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一种永磁同步电机幅值失磁故障诊断方法

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内燃机与配件

0引言

电机的失磁程度将时刻影响永磁电机的稳定运行[1-3]，

因此实现对永磁电机磁链的观测及其重要。近年来，有很

多学者研究永磁电机的磁链观测[4-9]。文献[7]提出一种基

于最小阶扩展磁链滑模变结构观测器，该观测器能准确观

测转矩和永磁体磁链信息。文献[8]提出了一种磁链非奇异

终端滑模观测（NFTSMO），在考虑电阻扰动的同时检测失

磁故障。文献[9]提出了一种控制方法用于转子磁链失磁诊

断和不对称的定子电阻的观测。

以上研究通过各种方法对永磁电机磁链进行观测，或

未考虑参数变化，或考虑电阻变化。然而，在电机的运行过

程中，电机参数的扰动是不可避免的，因此本文针对电感这一电机参数发生扰动的情况，设计了一种自适应滑模观

测器，对永磁磁链幅值失磁进行实时观测。1问题的描述

同步旋转d-q坐标系下，永磁同步电机（PMSM）的数

学模型[10]为

（1）

由于本次研究针对幅值失磁的情况，即永磁磁链的失

磁方向始终发生在d轴方向，q轴方向没有失磁。

因此方程（1）在考虑电感扰动情况下，可化简为

（2）

其中，驻L为电感的变化值。使，其中，整理可得要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要

课题项目院湖南铁道职业技术学院校级课题：表贴式永磁同步电机的失磁故障诊断（K201719）。作者简介院张淼滢（1991-），女，硕士，研究方向为电力传动技术及其故障诊断；肖凡（通讯作者）（1991-），男，硕士研究生，研究方向为电力传动技术及其故障诊断；邵瑞（1984-）：女，硕士，讲师，研究方向为现代控制理论及其在电力电子中的应用；邓昭俊（1987-），男，硕士，研究方向为电力系统及其自动化。一种永磁同步电机幅值失磁故障诊断方法

张淼滢淤曰肖凡于曰邵瑞淤曰邓昭俊淤

（淤湖南铁道职业技术学院，株洲412001；于湖南工业大学，株洲412007）

摘要院针对永磁同步电机幅值失磁，提出了一种永磁同步电机幅值失磁故障诊断方法。该方法通过建立旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型，构建出一种自适应与滑模结合的观测器。针对电感扰动下的幅值失磁，给出了失磁磁链的自适应算法，并借助Lyapunov稳定性理论证明其稳定性。最后，通过Matlab仿真证明了所提方法的可行性和有效性。

