本发明涉及多相电动机的故障诊断领域，尤其涉及一种双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法。
背景技术：
多相电动机拥有转动脉动小、适用于低压大功率、谐波小、容错性能好、噪声小节约能源等优点越来越受到人们的关注。目前多相电机多用于航空航天、精密医疗器械、军事、船舶舰艇等对电动机的可靠性、控制精度要求较高的领域，不过随着其他行业的兴起，多相电机将会更广泛的进入到人们的生活中，特别是现在的轨道交通和即将普及的电动汽车领域，多相电机肯定会扮演着越来越重要的角色。
在多相机的控制越发成熟的时候，对于驱动系统的故障诊断及容错控制变得十分重要。双三相永磁同步电机有一定的容错运行能力，在单桥臂或者双桥臂故障下，其依然有一定的稳定性，但谐波干扰会变大，对于双三相永磁同步电机的冲击磨损会变大。如故障出现军事等需要高稳定度的场合就需要及时将故障情况诊断出来进行相应的容错控制，保证设备和人员的安全。
针对双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断，现有的方法大多是将六相定子电流分解到基波静止平面去研究故障后的轨迹的运行的特点。无论是直接分解到六相的基本静止平面还是分解到两个三相基波静止平面，由于轨迹特点有限相似度较高，并不能将一个桥臂及两个桥臂断路的全部78种故障情况诊断出来。往往只针对单独断一个桥臂及断一相的故障进行故障诊断的讨论。针对故障后六相电流的进行小波变换提取谐波特点的故障诊断，往往仅将特征向量带入到支持向量机等分类方法中进行故障特征的分类，不能给出故障情况和谐波之间一个很好的对应关系，结合信号提取本身的误差，就有了故障诊断准确性的问题。
技术实现要素：
针对现有驱动系统故障诊断的不全面性和驱动系统故障诊断的不准确性及其他弊端，经过反复研究和试验验证，本发明提供一种以故障后z1z2谐波平面分量作为故障诊断对象的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法。
为了实现上述发明内容，本发明的的技术方案为：
一种双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，该故障诊断方法的步骤是：
步骤一：采集一个电流周期的六相定子电流，
步骤二：计算z1z2谐波平面电流分量并构成散点图；
步骤三：计算一个电流周期下z1z2谐波平面电流分量的质心并进行具体故障区域的划分；
步骤四：计算经过统一故障区域旋转变换后的一个电流周期的z1z2谐波平面电流分量散点的信息维数进行故障模式的划分；
步骤五：结合故障区域和故障模式完成总体的故障诊断。
所述的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，采集一个电流周期的六相定子电流的具体步骤是：
以系统转速给定信号结合电机的信息，确定正常运行时的双三相永磁同步电机定子电流的变化周期，由于双三相永磁同步电机的短时容错能力，设置故障后一个电流周期等于故障前的一个电流周期。
所述的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，计算z1z2谐波平面电流分量并构成散点图的具体步骤是：
取故障后的一个电流周期的六相定子电流，将每个采样时刻的六相定子电流使用坐标变换，变换为z1z2谐波平面电流分量；
以z1电流分量为横坐标，以z2电流分量为纵坐标，构建z1z2谐波平面电流分量散点图。
所述的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，一个桥臂及两个桥臂断路故障的78种故障情况，用一个电流周期下的故障后z1z2谐波平面电流分量的散点特征描述；按照故障后散点图信息维数分为7个故障模式，按照散点图质心位置分为13个故障区域，其中故障模式2和故障区域13对应的6种具体故障情况完全相同。
所述的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，计算一个电流周期下z1z2谐波平面电流分量的质心并进行具体故障区域的划分的具体步骤是：
