)

5.1 仿真

對(duì)于該算法的實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)Matlab/Simulink模型對(duì)電機(jī)加速、減速和勻速運(yùn)行時(shí)的位置信號(hào)進(jìn)行診斷。

圖7 為位置信號(hào)在電機(jī)加速、減速以及勻速運(yùn)行條件下發(fā)生故障及故障恢復(fù)時(shí)的仿真結(jié)果，電機(jī)經(jīng)PI 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，加速運(yùn)動(dòng)到給定轉(zhuǎn)速4 000r/min后，下調(diào)給定轉(zhuǎn)速為2 000r/min，電機(jī)減速運(yùn)行，位置信號(hào)由稀疏到密集再逐漸稀疏。圖中故障標(biāo)志信號(hào)為0 時(shí)表示位置信號(hào)正常，為1 時(shí)表示位置信號(hào)故障。故障信號(hào)標(biāo)志在前兩個(gè)位置信號(hào)周期表現(xiàn)為不正常的01 變化，這是因?yàn)殡姍C(jī)起動(dòng)時(shí)，必須等到兩個(gè)位置信號(hào)周期之后才能獲得相鄰四個(gè)邊沿出現(xiàn)的時(shí)刻t1，t2，t3，t4，因此前兩個(gè)周期不能夠?qū)ξ恢眯盘?hào)故障進(jìn)行正常診斷。但是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)際起動(dòng)時(shí)通常認(rèn)為位置傳感器均正常，并且采用的是位置電平邏輯來(lái)直接控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的自起動(dòng)方法，因此不會(huì)限制該方法在實(shí)際中的應(yīng)用。從圖中可以看出，在位置信號(hào)發(fā)生故障產(chǎn)生錯(cuò)誤下降沿時(shí)，該下降沿出現(xiàn)的時(shí)刻與利用前三個(gè)邊沿時(shí)刻預(yù)測(cè)得到的邊沿時(shí)刻誤差ξ 較大，立即診斷出該邊沿不正常，判斷傳感器故障。故障恢復(fù)沒(méi)有產(chǎn)生錯(cuò)誤邊沿時(shí)，預(yù)測(cè)得到的邊沿時(shí)刻與第四個(gè)邊沿時(shí)刻誤差ξ在正常范圍內(nèi)，可判斷故障恢復(fù)。由仿真結(jié)果可得，不管電機(jī)處于加速、減速或勻速運(yùn)行時(shí)，位置信號(hào)故障診斷均不受影響，驗(yàn)證了該方法具有可靠性強(qiáng)，使用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

圖7 各種運(yùn)行條件下位置信號(hào)故障診斷仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of fault diagnose of position signals in different oprerating conditions

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用 12/8 結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器，并采用角度位置控制方式。

圖8 為A 相位置信號(hào)發(fā)生故障后A 相上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和計(jì)算轉(zhuǎn)速的變化情況?？梢钥闯?，位置信號(hào)正常時(shí)，A 相上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正常的單脈沖形式，而當(dāng)位置信號(hào)故障后，轉(zhuǎn)速計(jì)算錯(cuò)誤，使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生紊亂，影響到電機(jī)的運(yùn)行性能。

圖8 A 相位置信號(hào)故障后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Fig.8 Driving signal of phase A after the fault of position signal

圖9a、9b 分別為電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有錯(cuò)誤邊沿產(chǎn)生時(shí)的故障波形和不產(chǎn)生錯(cuò)誤邊沿時(shí)的故障波形，其中故障標(biāo)志信號(hào)為1 時(shí)表示故障，為0 時(shí)表示正常。當(dāng)位置信號(hào)發(fā)生故障并產(chǎn)生錯(cuò)誤邊沿時(shí)，即tx并不是t3邊沿的后一個(gè)邊沿應(yīng)該出現(xiàn)的時(shí)刻，該方法能在錯(cuò)誤邊沿時(shí)刻立即診斷出故障，驗(yàn)證了具有良好的快速性。當(dāng)位置信號(hào)故障導(dǎo)致邊沿消失時(shí)，該方法能在t3邊沿的后一個(gè)邊沿應(yīng)該出現(xiàn)的時(shí)刻 t4'時(shí)刻診斷出故障，因此能夠診斷出所有類(lèi)型的位置信號(hào)故障。同時(shí)，由于采用故障容錯(cuò)控制，故障前后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)沒(méi)有發(fā)生變化，因此不會(huì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能產(chǎn)生影響。

