文摘

本文处理阶段电流传感器故障的方法重建为永磁同步电动机永磁同步电动机驱动器。介绍了一种新的状态变量,这样可以构造一个增广系统将永磁同步电动机作为执行机构故障传感器故障。这种方法使用的永磁同步电动机两相静止参考系断层模型和滑模变结构观测器重构故障信号。逻辑算法建立隔离并标识错误的传感器的定子相电流故障后重构的两相静止参考系故障信号,它允许相位故障信号重建。仿真结果给出了说明的功能理论的发展。

1。介绍

永磁同步电机(永磁同步电动机)是电机的一个重要范畴,在转子磁化是由永磁体转子。由于其效率高、高转矩重量比,高功率因数,更快的响应,和崎岖的建设、高性能永磁同步电动机广泛用于变速电机在许多工业应用。随着永磁材料的发展,尤其是neodymium-iron-boron(钕铁硼永磁)、高磁能,高矫顽力和低价格,永磁同步电动机的应用已成为近年来更广泛。

高性能系统通常有苛刻要求的可用性、可靠性、和生存能力1]。永磁同步电动机的可靠运行是整个船舶系统的主要关注点。早期发现异常的永磁同步电动机驱动器将有助于避免失败。事实上,检测、位置和故障分析起着非常重要的作用在电机可靠运行和效率等重大关切和性能至关重要的应用程序涉及永磁同步电动机驱动器。传感器故障的故障发生在驱动系统之一。传感器的安装是非常重要的监测和控制系统。然而,在大多数出版物,检测逆变器故障或电机被认为是物理伤害,而不是传感器的缺点。本文提出了阶段电流传感器故障检测的方法和重建对永磁同步电动机控制系统。

近年来,容错控制了,这可以通过重构阶段实现电流代替当前故障发生后的反馈。例如,陆et al。2]重建三相当前基于直流总线传感器容错控制电机。Salmasi和Najafabadi3)观察到的故障相定子电流基于自适应观测器时只有一个电流传感器正常阶段。然而,这些设计不单独从错误的传感器故障信号。因此,没有进一步的信息可以获得传感器国家本身。

由于双轴的简单性- - - - - -模型,它已成为使用最广泛的模型在电机工程控制器设计。的- - - - - -模型为控制系统设计提供了重要的便利通过将固定对称交流变量直流变量在一个旋转参照系。因此,对于电机传感器故障检测- - - - - -轴电流,和认为是通过传感器直接测量。Najafabadi et al。4)检测- - - - - -基于自适应观测器的轴电流传感器故障。刘(5)非线性平价关系方法用于检测添加剂为虚拟传感器故障- - - - - -轴电流。黄(6),发现的未知输入观测器的设计对感应电动机轴定子电流残差。然而,这两个电流,和几乎没有可衡量的。这两个虚拟传感信号测量相电流的计算,克拉克,通过应用一个线性变换。异常的变化和可能表明一个错误出现在相电流传感器,但是这个设计不会提供更具体的信息。此外,计算的和是耦合的,如果一个错误发生在测量设备,重要的缺点和同时将会出现。因此,相对很难检测到异常信号的测量仪器。

滑模技术著称的鲁棒性和无视所谓的匹配不确定性。因此这些技术提供潜力巨大的鲁棒故障检测和隔离(FDI) (7- - - - - -10]。故障进行分类根据其物理位置系统,执行机构和传感器故障。与执行器相比,传感器是被动的元素,他们只提供操作的信息系统和不直接影响系统行为。因此他们一直不学习而致动器故障检测和隔离。本文提出一种方法,使用新设计的滤波器,传感器故障可以建模为pseudoactuator缺点。然后,使用转换系统设计滤波器的结构和特点,提出了一种滑模观测器重构系统的传感器故障(11- - - - - -13]。

本文组织如下。部分2描述了表面贴装永磁同步电动机电流传感器故障。部分3提出了重建方法的缺点。部分4给出了仿真结果和结论5跟进。

2。系统制定

在- - - - - -的表面贴装永磁同步电动机转子坐标系电流传感器故障可以表示为以下动态模型: 在哪里,,,,状态变量、输入、输出、转子磁通,分别和传感器故障。然后矩阵被定义为 与 在哪里,,,是- - - - - -轴电流和电压分别;转子永磁磁链;电机转子角位置;,,,是- - - - - -分别轴定子磁通和电流传感器故障;定子电阻;,,是- - - - - -分别轴定子电感和电机转子转速;和和是定子和分别轴电感。表面贴装的永磁同步电动机定子绕组上显示了相同的电感和轴;也就是说,,在那里定子电感。

