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电机控制系统中的故障诊断与容错控制方法研究摘要：电机控制系统在工业领域的广泛应用中扮演着重要角色。
然而，由于不可避免的故障和异常情况，这些系统可能会受到严重影响，甚至导致生产中断和安全事故。
因此，开发可靠的故障诊断与容错控制方法对于确保电机控制系统的可靠性、稳定性和安全性至关重要。
传统的故障诊断方法主要基于信号处理和模型匹配技术，凭借对异常信号和已知模型的比对来识别故障。
尽管这些方法在一定程度上能够实现故障诊断的目标，但仍然存在对特定故障模式的依赖性和对系统动态特性的不足之处。
然而，随着机器学习和人工智能技术的迅猛发展，基于这些新方法的故障诊断技术逐渐受到关注，如深度学习、支持向量机和贝叶斯网络等。
这些方法通过学习大量数据来建立模型并进行故障分类，从而提高了故障诊断的准确性和鲁棒性。
基于此，本篇文章对电机控制系统中的故障诊断与容错控制方法进行研究，以供参考。
关键词：电机控制系统；故障诊断；容错控制方法引言电机控制系统中的故障诊断与容错控制方法。
基于机器学习和人工智能的故障诊断方法以及基于模型预测控制的故障诊断方法，比较它们的性能和适用性。
基于模型预测控制的容错控制方法，包括算法设计、系统重构和状态切换等方面。
对于电机控制系统的容错控制，传统方法主要采用备件冗余、积分调节和自适应控制等手段，以提高系统的鲁棒性和稳定性。
基于模型预测控制的容错控制方法正在逐渐崭露头角。
该方法能够通过建立精确的系统模型，并根据故障状态进行在线优化，从而根据实际情况调整控制策略，保证系统正常运行。
基于此，强调了故障诊断与容错控制方法在提高电机控制系统可靠性和安全性方面的重要性。
1电机控制系统在工业应用中的重要性电机控制系统在工业应用中具有重要性的原因如下：（1）驱动力。
电机作为一种将电能转化为机械能的设备，是工业生产中最常用的驱动力之一。
它们广泛应用于各个行业，如制造业、采矿业、建筑业和交通运输等。
（2）精确控制。
电机控制系统可以通过改变电机的转速、转矩和位置等来实现精确控制。
![双定子双凸极电机故障容错驱动系统及控制方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/b4f42ed643323968011c92ef.png)
专利名称：双定子双凸极电机故障容错驱动系统及控制方法专利类型：发明专利
发明人：张陶晶,魏佳丹,周波,史立伟
申请号：CN201610279987.4
申请日：20160428
公开号：CN105897114A
公开日：
20160824
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开双定子双凸极电机故障容错驱动系统及控制方法，属于双凸极电机控制技术领域。
双定子双凸极电机为共轴的两段式转子互错角度的六相双凸极电机，传统采用六桥臂十二开关管作为功率变换器，本发明在桥臂上加上额外的切换开关（K、K、K、K），出现某一桥臂开关管开路故障时，控制故障桥臂的切换开关，将故障相电机绕组与另一段电机对应的正常变换器桥臂相连，重构容错后的变换器拓扑，并切换至新型容错控制策略，实现五相桥臂容错驱动双定子双凸极电机。
本发明可以在系统检测到故障后快速平滑地切换至容错运行状态，并保持电机原有的驱动性能，维持转矩平稳，实现双定子双凸极电机故障后的容错控制。
申请人：南京航空航天大学
地址：210000 江苏省南京市江宁区将军大道29号
国籍：CN
代理机构：南京汇盛专利商标事务所(普通合伙)
代理人：张立荣
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双凸极永磁电机信号控制系统设计与应用作者：刘明纲来源：《江苏科技信息》 2018年第30期摘要：双凸极永磁电机（Doubly Salient Permanent Magnet Motor,DSPM电机）研究重点内容之一是转子位置信号的控制检测。
文章根据DSPM电机的工作特点，选用无位置传感器方案，设计了电机转子位置信号控制的硬件部分与软件部分。
硬件系统主要包括功率变换电路、隔离电路、主控制电路。
软件体系主要考虑电机的起动、正交正弦波参考电流信号等。
实验结果显示文章所选方案具有良好的控制性能，能够有效实现DSPM电机的实时跟随控制。
关键词：双凸极永磁电机；转子；无位置传感器；控制中图分类号：TM3 文献标识码：A0 引言区别于传统电机，DSPM电机无法直接作用于工频交流电或者是直流电源，且在一个导通周期内，DSPM均通电［1］。
因此，DSPM必须在特定转子位置处经过功率变换器将强电流转换为弱电流信号，才能通、断电源［2］，从而控制绕组电流矢量，最终使得DSPM处于正常工作状态。
因此，若电机正常工作，必须实时了解DSPM转子位置并予以定义，如此，功率变换器才能将强电流信号转化为弱电流信号，从而控制电源通断，最终实现电机正常工作。
可见，转子位置实时监控是实现DSPM电机正常工作的重点所在。
