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        開關(guān)磁阻電機無位置傳感器故障診斷與容錯技術(shù)

        2018-05-14 13:31:20張磊劉闖興志
        電機與控制學報 2018年11期
        關(guān)鍵詞:容錯故障診斷

        張磊 劉闖 興志

        摘要:針對開關(guān)磁阻電機無位置傳感器的穩(wěn)定性問題,提出一種基于單一特征點磁鏈方法的位置估計容錯技術(shù)。該方法根據(jù)電感、磁鏈、轉(zhuǎn)子位置三者之間的邏輯關(guān)系,選取電感曲線交點為特征點位置,通過磁鏈比較得到每一相的特征點位置檢索脈沖信號,利用位置檢索脈沖信號算出轉(zhuǎn)子位置角。考慮到電機發(fā)生故障,位置估計算法會失效的問題,針對電機缺相和電壓/電流傳感器故障,提出相應的故障診斷算法,通過分析故障狀態(tài)下電機磁鏈變化特性,判斷故障源和故障類型,再依據(jù)開關(guān)磁阻電機相與相的獨立性,結(jié)合時間延遲,利用正常相的電磁信息間接估計故障相的轉(zhuǎn)子位置信號,該算法提高了位置估計的容錯性能。最后,通過缺相及傳感器故障試驗,驗證了所提方法的可行性和正確性。

        關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機;無位置傳感器;容錯;故障診斷;磁鏈特性

        DOI:10.15938/j.emc.2018.11.000

        中圖分類號:TM 351

        文獻標志碼:A

        文章編號:1007-449X(2018)11-0000-00

        0引言

        開關(guān)磁阻電機(switched reluctance motor,SRM)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容錯性能強等優(yōu)點,適合工作在高溫、高轉(zhuǎn)速惡劣環(huán)境。開關(guān)磁阻電機的運行需要位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置信號,在高溫、灰塵等惡劣環(huán)境下,位置傳感器易出現(xiàn)故障,而缺相運行會降低電機輸出效率,同時位置傳感器的存在也增加了成本和系統(tǒng)的復雜性。因此,研究無位置傳感器技術(shù)具有十分重要的實際意義。

        近年來,國內(nèi)外學者對SRM無位置傳感器技術(shù)展開了大量研究,如脈沖注入法[1-3]、電感模型法[4-5]、先進智能算法[6-8]和電流磁鏈法[9-12]等。文獻[9]采用了磁鏈-電流-轉(zhuǎn)子位置間的關(guān)系實現(xiàn)無位置估計,但需要建立三維的數(shù)據(jù)表,該方法過程較繁瑣,實用性不高,后來有學者對該方法進行了簡化。文獻[10]在文獻[9]的基礎(chǔ)上進行了簡化,選定最大位置附近作換相時刻的參考磁鏈,通過實時計算磁鏈與此位置的磁鏈比較而得到換相位置,該方法所需內(nèi)存小,只需要二維數(shù)據(jù)表,算法簡單,但只能實現(xiàn)單相導通,并且換相角處的位置不好確定。文獻[11]提出了基于五點法磁鏈模型的改進型簡化磁鏈位置估計方法,換相位置磁鏈在線自動生成,不需要創(chuàng)建磁鏈數(shù)據(jù)表,算法簡單,易實現(xiàn)。文獻[12]提出一種基于電機電感模型的無位置傳感器技術(shù),低速運行采用電流斬波控制方法,高速運行采用角度位置控制方法,實現(xiàn)了較寬調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置估計。文獻[13]提出一種基于復平面電感模型的位置估計方法,該方法通過四象限分別分析了復平面內(nèi)三相合成電感向量與實軸的夾角同轉(zhuǎn)子位置角度之間的映射關(guān)系,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置間接估計。

        文獻[14]采用一種單周期單特殊點檢測方案,該方法通過檢測相電流梯度過零估計轉(zhuǎn)子的位置信號,提高了位置估計的瞬時性,且無需計算電機的磁鏈特性。文獻[15]提出了電流斜率差的開關(guān)磁阻電機位置估計方法,該方法通過檢測上升電流和下降電流斜率差提取包絡(luò)線,利用包絡(luò)線與電感關(guān)系,估計轉(zhuǎn)子位置信號。文獻[16]結(jié)合了相電流斜率過零和相電感斜率過零的特性,通過檢測斜率正負交變這一特性,實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子位置信號的檢測,優(yōu)點是避免了開通角的影響,提高了位置估計的容錯性,但高精度的電感計算較為復雜。