关键词院永磁同步电机；幅值失磁故障；自适应滑模观测器

个故障特征来进行故障诊断的准确性则较高。信息融合方

式在信息处理方面有着较强的能力，使用信息融合方式处

理信息，有利于提高诊断的准确性。柴油机的故障诊断工作

是一项复杂的工作，并且在诊断工程中会出现多种不确定

因素影响诊断，不确定因素对信息融合方式产生的影响微

乎其微，信息融合方式是诊断柴油机故障的较好方式。3柴油机故障诊断技术的发展前景

3.1智能化柴油机故障诊断技术

因为柴油机的结构较为复杂，所以很多原因都有可能

导致柴油机发生故障。由于导致柴油机发生故障的原因较

多，因此人们在进行柴油机故障诊断的时候，可能需要耗

费很长时间[3]。为减少柴油机故障的诊断时间，提高柴油机

故障的诊断效率，未来，柴油机故障诊断技术会向智能化

方向发展，会出现更为智能的诊断方法，逻辑性会更强、诊

断速度会更快。3.2系统化柴油机故障诊断技术

在现有的诊断柴油机故障技术中，用到了多种理论，这

些理论都属于非线性动力系统理论。非线性动力系统理论

为柴油机故障诊断技术提供了理论参考。当前理论在柴油

机故障诊断技术的应用过程中还存在很多问题，最主要的一个问题是缺少实践性，若想使柴油机故障诊断技术更具

实践性，应当提高非线性动力理论的适用性，形成系统化的

诊断技术[4]。由于当前的柴油机故障诊断方法还存在一些缺

点，人们应当对柴油机故障诊断方法进行不断改进。4结论

通过以上描述可以看出，许多工业在生产方面离不开

柴油机的使用，如果柴油机出现故障，会对企业的生产效

益造成一定的影响，提高柴油机故障诊断技术，有利于及

时发现柴油机出现的故障，有利于及时处理柴油机故障问

题，有利于减少柴油机故障问题的发生。

参考文献院[1]牟伟杰，石林锁，蔡艳平，郑勇，刘浩.基于振动时频图像全

局和局部特征融合的柴油机故障诊断[J].振动与冲击，2018，37（10）：14-19，49.[2]王凯，奚博文，王玉宝，顾鼎锡，刘英杰.基于故障树理论的

船舶柴油机故障诊断系统的开发与测试[J].数码设计，2017，6（04）：56-65.[3]金炳哲，陈冬梅，徐在强.基于数据库与专家系统的柴油机

故障诊断软件开发[J].柴油机，2017，39（01）：42-45.[4]郑小倩，胡仕强，吴舰.基于概率神经网络的柴油机故障诊

断与预测研究[J].工矿自动化，2013，39（09）：

104-108.·128·InternalCombustionEngine&Parts

（3）

由电流方程（3）得到PMSM的状态方程为

（4）

其中，取状态变量：，，，系数矩阵

，，

2自适应滑模观测器设计

对式（4）描述的PMSM系统，构造如下自适应滑模观

测器

（5）

其中：sgn（x-x赞）为符号函数；k为待设计常数；G为待

设计矩阵，上标“^”为各相应变量的观测值。ksgn（x-x赞）用来

抵消参数变化带来的影响。f赞用来观测失磁磁链。G（y-y赞）

用来控制收敛速度，优化系统状态的稳定性。

定义观测器的偏差：，输出

偏差：。

则由式（4）、（5）得

（6）

其中，磁链估计误差。

本文提出的改进型自适应算法为

（7）

其中：祝=祝T>0为自适应学习率；F为待设计的观测器

增益矩阵。

说明1：基于改进型自适应算法式（7），得到磁链估计值

（8）

引理1：对于任意正数滋和对称正定矩阵P，下述不

等式成立

（9）

定理1：对式（4）设计观测器式（5），如果k1足够大，并有正定对称矩阵F沂Rr伊p满足

（10）

改进型自适应估计算法如式（8），则可使得状态估计

误差e，磁链估计误差ef一致终有界。

证明：

选取如下正定函数作为Lyapunov函数

（11）对式（11）求导可得

（12）

令

（13）

则可将式（13）拆分成

淤对于V1

（14）

由于定子电阻及磁链在工程上均有界，则可以保证d

有界，即存在d燮着，使得d燮着有界。注：文中所用数学符号表示向量的欧式范数或矩阵的谱范数。如k足够大，即可以满足

（15）

则可得式（14）为（16）于对于V2

（17）

根据引理1可知，可使

（18）

其中H为对称正定矩阵。

将式（18）代入式（17）可得

（19）

其中·129·内燃机与配件

如果式（10）成立，令则

（20）

则当，且k，F足够大时，即满足

，可使e，ef一致终有界。

3仿真分析

仿真所用永磁同步电机参数如表1所示。同时，设置

观测器初值均为0。0.05s时，负载转矩由0变为20；0.3s

时，电感由0.0085变为0.0105；0.4s时，磁链发生幅值失

磁，由0.175变为0.170。

表1电机参数标称值电机参数标称值

定子绕组相电阻/赘极对数定子绕组电感/H转子磁链/Wb转子惯量/Kgm2.87540.00850.1750.008

观测器参数模块参数如下：

，，。

如图1所示，q轴电流在0.05s增加负载后电流跳变到19A，0.4s失磁时略微上升；d轴电流则保持在0A附近。符

合id=0的控制算法。可得，电流只有在加载的情况下发生

变化，故障对其影响不大，而电感变化基本与其无关。

图1d-q轴电流仿真波形如图2所示，在0.05s增加负载后观测磁链无明显波