1 系统总体设计本文以两相运行原理为基本理论依据，选取8/6极定子永磁型DSPM 电机作为研究对象。
理论上，两相运行原理是：为电机两相绕组施加与反电动势同相位同频率的正弦波参考信号，而永磁磁链对转子位置导数的极性与永磁反电势成正比，那么，若导数极性为正，通入正极性电流；反之，则是负极性电流［3］。
假设：DSPM结构对称，忽略电机边缘效应和铁芯磁阻等因素，那么，相角、转矩分别为：反电动势极性与通入电流极性成正比。
当θp =60°时，半周为30°，V，W 相反电动势相位相差15°，电角度为90°。
双凸极电动机的原理和控制双凸极电动机是一种常见的直流电动机，它采用了双凸极结构，具有一定的优势和特点。
本文将介绍双凸极电动机的工作原理和控制方法。
一、双凸极电动机的工作原理双凸极电动机由电枢和磁极组成。
电枢是由绕组和电刷组成的，而磁极则是由永磁体或电磁线圈构成的。
当电流通过电枢绕组时，产生的磁场与磁极的磁场相互作用，产生电磁力，使电动机产生转矩。
根据左手定则，当电流流过电枢绕组时，磁场方向与电流方向垂直，产生力的方向垂直于磁场和电流的方向，从而产生转矩。
双凸极电动机的转子上有两个凸起的部分，这两个凸起被称为凸极，它们与电枢的绕组相互作用，产生转矩。
由于凸极的存在，双凸极电动机在工作时具有较高的转矩和较低的起动电流，使得它在一些需要较大起动转矩的场合中具有广泛的应用。
二、双凸极电动机的控制双凸极电动机的控制可以通过改变电源电压、电枢绕组的连接方式和电刷的位置来实现。
1. 改变电源电压：改变电源电压可以改变电动机的转速。
当电源电压增大时，电动机的转速也会增加；当电源电压减小时，电动机的转速也会减小。
通过调节电源电压，可以实现对电动机的转速控制。
2. 改变电枢绕组的连接方式：通过改变电枢绕组的连接方式，可以改变电动机的转向。
当电枢绕组的两端交换连接时，电动机的转向也会改变。
这种方法常用于需要频繁改变转向的场合。
3. 改变电刷的位置：电刷是与电枢绕组相连的导电材料，通过改变电刷的位置，可以改变电枢绕组中的电流方向，从而改变电动机的转向。
这种方法适用于需要定向控制的场合。
双凸极电动机的控制方法多种多样，可以根据实际需求选择合适的控制方式。
在实际应用中，可以通过组合使用不同的控制方法来实现更精确的控制效果。
总结：双凸极电动机是一种常见的直流电动机，它具有较高的转矩和较低的起动电流，适用于一些需要较大起动转矩的场合。
双凸极电动机的控制可以通过改变电源电压、电枢绕组的连接方式和电刷的位置来实现。
通过调节电源电压、改变电枢绕组的连接方式和改变电刷的位置，可以实现对电动机的转速和转向的控制。
双凸极电动机的原理和控制1. 引言双凸极电动机作为一种常见的电机类型，具有结构简单、体积小、转矩大等优点，在各个领域得到了广泛应用。
本文将对双凸极电动机的原理和控制进行深入探讨。
2. 双凸极电动机的结构和工作原理2.1 结构双凸极电动机的结构主要包括定子、转子和电刷。
定子由磁极环、定子线圈和焊接铁芯组成，转子由铁芯和绕组组成，电刷用于与转子接触并传递电能。
2.2 工作原理双凸极电动机的工作原理基于电磁感应定律。
当定子线圈通电时，产生磁场。
转子内的绕组由于与定子的磁场相互作用而产生转矩，使转子转动。
3. 双凸极电动机的控制方法3.1 直流电枢控制方法直流电枢控制方法是一种常见的双凸极电动机控制方法。
该方法通过控制直流电源电压的大小和方向，来控制电机的转速和转向。
具体控制方法包括调节电源电压、反向电源电压等。
3.2 PWM控制方法PWM控制方法是一种通过周期性改变占空比的方式来控制电机的转速的方法。
通过控制PWM信号的占空比，可以改变电机转子每个周期内的导通时间，从而实现对电机转速的控制。
3.3 反馈控制方法反馈控制方法是一种通过测量电机转子位置和速度，并将测量结果与期望值进行比较，从而调整电机控制信号的方法。
常见的反馈控制方法包括位置反馈控制和速度反馈控制，可以实现更精准的电机控制。
3.4 其他控制方法除了上述常见的控制方法外，还有一些其他的电机控制方法，如模糊控制、神经网络控制等。
这些方法可以根据具体应用场景和需求进行选择和应用。
4. 双凸极电动机的应用领域双凸极电动机由于其结构简单、体积小、转矩大等特点，在各个领域都有广泛的应用。
以下是双凸极电动机的一些常见应用领域：1.家用电器：如洗衣机、吸尘器等。
2.机械设备：如打印机、数控机床等。
3.汽车行业：如电动汽车、电动自行车等。
4.机器人技术：如工业机器人、家庭机器人等。
5.医疗设备：如电动轮椅、手术机器人等。
6.空调设备：如空气净化器、风扇等。
