CN114035140A - 一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，包括：S1、计算α‑β坐标系旋转前α和β轴电流以及旋转后β轴电流值的第三级差分值的绝对值；S2、将第三级差分值的绝对值与阈值对比，超过阈值则差分标志位置位；S3、若差分标志位置位，则存在电流传感器故障；S4、标志位置位后检测并记录当前电流与上一采样周期的电流差值为0的持续时间；S5、若记录时间超过阈值，报出传感器故障；S6、报出传感器故障后，通过d、q轴电流参考给定值估算旋转前后α‑β坐标系下的电流值，替代存在问题的电流。本发明使用的差分法具有很高的灵敏度，能检测到由传感器故障引起的电流瞬时变化。本发明中增加延迟算法以避免误报故障，且检测方案简单、准确、可靠。

Description

一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法

技术领域

本发明涉及传感器故障检测领域，尤其涉及一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法。

背景技术

近年来，感应电机驱动(induction motor drive，IMD)***突破了复杂的非线性控制结构的限制，成为电力机车、暖通空调和家用电器等领域应用最为广泛的电机类型。一旦电机电流反馈值出现异常，采用矢量控制的整个控制***将无法正常运行。为此，一些学者和科研人员开始关注一些重要传感器的故障诊断以及容错控制，以使得在传感器故障出现的时刻能够被立刻判断出来，并且在隔离该故障传感器信号的同时将通过其他方式获得传感器反馈值的替代值用以实现***的继续正常运行。而在现有的很多电机控制***中都采用了三个电机电流传感器，因而大多数电机电流传感器的故障诊断方案是针对三个传感器进行的。但在一些恶劣的环境中为了提高***运行的可靠性或者为了降低整个***的构建成本，通常会采用两个电流传感器，并且利用基尔霍夫电流定律获得第三相电流。

目前使用的基于观测器的检测方式是利用观测器观测电机电流，将观测出的电机电流信号与传感器检测反馈的信号进行对比，以判断传感器是否存在异常。但是，观测器的使用对***模型以及***参数存在依赖，模型的精确程度对观测器的观测结果会造成一定程度的影响，并且测量噪声也会使得观测器的观测结果产生一定的偏差。

另一种检测方式是基于知识的检测方式：包括专家***、模糊理论、人工神经网络等。将各种人工智能技术(符号智能或者计算智能)应用于工业过程的历史数据的分析，可提取出***的隐藏关键数据。但是，在检测和诊断故障中，这些方法需要先验知识和大量的历史数据。

发明内容

本发明提供一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，以克服上述问题。本发明在只有两个电机电流传感器的基础上，基于检测信号分析的方法，从故障传感器的信号中提取相关信息，利用三级差分算子和延迟算法的检测方式对电流传感器的故障进行检测。同时，利用***的参考给定信号构建出传感器反馈信号的故障部分并进行替代，以实现***在隔离故障传感器信号之后的正常运行，且本发明仅针电流传感器信号完全丢失情况下的故障判断。

本发明包括以下步骤：

S1、根据Clark变换原则，将电机a、b两相电流传感器的反馈值变换为对应的α和β轴电流值；将α-β坐标系逆时针旋转120°，计算a、b两相电流传感器的反馈值在逆时针旋转后坐标系下对应的β轴电流值；

S2、为在故障时立刻检测出电流传感器异常，提出一种三级差分算法。根据三级差分算子计算公式，计算S1中α-β坐标系旋转前α和β轴电流以及旋转后β轴电流值的第三级差分值的绝对值；

S3、将S2中计算得到的第三级差分值的绝对值，即故障时刻的脉冲幅值，与设定的阈值进行对比，根据对比结果判断出两相电流传感器故障初始时刻；所述阈值根据经验设定；

S4、S3中在故障初始时刻，电流传感器故障的差分标志位进行置位，表示此时存在电流传感器故障；

S5、为防止S4所述的故障出现误报，提出一种延迟算法，在差分标志位进行置位后，检测并记录a、b相电流传感器的当前电机电流与上一个采样周期的电机电流差值为0的持续时间；