动，0.3s电感变化时产生轻微波动。在0.4s发生幅值失磁，

轴永磁磁链由0.175Wb下降到了0.170Wb，观测值产生波

动并快速跟上了给定值。Matlab仿真结果验证了理论方法的可行性和有效性。

4结论

针对永磁同步电机存在幅值失磁问题，本文提出一种

永磁同步电机幅值失磁故障检测方法。该方法首先通过引入电感的变化值作为扰动，在此基础上建立d-q坐标轴下

电机的幅值失磁故障数学模型。然后将滑模变结构和自适

应相结合，设计出电感扰动下的幅值失磁磁链自适应估计

算法，以实现永磁体的失磁故障检测。最后利用Matlab仿

真结果证明该算法的有效性。

参考文献院[1]S.SaeidMoosavi,A.Djerdir,Y.Ait.Amirat,D.A.Khaburi.Demagnetizationfaultinvestigationinpermanentmagnetsynchronousmotor[C].The5thAnnualInternationalPowerElectronics,DriveSystemsandTechnologiesConference(PEDSTC2014),Tehran,Iran,2014:617-622.[2]S.S.Moosavi,A.Djerdir,Y.Ait.Amirat,D.A.Khaburi.Demagnetizationfaultdiagnosisinpermanentmagnetsynchronousmotors:Areviewofthestate-of-the-art[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials,2015,391:203-212.[3]J.Faiz，H.NejadiKoti.DemagnetizationFaultIndexesinPermanentMagnetSynchronousMotors—AnOverview[J].IEEETransactionsonMagnetics,2015,52(4):1-1.[4]XuWei,JiangYajie,MuChaoxu.ImprovedNonlinearFluxObserverBasedSecond-OrderSOIFOforPMSMSensorlessControl[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2019,34(1):565-579.[5]WenxiangZhao,AnchenYang,JinghuaJi.ModifiedFluxLinkageObserverforSensorlessDirectThrustForceControlofLinearVernierPermanentMagnetMotor[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2018,(99):1-12.[6]陈正方，王淑红，高若中，等.一种笼型转子无刷双馈电机

的磁链观测方法[J].电工技术学报，2018，33（23）：5402-549.[7]黄刚，罗意平，张昌凡，赵凯辉.基于扩展磁链的永磁同步

牵引电机失磁在线监测[J].铁道学报，2016，38（2）：48-55.[8]Kai-HuiZhao,Te-FangChen,Chang-FanZhang,etal.OnlineFaultDetectionofPermanentMagnetDemagnetizationforIPMSMsbyNonsingularFastTerminal-Sliding-ModeObserver[J].Sensors,2014,14(12):23119-23136.[9]TaniA,GritliY,MengoniM,etal.Detectionofmagnetdemagnetizationandhigh-resistanceconnectionsinfive-phasesurface-mountedpermanentmagnetgenerators[C].DiagnosticsforElectricalMachines,PowerElectronicsandDrives(SDEMPED),2015IEEE10thInternationalSymposiumon,Guarda,2015,487-493.[10]金海，黄进.基于模型参考方法的感应电机磁链的自适应

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永磁无刷直流电机霍尔传感器故障诊断与容错运行新方法

永磁无刷直流电机霍尔传感器故障诊断与容错运行新方法

永磁无刷直流电机霍尔传感器故障诊断与容错运行新方法

目前，针对无刷直流电机无法正常运行的情况已提出了基于振动和定子电流频谱分析的故障检测和诊断方法，同时也有霍尔传感器FTC方案。本文提出在霍尔传感器发生故障的瞬间进行精确的诊断，并保证无刷直流电机持续稳定运行的方法。根据霍爾信号的持续时间是否出现异常来判断是否出现霍尔传感器故障，同时，切断出现故障的霍尔传感器，采用正常工作霍尔传感器的信号预测故障霍尔传感器的信号，使无刷直流电机进行正常换相。

