构建滑模磁链观测器的方法及装置、退磁故障诊断方法与流程

1.本发明属于永磁电机领域，尤其涉及一种构建滑模磁链观测器的方法及装置、退磁故障诊断方法。


背景技术：

2.永磁电机具有结构紧凑、功率密度高等优点，在电动汽车、高铁和多/全电飞机等领域取得了广泛应用。然而，永磁电机中的永磁体材料在高温、剧烈振动等工作环境中容易发生退磁现象，不但会降低电机的转矩输出能力，还会造成电流谐波增长、工作效率下降等问题。因此，当退磁故障发生后，应及时采取在线故障处理或更换永磁体材料等措施保障电机正常工作，以满足系统性能要求，而实现该目标的前提是能够准确地诊断出退磁故障。
3.退磁故障分为均匀退磁和局部退磁两种。目前，常用的退磁故障诊断方法包括：磁链检测法，反电势检测法，电流检测法，振动检测法和噪音检测法。其中，磁链检测法是最直接的故障诊断方法，通过高斯表、霍尔传感器或磁链观测器检测电机定转子间气隙的磁场变化，若磁场强度或磁链值明显减小，则电机发生退磁故障；通过反电势检测退磁故障的原理为：永磁电机反电势变化与磁链直接相关，通过分析电机反电势幅值及谐波变化可实现故障诊断；电流检测法通过分析定子绕组内的电流谐波特征实现，但是准确提取特定阶次谐波十分困难，故障诊断精度比较低；振动和噪音检测法首先需要复杂的模态分析得到退磁故障对振动或噪音的影响，然后通过安装传感器采集电机工作时的振动和声音信息，并通过振动和噪音变化实现故障诊断。
4.对于以上五种故障诊断方法，磁链检测法能同时实现均匀退磁和局部退磁检测，而其它四种方法主要用于局部退磁故障诊断，因此，研究基于磁链检测的永磁电机退磁故障诊断方法具有十分重要的意义。
5.相较而言，基于高斯表和霍尔传感器的磁链检测法需要安装额外的传感器，降低结构的紧凑性，同时增加系统成本，而磁链观测器不存在该问题，具有集成性高和成本低的优势，在退磁故障诊断领域具有广泛的应用前景。f.c.dezza等在文献《an mras observer for sensorless dfim drives with direct estimation of the torque and flux rotor current components》中介绍了一种基于模型参考自适应系统的磁链观测器，并将磁链观测结果应用于电机无位置控制中，提高了系统的控制性能。然而，常用的磁链观测器是基于模型参考自适应系统搭建的，具有响应速度慢和鲁棒性差的缺点，影响磁链估算准确性，难以在退磁故障诊断应用中进行推广。
6.因此，亟需开发高性能永磁电机磁链观测方法，从而进一步实现退磁故障诊断。


技术实现要素：

7.本发明构建出一种新型滑模磁链观测器，并根据磁链估算结果对永磁电机的退磁故障进行在线诊断，为及时发现并处理退磁故障提供依据，保障电机的高性能运行。
8.第一方面，本技术实施例提供了一种构建滑模磁链观测器的方法，所述方法包括：
9.获取永磁电机的a、b两相电压和电流、位置及转速信息；
10.根据位置信息将a、b两相电压和电流转换为d、q轴电压和电流；
11.根据d、q轴电流和电压、转速及电气参数，建立永磁电机特性方程，所述电气信息包括电机的d轴电感、q轴电感、电阻、转子磁链和永磁体极对数；
12.通过永磁电机特性方程构建滑模磁链观测器。
13.在一种实施方式中，所述建永磁电机特性方程为：
[0014][0015]
其中，ld、lq分别代表d轴电感、q轴电感，rs为电阻，ψf为转子磁链，p为永磁体极对数，ωm为电机转速，uq为q轴电压，id和iq为d、q轴电流。
[0016]
在一种实施方式中，所述通过永磁电机特性方程构建滑模磁链观测器，具体包括：
[0017]
将永磁电机特性方程中的q轴电流iq用滑模观测的估算电流i
q*
替换，转子磁链ψf用比例因子k与开关函数的乘积替换；
[0018]
所述构建的滑模观测器为：
[0019][0020]
其中，为滑模观测器估算电流i
q*
和真实电流iq的差，即：
[0021][0022]
开关函数为如下函数；
[0023][0024]
k需要满足以下条件：k》ψ
f_ori
，k取值为10
·
ψ
f_ori
，其中，ψ
f_ori
为永磁体初始磁链值。
[0025]
第二方面，本技术实施例提供了一种构建滑模磁链观测器的装置，所述装置包括，
[0026]