计算一个电流周期下z1z2谐波平面电流分量的质心，就是计算一个电流周期内散点的横纵坐标的平均值，令计算出的质心横坐标为iz1_ave，纵坐标为iz2_ave；划分为13个工作区域，具体区间的划分方法如下：
当质心满足
当z1z2谐波平面电流分量质心满足
0.2126·iz1_ave-iz2_ave＞0且0.3249·iz1_ave+iz2_ave＞0对应故障区域1；
0.9004·iz1_ave-iz2_ave＞0且0.2126·iz1_ave-iz2_ave＜0对应故障区域2；
3.0777·iz1_ave-iz2_ave＞0且0.9004·iz1_ave-iz2_ave＜0对应故障区域3；
4.7046·iz1_ave+iz2_ave＞0且3.0777·iz1_ave-iz2_ave＜0对应故障区域4；
1.1106·iz1_ave+iz2_ave＞0且4.7046·iz1_ave+iz2_ave＜0对应故障区域5；
0.3249·iz1_ave+iz2_ave＞0且1.1106·iz1_ave+iz2_ave＜0对应故障区域6；
0.2126·iz1_ave-iz2_ave＜0且0.3249·iz1_ave+iz2_ave＜0对应故障区域7；
0.9004·iz1_ave-iz2_ave＜0且0.2126·iz1_ave-iz2_ave＞0对应故障区域8；
3.0777·iz1_ave-iz2_ave＜0且0.9004·iz1_ave-iz2_ave＞0对应故障区域9；
4.7046·iz1_ave+iz2_ave＜0且3.0777·iz1_ave-iz2_ave＞0对应故障区域10；
1.1106·iz1_ave+iz2_ave＜0且4.7046·iz_ave+iz2_ave＞0对应故障区域11；
0.3249·iz1_ave+iz2_ave＜0且1.1106·iz1_ave+iz2_ave＞0对应故障区域12。
所述的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，根据具体故障区域的划分，将z1z2谐波平面电流分量通过旋转变换，变换到相同的故障区域内；
诊断出的故障区域信息令为故障区域s，将z1z2谐波平面电流分量都变换到故障区域2；即先通过判断的故障区域信息选择不同的旋转变换矩阵，并与一个周期的z1z2谐波平面电流分量分别相乘，得出统一故障区域后的z1z2谐波平面电流分量令为isz1、isz2；旋转变换矩阵旋转角度令为θ，则每组z1z2谐波平面电流分量的公式如下：
θ＝30°·(s-2)(3)
则原本的多故障区域下的诊断变为故障区域2下的故障诊断；
当旋转变换后的z1z2谐波平面电流分量的散点如果出现在故障区域6、7、8、9、10，则直接诊断出故障模式6，即存在旋转变换后的散点满足isz1+0.5isz2+1.25＜0，即可诊断为故障模式6，结合步骤三中对于故障区域的诊断，就可以完整地对于故障模式6下的具体故障情况进行诊断；
其余的故障模式依靠统一到一个故障区域内的一个电流周期的z1z2谐波平面电流分量散点图的信息维数进行判断。
所述的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，
计算一个电流周期的z1z2谐波平面电流分量散点的信息维数的具体步骤是：
根据一个电流周期下，经过统一故障区域旋转变换后的z1z2谐波平面电流分量数据，绘制z1z2谐波平面电流散点图，其边长范围设置为z1轴为负的最大电流值到最大电流值，z2轴同样设置；谐波轨迹用散点的方式绘制，并设置为512*512图像；
对图像进行信息维数的提取的具体实现步骤是：
(1)将这个512*512的图像二值化处理，即将图像按照512*512经行划分，用元素“0”去表示轨迹占用的像素点，元素“1”表示没有轨迹的空白区域；统计图像中元素“0”的个数为ntotal；
(2)以二的幂指数为长度分别去划分512*512的二值图像，即划分用的单位元的边长分别为rn＝2n＝1,2,4,8,16,32,64,128,256,512；对原始的二值图像经行10次划分，每一次二值图像的划分都需要按如下过程去处理：