第28卷第18期中国电机工程学报V ol.28 No.18 Jun. 25, 20082008年6月25日 Proceedings of the CSEE ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 73 文章编号：0258-8013 (2008) 18-0073-06 中图分类号：TM 351 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40双凸极电机位置信号的故障诊断与容错控制马长山，周波(航空电源航空科技重点实验室(南京航空航天大学)，江苏省南京市 210016)Fault Diagnosis and Fault-tolerant Control of Position Signal for Doubly Salient MotorMA Chang-shan, ZHOU Bo(Aero-Power Science-Technology Center (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics),Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: Position sensor is key of exact commutation for brushless motor. When position sensor is faulted，information of commutation will be incorrect, causes torque decrease, speed reduction. The study on fault diagnosis and fault-tolerant control of position signal is necessary in order to output correct commutation information and increase reliability. The method of real-time monitoring state of position signal is proposed through studying position signal of doubly salient permanent magnet motor. The logical controller of commutation is restructured. Fault-tolerant control is carried out immediately after fault of position signal is diagnosed. The validity and practicability of fault analysis, fault diagnosis and fault-tolerant control is verified by fault simulation and test.KEY WORDS: doubly salient motor; position signal; fault diagnosis; fault-tolerant control摘要：位置传感器是无刷电机正确换相的关键。
位置信号出现故障后，电机的换相逻辑混乱，输出转矩降低，电机转速下降。
为提高系统可靠性，使电机能在正确的位置输出换相信息，对位置传感器进行故障诊断和容错控制是必要的。
该文通过对永磁式双凸极电机位置信号的研究，提出一种实时监测位置信号运行状态的方法。
在系统诊断出位置信号故障后，通过对位置信号换相逻辑控制器进行重构，实现故障后容错控制。
通过对位置信号故障的模拟，验证了该文对位置信号故障分析、故障诊断和容错控制的正确性和实用性。
关键词：双凸极电机；位置信号；故障诊断；容错控制0 引言以功率电路和位置传感器构成电子换相器的无刷电机需要通过位置传感器控制各相绕组的导通顺序和时间，因此位置信号非常重要。
只有正确的位置信号处理才能保证电机在正确位置换相，使电机基金项目：江苏省高技术项目(BG2004009)；航空支撑科技基金(03C52007)。
按预定目标运行。
前人已对无刷直流电机、开关磁阻电机和双凸极电机等无刷电机进行了大量研究[1-15]，文献[16]研究了位置信号的调整方法，文献[17-20]提及位置信号的故障，其中，文献[20]简单描述通过增加两个位置传感器的方法实现8/6开关磁阻电机的容错控制，但对位置信号的故障诊断及其故障后容错控制的深入研究至今未见报道。
在某些高可靠性的系统或特定场合中，不允许系统出现故障，或者出现故障后应能继续运行一段时间，然后进行故障处理。
因此，为了提高系统可靠性，对系统中容易出现故障的位置信号进行容错控制非常必要。
永磁式双凸极(doubly salient permanent magnet, DSPM)电机是在开关磁阻电机上发展起来的一种新型无刷直流电机。
本文通过对DSPM电机位置信号研究，提出一种实时监测位置信号运行状态的方法。
该方法可以在位置信号出现永久性失效故障后，及时诊断出故障种类，并通过DSP对位置信号换相逻辑控制器进行重构，实现运行中位置信号故障的容错控制，提高系统可靠性，拓宽了应用范围。
1 位置信号的故障分析1.1 位置信号的故障种类在双凸极电机数字控制系统中，DSP通过捕获位置信号的上升沿进入捕获中断，给出相应的换相信息。