S6、若S5所述的记录时间超过设定阈值，则机车显示屏报出相应的传感器故障；

S7、当机车报出传感器故障后，相应的电流传感器反馈到控制***中的电流信号将不能再采用，为保证控制能够继续稳定运行，将错误的α或β轴电流信号进行替换；利用控制器给定值经过变换后作为异常反馈值的替换值，即根据反Park变换原则，利用两相旋转坐标下的d-q轴电流给定值获得α-β轴下的电流估算值，根据具体故障类型选择性替换α或β轴电流的异常值。

进一步地，S1中该电流传感器故障判断不同于传统电流传感器故障判断需要三相电流反馈值的方式，该方法仅采用了两个电流传感器反馈值。

进一步地，S1中α-β坐标系旋转前β轴与a轴重合，逆时针旋转120°后，β轴与b轴重合；由此可以获得两个不同的Clark变换矩阵，综合这两个矩阵，实现a、b轴电流与α、β轴电流之间故障对应关系上的解耦。

进一步地，S1中β轴分别与a、b轴重合下Cark变换后α轴、β轴的电流计算公式为：

其中，i_as表示a轴电机定子电流，i_bs表示b轴电机定子电流；i_αs表示经过Clark变换后α轴的电流，i_βs表示经过Clark变换后β轴的电流；

将α-β坐标系逆时针旋转120°后α轴、β轴的电流计算公式为：

其中，i′_αs表示α轴旋转120°后经过Clark变换后的电流，i′_βs表示β轴旋转120°后经过Clark变换后的电流。

进一步地，S2中采用了一种新的电流故障判断方式，即电流信号即使产生微小瞬时变化，其不同级的差分值都会产生高幅值的脉冲；而第三次差分运算产生的脉冲幅值远高于其他差分运算产生的脉冲幅度。

进一步地，S2中设电流信号产生微小变化时的电流为t0时刻的电流，下一周期的电流为t1时刻的电流，依次类推。一级差分值即为后一周期的值与前一周期的值的差值，二级差分值即为一级差分值的差分值，依次类推。因第三级差分值远大于前两级差分值，可以作为故障判断的依据。

进一步地，S5中延迟算法用于防止故障误报；

所述延迟算法包括：

将电流传感器测得的正弦相位电流信号与其延迟信号进行对比，读取由电流传感器测量的瞬时电流值；

在下一个采样周期，读取另一瞬时电流值；

相邻采样周期电流值偏差的绝对值计算公式为：

Index_i＝|i-i_delay| (3)

其中，i表示当前电流值；i_delay表示上一周前电流值；Index_i表示相邻采样周期电流值偏差的绝对值。

Index_i这一偏差值的绝对值为0持续时间超过设定值，则报电流传感器故障。

进一步地，S7中由Park逆变换矩阵和d、q轴给定参考值可以计算得到α-β轴电流的估算值包括：

1)β轴与a轴重合：

2)β轴与b轴重合：

其中，

表示d轴电流给定值；

表示q轴电流给定值；i_{αs_est}表示由给定值计算的α轴第一估算值；i_{βs_est}表示由给定值计算的β轴第一估算值；

i′_{αs_est}表示逆时针旋转120°后由给定值计算的α轴第二估算值；i′_{βs_est}表示逆时针旋转120°后由给定值计算的β轴第二估算值；θ_e表示同步角度。

本发明使用的差分法具有很高的灵敏度，能够检测到由于传感器故障引起的电流瞬时变化。同时，本发明中增加延迟算法可以避免误报故障。该检测方案不需要任何估算，且简单、准确、可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明步骤流程图；

图2为本发明β轴与a轴重合下的Clark变换示意图；

图3为本发明β轴与b轴重合下的Clark变换示意图；

图4为本发明β轴与a轴重合下的反Park变换示意图；

图5为本发明β轴与b轴重合下的反Park变换示意图；

图6为本发明矢量控制***框图；

图7为本发明故障判断流程图

图8为本发明A相电机电流图；

图9为本发明第三级差分值图；

图10为本发明标志位置位图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图6所示，为本发明对应的矢量控制框图，其中，u_sq为q轴补偿电压；u_sd为d轴补偿电压；u_sdc为d轴前馈电压；u_sqc为q轴前馈电压；

q轴输出电压；

d轴输出电压；

为a轴输出电压；

为β轴输出电压；

为磁链给定值ω_sl为转差频率；T_r为转子时间常数；L_m为电机互感值；p为电机极对数；

如图1-图10所示，本发明包括以下步骤：

S1、根据Clark变换原则，首先采集a、b两相电机定子电流，在互差120°的两个α-β坐标系下，由a、b两相电流传感器反馈的电机电流分别计算i_αs、i_βs、i′_βs的值；

