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双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法

阅读：104发布：2021-02-15

IPRDB可以提供双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种双余度永磁同步电动机线圈匝间短路在线检测方法，它基于线圈发生匝间短路时故障所在套剩余正常绕组阻抗减小的原理，即当电机双余度运行模式下工作时，若线圈发生了匝间短路，则故障所在套绕组的Park方程中等效电阻和电感参数将会有一定的减小量，由于两套绕组的电流几乎相同，则两套绕组的直轴电压就会出现一定的偏差。利用当前几个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的正负和绝对值大小，结合由电机永磁转子旋转方向和交轴给定电流的正负所做出的电机运行状态判断，在线诊断出各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行模式时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障。，下面是双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法专利的具体信息内容。

1.一种双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：所涉及的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统硬件包括DSP、两台逆变器、各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机和永磁转子位置传感器；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机上有两套三相对称Y接绕组，两套三相对称Y接绕组记为第一套绕组和第二套绕组；DSP控制两台逆变器工作，两台逆变器分别与两套三相对称Y接绕组连接；永磁转子位置传感器为DSP提供电机永磁转子位置信息；DSP内部包含有速度调节器、两套绕组电流调节器、两套绕组的SVPWM生成器、各种坐标变换器以及故障诊断及余度控制器功能模块及各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法均在DSP上完成，方法如下：控制系统上电初始化后，故障诊断及余度控制器发出命令允许为两套三相对称Y接绕组供电的两台逆变器的工作；

各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的控制系统为速度电流双闭环调速系统，采用直轴电流id＝0矢量控制技术和SVPWM技术，当电动机定子上的两套三相对称Y接绕组正常时，给两套三相对称Y接绕组供电的逆变器的同时工作，电机处于双余度运行模式；

直轴电流id＝0矢量控制是控制系统中两套绕组的电流调节器的直轴给定电流始终为

0；

当电机定子上的两套三相对称Y接绕组正常，电机处于双余度运行模式时，控制系统的速度电流双闭环调速系统共用同一个速度调节器，给定速度与实际负反馈速度比较后输入到速度调节器，速度调节器的输出再经过绝对值最大限幅后作为两套绕组电流调节器的交轴给定电流分别输入到两套绕组的电流调节器，两套绕组的交轴、直轴给定电流与负反馈的交轴、直轴实际电流各自一一对应的比较后分别输入到各自的电流调节器，两套绕组电流调节器的输出分别是两套绕组的交轴、直轴给定电压，两套绕组的交轴、直轴给定电压经旋转逆变换后的输出分别是两套绕组两相静止坐标系中两个给定电压；两个给定电压分别输入到两套绕组的SVPWM生成器，两套绕组的SVPWM生成器分别输出6路PWM脉冲，两套6路PWM脉冲分别控制与两套绕组对应的两台逆变器中三相逆变桥的6个功率开关管，两台逆变器分别输出三相PWM电压为电动机定子上的两套绕组供电；

控制系统在完成控制策略控制命令执行的同时，系统中的故障诊断及余度控制器均进行一次电机线圈匝间短路故障在线诊断；在DSP的每一个PWM采样控制周期内还将当前第一套绕组直轴给定电压减去第二套绕组直轴给定电压的运算而得到当前两套绕组直轴给定电压之差，并求取当前两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值，将当前两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值与此前得到的N-1个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值求和而得到当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值；

若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值小于设定的阈值，则判断为两套三相对称Y接绕组正常，结束此次控制周期内线圈匝间短路故障的在线诊断，而返回控制系统主程序；

若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值大于等于设定的阈值，则依据当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的正负以及电机的当前运行状态继续进行双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断，包括以下情形之一：

1)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；

2)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；

3)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向回馈制动状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；

4)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向回馈制动状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；

当故障诊断及余度控制器检测到某一套三相绕组中的线圈发生匝间短路故障后，故障诊断及余度控制器发出命令停止为线圈发生匝间短路故障的那套三相绕组供电的逆变器工作，为正常的另一套三相绕组供电的逆变器继续工作，控制系统转入单余度运行模式；