        文獻[17]針對有位置傳感器的控制系統(tǒng),提出了通過檢測各項位置信號的雙邊沿觸發(fā)順序以及相鄰觸發(fā)邊沿之間的角度差來實現(xiàn)故障檢測,并利用位置傳感器信號之間的位置角度關(guān)系實現(xiàn)故障后的容錯控制。文獻[18]在文獻[17]的基礎(chǔ)上,針對SRM無位置傳感器控制系統(tǒng),提出基于全周期電感法位置估計算法,并通過檢測相電感斜率過零的位置檢索脈沖位置信號邊緣觸發(fā)來診斷位置信號故障,實現(xiàn)其位置估計容錯特性。

        從國內(nèi)外文獻看,針對開關(guān)磁阻電機無位置傳感器故障診斷及其容錯技術(shù)研究的文獻很少,本文在傳統(tǒng)的簡化磁鏈位置估計算法的基礎(chǔ)上,提出一種基于單一特征位置檢測的無位置傳感器控制技術(shù),并針對電機發(fā)生缺相和傳感器故障情況,提出了相應的故障診斷和位置信號容錯技術(shù)方案,最后通過故障實驗,驗證了本文算法的可行性和正確性。

        1位置估計算法

        1.1電感曲線與轉(zhuǎn)子位置信號關(guān)系

        圖1為12/8結(jié)構(gòu)的三相開關(guān)磁阻電機電感曲線與轉(zhuǎn)子位置信號關(guān)系圖。從圖中看出7.5°和15°兩個特征位置都對應某一相轉(zhuǎn)子位置信號的上升沿和下降沿,所以通過比較實時動態(tài)磁鏈與7.5°和15°特征位置的磁鏈即可得到7.5°和15°特征位置的檢索脈沖信號,進而由特征位置檢索脈沖信號估算出轉(zhuǎn)子的位置信號。因為三相轉(zhuǎn)子位置信號邊沿之間的夾角是一定的,因此通過檢測一個特征位置的檢索脈沖信號來估計轉(zhuǎn)子位置成為可能。

        1.2單特征位置選擇

        圖2是分別在7.5°和15°轉(zhuǎn)子位置下的磁鏈特性曲線。當電機相電流較小時,電機處于非飽和階段,此時在一個較小的采樣時間段Δt內(nèi),15°位置的磁鏈變化量明顯大于7.5°位置的磁鏈變化量,采樣點排列稀疏,有利于位置信號精度的提高;當電機相電流較大時,電機工作于飽和區(qū),此時對比同樣的采樣時間段Δt,15°位置的磁鏈變化量和7.5°位置的磁鏈變化量基本相等,因此采用兩個特征位置都沒有太大的區(qū)別。所以在電機空載運行或者輕載運行時采用15°作為特征位置更有利于位置信號精度的提高,因此采用15°為參考單特征位置。

        1.3單特征位置估計方案

        假設(shè)開關(guān)磁阻電機各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對稱,那么開關(guān)磁阻電機第k相的電壓平衡方程式為

        uk=Rkik+dψkdt。(1)

        由式(1)可以解析得到第k相的磁鏈表達式為

        ψk(t)=∫t0(uk-Rkik)dt+ψk(0)。(2)

        式(2)離散化為

        ψk(n)={∑Nn=1[Uk(n)-Rkik(n)]T}+

        ψk(0)ψk(n)=

        ψk(n-1)+[Uk(n)-Rkik(n)]T。(3)

        式中ψk(0)為第k相繞組的初始磁鏈。由式(3)可知,如果知道第k相繞組的初始磁鏈,并且實時采集SRM在0~t時刻之間的繞組相電壓uk及相電流ik,就可以通過積分的方法計算出相繞組在t時刻的繞組磁鏈ψk(t)。圖3為基于15°為參考特征位置的位置估計結(jié)構(gòu)圖。

        15°特殊位置的脈沖信號通過實時積分計算的動態(tài)磁鏈與15°特殊位置的磁鏈比較得到,實時動態(tài)磁鏈由式(3)計算得到,15°特征點位置磁鏈采用提出的五點法優(yōu)化磁鏈模型計算得到,該模型在文獻[11]中已詳細分析,由于特征位置角度固定,所以15°特征位置的磁鏈模型只為ψ-i的函數(shù)關(guān)系式。在位置估計算法運行過程中,只需實測出瞬時相電流值,即可通過五點法優(yōu)化磁鏈模型實時計算出特征位置的磁鏈,相比傳統(tǒng)的簡化磁鏈位置估計算法,該算法不需要實測磁鏈,也不需要創(chuàng)建磁鏈數(shù)據(jù)表,因此無需存儲,無需查表,所以提高了微處理器的實時性,并且計算得到的特征位置磁鏈是動態(tài)磁鏈,更能反映電機的運行特性。