3所示。基于滑模变结构的传感器故障重建

一节提出了一种新颖的方法来重建阶段电流传感器永磁同步电动机驱动器故障。在处理故障之前,一个扩展- - - - - -永磁同步电动机的轴故障模型新配方通过使用一个转换过滤器,从而增加了系统的状态。然后,构造滑模观测器重构- - - - - -故障信号。一个逻辑算法将重建- - - - - -故障信号进规律,重构阶段电流传感器的缺点。

3.1。扩展的永磁同步电动机- - - - - -轴故障模型和传感器故障重建

对于系统(1),介绍了线性低通滤波器(11]: 在哪里是新的矢量状态;和是常数矩阵,设计参数被定义之后;和是输出。

结合系统(1)和(4),我们有

然后,下面的增广系统可以获得: 在哪里是系统的传感器故障1)。新的状态变量和矩阵与系统兼容的方式(6)如下:

因此,这种转变后,系统扩展和最初的传感器故障问题已经成为一个驱动器故障问题。相应的故障模型

本文只关注传感器故障,已变成pseudoactuator断层系统(8)。

假设1 (是可见的)。当是一个满秩矩阵,如果在系统(1)是可见的,在系统(8)仍将是可观察到的14]。
因此,有一个矩阵,这使得一个稳定的矩阵和李雅普诺夫函数满足: 在矩阵,是对称正定。

假设2。有一个矩阵,这样。

假设3。错误的系统是一个有界函数,这样,在那里选择是一个标量大于0。
系统的滑模观测器(8可以设计成) 在哪里和分别估计状态和输出,滑模信号,定义为 在哪里观察者增益和吗是一个积极的标量。这两个需要设计。
如果被定义为状态估计错误和,然后从(8)和(10),状态估计误差动力系统

上面的观察者的收敛性是保证了以下命题。

命题4。考虑到系统所描述的(8)及其观察家所描述的(10),如果假设1- - - - - -3选择,观察者的参数按照下列标准: 因此渐近收敛;也就是说,。

证明。对于系统(12),考虑一个李雅普诺夫函数的候选人。的时间导数沿着轨迹系统(12)是 这是 然后,假设下3,可以获得以下(15): 从哪个是负的。李雅普诺夫定理,观察者(10)是设计的渐近稳定。
从上面可以知道将渐近收敛于零;也就是说,。
这就完成了证明。

命题4意味着有界;也就是说,存在,当, 在哪里是一种有限的积极的标量。

备注5。获得的滑模观测器的控制算法简单,容易实现。因为优秀的鲁棒性的滑模变量技术,依赖精确的数学模型可以有效地减少。观察者的性能可以保证在系统建模误差的情况下,参数摄动和未知输入外部噪声和干扰等。因此,它具有很强的工程实用性。
考虑一个滑模面: 命题4暗示的滑模动态误差系统(12与滑动面(相关的)18)是稳定的。根据滑模理论,观察者稳定将保证在证明可以驱动错误系统的滑模面有限的时间,选择一个适当的增加输入信号(11)。针对这个问题,给出的结论是由以下的命题。

命题6。如果假设1- - - - - -3持有和足够大,那么误差系统(12)将驱动在有限时间滑模面。

证明。选择李雅普诺夫函数 然后的时间导数沿着轨迹系统(12)是 因此,从(17),有 变量可以定义为 自,接下去。因此,标量在(11)满足,可以选择是大到足以满足吗 然后 这表明滑模可达性条件满足。因此,根据滑模原理(15),一个理想的滑动表面上举行在一些有限的时间。
这就完成了证明。

当系统到达滑模面后,根据滑模等效原理(9]。这意味着 从(12)和(25),断层重建方程可以得到的形式 也就是现在相当于滑模故障信号。

注7。与许多其他方法使用残差诊断的发生传感器故障定性、断层重建的方法,提出了当前传感器故障定量估计。通过这种方式,不仅可以反映故障的原始外观生动,还可以获得更具体的错误信息。实际上成为采用更有针对性的重要基础措施消除故障的影响在永磁同步电动机驱动器或实现主动容错控制提出了建议。