在控制系统转入单余度运行模式的同时，故障诊断及余度控制器还可以发出其它指令，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；随后不再执行上述各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断程序。

说明书全文

双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法

技术领域

[0001] 本发明属于电气工程领域，针对各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断问题，提出了一种依据当前电机的运行状态、当前两套绕组直轴给定电压之差平均值的正负和绝对值的大小，在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障的方法。

背景技术

[0002] 永磁同步电动机具有功率密度高、运行效率高、结构简单、控制简单等优点，在各个领域得到了广泛的应用。永磁同步电动机以其优越性，在航空航天、电动汽车和军事等领域得到了越来越多的重视和重视。随着现代化的发展，对电机伺服系统的可靠性有了更高的要求。余度技术是提高可靠性的最有效方法之一。在可靠性要求高场合，则需要采用双余度永磁同步电动机。双余度永磁同步电动机定子上有两套三相对称Y接绕组，共用一个永磁转子，两套三相对称Y接绕组分别由两套三相逆变器供电。目前许多并联结构的双余度永磁同步电动机的两套绕组之间存在互感，即存在电磁耦合，当某一套三相绕组出现线圈短路故障时，另一套正常的三相绕组也会受到一定的电磁影响。
[0003] 本发明所涉及的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机，在正常情况下定子上的两套三相Y接对称绕组同时工作，处于双余度工作模式；当其中一套三相绕组发生故障时，则控制系统停止为该套绕组供电，而继续为另一套三相绕组供电，处于单余度工作模式，电机的可靠性得到有效地提高。各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的主要故障是绕组开路或短路故障。出现绕组开路故障单余度运行时，故障套绕组对正常套绕组无任何不利影响。当线圈发生匝间短路故障时，就需要及时的在线检测出来，及时地停止为线圈发生匝间短路故障所在的那套三相绕组的供电，以防止线圈短路故障不断蔓延。线圈发生匝间短路时，虽然电机定子上的两套绕组的绕组结构和永磁感应电动势都不同了，但是由于两套绕组控制系统受同一个速度调节器控制，两套绕组各自的电流调节器输入是相同的，而电流调节器的调节速度极快，因而两套绕组输入的三相电流基本相同，而且会产生几乎相同的波形畸变。虽然根据两套绕组电流的波形可以诊断出绕组出现了线圈匝间短路故障，但是无法诊断出到底是哪套绕组发生了线圈匝间短路故障。现在已有的一些线圈匝间短路故障诊断方法，有的运算工作量较大，有的是针对两套绕组由理想的电压源供电时的模型提出来的，根本没有考虑双余度电机运行时两套绕组的输入电压是受到线圈短路电流产生的含有2倍于永磁转子旋转频率的电磁脉动转矩扰动后由速度电流双闭环控制系统中经过自动调节后所输出PWM电压。现有方法很难实现各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障的在线诊断。