(3)统计每个划分后单位元内的元素“0”的个数为nt，当nt≠0时，计算每个区域内元素“0”出现的概率为at，即at＝nt/ntotal，并计算此时的信息熵atln(at)；后将这些计算结果相加，得出此划分下的信息熵。信息熵的总和表示为：
(4)依照步骤(2)的描述，按照划分不同长度反复执行步骤(3)的流程，得出一个划分长度(rn)与对应信息熵(tn)之间的序列，即(rn,tn)n＝1,2,...10，
(5)后将(rn,tn)n＝1,2,...10序列转移到双对数坐标系下表示，其坐标变为(ln(rn),ln(tn))n＝1,2,...10；后利用分段逐渐的寻找确定对数序列的分形对象为无标度区；
(6)最后利用最小二乘法的线性拟合，(ln(rn),ln(tn))n＝1,2,...10序列拟合出的斜率的负值即为电流谐波相空间轨迹信息维数d。
所述的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，对谐波相空间散点图的信息维数进行故障模式的划分，具体分类如下：
信息维数范围在1.29-1.31，归类到故障模式1；
信息维数范围在1.31-1.32，归类到故障模式3；
信息维数范围在1.35-1.356，归类到故障模式4；
信息维数范围在1.39-1.40，归类到故障模式5；
信息维数范围在1.358-1.37，归类到故障模式7。
所述的双三相永磁同步电机驱动系统的故障诊断方法，结合故障区域和故障模式完成总体的故障诊断的具体步骤是：
诊断出故障区域13即为故障模式2，而故障模式2下的具体故障根据计算一个电流周期下z1z2谐波平面电流分量的斜率，按照斜率特征进行具体故障的判断；
除故障模式2包含的具体故障外，其他的具体故障都要结合故障区域和故障模式两个信息进行故障诊断。
与现有的故障诊断技术相比，本发明的有益效果为：针对故障后六相定子电流变换为z1z2谐波平面电流分量去进行故障诊断，比基波平面分量有更过清晰的故障特点，对更多种类的故障进行诊断，提高了故障诊断的全面性。
对比直接针对故障后六相定子电流的谐波分量直接进行的故障诊断的方法，本故障诊断方法明确了谐波故障诊断的意义。分别提取的故障模式及故障区域信息，可以很好的将故障后的z1z2谐波电流分量的特征描绘出来。提高了故障诊断的准确性。
通过大量的试验可以发现，在额定负载范围内当不同类型故障产生时，电流谐波空间会表现出不同的规律轨迹。体现出多相控制系统的容错优势，及控制方法的控制特性。
附图说明
图1为本发明实施例中双三相永磁同步电机及驱动系统的电路连接情况；
图2为本发明实施例中双三相永磁同步电机六相电流矢量空间位置及z1z2谐波电流分量空间位置的定义；
图3为本发明实施例中双三相永磁同步电机驱动系统78种故障情况对应的78个z1z2谐波平面电流分量质心的分布图；
图4为本发明实施例中双三相永磁同步电机驱动系统故障模式2的6种具体的故障的情况的z1z2谐波电流分量散点图；
图5为本发明实施例中双三相永磁同步电机驱动系统7种故障模式的z1z2谐波平面电流分量散点图；
图6为本发明实施例中z1z2谐波平面电流分量散点图的信息维数计算流程图；
图7为本发明实施例中双三相永磁同步电机驱动系统基于z1z2谐平面电流分量故障诊断的整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明使用的双三相永磁同步电机六相绕组相名称分别为a、b、c、d、e、f相，其中a、b、c三相为一组共中性点n，d、e、f三相为一组共中性点n’。如图1所示为双三相永磁同步电机六相绕组的具体连接方式及对应驱动的桥臂的情况，规定上桥臂用“+”表示，下桥臂用“-”来表示，以a相为例a+即为a相上桥臂。图2所示a、b、c、d、e、f六个方向分别为六相绕组通入正向电流后磁场的轴线方向，其与线圈轴线方向平行，即规定了六相绕组的空间位置关系。图中z1、z2轴线方向为z1z2谐波平面电流分量的正方向。
1.采集一个电流周期的六相定子电流，计算z1z2谐波平面电流分量并构成散点图