标签：永磁无刷直流电机;霍尔传感器故障诊断;容错控制;Simulink仿真

引言：文章围绕一个霍尔传感器出现故障和两个霍尔传感器出现故障的情况进行了详细的分析和仿真，提出了一种霍尔传感器实时故障分析诊断与容错运行的方法。本容错运行方法利用正常工作霍尔传感器高电平与低电平的时间计算，并模拟故障霍尔传感器高、低电平时间，在故障霍尔传感器电平不改变的情况下也可以使电机正确换相。实验结果表明，通过正常工作的霍尔传感器可以较好地判断故障霍尔传感器电平变化的情况，进而控制晶体管的导通与关断，保证无刷直流电机的正常换相。采用本文的容错方式运行可以保证无刷直流电机运行驱动系统在霍尔传感器故障的情况下可靠运行，对提高无刷直流电机驱动系统的可靠性具有重要的应用意义。

1 基于霍尔传感器的BLDC驱动系统

基于霍尔传感器的永磁无刷直流电机（BLDC）驱动系统的基本结构，此结构由转速PI调节器、电流幅值限制模块、电流检测模块、电流PI调节器、PWM及换相模块、位置检测模块、转速检测模块和永磁无刷直流电机组成。无刷直流电机一般采用三相逆变器供电和两两导通的控制方式，需要三个霍尔传感器对电机转子位置进行实时检测，在一个电周期内提供六路换相信号实现电机换相。三个霍尔传感器分别独立工作，在一个电周期内可发出相位相差120°的方波信号，用以确定转子位置，进而控制晶体管开断.

2 霍尔传感器故障诊断及容错控制

一种基于电感饱和效应的电流差值检测永磁同步电机转子初始位置的方法

一种基于电感饱和效应的电流差值检测永磁同步电机转子初始位置的方法

2018年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.33 No. 7 第33卷第7期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2018

DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.170161

一种基于电感饱和效应的电流差值检测

永磁同步电机转子初始位置的方法

黄科元 陈忠强 黄守道

（湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082） 摘要 解决无位置传感器永磁同步电机（PMSM）控制系统起动困难的关键在于准确的转子

初始位置检测。该文在分析了永磁同步电机绕组磁路饱和度与电感值以及永磁体转子位置与绕组

电流的关系的基础上，设计了一种电流差值检测方法，定子三相绕组任意选通两相，另一相悬空，

正反方向注入电压脉冲，得到响应电流差值，根据电流差值得到转子初始位置，同时辨识出转子

NS极。为了克服注入的电压脉冲在绕组中产生的剩磁影响采样电流准确性的问题，提出了一种抵

消剩磁的脉冲注入方式，从而提高转子初始位置检测的准确性。实验结果验证了该方法简单可靠，

不受转子凸极结构限制，可同时适用于面贴式和内嵌式永磁同步电机，检测过程保持完全静止，

具有很高的工程实用性。

关键词：永磁同步电机 转子初始位置 电流差值检测 剩磁

中图分类号：TM341 A Initial Rotor Position Estimation Method for PMSM

Based on Inductance Saturation Effect

Huang Keyuan Chen Zhongqiang Huang Shoudao

（College of Electrical and Information Engineering Hunan University Changsha 410082 China） Abstract The initial rotor position detection accuracy is the key of solving the start difficulty in

一种过调制算法及其在永磁同步电动机弱磁控制中的应用

一种过调制算法及其在永磁同步电动机弱磁控制中的应用

一种过调制算法及其在永磁同步电动机弱磁控制中的应用

过调制是一种在永磁同步电动机中用于弱磁控制的算法。该算法通过在电流控制回路中引入过调制技术，可以在磁通极度减弱的情况下仍保持较高的动态响应性能和较高的功率因数。本文将介绍过调制算法的原理和应用。

过调制算法的原理基于永磁同步电动机的特性。永磁同步电动机可以通过调节电流矢量的幅值和相位来实现电机控制。传统的矢量调制算法在磁通减弱较多的情况下，容易导致电流矢量失真和磁通损耗增大。为了解决这个问题，过调制算法引入了超调电压信号，并在电流矢量控制回路中引入了超调控制器。