发明内容

[0004] 针对现有技术，本发明提供一种依据当前电机的运行状态、当前两套绕组直轴给定电压之差平均值的正负和绝对值的大小，在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障的方法。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：所涉及的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统硬件包括通常称之为DSP的数字信号处理器、两台逆变器、各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机和永磁转子位置传感器；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机上有两套三相对称Y接绕组，两套三相对称Y接绕组记为第一套绕组和第二套绕组；DSP控制两台逆变器工作，两台逆变器分别与两套三相对称Y接绕组连接；永磁转子位置传感器为DSP提供电机永磁转子位置信息；DSP内部包含有速度调节器、两套绕组电流调节器、两套绕组的SVPWM生成器、各种坐标变换器以及故障诊断及余度控制器功能模块及各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法；各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断算法均在DSP上完成，方法如下：
[0006] 控制系统上电初始化后，故障诊断及余度控制器发出命令允许为两套三相对称Y接绕组供电的两台逆变器的工作；
[0007] 各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的控制系统为速度电流双闭环调速系统，采用直轴电流id＝0矢量控制技术和SVPWM技术，当电动机定子上的两套三相对称Y接绕组正常时，给两套三相对称Y接绕组供电的逆变器的同时工作，电机处于双余度运行模式；
[0008] 直轴电流id＝0矢量控制是控制系统中两套绕组的电流调节器的直轴给定电流始终为0；
[0009] 当电机定子上的两套三相对称Y接绕组正常，电机处于双余度运行模式时，控制系统的速度电流双闭环调速系统共用同一个速度调节器，给定速度与实际负反馈速度比较后输入到速度调节器，速度调节器的输出再经过绝对值最大限幅后作为两套绕组电流调节器的交轴给定电流分别输入到两套绕组的电流调节器，两套绕组的交轴、直轴给定电流与负反馈的交轴、直轴实际电流各自一一对应的比较后分别输入到各自的电流调节器，两套绕组电流调节器的输出分别是两套绕组的交轴、直轴给定电压，两套绕组的交轴、直轴给定电压经旋转逆变换后的输出分别是两套绕组两相静止坐标系中两个给定电压；两个给定电压分别输入到两套绕组的SVPWM生成器，两套绕组的SVPWM生成器分别输出6路PWM脉冲，两套6路PWM脉冲分别控制与两套绕组对应的两台逆变器中三相逆变桥的6个功率开关管，两台逆变器分别输出三相PWM电压为电动机定子上的两套绕组供电；
[0010] 控制系统在完成控制策略控制命令执行的同时，系统中的故障诊断及余度控制器均进行一次电机线圈匝间短路故障在线诊断；在DSP的每一个PWM采样控制周期内还将当前第一套绕组直轴给定电压减去第二套绕组直轴给定电压的运算而得到当前两套绕组直轴给定电压之差，并求取当前两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值，将当前两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值与此前得到的(N-1)个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值求和而得到当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值；
[0011] 若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值小于设定的阈值，则判断为两套三相对称Y接绕组正常，结束此次控制周期内线圈匝间短路故障的在线诊断，而返回控制系统主程序；
[0012] 若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值大于等于设定的阈值，则依据当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的正负以及电机的当前运行状态继续进行双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断，包括以下情形之一：