        1.4轉(zhuǎn)速與角度估計

        圖4是位置估計原理示意圖,可以看出,A相15°位置對應C相電感最小位置,B相15°位置對應A相電感最小位置,C相15°位置對應B相電感最小位置,相鄰兩個15°位置脈沖信號為一個電感周期,15°特征點位置的脈沖檢索信號由實時積分計算的動態(tài)磁鏈與15°特殊位置的磁鏈比較得到,由于該位置檢索脈沖信號是固定的,所以根據(jù)15°特征點位置的脈沖檢索信號可以估算出轉(zhuǎn)子位置。

        如圖4所示(12/8三相SRM),A相15°分別對應C相0°和45°,相鄰的兩個15°特征位置脈沖信號隔角為Δθ=45°,設(shè)相鄰兩個檢索脈沖上升沿時間間隔為Δt,則電機的轉(zhuǎn)速n為

        n=ΔθΔtdeg/s=60×Δθ360×Δt r/min。(4)

        估算的位置角度為

        θ(k+1)=θ(k)+ωΔT。(5)

        式中:θ(k)為上次采樣時間估算的位置角;θ(k+1)為本次采樣時間估算的位置角;ΔT為采樣時間。在任一個電角度周期里,可由式(5)估算出各相轉(zhuǎn)子位置角。

        2缺相故障位置容錯估計

        當開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)運行在高溫、高速的航空工業(yè),潮濕、多塵等惡劣環(huán)境,電機可能發(fā)生故障,所以,為了拓寬開關(guān)磁阻電機的使用領(lǐng)域,研究開關(guān)磁阻電機無位置傳感器技術(shù)的可靠性和容錯性顯得十分重要。

        由圖4分析可知,通過檢測A相15°特征位置信號間接估計C相的位置信號,但是如果A相發(fā)生缺相故障,則磁鏈檢測系統(tǒng)無法計算出故障相A相的磁鏈,磁鏈比較失效,從而檢測不到A相15°特征位置信號,最終會導致該位置估計算法不能正常運行。為此,針對缺相故障,利用開關(guān)磁阻電機固有的相與相獨立性優(yōu)勢,對該位置估計算法進行了改進,各相位置信號均由本相的電磁信息估計,不涉及其他相,并結(jié)合時間延遲,直接估計出電機轉(zhuǎn)子位置信號。

        現(xiàn)以B、C相缺相,A相正常的故障類型解釋方案的實現(xiàn)過程,如圖5所示。由圖可知,B、C相發(fā)生缺相故障,A相的特征位置信號通過本相磁鏈比較得到,兩個相鄰的15°特征位置脈沖信號相隔45°;根據(jù)SRM電感曲線的周期性,將15°特征位置的脈沖信號分別延遲T7.5°和T30°,即可得到A相最大電感和最小電感位置的檢索脈沖信號,相鄰的兩個檢索脈沖信號間隔為22.5°;這樣根據(jù)A相位置檢索脈沖信號很容易估計出1/2周期導通的位置信號,其中延遲時間T7.5°和T30°由實時轉(zhuǎn)速計算得到。

        從位置信號估計過程看出,A相位置信號估計沒有涉及到B相和C相,所以當B相、C相發(fā)生缺相故障時,A相位置估計信號仍保持正常,電機繼續(xù)運行,其他缺相類型分析如此相同。

        3傳感器故障診斷與容錯

        開關(guān)磁阻電機無位置傳感器技術(shù)是通過檢測電流、電壓、磁鏈等電磁信息間接估計轉(zhuǎn)子位置信號,但是當電磁信息的檢測過程出現(xiàn)了故障,估計出的位置信號誤差將很大,甚至出現(xiàn)位置信號紊亂,嚴重情況下會導致電機運行癱瘓。在一些特殊作業(yè)中,在沒有更換故障傳感器之前,還需要保證電機正常運行,為此,針對電流/電壓傳感器故障進行分析,并提出相應的無位置傳感器容錯技術(shù)。

        3.1故障診斷

        根據(jù)磁鏈積分離散計算公式(3)可以看出,n時刻的磁鏈ψk(n)是n-1時刻計算的磁鏈ψk-1(n-1)加上當前采樣時間T里計算的磁鏈值[Uk(n)-Rkik(n)]T,下面根據(jù)電流傳感器和電壓傳感器故障情況分3種類型分析。