1)β轴与a轴重合时有：

即，

其中，i_αs和i_βs为β轴与a轴重合时定子电流的α、β分量，坐标变换关系如附图2所示。

由式(1)可知，α轴电流同时依赖于a相和b相电流。而β轴电流依赖于a相电流。这意味着，对于a相电流传感器故障，α轴和β轴电流都存在异常。然而，如果b相电流传感器出现故障，则只有α轴电流异常，而β轴电流保持正常。

2)β轴与b轴重合时有：

即，

其中，i′_αs和i′_βs为β轴与b轴重合时定子电流的α、β分量，坐标变换关系如附图3所示。

由(2)可知，α轴电流依赖于两个相电流。然而，β轴电流仅依赖于b相电流。因此，如果a相电流传感器出现故障，则只有α轴电流异常。但是，如果b相电流传感器出现故障，则α轴和β轴电流都将异常。

根据上述分析可知，可通过判断公式(1)中i_βs是否异常来判断a相电流传感器是否正常。若a相正常，可根据公式(1)中同一坐标系下的i_αs来判断b相电流传感器是否正常。若a相异常，那么就利用公式(2)中旋转后坐标系下的i′_βs来判断b相电流传感器是否正常。反之，也可以通过公式(2)先判断b相电流传感器是否正常，再来通过公式(2)或者公式(1)来判断a相电流传感器是否正常。

S2、由S1可以看出，a、b轴的电流与α、β轴电流存在线性对应关系，固可以通过判断α、β轴电流是否异常来间接判断a、b相的电流传感器的异常。为敏锐地检测到电流的异常，本发明提出一种新的三级差分算子的方法。该方法在信号掉0时第三次差分运算产生的脉冲幅值远高于其他差分运算产生的脉冲幅度，可以以此来进行故障判断。

在S1的基础上，首先计算i_βs的第三级差分值的绝对值，若绝对值小于设定阈值时，则表明a相电流传感器正常，此时无需再去计算坐标系旋转后对应的值，直接利用i_αs的第三级差分值的绝对值就可以判断出b相电流传感器是否异常。若绝对值大于设定阈值，这时就要去计算旋转后坐标系下的i′_βs的第三级差分值的绝对值进行b相电流传感器的判断。

具体地，第三级差分值的计算方法如下：

设t0时刻电流信号产生微小变化，记录下此时刻的电流值；接着依次记录三个连续采样周期的电流值。一级差分值即为后一周期的值与前一周期的值的差值，四个采样周期的电流值将会得到三个一级差分值；二级差分值即为一级差分值的差分值，则三个一级差分值将得到两个二级差分值；三级差分值为二级差分值的差分值，那么两个二级差分值将得到一个三级差分值。

计算公式如表1所示，表中以i_αs为例。

表1三级差分算子计算

S3、根据第三级差分值的绝对值与设定阈值的对比结果判断出两相电流传感器故障初始时刻，电流传感器故障差分标志位置位，表示此时可能存在一个电流传感器故障，但不排除因干扰导致故障误报的可能；

即，将S2中计算得到的结果与设定的阈值进行比较：

若差分值的绝对值大于设定阈值，则差分标志位置位。

其中，Δ³i_αs为i_αs的第三级差分值，

为根据工程经验获得的阈值。

S4、为防止S3中差分标志位的置位是因干扰导致的，提出一种延迟算法。该方法将电流传感器测得的正弦相位电流信号与其延迟信号进行比较。假设在t＝0时，读取由电流传感器测量的瞬时电流值存储在名为Cur_t0的变量中。然后，在下一个采样周期，读取另一瞬时电流值并将其存储在变量Cur_t1中。此时，Cur_t1是正弦电流的当前值，Cur_t0是其延迟信号的值。正常条件下，在任何时候Cur_t1的值总是不同于Cur_t0的值。如果测量信号完全丢失，所有电流传感器信号变为零，所有存储的当前和延迟信号也为零；或者当前的采样信号与其延迟信号均为同一恒定常值。即相邻采样周期电流值偏差的绝对值为0。