[0013] 1)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；
[0014] 2)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；
[0015] 3)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向回馈制动状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；
[0016] 4)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向回馈制动状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；
[0017] 当故障诊断及余度控制器检测到某一套三相绕组中的线圈发生匝间短路故障后，故障诊断及余度控制器发出命令停止为线圈发生匝间短路故障的那套三相绕组供电的逆变器工作，为正常的另一套三相绕组供电的逆变器继续工作，控制系统转入单余度运行模式；
[0018] 在控制系统转入单余度运行模式的同时，故障诊断及余度控制器还可以发出其它指令，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；随后不再执行上述各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0019] 本发明是依据各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时，发生线圈匝间短路故障的那套三相绕组剩余的绕组等效阻抗减小的原理而提出的。
[0020] 若第一套绕组中的线圈发生匝间短路，则第一套绕组Park方程中等效电阻和电感参数将会有ΔR和ΔL的减小量，两套绕组直轴电压方程分别为
[0021]
[0022]
[0023] 式中，R为相绕组正常时的电阻；ΔR为发生线圈匝间短路时等效的相绕组电阻减小量；L为相绕组正常时的电感；ΔL为发生线圈匝间短路时等效的相绕组电阻减小量；ud1、id1和iq1分别为第一套绕组在转子同步旋转坐标系中的直轴电压、直轴电流和交轴电流；ud2、id2和iq2分别为第二套绕组在转子同步旋转坐标系中的直轴电压、直轴电流和交轴电流；ωe为电机永磁转子电角速度，且
[0024] ωe＝p0ω  (3)式中，ω为电机永磁转子机械角速度；p0为永磁转子的极对数。
[0025] 由于两套绕组逆变器的电流调节器受控制系统中同一个速度调节器控制，两套绕组各自的电流调节器输入是相同交轴给定电流，同时为实现直轴电流id＝0矢量控制，控制系统中两套绕组电流调节器的直轴给定电流始终为0，而电流调节器的调节速度极快，因而两套绕组输入的三相电流基本相同，即使发生了线圈匝间短路故障时，两套绕组的三相电流也都会产生几乎相同的畸变，两套绕组的三相电流瞬时值几乎是相同的，因而两套绕组的交轴、直轴相电流瞬时值也几乎是相同的。也就是说，电机正常时和线圈发生了匝间短路故障时，总是有
[0026]
[0027]
[0028] 将式(4)和式(5)带入式(1)和式(2)后，由式(1)减去式(2)得到故障套绕组(第一套绕组)与正常套绕组(第二套绕组)的直轴电压之差
[0029]
[0030] 由式(6)可见，由于控制系统采用id＝0控制，则直轴电流id在正负值之间变化，基本维持为0。故双余度永磁同步电动机稳定工作时，idΔR≈0，而(did/dt)ΔL在正负值之间有较大的变化，ωiqΔL为有限值。
[0031] DSP在每一个采样周期得到一个故障套绕组与正常套绕组的直轴电压之差Δud，若不断地求取最新的N个Δud的平均值，相当于对其做了数字平均滤波，当N取较大的合适的值时，则有
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 式中，τsample是与PWM控制时间相同的电流采样周期。
[0036] 因此，Δudav主要由当前最近的N个DSP的每一个采样周期内电机的电角速度和交轴电流决定，也可以收由电机的运行状态决定。
[0037] 由于两套绕组的直轴电压实际值不易测量，而两套绕组的直轴电压给定值与两套绕组的直轴电压实际值呈正比；又由于电流调节器的调节速度极快，电流的实际值基本上能够跟踪上给定值，因此在具体的线圈匝间短路故障在线诊断时采用的是两套绕组的直轴电压给定值和交轴电流给定值。