故障发生后对于a、b、c、d、e、f六相定子的电流进行离散采集，每一个采样时刻下采集的六相定子电流分别为ia,ib,ic,id,ie,if,同时计算本采样时刻下的z1z2谐波平面谐波分量为iz1,iz2,公式如下：
每次采样对应一个z1z2谐波平面电流散点，其横坐标为iz1，纵坐标为iz2。一个电流周期的z1z2谐波平面电流分量点的集合构成了z1z2谐波平面电流分量的散点图。由于双三相永磁同步电机spwm控制系统的性质，设置故障后一个电流周期等于故障前的一个电流周期。设转数给定为ωmrad/s，极对数为p，则一个电流周期t的计算公式如下：
2.计算一个电流周期下z1z2谐波平面电流分量的质心并进行故障区域的划分
计算一个电流周期下z1z2谐波平面电流分量散点的质心，即计算一个电流周期内散点的横纵坐标的平均值。令计算出的质心横坐标为iz1_ave，纵坐标为iz2_ave。则故障时，一个电流周期的z1z2谐波平面电流分量散点质心分布图如图3。
(1)当质心在z1z2谐波平面原点附近，即质心满足
共有6个用来判断的对应的斜率，分别为：tan0°、tan30°、tan60°、tan90°、tan120°、tan150°。
当一个电流周期内的斜率中存在a＝tan30°和a＝tan150°时，可以诊断出故障为故障2；
当一个电流周期内的斜率中存在a＝tan30°和a＝tan90°时，可以诊断出故障为故障25；
当一个电流周期内的斜率中存在a＝tan90°和a＝tan150°时，可以诊断出故障为故障44；
当一个电流周期内的斜率中存在a＝tan0°和a＝tan120°时，可以诊断出故障为故障49；
当一个电流周期内的斜率中存在a＝tan0°和a＝tan60°时，可以诊断出故障为故障70；
当一个电流周期内的斜率中存在a＝tan60°和a＝tan120°时，可以诊断出故障为故障77。
(2)当z1z2谐波平面电流分量质心满足
0.2126·iz1_ave-iz2_ave＞0且0.3249·iz1_ave+iz2_ave＞0对应故障区域1；
0.9004·iz1_ave-iz2_ave＞0且0.2126·iz1_ave-iz2_ave＜0对应故障区域2；
3.0777·iz1_ave-iz2_ave＞0且0.9004·iz1_ave-iz2_ave＜0对应故障区域3；
4.7046·iz1_ave+iz2_ave＞0且3.0777·iz1_ave-iz2_ave＜0对应故障区域4；
1.1106·iz1_ave+iz2_ave＞0且4.7046·iz1_ave+iz2_ave＜0对应故障区域5；
0.3249·iz1_ave+iz2_ave＞0且1.1106·iz1_ave+iz2_ave＜0对应故障区域6；
0.2126·iz1_ave-iz2_ave＜0且0.3249·iz1_ave+iz2_ave＜0对应故障区域7；
0.9004·iz1_ave-iz2_ave＜0且0.2126·iz1_ave-iz2_ave＞0对应故障区域8；
3.0777·iz1_ave-iz2_ave＜0且0.9004·iz1_ave-iz2_ave＞0对应故障区域9；
4.7046·iz1_ave+iz2_ave＜0且3.0777·iz1_ave-iz2_ave＞0对应故障区域10；
1.1106·iz1_ave+iz2_ave＜0且4.7046·iz_ave+iz2_ave＞0对应故障区域11；
0.3249·iz1_ave+iz2_ave＜0且1.1106·iz1_ave+iz2_ave＞0对应故障区域12；
z1z2谐波平面电流分量质心位置在z1z2谐波平面划分出13个故障区域如图3。
3.将z1z2谐波平面电流分量通过旋转变换，变换到相同的故障区域内
通过上一步诊断出的故障区域信息令为故障区域s，由于故障区域s＝13的具体故障上一步已经可以诊断出来，所以待诊断的故障区域剩下故障区域s＝1,2...12。将待诊断故障信号的z1z2谐波平面电流分量都变换到故障区域2继续故障诊断。即先通过判断的故障区域信息选择不同的旋转变换矩阵，并与一个周期的z1z2谐波平面电流分量分别相乘。得出统一故障区域后的z1z2谐波平面电流分量令为isz1、isz2。旋转变换矩阵旋转角度令为θ，则每组z1z2谐波平面电流分量的公式如下：