圖9 兩種位置信號(hào)故障類(lèi)型的診斷Fig.9 Diagnose of two kinds of fault position signal

圖10 為電機(jī)在各種運(yùn)行條件下時(shí)位置信號(hào)發(fā)生故障和故障恢復(fù)的診斷情況。與仿真一致，實(shí)驗(yàn)時(shí)讓電機(jī)從靜止加速到4000r/min，然后再減速運(yùn)行至2000r/min 后保持勻速運(yùn)行。從圖中可以看出不管電機(jī)處于加速、減速還是勻速運(yùn)行時(shí)，該方法都能準(zhǔn)確地診斷出位置信號(hào)故障以及故障恢復(fù)，從而驗(yàn)證了該方法能適用于電機(jī)各種變速運(yùn)行條件，適用范圍較廣。

圖10 各種運(yùn)行條件下的位置信號(hào)故障診斷Fig.10 Diagnose of position signal in different operating conditions

圖11a、11b 分別為有錯(cuò)誤邊沿產(chǎn)生時(shí)的故障恢復(fù)波形和不產(chǎn)生錯(cuò)誤邊沿時(shí)的故障恢復(fù)波形。當(dāng)位置信號(hào)故障恢復(fù)時(shí)刻產(chǎn)生錯(cuò)誤邊沿時(shí)，將在這個(gè)錯(cuò)誤邊沿后的第五個(gè)邊沿診斷出故障恢復(fù)；而當(dāng)位置信號(hào)故障恢復(fù)時(shí)刻不產(chǎn)生錯(cuò)誤邊沿時(shí)，將在這個(gè)錯(cuò)誤邊沿后的第四個(gè)邊沿診斷出故障恢復(fù)。因此驗(yàn)證了該方法能夠延時(shí)兩個(gè)周期診斷出位置信號(hào)故障恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換，具有較好的可靠性。

圖11 兩種位置信號(hào)恢復(fù)類(lèi)型的診斷Fig.11 Diagnose of two kinds of recoverd position signal

圖12 為兩相位置信號(hào)，以及在短時(shí)間內(nèi)均發(fā)生故障時(shí)的診斷情況。從圖中看出，A 相位置信號(hào)故障后并不影響B(tài) 相位置信號(hào)故障的診斷，驗(yàn)證了該方法將每相的位置信號(hào)故障診斷獨(dú)立開(kāi)來(lái)，克服某些其他方法的缺陷。

圖12 兩相位置信號(hào)故障診斷Fig.12 Diagnose of two phase fault position signals

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)位置信號(hào)連續(xù)邊沿出現(xiàn)時(shí)刻的分析，提出了基于邊沿時(shí)刻預(yù)測(cè)的位置信號(hào)故障診斷方法。該方法只需利用自身位置信號(hào)，能夠在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)下準(zhǔn)確診斷出位置信號(hào)故障和故障恢復(fù)，同時(shí)，對(duì)于其他電機(jī)矩形波式的位置信號(hào)故障診斷也同樣適用。因此，該方法具有較好的可靠性和通用性，為電機(jī)系統(tǒng)在高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合的進(jìn)一步應(yīng)用提供借鑒。

[1]Cloyd J S.A status of the united states air force’s more electric aircraft initiative[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,1998,13(4):17-22.

[2]Fahimi B,Emadi A,Sepe R B Jr.A switched reluctance machine-based starter/alternator for more electric cars[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(1):116-124.

[3]Becerra R C,Ehsani M.Commutation of SR motors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1993,8(3):257-262.