附图说明

[0038] 图1为各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机横截面图及其I部局部放大图，图中：10-永磁体，20-绕组，30-隔热板，40-小齿，50-大齿。
[0039] 图2为各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机与两台独立的逆变器连接图；
[0040] 图3为在线诊断线圈匝间短路故障的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统框图；
[0041] 图4为在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序流程图；
[0042] 图5为在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中求取第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差的子程序流程图；
[0043] 图6为控制系统上电时对在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中有关寄存器中控制量和变量进行初始化的程序流程图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0045] 由图1所示的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机横截面图可见，该电动机由传统的12槽10极三相分数槽集中绕组永磁同步电动机演变而来，它在传统永磁同步电动机定子上相邻两相绕组线圈共槽的槽中心处设置小齿40(图1中附图标记50为大齿)，使得小齿40两侧小槽内线圈边属于不同相的绕组，线圈的槽漏磁通经小齿40闭合，相邻两相绕组20几乎无任何电磁耦合；各相绕组间互感几乎为零，而无电磁耦合。小齿40两侧放置隔热板30使得各相绕组间低热耦合。永磁转子为表贴式，永磁体10为瓦形且平行充磁。定子上共布置A1、B2、C1、A2、B1和C2等6个相绕组20，各相绕组由1个正向串联与1个反向串联的2个线圈连接而成、或者由1个反向串联与正1个向串联的2个线圈连接而成。A1、B1和C1三个相绕组内的两个线圈的串联规律正好与A2、B2和C2三个相绕组的两个线圈的串联规律相反。6个相绕组电动势大小相等，相位依次相差120°电角度；各个相绕组电阻和电感相同；各个相绕组之间互感为0。A1与A2、B2与B1、C1与C2相绕组轴线重合。若将X1、Y1和Z1，X2、Y2和Z2分别连接在一起形成2个星接点，则形成A1B1C1和A2B2C2两套相互独立的三相对称星接绕组，两套三相对称绕组在空间上是相互交叉布置的。各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机定子上两套三相对称绕组由两台逆变器协调控制，两个逆变器共用一个直流供电电源。由图2所示各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机与两台独立的逆变器连接图可见，第一台逆变器的3个输出端A1、B1和C1分别与各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机第一套三相对称绕组的输入端A1、B1和C1对应连接，第二台逆变器的3个输出端A2、B2和C2分别与各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机第而套三相对称绕组的输入端A2、B2和C2对应连接。各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机(DRPMSM)的转子轴非机械输出端轴上还紧固安装一个永磁转子位置传感器的转子，电机运行时永磁转子位置传感器PG的转子随同永磁转子一起旋转，同时在电动机轴非机械输出端的电机端盖上相对应的位置处安装永磁转子位置传感器PG的定子；永磁转子位置传感器PG定子上的线缆与系统控制器连接，为控制系统实时提供永磁转子位置角θ信息。永磁转子位置角θ乘以永磁转子极对数p0后转变为永磁转子位置电角θe信息，永磁转子位置电角θe用于将两相静止αβ坐标系中的实际电流iα1和iβ1、iα2和iβ2旋转正变换得到同步旋转dq坐标系中交直轴实际电流iq1和id1、iq2和id2，或者用于将同步旋转dq坐标系中交直轴电压指令 和 和 旋转逆变换得到两相静止αβ坐标系中的电压给定 和 和 永磁转子位置角θ对时间求导后得到电动机实际
角速度ω，电动机实际角速度ω用作速度闭环控制的速度负反馈输入到速度控制器ASR，电动机实际角速度ω还同时用于电机运行状态的判断而输入到故障诊断及余度控制器。
[0046] 由图3所示在线诊断线圈匝间短路故障的各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机控制系统框图可见，各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的所有控制算法和线圈匝间短路故障在线诊断都是在数字信号处理器(DSP)上完成的。控制系统为采用双余度永磁同步电动机直轴电流为零(id＝0)的空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)的速度电流双闭环调速系统。
[0047] 控制系统中设置有故障诊断及余度控制器，故障诊断及余度控制器共有3个使能控制命令信号EN1、EN2和EN3。系统上电启动后，使能控制命令信号EN1＝1和EN2＝1为“使能”状态，允许第一台逆变器VSI1和第2台逆变器VSI2同时工作，同时为各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机的两套三相对称Y接绕组供电，各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机处于双余度运行工作模式；使能控制命令信号EN3＝0为“禁止”状态。当各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机处于双余度运行工作模式时，故障诊断及余度控制器实时对各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机依据当前电机的运行状态、当前两套绕组直轴给定电压之差平均值的正负和绝对值的大小进行判断，判断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机是否发生了线圈匝间短路故障，并判断出哪一套三相绕组发生了线圈匝间短路故障。