位置信号故障大体上可以分为暂态故障(脉冲丢失)和永久性失效故障。
本文从永久性实效故障出发，对三相双凸极电机位置信号进行研究。
因此位置信号故障进而可分为3种：一相故障、两相故障和三相故障。
在3种故障中，一相位置信号发生故障的概率最高，其次两相故障，故障率最低的是三74 中 国 电 机 工 程 学 报 第28卷相同时发生故障。
位置信号发生故障后可能有两种状态：①恒为低电平，即0i H ≡，A,B,C i =；②恒为高电平，即1i H ≡，A,B,C i =。
由于故障后不能形成上升沿或下降沿触发中断，导致无法输出正确的换相信息。
本文以图1所示的6/4极永磁式双凸极电机为例，对位置信号故障进行研究。
正常运行时磁链、位置信号和相电流的对应关系如图2所示，ψA 、ψB 、ψC 为三相磁链。
定子磁钢转子绕组ABnC图1 6/4极永磁式双凸极电机截面图Fig. 1 Cross section of 6/4 pole DSPM motorH H i i B i图2 DSPM 电机工作原理Fig. 2 Operating principle of DSPM motor1.2 一相故障分析一相位置信号故障可以是A 、B 、C 三相中任一相。
由于三相对称，以C 相故障为例进行分析。
C 相故障后DSPM 电机的电流波形和输出转矩波形如图3所示，虚线部分为故障后的电流波形和转矩波形。
正常情况下，在60°时C 相位置信号上升沿触发中断输出换相信息，使A 相电流为零、B 相电流为负、C 相电流为正，如图2所示。
当C 相位置信号发生故障后，C 相上升沿丢失，不能在60°时修改换相信息，致使在60°~90°区间电流依然保持为故障前一个状态，直到下一相位置信号上升沿来临止，如图3所示。
因此在60°~90°的故障区间，由于A 相磁链的变化率几乎为零，尽管A 相电流为负，但不输出转矩；B 相电流为正，但磁链变化率为负，输出负转矩。
C 相磁链变化率为正，但由于C 相电流为零，无法输出转矩，致使此区间合成转矩为负。
和正常运行相比，一个周期内输出平均转矩大大降低。
在位置信号发生故障后，由于无法正确换相，导致触发逻辑混乱。
θ/(°) i i i图3 C 相故障后的电流波形和转矩波形Fig. 3 Current and torque waveforms after phase C fault1.3 两相故障分析以B 、C 相为例进行分析，故障后DSPM 电机的电流波形和输出转矩波形如图4所示，虚线为故障后的电流波形和转矩波形。
从图4可以看出，在B 、C 两相位置信号发生故障后，由于B 、C 两相位置信号不能触发进入中断进行换相控制，故障后一直维持A 相位置信号触发进入中断时的换相逻辑。
因此故障后，A 相电流一直为正，B 相电流一直为零，C 相电流一直为负，且A 相和C 相在一个周期内产生的平均转矩为零。
两相位置信号故障后，相当于给电机施加一个直流激磁，一个周期内电机平均输出转矩为零，电机无法运转。
当三相位置信号发生故障后，换相逻辑完全混乱，电机无法运行。
θ/(°) i i i T T T T图4 B 、C 两相故障后的电流波形和转矩波形Fig. 4 Current and torque waveforms after fault ofphase B and phase C position signal第18期马长山等： 双凸极电机位置信号的故障诊断与容错控制752 位置信号的故障诊断2.1 恒为低电平故障诊断位置信号的故障诊断是基于DSP对位置信号运行状态实时监测，通过对位置信号的边沿或电平变化来诊断位置信号的故障。
位置信号故障后电平一直为低，因此不能触发进入捕获中断进行换相。
三相位置信号A、B、C 经过整形后直接连到DSP的捕获口cap4~cap6，在每个位置信号上升沿触发中断，进入捕获中断子程序，输出换相逻辑，读取对应的中断矢量分别为36h、37h、38h。
图5左上角为本次进入捕获中断的中断向量，右下角为预测下次进入捕获中断的中断向量。
如捕获中断子程序检测到中断向量为37h，系统判定为B相位置信号上升沿触发中断，同时预测下次进入的中断向量为38h，即C相。
ABC38h图5位置信号故障诊断方法Fig. 5 Method of fault diagnosis of position signal在位置信号上升沿触发进入捕获中断后，读取进入中断的中断向量，与预测的中断向量相比，若相同，为正常进入的中断，同时预测下次进入中断的向量，如不相同则为故障。
出现故障后，可以将本次进入中断的中断向量和上次的中断向量相比，若相等为两相位置信号故障。
若不等，将上次的中断向量减去本次中断向量，根据它们的差判断相应的故障。
令本次中断向量为X，上次中断向量为X L，当两次中断向量的差为1时，根据本次进入的中断向量，诊断是A相故障还是C相故障。
具体判别如表1所示。
以B相位置信号故障为例说明故障诊断方法，如图6示。
当A位置信号上升沿触发进入中断后，预测下次中断向量为37h，同时更新X L为36h。