[4]Chen Hao,Zhang Chao.Analysis of electrical faults for switched reluctance motor driver[C].Proceedings of the 3" World Congress on Intelligent Control and Automation,2000,1:666-669.

[5]Gopalakrishnan S,Omekanda A M,Lequesne B.Classification and remediation of electrical faults in the switched reluctance drive[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2006,42(2):479-486.

[6]周強(qiáng),嚴(yán)加根,劉闖,等.航空開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)雙通道容錯(cuò)性能研究[J].航空學(xué)報(bào),2007,28(5):1146-1152.Zhou Qiang,Yan Jiagen,Liu Chuang,et al.Research on fault-tolerant performance of dual-channel of aviation switched reluctance generator[J].Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica,2007,28(5):1146-1152.

[7]Chen Xiaoyuan,Deng Zhiquan,Peng Jingjing.Fault tolerant switched reluctance machine for fuel pump drive in aircraft[C].The 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications,2009,1:2340-2344.

[8]Nandi S,Toliyat H A,Li Xiaodong.Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors-a review[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(4):719-729.

[9]Filippetti F,Franceschini G,Tassoni C,et al.Recent developments of induction motor drives fault diagnosis using AI techniques[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2000,47(5):994-1004.

[10]Yang B S,Han T,Yin Z J.Fault diagnosis system of induction motors using feature extraction,feature selection and classification algorithm[J].JSME International Journal,Series C,2006,49(3):734-741.

[11]Mir S,Islam M S,Sebastian T,et al.Fault-tolerant switched reluctance motor drive using adaptive fuzzy logic controller[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(2):289-295.

[12]姜建國(guó),蘇鵬聲,邱阿端,等.電機(jī)故障特征提取方法二則[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1992,12(5):68-72.Jiang Jianguo,Su Pengsheng,Qiu Aduan,et al.Two extraction approaches of fault signature for electric machines[J].Proceedings of the CSEE,1992,12(5):68-72.

[13]董建園,段志善,熊萬(wàn)里.異步電機(jī)定子繞組故障分析及其診斷方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,19(3):26-30.Dong Jianyuan,Duan Zhishan,Xiong Wanli.Researching on the stator windings faults of asynchronous motor and its diagnostic method[J].Proceedings of the CSEE,1999,19(3):26-30.

[14]盧勝利,陳昊,曾輝,等.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中功率變換器故障在線(xiàn)診斷方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(3):63-70.Lu Shengli,Chen Hao,Zeng Hui,et al.On-line fault diagnosis method of power converter for switched reluctance motor[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(3):63-70.

[15]劉震,林輝,司利云.開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)的故障分析及仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2005,17(5):7-11.Liu Zhen,Lin Hui,Si Liyun.Fault analysis and simulation for the switched reluctance generator system[J].Proceeding of the CSU-EPSA,2005,17(5):7-11.

[16]秦海鴻,趙朝會(huì),王惠貞,等.永磁雙凸極電機(jī)中常見(jiàn)故障的機(jī)理研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(3):292-297.Qin Haihong,Zhao Chaohui,Wang Huizhen,et al.Mechanisms of possible failures in doubly salient permanent magnet motor[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics,2006,38(3):292-297.

[17]Chen Hao,Meng Xianjun,Xiao Fang,et al.Fault tolerant control for switched reluctance motor drive[C].IEEE 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society,2002:1050-1054.

[18]馬長(zhǎng)山,周波.雙凸極電機(jī)位置信號(hào)的故障診斷與容錯(cuò)控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(18):73-78.Ma Changshan,Zhou Bo.Fault diagnosis and faulttolerant control of position signal for doubly salient motor[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(18):73-78.

[19]許培林,鄧智泉,陳小元,等.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)位置信號(hào)的故障診斷與容錯(cuò)控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(33):123-130.Xu Peilin,Deng Zhiquan,Chen Xiaoyuan,et al.Fault diagnosis and fault-tolerant control of position signals for switched reluctance motors[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(33) :123-130.

[20]盧勝利.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷方法研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2010.