        故障類型一:在n時刻相電流傳感器出現(xiàn)故障,電壓傳感器正常,電流傳感器采樣的值為零,此時,磁鏈積分離散計算公式(3)變?yōu)?/p>

        ψk(n)=ψk(n-1)+Uk(n)T。(6)

        式(6)相比電流傳感器正常情況下的式(3)缺少了-Rkik(n)T項,這樣在第n時刻到開關(guān)管關(guān)斷,相磁鏈會上升加快,磁鏈變化率增大,且在開關(guān)管關(guān)斷時刻磁鏈值比傳感器正常情況下大;在開關(guān)管關(guān)斷后,Uk(n)為負,也缺少了-Rkik(n)項,相磁鏈減小相比傳感器正常情況下變慢,電流傳感器故障分析圖如圖6所示。

        故障類型二:在n時刻相電壓傳感器出現(xiàn)故障,電流傳感器正常,電壓傳感器采集的值為零,此時,磁鏈積分離散計算公式(3)變?yōu)?/p>

        ψk(n)=ψk(n-1)+[-Rkik(n)]T。(7)

        式(7)

        相比傳感器正常情況下的式(3)缺少Uk(n)T項,這樣從第n時刻開始,積分計算出的磁鏈值就開始減小,減小的幅度主要由-Rkik(n)T決定,電壓傳感器故障分析圖如圖6所示。

        故障類型三:在n時刻電壓傳感器和電流傳感器同時出現(xiàn)故障,無法檢測到相電壓和相電流信號,此時,磁鏈積分離散計算公式(3)變?yōu)?/p>

        ψk(n)=ψk(n-1)。(8)

        從式(8) 可以看出從第n時刻開始,積分計算出來的磁鏈值保持恒值ψk(n-1),電壓/電流傳感器故障分析圖如圖6所示。

        所以,可以通過檢測相動態(tài)磁鏈變化特性,診斷出故障相和傳感器故障類型。

        3.2位置估計容錯分析

        傳感器故障與缺相故障不同,傳感器故障只是影響電流或電壓的采集,開關(guān)管和電機繞組都完好,所以如果能間接估計出故障相的位置信號,電機仍然能保持各相正常驅(qū)動運行。

        利用開關(guān)磁阻電機相間獨立性和延遲方法估計故障相的位置信號,下面以2種情況為例解釋其位置估計容錯過程。

        1)C相電流、電壓傳感器發(fā)生故障。由圖1知,故障相C相的位置信號上升沿由A相15o特征位置與相動態(tài)磁鏈比較得到,而C相位置信號的下降沿與A相15°特征位置相差22.5°,所以可以利用延遲方法,將A相的15°特征位置脈沖信號延遲22.5°所需的時間(T22.5°),得到C相的位置信號下降沿。

        2)B、C兩相電流、電壓傳感器發(fā)生故障。只有A相為正常相,其中故障相C相的位置信號估計過程與上述估計方法相同。由圖1可看出,故障相B相的位置信號上升沿和下降沿分別與正常相A相15°特征位置相差15°和37.5°,因此可以將A相15°特征位置的脈沖信號分別延遲15°和37.5°所需的時間(T15°、T37.5°),得到故障B相的位置信號上升沿和下降沿。

        4實驗分析

        為了驗證所提出的無位置傳感器方法的可行性,在一臺12/8結(jié)構(gòu)的SRM樣機的控制平臺上進行了實驗,搭建實驗平臺如圖7所示。其中實驗樣機為一臺12/8結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機,額定功率為1.5 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。平臺的主控核心A為dSPACE1104控制板,B為信號調(diào)理電路,C為不對稱半橋功率電路,D為SRM傳動系統(tǒng),其中dSPACE1104與Matlab/SIMULINK仿真軟件完全兼容并實現(xiàn)無縫連接,通過ControlDesk試驗工具軟件能方便在線設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù),實時地進行電機的靜態(tài)和動態(tài)性能實驗。

        4.1缺相故障實驗

        圖8為電機發(fā)生缺相故障時位置檢索脈沖估計實驗,采用缺相故障位置容錯估計算法。

        其中,圖8(a)為缺A相的位置檢索脈沖實驗。從實驗波形可以看出,A相運行在正常狀態(tài)階段,A相的位置檢索脈沖不會丟失,當A處在缺相故障狀態(tài)階段,A相的位置檢索脈沖信號全部丟失,而B相的位置檢索脈沖信號不會因為A相缺相故障受到影響;圖8(b)是缺A、B兩相故障位置檢索脈沖實驗波形,在缺相運行過程中故障相的位置檢索脈沖信號丟失。由此驗證了該算法下位置檢索脈沖信號的估計是獨立的。