若判断出第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障，则使能控制命令信号EN1＝0由“使能”状态变为“禁止”状态，禁止第一台逆变器VSI1为电动机的第一套绕组供电，使能控制命令信号EN2＝1仍为“使能”状态，第二台逆变器VSI2继续为电动机的第二套绕组供电，使能控制命令信号EN3＝1由“禁止”状态变为“使能”状态，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能，各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机工作于单余度运行模式；同理，若判断出第二套绕组中有线圈发生了线圈匝间短路故障，则使能控制命令信号EN2＝1由“使能”状态变为“禁止”状态，禁止第二台逆变器VSI2为电动机的第二套绕组供电，使能控制命令信号EN1＝0仍为“使能”状态，第一台逆变器VSI2继续为电动机的第一套绕组供电，使能控制命令信号EN3＝1由“禁止”状态变为“使能”状态，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能，各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机工作于单余度运行模式。不论各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机工作于双余度运行模式还是单余度运行模式，电动机给定角速度ω*与电动机实际角速度ω比较后输入到具有比例积分特性(PI)的速度调节器ASR中，经速度调节器ASR调节后的输出信号再经最大绝对值限幅后作为两套三相对称Y接绕组在同步旋转dq坐标系中交轴给定电流 两套三相对称Y接绕组在同步旋转dq坐标系中交轴给定电流 还同时用于电机运行状态的判断而输入到故障诊断及余度控制器。
[0048] 各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机两套三相对称Y接绕组在同步旋转dq坐标系中交轴给定电流相同 目的是当电动机双余度运行时能够起到对两套绕组电流进行均流控制的效果。
[0049] 在第一套绕组电流控制环中，交轴给定电流 与第一套绕组的已经通过坐标变换得到的同步旋转dq坐标系中的负反馈交轴实际电流iq1进行比较， 与iq1比较后的偏差输入到具有比例积分特性(PI)的电流调节器ACR1中，经电流调节器ACR1调节后的输出信号作为交轴给定电压 于此同时，给定为0的直轴给定电流 与第一套绕组已经通过坐标变换得到的同步旋转dq坐标系中的负反馈直轴实际电流id1进行比较， 与id1比较后的偏差输入到具有比例积分特性(PI)的电流调节器ACR1中，经电流调节器ACR1调节后的输出作为直轴给定电压 将同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴给定电压 和 经旋转逆变换得到两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压 和 两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压 和 经SVPWM控制技术算法得到第一台逆变器VSI1中内部三相逆变全桥中6只功率开关管的6个PWM控制脉冲信号，三相逆变全桥输出的3路PWM电压分别输入到无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机第一套绕组的绕组输入端A1、B1和C1。使用霍尔式非接触电流传感器检测输入到第一套绕组中A1和B1两相实际电流iA1和iB1，第一套绕组中的属于三相静止ABC坐标系的A1和B1两相实际电流iA1和iB1经三相静止ABC坐标系到两相静止αβ坐标系的变换后得到两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴实际电流iα1和iβ1。将两相静止αβ坐标系中的实际电流iα1和iβ1经旋转变换得到同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴实际电流iq1和id1，交轴和直轴实际电流iq1和id1作为电流负反馈，参与第一套绕组的电流闭环控制。其中，直轴给定电压 还同时用于电机运行状态的判断而输入到故障诊断及余度控制器。
[0050] 同理，在第二套绕组电流控制环中，交轴给定电流 与第二套绕组的已经通过坐标变换得到的同步旋转dq坐标系中的负反馈交轴实际电流iq2进行比较， 与iq2比较后的偏差输入到具有比例积分特性(PI)的电流调节器ACR2中，经电流调节器ACR2调节后的输出信号作为交轴给定电压 于此同时，给定为0的直轴给定电流 与第二套绕组已经通过坐标变换得到的同步旋转dq坐标系中的负反馈直轴实际电流id2进行比较， 与id2比较后的偏差输入到具有比例积分特性(PI)的电流调节器ACR2中，经电流调节器ACR2调节后的输出作为直轴给定电压 将同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴给定电压 和 经旋转逆变换得到两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压 和 两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴给定电压 和 经SVPWM控制技术算法得到第二台逆变器VSI2中内部三相逆变全桥中6只功率开关管的6个PWM控制脉冲信号，三相逆变全桥输出的3路PWM电压分别输入到无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机第二套绕组的绕组输入端A2、B2和C2。使用霍尔式非接触电流传感器检测输入到第二套绕组中A2和B2两相实际电流iA2和iB2，第二套绕组中的属于三相静止ABC坐标系的A2和B2两相实际电流iA2和iB2经三相静止ABC坐标系到两相静止αβ坐标系的变换后得到两相静止αβ坐标系中的α轴和β轴实际电流iα2和iβ2。将两相静止αβ坐标系中的实际电流iα2和iβ2经旋转变换得到同步旋转dq坐标系中的交轴和直轴实际电流iq2和id2，交轴和直轴实际电流iq2和id2作为电流负反馈，参与第二套绕组的电流闭环控制。其中，直轴给定电压 还同时用于电机运行状态的判断而输入到故障诊断及余度控制器。