过调制算法的基本思路是通过超调电压信号改变电流矢量幅值和相位，使电机具有更好的响应性能和功率因数，同时减小磁通损耗。具体来说，当磁通较弱时，通过增大电流矢量的幅值和改变相位，可以提高电机的转矩和降低电机的电磁启动时间。同时，在电流矢量较小的区域，过调制算法可以提高电机的效率和功率因数。因此，过调制算法可以有效地解决永磁同步电动机在弱磁运行条件下性能下降和功率因数恶化的问题。

过调制算法的应用主要集中在永磁同步电动机的弱磁控制中。在传统的弱磁控制方法中，电机容易产生振荡、响应滞后、转矩下降等问题。过调制算法通过引入超调电压信号和超调控制器，可以减小这些问题，并保持电机的高动态响应性能和高功率因数。同时，过调制算法还可以减小电机的磁通损耗，提高电机的效率。

在实际应用中，过调制算法可以通过改变超调电压信号的幅值和频率来实现不同的控制效果。具体来说，当电机处于弱磁工况时，可以适当增加超调电压信号的幅值，从而提高电机的转矩响应和动态性能。当电机处于负载工况时，可以降低超调电压信号的幅值，以减小电机的磁通损耗和提高效率。

总之，过调制算法是一种在永磁同步电动机弱磁控制中应用的有效方法。该算法通过引入超调电压信号和超调控制器，可以在磁通减弱的情况下仍保持电机的高动态响应性能和功率因数。在实际应用中，过调制算法可以根据不同的工况需求来调节超调电压信号的幅值和频率，从而实现不同的控制效果。这种算法的应用有助于提高永磁同步电动机的运行效率和性能。

永磁同步电机参数测量试验方法

永磁同步电机参数测量试验方法

永磁同步电机参数测量实验

一、实验目的

1.测量永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、转子磁链以及转动惯量。

二、实验内容

1.掌握永磁同步电机dq坐标系下的电气数学模型以及机械模型。

2.了解三相永磁同步电机内部结构。

3.确定永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、反电势系数以及转动惯量。

三、拟需实验器件

1.待测永磁同步电机1台；

2.示波器1台；

3.西门子变频器一台；

4.测功机一台及导线若干；

5. 电压表、电流表各一件；

四、实验原理

1.定子电阻的测量

采用直流实验的方法检测定子电阻。通过逆变器向电机通入一个任意的空间电压矢量Ui(例如U1)和零矢量U0,同时记录电机的定子相电流,缓慢增加电压矢量Ui的幅值,直到定子电流达到额定值。如图1所示为实验的等效图,A、B、C为三相定子绕组,Ud为经过斩波后的等效低压直流电压。Id为母线电流采样结果。当通入直流时，电机状态稳定以后，电机转子定位，记录此时的稳态相电流。因此，定子电阻值的计算公式为：

1,2adbcdIIIII (1)

23dsdURI (2)

ABCUdIdO

图1 电路等效模型

2． 直轴电感的测量

在做直流实验测量定子电阻时,定子相电流达到稳态后,永磁转子将旋转到和定子电压矢量重合的位置,也即此时的d轴位置。测定定子电阻后,关断功率开关管,永磁同步电机处于自由状态。向永磁同步电机施加一个恒定幅值,矢量角度与直流实验相同的脉冲电压矢量(例如U1),此时电机轴不会旋转(ω=0),d轴定子电流将建立起来，则d轴电压方程可以简化为：

dddqqddiuRiLiLdtdddddiuRiLdt (3)

对于d轴电压输入时的电流响应为：

()(1)dRtLUiteR (4)

利用式(4)以及测量得到的定子电阻值和观测的电流响应曲线可以计算得到直轴电感值。

其中U/R为稳态时的电流反应，R为测得的电机定子电阻。由上式可知电流上升至稳态值的0.632倍时，1dRtL，电感与电阻的关系式可以写成：