一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种故障诊断和容错方法，特别是涉及一种开关磁阻电机转子位置方 波信号故障诊断和容错方法，属于电机信号检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 开关磁阻电机本身具备结构简单坚固，适合高速、高温运行，以及容错能力强等重 要特性。位置检测是开关磁阻电机系统中最为关键的环节之一，也是一个薄弱环节。位置 信号的精度和可靠性直接影响到开关磁阻电机系统的控制性能，是关系到开关磁阻电机本 身的强容错能力得以充分发挥的重要指标。
[0003] 传统的位置检测器主要是光电码盘、磁敏传感器，以及电涡流传感器和旋转变压 器等，检测的位置信号一般通过位置检索脉冲的形式输出而供给控制器进行转子位置解算 和电机控制。对于开关磁阻电机而言，常规的检测方法是采用光电式和霍尔传感器进行位 置检测，输出位置检索脉冲通常为多路方波信号，该方波信号的正确与否，直接关系到开关 磁阻电机驱动信号的估计，位置信号的错误严重时会导致电机的堵转以及功率变换器的损 坏。
[0004] 因此设计具备位置信号实时监测和诊断，并具备容错能力的位置信号处理技术， 有助于进一步提高开关磁阻电机系统的可靠性，尤其对于诸如航空航天、电动汽车、精密伺 服等对开关磁阻电机可靠性要求非常高的应用场合具有重要的实用价值。
【发明内容】
[0005] 本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种开关磁阻电机转子位 置方波信号故障诊断和容错方法，实现实时故障监测和诊断，并实现位置方波信号故障后 的位置信号容错控制，提高开关磁阻电机驱动系统的整体可靠性，从而避免由于转子位置 信号解码错乱而导致的开关磁阻电机控制失效问题。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] -种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，包括以下步骤：
[0008] 1)通过若干路的位置传感器检测开关磁阻电机转子位置方波信号，对检测到的方 波信号进行方波周期内傅里叶频谱分析，获得谐波含量；判断方波周期内的傅里叶频谱分 析所得到的谐波含量中二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传 感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传感器输出的位 置方波信号正常；
[0009] 2)对每一路位置传感器检测到的方波信号在开关磁阻电机每个电周期内每隔 1°机械角度选取一个点作为周期起点进行分析周期内傅里叶频谱分析，分别检测每个分 析周期内的傅里叶频谱分析所得到的二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊 断该路位置传感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传 感器输出的位置方波信号正常；
[0010] 3)根据步骤1)和步骤2)诊断出每一路位置传感器输出的位置方波信号均正常 时，利用方波信号计算转子转速，并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计 算，实现位置方波信号均正常时的转子位置角实时检测；
[0011] 4)根据步骤1)和步骤2)诊断出存在位置传感器输出的位置方波信号发生故障 时，利用剩余的正常位置方波信号来计算转子转速并估算平均转速，再利用平均转速实现 对转子位置的计算，实现位置方波信号故障后的容错控制。
[0012] 本发明进一步设置为：所述步骤1)和步骤2)的傅里叶频谱分析均根据以下公式 进行，
[0014] 其中，V表示傅里叶频谱分析方波分解函数，V表示幅值，《表示角速度，cot表示 转子位置角。
[0015] 本发明进一步设置为：所述开关磁阻电机采用3相12/8结构，其定转子相对位置 变化的电周期为45°，取45°内每隔1°作为周期起点，即1°、2°、…、45°均作为周期 起点而形成45个分析周期，对方波信号在45个分析周期内进行傅里叶频谱分析，得到45 个二次谐波系数；若某一个分析周期内的二次谐波系数不为零，则诊断该路位置传感器发 生了故障。
[0016] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