获取模块，用于获取永磁电机的a、b两相电压和电流、位置及转速信息；
[0027]
转化模块，用于根据位置信息将a、b两相电压和电流转换为d、q轴电压和电流；
[0028]
构建模块一，用于通过d、q轴电流和电压、转速及电气参数，建立永磁电机特性方程，所述电气信息包括电机的d轴电感、q轴电感、电阻、转子磁链和永磁体极对数；
[0029]
构建模块二，用于通过永磁电机特性方程构建滑模磁链观测器。
[0030]
第三方面，本技术实施例提供一种基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断方法，所述方法包括：
[0031]
通过滑模磁链观测器估算实时磁链值；所述滑模磁链观测器根据上述任一项所述的构建滑模磁链观测器的方法构建获得；
[0032]
通过比较估算的实时磁链值与永磁体初始磁链值大小，判断永磁电机是否发生退磁故障。
[0033]
在一种实施方式中，所述滑模磁链观测器估算实时磁链值ψ
f*
为：
[0034][0035]
其中，k取值为10
·
ψ
f_ori
，为滑模观测器估算电流i
q*
和真实电流iq的差。
[0036]
在一种实施方式中，判断永磁电机退磁故障依据如下：
[0037]
若ψ
f*
≥ψ
f_ori
，则没有发生退磁故障；
[0038]
若ψ
f*
《ψ
f_ori
，则发生退磁故障。
[0039]
第四方面，本技术实施例提供一种基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断装置，所述装置包括：
[0040]
磁链值获取模块，用于通过滑模磁链观测器估算实时磁链值，所述滑模磁链观测器根据上述任一项所述的构建滑模磁链观测器的方法构建获得；
[0041]
判断模块，用于通过比较估算的实时磁链值与永磁体初始磁链值大小，判断永磁电机退磁故障情况。
[0042]
第五方面，本技术实施例提供一种永磁电机控制系统，所述控制系统设置有上述所述的基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断装置。
[0043]
第六方面，本技术实施例提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述中任一所述的基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断方法步骤。
[0044]
与现有技术相比，有益效果：
[0045]
本发明构建的滑模磁链观测器磁链估算准确性高，且将磁链估算结果用于诊断永磁电机是否发生退磁故障具有实施简单、响应速度快、鲁棒性强和故障诊断精度高的优点，且不需要安装额外的传感器器件，具有成本低、集成度高的优点；本发明提供的基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断方法能同时检测局部退磁和均匀退磁两种故障形式，对及时检测并处理退磁故障具有十分重要的价值。
附图说明
[0046]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0047]
图1为本发明一实施例提供的永磁电机滑模磁链观测方法流程示意图；
[0048]
图2为本发明一实施例提供的滑模磁链观测器结构图；
[0049]
图3为本发明一实施例提供的永磁电机滑模磁链观测装置；
[0050]
图4为本发明一实施例提供的基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断方法流程示意图。
具体实施方式
[0051]
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。
[0052]
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
下面结合附图详细说明本公开的可选实施例。
[0054]
参见图1所示，本公开实施例提供一种构建滑模磁链观测器的方法，具体包括以下方法步骤：
[0055]
s101：获取永磁电机a、b两相电压和电流、位置和转速信息；
[0056]
具体的，分别通过电压和电流传感器检测永磁电机a、b两相电压和电流，其中，电压记为ua和ub，电流记为ia和ib，并通过位置传感器检测电机转速ωm和位置θ信息。