具体为在S3中所述的差分标志位置位后开始检测并记录一段时间内当前电机电流与上一个采样周期的电机电流差值的绝对值持续为0的时间，若记录的时间超过设定阈值，则报相应的传感器故障。

即，Index_i＝|i-i_delay| (4)

if(Index_i＝＝0){Cur_Counter++；}

f(Cur_Counter＞Cur_Coe) (5)

{F_{Cur_Flg}＝1；}

其中，i表示当前电流值；i_delay表示上一周前电流值；Index_i表示相邻采样周期电流值偏差的绝对值；Cur_Counter表示差值绝对值为0计数器；Cur_Coe表示时间阈值；F_{Cur_Flg}表示故障标志位。故障判断流程可参见附图7。

S5、当电流传感器报出传感器故障后，其反馈的采样值因异常而无法采用，此时将采用d、q轴参考给定值经过反Park变换得到的α、β电流以维持控制***正常运行。

1)β轴与a轴重合时有：

其中，坐标变换关系如附图4所示。

2)β轴与b轴重合时有：

其中，坐标变换关系如附图5所示。

通过式(6)和式(7)，可以计算得到α、β电流的估算值。

根据公式(1)，当a相电流传感器故障时，α和β电流均异常；当b相电流传感器故障时，只有α轴电流异常，而β轴电流保持正常。

根据公式(2),当a相电流传感器故障时，只有α轴电流异常；当b相电流传感器故障时，α轴和β轴电流均异常。

综上可知，

1)当a相电流传感器故障，b相电流传感器正常时，由公式(1)计算的α和β电流均异常，而公式(2)中的β轴电流正常可用，即仅α轴需要替换。

2)当a相电流传感器正常，b相电流传感器故障时，由公式(2)计算的α和β电流均异常，而公式(1)中的β轴电流正常可用，即仅α轴需要替换。

3)当a、b相电流传感器均故障，则α、β轴均需要替换；

4)当a、b相电流传感器均正常，则α、β轴均无需替换；

具体而言，不同电流传感器故障对应的电流替代如表2所示。

表2容错控制电流选择

a相电流传感器	b相电流传感器	电流选择
			正常	正常	i<sub>as</sub> i<sub>βs</sub>
正常	异常	i<sub>as_est</sub> i<sub>βs</sub>
			异常	正常	i′<sub>as_est</sub> i′<sub>βs</sub>
异常	异常	i<sub>as_est</sub> i<sub>βs_est</sub>

按照真实程序的执行周期400us，随机选择a相电机电流传感器故障进行了matlab仿真。

为体现故障出现的一般性，仿真中随机选在0.9s时使a相电机电流变为0，如附图8所示。此时，对应可以计算得到的第三级差分值|Δ³i_βs|如附图9所示。其值要远大于前两个差分值，阈值设为1.2A，对应的差分标志位置位，如附图10所示。在延迟一段时间(0.4s)后故障位置位，报出电流传感器故障。

由仿真结果可以看出，差分法具有很高的灵敏度，能够立刻检测到由于电流传感器故障引起的电流瞬时变化。同时，增加延迟算法可以避免误报故障。

有益效果：

本发明使用的差分法具有很高的灵敏度，能够检测到由于传感器故障引起的电流瞬时变化。同时，本发明中增加延迟算法可以避免误报故障。该检测方案具有简单、准确、可靠等特点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，包括：

S1、根据Clark变换原则，将电机a、b两相电流传感器的反馈值变换为对应的α和β轴电流值；将α-β坐标系逆时针旋转120°，计算a、b两相电流传感器的反馈值在逆时针旋转后坐标系下对应的β轴电流值；

S2、为在故障时立刻检测出电流传感器异常，提出一种三级差分算法。根据三级差分算子计算公式，得到S1中α-β坐标系旋转前α和β轴电流以及旋转后β轴电流值的第三级差分值的绝对值；