3.2。重建阶段电流传感器故障信号

正如前面提到的,错误的- - - - - -轴电流传感器可以重建。但是这个设计不会提供更具体的信息错误的传感器是否在阶段””或“”。因此,相电流传感器故障隔离和识别变得有点复杂。为了克服这个问题,构造一个逻辑算法,致力于改变- - - - - -轴故障信号步永磁同步电动机的故障信号。因此,电流传感器故障阶段将重建。

一般来说,电动汽车,只有两个阶段使用的传感器。基于成本的考虑,三相的电流矢量和,一分之零没有中性线星连接系统。所以,在实际控制系统的永磁同步电动机,两相定子电流,和相电流,测量的传感器,分别第三相电流,计算使用。

一个线性(3/2)克拉克变换应用于变换三相平面坐标系统美国广播公司两相平面直角坐标系转换公式如下: 在哪里是一个变量引入,有别于和,用于建设- - - - - -- - - - - -坐标系统,称为零点电流。垂直的两个零点和轴,因此它将没有影响和轴。

星连接系统没有中性线,;也就是说,。方程(27)成为

可以看出,可以实现解耦电流方程。

正如上面所讨论的,实际上,电流和从阶段电流计算吗和。然后,从(28),定子的影响- - - - - -轴电流有关错误的阶段和电流传感器输出: 在哪里和是- - - - - -轴传感器故障,分别和是和分别相传感器故障。

从(28)和(29日),相位传感器故障和是 在哪里,重建是派生的状态观测器在前一节中。

此外,实际相电流

因此,可以重建阶段电流传感器故障信号转换的- - - - - -轴永磁同步电动机的故障信号。

注8。在前面的文献[5,6),通常对应于电流传感器故障检测- - - - - -轴,这是一个虚拟轴。相比之下,本文提出了一种新的电流传感器FDI算法直接对应步,电流传感器的实际安装位置。这种创新可以显著提高传统FDI算法的实用性,同时也带来许多潜在的应用。

4所示。模拟研究

来验证本文提出的方法的有效性,推动测试对两种类型的错误进行了。一个测试故障隐患,另一个是获得传感器故障。本研究的永磁同步电动机的参数表1。

矩阵和在(4)然后

系统的矩阵(8) 和矩阵()是可观测的自是满秩。

矩阵在(10)是 所以相应的矩阵是 利用线性矩阵不等式技术,我们有以下的解决方案:

备注9。下面的饱和函数可以用来代替滑模信号减少聊天,消除高频干扰造成的嚷嚷起来: 在哪里是一个标量值相对较小。

选择以下参数:,;初步仿真条件都是5;选择输出限制状态变量的值一个;选为断层重建限制值一个;仿真时间是0.22秒;和给定的速度是每分钟300转。

案例1。5添加一个正弦信号的振幅和频率150赫兹步从0.063 s,模拟一个隐患;和步进信号幅度从0.135秒步,模拟获得传感器故障。
模拟(数字1- - - - - -2)显示故障信号可以准确地重建。故障产生驱动的电动机转速异常操作,如图3。

例2。添加一个阶跃信号振幅5从0.063 s步,模拟获得传感器故障;3和一个正弦信号的振幅和频率150赫兹步从0.135 s,模拟一个隐患。
模拟(数字4- - - - - -5)显示故障信号可以准确地重建。电动机转速异常产生的错误驱动的操作,如图6。

模拟表明,断层重建实现。可以估计来确定故障信号大小、位置和故障的发生时间的阶段或电流传感器的永磁同步电动机直觉。该方法将适合直接隔离故障电流传感器。

5。结论

本文提出一种永磁同步电动机电流传感器故障阶段基于滑模变结构观测器的重建方法。一个- - - - - -永磁同步电动机的轴故障模型首先定义。在此基础上,介绍了一阶低通滤波器构造增广系统的永磁同步电动机传感器故障可以被认为是致动器的缺点。滑模变结构观测器的设计遵循实现断层重建使用滑模等效原理。然后逻辑算法的设计,与重建- - - - - -可以转化为轴故障信号步,然后实际故障的检测和重建阶段的电流传感器可以实现。从证明和仿真结果可以看出,与该断层重建计划,几乎没有限制故障类型。换句话说,该方案适用于突然的错,潜在故障,或任何其他类型的错误。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了中国自然科学基金(61273157和61273157号),湖南省自然科学基金(14号jj5024和2015 jj5011),和中国湖南省教育部项目(a040 12号和13 cy018)。