[0057]
s102：根据位置信息将a、b两相电压和电流转换为d、q轴电压和电流。
[0058]
具体的，d、q轴电压、电流计算：根据以下公式将相电压和相电流转换为d、q轴电压和电流：
[0059][0060][0061]
其中，ud和uq分别为d、q轴电压，id和iq分别为d、q轴电流。
[0062]
s103：根据d、q轴电流和电压、转速及电气参数，建立永磁电机特性方程。
[0063]
本技术实施例中，电气信息包括电机的d轴电感、q轴电感、电阻、转子磁链和永磁体极对数，通过d、q轴电流、q轴电压、转速及电气参数构建永磁电机特性方程如下：
[0064][0065]
其中，ld、lq分别代表d轴电感，q轴电感，rs为电阻，ψf为转子磁链，p为永磁体极对数，ωm为电机转速uq为q轴电压，id和iq分别为d、q轴电流。
[0066]
s104:通过永磁电机特性方程构建滑模磁链观测器。
[0067]
本技术实施例中，通过永磁电机特性方程构建滑模磁链观测器，具体包括：
[0068]
将永磁电机特性方程中的q轴电流iq替换为滑模观测器估算电流i
q*
；
[0069]
转子磁链ψf用比例因子k与开关函数的乘积替换。
[0070]
本技术实施例中，如图2所示，构建滑模观测器结构如下：
[0071][0072]
其中，为滑模观测器估算电流i
q*
和真实电流iq的差，即：
[0073][0074]
为如下函数；
[0075][0076]
k需要满足以下条件：k》ψ
f_ori
，可取值为10
·
ψ
f_ori
，其中，ψ
f_ori
为永磁体初始磁链值。需要说明的是永磁体初始磁链值在永磁电机出厂前由生产厂家测量得到。
[0077]
本发明实施例根据滑模变结构控制理论构建结构简单、响应速度快和鲁棒性强的滑模磁链观测器，以提高磁链估算和退磁故障诊断精度。
[0078]
下述为本发明一种构建滑模磁链观测器的装置实施例，可以用于执行本发明构建滑模磁链观测器的方法实施例。参见图3，其示出了本发明一个示例性实施例提供的一种构建滑模磁链观测器的装置的结构示意图。该一种构建滑模磁链观测器的装置可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为终端的全部或一部分。该构建滑模磁链观测器的装置包括：获取模块201、转化模块202、构建模块一203及构建模块二204。其中，
[0079]
获取模块201，用于获取永磁电机a、b两相电压和电流、位置和转速信息；
[0080]
转化模块202，用于根据位置信息将a、b两相电压和电流转换为d、q轴电压和电流；
[0081]
构建模块一203，用于根据d、q轴电流和电压、转速及电气参数，建立永磁电机特性方程；
[0082]
构建模块二204，用于通过永磁电机特性方程构建滑模磁链观测器。
[0083]
要说明的是，上述实施例提供的构建滑模磁链观测器的装置在执行构建滑模磁链观测器的方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的构建滑模磁链观测器的装置与构建滑模磁链观测器的方法实施例属于同一构思，其体现实现过程详见构建滑模磁链观测器的方法实施例，这里不再赘述。
[0084]
在一个实施例中，提出了一种基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断方法，如图4所示，该方法包括：
[0085]
s301：通过滑模磁链观测器估算实时磁链值；
[0086]
优选的，滑模磁链观测器根据上述的构建滑模磁链观测器的方法构建获得。
[0087]
本技术实施例中，通过滑模磁链观测器估算实时磁链值ψ
f*
为：
[0088][0089]
其中，k取值为10
·
ψ
f_ori
，ψ
f_ori
为永磁体初始磁链值。需要说明的是永磁体初始磁链值在永磁电机出厂前由生产厂家测量得到。为滑模观测器估算电流i
q*
和真实电流iq的差。
[0090]
s302：通过比较估算的实时磁链值与永磁体初始磁链值大小，判断永磁电机是否发生退磁故障。
[0091]
本技术实施例中，判断永磁电机退磁故障依据如下：
[0092]
若ψ
f*
≥ψ
f_ori
，则没有发生退磁故障；
[0093]
若ψ
f*
《ψ
f_ori