θ＝30°·(s-2)(3)
则原本的多故障区域的诊断都变为故障区域2下的故障诊断。
(1)如果旋转变换后的z1z2谐波平面电流分量的散点如果出现在故障区域6、7、8、9、10，则可以直接诊断为故障模式6。即存在旋转变换后的散点满足isz1+0.5isz2+1.25＜0，即可诊断为故障模式6。结合前一节中对于故障区域的诊断，就可以完整地对于故障模式6下的具体故障进行诊断。
(2)其余的故障模式诊断依靠，经过统一故障区域旋转变换后的z1z2谐波平面电流分量计算下一节信息维数诊断出来。如图5所示，第一行从左到右为故障模式1-4，第二行从左到右为故障模式5-7，除故障模式2的散点图外，其余的工作模式的散点图均为变换到故障区域2的散点图。
4.计算一个电流周期的z1z2谐波平面电流分量散点的信息维数进行故障模式的划分
运用像素点计量的方法将图像用二进制分辨率划分，统计统一故障区域后的z1z2谐波平面电流分量散点图的信息维数。具体过程如下：
根据一个电流周期下，经过统一故障区域旋转变换后的z1z2谐波平面电流分量数据，绘制z1z2谐波平面电流散点图，其边长范围设置为z1轴为负的最大电流值到最大电流值，z2轴同样设置。谐波轨迹用散点的方式绘制，并通过软件设置为512*512的图像。对图像进行信息维数的提取流程如图5所示，具体实现过程如下：
(1)将这个512*512的图像二值化处理，即将图像按照512*512经行划分，用元素“0”去表示轨迹占用的像素点，元素“1”表示没有轨迹的空白区域。统计图像中元素“0”的个数为ntotal；
(2)以二的幂指数为长度分别去划分512*512的二值图像，即划分用的单位元的边长分别为rn＝2n＝1,2,4,8,16,32,64,128,256,512。对原始的二值图像经行10次划分，每一次二值图像的划分都需要按如下过程去处理：
(3)统计每个划分后单位元内的元素“0”的个数为nt。当nt≠0时，计算每个区域内元素“0”出现的概率为at，即at＝nt/ntotal，并计算此时的信息熵atln(at)。后将这些计算结果相加，得出此划分下的信息熵。信息熵的总和可以表示为：
(4)依照步骤2的描述，按照划分不同长度反复执行步骤3的流程，得出一个划分长度(rn)与对应信息熵(tn)之间的序列，即(rn,tn)n＝1,2,...10，
(5)后将(rn,tn)n＝1,2,...10序列转移到双对数坐标系下表示，其坐标变为(ln(rn),ln(tn))n＝1,2,...10。后利用分段逐渐的寻找确定对数序列的分形对象为无标度区；
(6)最后利用最小二乘法的线性拟合，(ln(rn),ln(tn))n＝1,2,...10序列拟合出的斜率的负值即为电流谐波相空间轨迹信息维数d。
具体实现流程图如图6。
按照信息维数对故障模式进行分类：
1.29-1.31：故障模式1；
1.31-1.32：故障模式3；
1.35-1.356：故障模式4；
1.39-1.40：故障模式5；
1.358-1.37：故障模式7。
5.结合故障区域和故障模式完成总体的故障诊断
除故障模式2对应的具体故障情况单独诊断之外，其他的具体故障情况都要结合故障区域及故障模式二个信息进行故障诊断，整体流程图如图6。
具体的故障信息对应情况如下面2个表。
表1建立了故障区域和故障模式对应具体故障情况的二维表格，内填写的数据为具体的故障情况的编号；
表2为具体桥臂故障信息对应故障情况编号的表格，表格上写的桥臂信息代表此桥臂断路故障。
表1.故障区域和故障模式对应具体故障情况表
表2.具体桥臂故障信息对应故障情况编号表
78种故障情况：双三相永磁同步电机驱动系统6相，每相2个开关管分别为上桥臂和下桥臂开关管，共12桥臂。其中一个桥臂断路故障有12种故障情况。两个桥臂断路故障情况共66种。即一个桥臂和两个桥臂断路故障共78种故障情况。
以故障情况15为例查表二得到“a-b-”，即可以判断为驱动系统a相下桥臂和b相下桥臂断路故障。以此类推。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。