[0051] 图4是本发明中在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序流程图，在DSP的每一个PWM采样控制周期内都执行一次此程序。图5是本发明中在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中求取第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差子程序流程图。图6是本发明中控制系统上电时对在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中有关寄存器中控制量和变量进行初始化的程序流程图。每次控制系统上电程序初始化时，对于各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中有关寄存器中控制量和变量进行初始化：EN1＝1控制“使能”，允许第一台逆变器VSI1为电动机的第一套绕组供电；EN2＝1控制“使能”，允许第二台逆变器VSI1为电动机的第二套绕组供电；EN3＝0控制“禁止”，系统按双余度工作模式工作；将求取第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差的平均值时的所涉及的有关变量所对应的有关寄存器中变量初值置0，初值置0的变量分别为第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差平均值 当前之前1次第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差的N分之一值 当前之前2次第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差的N分之一值…、当前之前(N-1)次第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电
压之差的N分之一值 和当前之前N次第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差的N分之一值
[0052] 在DSP的每一个PWM采样控制周期内都执行一次本发明中在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序，执行所述程序时，首先，读入控制系统中设置的故障诊断及余度控制器的4个输入：电机永磁转子角速度ω、两套绕组在转子同步旋转dq坐标系中交轴给定电流 第一套绕组在转子同步旋转dq坐标系中的直轴给定电压 和第一套绕组在转子同步旋转dq坐标系中的直轴给定电压 然后，进入在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序中求取第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差子程序，求取当前第一套绕组在转子同步旋转坐标系中的直轴给定电压 和第一套绕组在转子同步旋转坐标系中的直轴给定电压 之差的N分之一值 再求取当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值 即进行运算；再依次更换目前的N个DSP的每一个PWM采样控制
周期内两套绕组直轴给定电压之差的N分之一值，即完成
和 等
操作，为下一次计算第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差平均值做好准备；于是，结束求取第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差子程序，而转入在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障算法程序。随后，判断第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差的绝对值 是否大于等于设定的阈值UT，即进行 判断；若前N个DSP的每
一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值 小于设定的阈值UT，即 则判断为两套三相对称Y接绕组都正常，结束此次控制周期内的线圈匝间短路故障在线诊断，而返回控制系统主程序；若前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值的绝对值大于等于设定的阈值，即 则还有对 的正负做判断，即进行 的判断；在 即“ 为正”或者
即“ 为负”两种判断结果之一下，再接着对当前电机永磁转子的旋转方向进行判断，即进行“ω≥0？”的判断；在得到ω≥0即“ω为正”或者ω<0即“ω为负”两种判断结果之一下，再接着对当前交轴给定电流的正负进行判断，即进行 的判断；最后得到即“ 为正”或者 即“ 为负”两种判断结果之一。这样，当第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差 的绝对值 是大于等于设定的阈值UT时，会得到8种诊断结果之一，依照最终的唯一的1个判断结果在线诊断出各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障，并进行相应的控制操作。控制操作完成之后，控制各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机转入单余度运行模式，到此完成了各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机线圈匝间短路故障在线诊断，最后，转入主控制程序，并且在以后各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机单余度运行模式下，不再进行上述的线圈匝间短路故障在线诊断。
[0053] 当第一套绕组直轴给定电压与第二套绕组直轴给定电压之差 的绝对值是大于等于设定的阈值UT时，可以得到的8种诊断结果及随后的操作如下：
[0054] (1)若 ω≥0和 电机处于正向电动机状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。随后执行EN1＝0控制“禁止”，停止第一台逆变器VSI1为电机的第一套绕组供电；EN2＝1控制“使能”，允许第二台逆变器VSI1为电机的第二套绕组供电，单余度运行模式。EN3＝1控制“使能”，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；自此之后不再运行线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0055] (2)若 ω≥0和 电机处于正向回馈制动状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。随后执行EN1＝1控制“使能”，允许第一台逆变器VSI1为电机的第一套绕组供电；EN2＝0控制“禁止”，停止第二台逆变器VSI1为电机的第二套绕组供电，单余度运行模式。EN3＝1控制“使能”，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；自此之后不再运行线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0056] (3)若 ω<0和 电机处于反向回馈制动状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。