，则发生退磁故障。
[0094]
本发明又一实施例中，提出了一种基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断装
置，该装置包括：
[0095]
磁链值获取模块，用于通过滑模磁链观测器估算实时磁链值；滑模磁链观测器根据上述所述的构建滑模磁链观测器的方法构建获得；
[0096]
判断模块，用于通过比较估算的实时磁链值与永磁体初始磁链值大小，判断永磁电机是否发生退磁故障。
[0097]
构建滑模磁链观测器的方法的描述，参见前述相同或相似部分的描述，在此不再赘述。
[0098]
本发明实施例通过比较滑模磁链观测器的估算结果与永磁体初始磁链值，诊断永磁电机是否发生退磁故障。该方法具有实施简单、响应速度快、鲁棒性强和故障诊断精度高的优点，且不需要安装额外的传感器器件，具有成本低、集成度高的优点。本发明提供的基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断方法能同时检测局部退磁和均匀退磁两种故障形式，对及时检测并处理退磁故障具有十分重要的价值。
[0099]
在一具体实施例中，选用永磁电机的电气参数如下：ld＝3mh，lq＝3mh，rs＝0.5ω，、ψ
f_ori
＝0.083wb，p＝3，基于构建滑模磁链观测器的方法实现过程如下：
[0100]
分别通过电压和电流传感器检测永磁电机a、b两相电压和电流，其中，电压记为ua和ub，电流记为ia和ib，并通过位置传感器检测电机转速ωm和位置θ。
[0101]
根据以下公式将相电压和相电流转换为d、q轴电压ud和uq和电流id和iq：
[0102][0103][0104]
其中，ld、lq、rs、ψf和p为电气参数，分别代表d轴电感，q轴电感，电阻，转子磁链和永磁体极对数，ωm电机转速。
[0105]
通过id、iq、uq、ωm及电气参数(d轴电感ld，q轴电感lq，电阻rs，转子磁链ψf和永磁体极对数p)，构建永磁电机特性方程如下：
[0106][0107]
将本实施例中永磁电机的电气参数代入上式得：
[0108][0109]
将永磁电机特性方程中的q轴电流iq用滑模观测的估算电流i
q*
替换，转子磁链ψf用比例因子k与开关函数的乘积替换，构建滑模观测器结构如下：
[0110][0111]
其中，为滑模观测器估算电流i
q*
和真实电流iq的差，即：
[0112][0113]
为开关函数；
[0114][0115]
k需要满足以下条件：k》ψ
f_ori
，本实施例中取值为10
·
ψ
f_ori
＝0.83；
[0116]
基于构建滑模磁链观测器的方法实现永磁电机退磁故障诊断方法过程如下：
[0117]
通过上述构建的滑模观测器估算的实时磁链值ψ
f*
为：
[0118][0119]
比较估算的实时磁链值ψ
f*
与永磁体初始磁链值ψ
f_ori
，判断永磁电机退磁故障情况，判断依据如下：
[0120]
若ψ
f*
≥ψ
f_ori
，则没有发生退磁故障；
[0121]
若ψ
f*
《ψ
f_ori
，则发生退磁故障。
[0122]
在一个实施例中，提出了一种永磁电机控制系统，该控制系统设置有上述的基于滑模磁链观测的永磁电机退磁故障诊断装置。
[0123]
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行一下步骤：通过滑模磁链观测器估算实时磁链值；所述滑模磁链观测器根据上述任一项所述的构建滑模磁链观测器的方法构建获得；通过比较估算的实时磁链值与永磁体初始磁链值大小，判断永磁电机是否发生退磁故障。
[0124]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，前述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)等非易失性存储介质，或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0125]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0126]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。