[0017] 本发明通过对开关磁阻电机位置传感器输出的位置方波信号进行傅里叶频谱分 析，利用二次谐波系数是否为零的特征来实时诊断位置方波信号是否发生故障，实现实时 故障监测和诊断；并结合位置方波信号故障后的位置信号容错控制方法，提升开关磁阻电 机驱动系统的可靠性，从而避免由于转子位置信号解码错乱而导致的开关磁阻电机控制失 效问题。
[0018] 上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下 面结合附图对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
[0019] 图1为正常的位置方波信号；
[0020] 图2为正常的位置方波信号经傅里叶频谱分析所得的谐波含量；
[0021] 图3为位置传感器低电平故障类型1示意图；
[0022] 图4为位置传感器低电平故障类型2示意图；
[0023] 图5为位置传感器高电平故障类型1示意图；
[0024] 图6为位置传感器高电平故障类型2示意图；
[0025] 图7为位置方波信号第二个下降沿出现位置较正常情况提前10%个周期的低电 平故障情况示意图；
[0026] 图8为图7的低电平故障情况下位置方波信号经傅里叶频谱分析所得的谐波含 量；
[0027]图9为位置方波信号第二个上升沿出现位置较正常情况提前10%个周期的高电 平故障情况示意图；
[0028] 图10为图9的高电平故障情况下位置方波信号经傅里叶频谱分析所得的谐波含 量；
[0029] 图11为电机每转过r进行一次傅里叶频谱分析示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
[0031] 本发明提供一种开关磁阻电机转子位置方波信号故障诊断和容错方法，包括以下 步骤：
[0032] 1)通过若干路的位置传感器检测开关磁阻电机转子位置方波信号，对检测到的方 波信号进行方波周期内傅里叶频谱分析，获得谐波含量；判断方波周期内的傅里叶频谱分 析所得到的谐波含量中二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊断该路位置传 感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传感器输出的位 置方波信号正常；
[0033] 2)对每一路位置传感器检测到的方波信号在开关磁阻电机每个电周期内每隔 r机械角度选取一个点作为周期起点进行分析周期内傅里叶频谱分析，分别检测每个分 析周期内的傅里叶频谱分析所得到的二次谐波系数是否为零，若二次谐波系数不为零则诊 断该路位置传感器输出的位置方波信号发生故障，若二次谐波系数为零则诊断该路位置传 感器输出的位置方波信号正常；
[0034] 3)根据步骤1)和步骤2)诊断出每一路位置传感器输出的位置方波信号均正常 时，利用方波信号计算转子转速，并估算平均转速，再利用平均转速实现对转子位置的计 算，实现位置方波信号均正常时的转子位置角实时检测；
[0035] 4)根据步骤1)和步骤2)诊断出存在位置传感器输出的位置方波信号发生故障 时，利用剩余的正常位置方波信号来计算转子转速并估算平均转速，再利用平均转速实现 对转子位置的计算，实现位置方波信号故障后的容错控制。
[0036] 对于开关磁阻电机而言，以3相12/8结构开关磁阻电机为例，由于三个位置传感 器信号波形一致，均为周期性变化的方波，各路信号有120°的电角度相位差。下面结合附 图将针对其中一路位置传感器输出的位置方波信号发生故障的诊断方法进行详细说明：
[0037] 由于正常的位置传感器信号输出的是占空比为50%的方波，如图1所示；对这个 信号进行傅里叶分析，根据以下公式进行，
[0039] 其中，V表示傅里叶频谱分析方波分解函数，V表示幅值，《表示角速度，cot表示 转子位置角。
[0040] 如图1所示正常的位置方波信号经傅里叶频谱分析得到谐波含量，如图2所示，图 2中的柱状高度为各次谐波系数与基波系数的比值；可以看出其中二次谐波的系数为零。
[0041] 开关磁阻电机所用位置传感器根据输出位置方波信号发生故障后的电平高低，将 其故障分为两种，分别是位置信号保持为高电平的高电平故障和位置信号保持为低电平的 低电平故障；然而，在不同的时刻发生（在低电平段发生还是在高电平段发生）的高电平故 障或低电平故障会产生不同的影响。
[0042] 如图3所示的位置传感器低电平故障类型1示意图，可以