S3、将S2中计算的第三级差分值的绝对值，即故障时刻的脉冲幅值，与设定的阈值进行对比，根据对比结果判断出两相电流传感器故障初始时刻；所述阈值根据经验设定；

S4、S3中在故障初始时刻，电流传感器故障的差分标志位进行置位，表示此时存在电流传感器故障；

S5、为防止S4所述的故障出现误报，提出一种延迟算法，在差分标志位进行置位后，检测并记录a、b相电流传感器的当前电机电流与上一个采样周期的电机电流差值为0的持续时间；

S6、若S5所述的记录时间超过设定阈值，则机车显示屏报出相应的传感器故障；

S7、如S6所述，当机车报出传感器故障后，相应的电流传感器反馈到控制***中的电流信号将不能再采用，此时为保证控制能够继续稳定运行，需要将异常的α或β轴电流信号进行替换。本发明利用控制器给定值经过变换后作为异常反馈值的替换值，即根据反Park变换原则，利用两相旋转坐标下的d-q轴电流给定值获得α-β轴下的电流估算值，根据具体故障类型选择性替换α或β轴电流的异常值。

2.根据权利要求1所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，所述S1中该电流传感器故障判断不同于传统电流传感器故障判断需要三相电流反馈值的方式，该方法仅采用了两个电流传感器反馈值。

3.根据权利要求1所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，所述S1中α-β坐标系旋转前β轴与a轴重合，逆时针旋转120°后，β轴与b轴重合。由此可以获得两个不同的Clark变换矩阵，而综合这两个矩阵，可以实现a、b轴电流与α、β轴电流之间故障对应关系上的解耦。

4.根据权利要求3所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，β轴分别与a、b轴重合下Cark变换后α轴、β轴的电流计算公式为：

其中，i_as表示a轴电机定子电流，i_bs表示b轴电机定子电流；i_αs表示经过Clark变换后α轴的电流，i_βs表示经过Clark变换后β轴的电流；

将α-β坐标系逆时针旋转120°后α轴、β轴的电流计算公式为：

其中，i′_αs表示α轴旋转120°后经过Clark变换后的电流，i′_βs表示β轴旋转120°后经过Clark变换后的电流。

5.根据权利要求1所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，所述S2中采用了一种新的电流故障判断方式，即电流信号即使产生微小瞬时变化，其不同级的差分值都会产生高幅值的脉冲；而第三次差分运算产生的脉冲幅值远高于其他差分运算产生的脉冲幅度，可以作为故障判断的依据。

6.根据权利要求5所述的一种新的电流故障判断方式，其特征在于，设电流信号产生微小变化时的电流为t0时刻的电流，下一周期的电流为t1时刻的电流，依次类推，一级差分值即为后一周期的值与前一周期的值的差值，二级差分值即为一级差分值的差分值，依次类推。

7.根据权利要求1所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，所述S5中延迟算法用于防止故障误报；

所述延迟算法包括：

将电流传感器测得的正弦相位电流信号与其延迟信号进行对比，读取由电流传感器测量的瞬时电流值；

在下一个采样周期，读取另一瞬时电流值；

相邻采样周期电流值偏差的绝对值计算公式为：

Index_i＝|i-i_delay| (3)

其中，i表示当前电流值；i_delay表示上一周前电流值；Index_i表示相邻采样周期电流值偏差的绝对值；

Index_i这一偏差值的绝对值为0持续时间超过设定值，则报电流传感器故障。

8.根据权利要求1所述的一种感应电机电流传感器故障检测及容错控制方法，其特征在于，所述S7中由Park逆变换矩阵和d、q轴给定参考值可以计算得到α-β轴电流的估算值包括：

1)β轴与a轴重合：

2)β轴与b轴重合：

其中，

表示d轴电流给定值；

表示q轴电流给定值；i_{αs_est}表示由给定值计算的α轴第一估算值；i_{βs_est}表示由给定值计算的β轴第一估算值；

i′_{αs_est}表示逆时针旋转120°后由给定值计算的α轴第二估算值；i′_{βs_est}表示逆时针旋转120°后由给定值计算的β轴第二估算值；θ_e表示同步角度。

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