随后执行EN1＝1控制“使能”，允许第一台逆变器VSI1为电机的第一套绕组供电；EN2＝0控制“禁止”，停止第二台逆变器VSI1为电机的第二套绕组供电，单余度运行模式。EN3＝1控制“使能”，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；自此之后不再运行线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0057] (4) ω<0和 电机处于反向电动机状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。随后执行EN1＝0控制“禁止”，停止第一台逆变器VSI1为电机的第一套绕组供电；EN2＝1控制“使能”，允许第二台逆变器VSI1为电机的第二套绕组供电，单余度运行模式。EN3＝1控制“使能”，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；自此之后不再运行线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0058] (5)若 ω≥0和 电机处于正向电动机状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。随后执行EN1＝1控制“使能”，允许第一台逆变器VSI1为电机的第一套绕组供电；EN2＝0控制“禁止”，停止第二台逆变器VSI1为电机的第二套绕组供电，单余度运行模式。EN3＝1控制“使能”，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；自此之后不再运行线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0059] (6)若 ω≥0和 电机处于正向回馈制动状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。随后执行EN1＝0控制“禁止”，停止第一台逆变器VSI1为电机的第一套绕组供电；EN2＝1控制“使能”，允许第二台逆变器VSI1为电机的第二套绕组供电，单余度运行模式。EN3＝1控制“使能”，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；自此之后不再运行线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0060] (7)若 ω<0和 电机处于反向回馈制动状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。随后执行EN1＝0控制“禁止”，停止第一台逆变器VSI1为电机的第一套绕组供电；EN2＝1控制“使能”，允许第二台逆变器VSI1为电机的第二套绕组供电，单余度运行模式。EN3＝1控制“使能”，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；自此之后不再运行线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0061] (8)若 ω<0和 电机处于反向电动机状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。随后执行EN1＝1控制“使能”，允许第一台逆变器VSI1为电机的第一套绕组供电；EN2＝0控制“禁止”，停止第二台逆变器VSI1为电机的第二套绕组供电，单余度运行模式。EN3＝1控制“使能”，改变速度和电流的控制算法或控制参数，进一步提升单余度运行时电机的运行性能；自此之后不再运行线圈匝间短路故障在线诊断程序。
[0062] 综合上述8种诊断结果可以进一步归纳如下：
[0063] (1)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；
[0064] (2)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向电动机状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；
[0065] (3)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为正、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向回馈制动状态，则诊断为第二套绕组中有线圈发生了匝间短路故障；
[0066] (4)若当前N个DSP的每一个PWM采样控制周期内两套绕组直轴给定电压之差的平均值为负、绝对值大于阈值，且电机处于正向或反向回馈制动状态，则诊断为第一套绕组中有线圈发生了匝间短路故障。
[0067] 其中，N这个值一般取10～20比较合适。N取得值较小时，占用DSP的资源较少，数字滤波效果差一些，但是，故障诊断迅速一些；N取得值较大时，占用DSP的资源较多，数字滤波效果好一些，故障诊断较为迟钝一些。N这个值是取大还是取小还与DSP的每一个PWM采样控制周期的长短有关，若控制周期的长，N取值应小一些。
[0068] 按照上面所述过程就能依据当前电机的运行状态、当前两套绕组直轴给定电压之差平均值的正负和绝对值的大小，在线诊断各相绕组间无电磁耦合低热耦合双余度永磁同步电动机双余度运行时到底哪一套三相绕组中发生了线圈匝间短路故障。
[0069] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
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一种匝道灯-专利编号CN108006514A 2020-05-12 210
公交车单向匝机-专利编号CN104827946A 2020-05-13 195
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LED匝道灯-专利编号CN103574384A 2020-05-11 396
多匝电感-专利编号CN102763179A 2020-05-11 875
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椅式马匝-专利编号CN103653913A 2020-05-11 839
多匝电感-专利编号CN102763179B 2020-05-11 899
匝板-专利编号CN204455492U 2020-05-12 586
匝板-专利编号CN204058866U 2020-05-12 810
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