        圖9是電機運行在缺相故障下的位置估計容錯實驗波形,其中圖9(a)和圖9(b)是缺一相故障的實驗波形,從實驗波形看出,當A相發(fā)生缺相故障,利用所提的缺相故障位置容錯算法,仍能估計出正常相B、C的位置檢索脈沖和轉(zhuǎn)子位置信號。圖9(c)是缺兩相故障的實驗波形,由實驗波形看出,正常相C相的位置檢索脈沖信號仍能估計出,不受A、B故障相的影響。

        4.2傳感器故障診斷

        圖10為傳感器故障診斷識別過程實驗波形。圖10(a)給出A相電壓傳感器故障識別過程波形,從實驗波形看出,電壓傳感器正常階段,A相動態(tài)磁鏈正常,當A相電壓傳感器發(fā)生故障,實驗電壓傳感器輸出電壓為零,A相磁鏈在-Rkik(n)作用下,逐漸減小,直至降到零。圖10(b)給出A相電流傳感器故障識別過程波形,從實驗波形可以看出,當A相電流傳感器發(fā)生故障,輸出電流為零,此時A相積分計算出的動態(tài)磁鏈最大值變大了,而且在開關(guān)管關(guān)斷之前,相動態(tài)磁鏈變化率增大。圖10(c)給出了A相缺電壓/電流傳感器故障識別過程波形,從實驗波形看出,A相電流傳感器故障實驗與圖10(b)相同,當電壓/電流傳感器都發(fā)生故障,A相動態(tài)磁鏈保持故障點時刻的動態(tài)磁鏈值不變。上述實驗結(jié)果與圖6傳感器故障類型分析圖相吻合,由此得出理論與實驗完全一致。

        4.3傳感器故障位置容錯估計

        圖11給出了母線電壓為20 V、輕載、無斬波控制時,傳感器故障位置估計容錯實驗波形。其中,圖11(a)給出了負載為0.12 N·m、轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的實驗波形,4個通道分別表示A相電壓波形、A相位置檢索脈沖信號、B相位置檢索脈沖信號、C相位置檢索脈沖信號??梢钥闯?,當A相電壓傳感器發(fā)生故障,利用傳感器故障位置容錯估計方法,仍然可以識別到A相位置檢索脈沖信號。圖11(b)給出了負載為0.21 N·m、轉(zhuǎn)速降為750 r/min的位置估計容錯實驗波形,從實驗波形看出,當A、C兩相電壓傳感器發(fā)生故障,在故障階段,通過正常相B仍能識別出故障相A、C兩相的位置檢索脈沖信號,由位置檢索脈沖即可估計出故障相的位置信號。圖11(c)給出了A相電流傳感器發(fā)生故障位置估計容錯實驗波形,負載為0.12 N·m、轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,從波形看出,故障相A相的位置檢索脈沖可由正常相B、C兩相間接估計出。圖11(d)給出了A、C兩相電流傳感器發(fā)生故障位置估計容錯實驗波形,負載為0.21 N·m、轉(zhuǎn)速750 r/min,從實驗波形看出,當A、C兩相電流傳感器發(fā)生故障,仍能估計出A、C兩相的位置檢索脈沖信號。圖11(e)給出了電壓/電流傳感器同時發(fā)生故障時位置容錯估計波形圖,負載0.21 N·m、轉(zhuǎn)速750 r/min,可以看出,同樣可以通過容錯方法得到三相位置信號,不受電壓/電流傳感器故障的影響。從上述實驗結(jié)果看出,所提出的位置估計方法針對傳感器故障具有較強的容錯性能。

        5結(jié)論

        本文針對開關(guān)磁阻電機發(fā)生故障情況,提出了具有容錯功能的無位置傳感器技術(shù),拓寬了無位置傳感器開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)的使用領(lǐng)域,提高了其可靠性,最后,通過實驗對本文所提的方法進行了驗證,實驗結(jié)果表明:

        1)缺相故障下,通過本文所提的容錯位置估計算法,仍能保持正常相的位置估計正確性;

        2)傳感器故障下,位置估計算法能根據(jù)傳感器故障類型的診斷,實時估計出故障相的位置信號,保證電機故障狀態(tài)下正常運行;

        3)通過缺相和傳感器故障實驗,驗證了該方法具有較高的容錯性和正確性。

        參 考 文 獻:

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        (編輯:邱赫男)

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