CN114812655A - 一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轨道交通运输技术领域，具体提供了一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法及装置，包括：基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态；基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；其中，所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差采用高频正弦电压信号注入方式获取。本发明提供的技术方案可以在毫秒级完成故障诊断，方便轨道机车维护。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通运输技术领域，具体涉及一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法及装置。
背景技术
铁路运输业是国民经济的基础产业，在交通运输体系中居骨干地位，对国民经济发展起着强有力的支持作用。以钢铁、矿山、石化、港口等典型行业为例，企业内货运轨道机车是工业化生产运输作业的重要组成部分。
在货运轨道机车领域，主要分为电力机车与内燃机动力机车。1）常规电力机车，采用接触网取电技术路线，适应于长距离固定线路货运。但在工况企业领域特别是钢铁企业等管路、桥架较多，固定线路上架设电力线路及取电装置施工困难，且生产需求线路变更等因素不利于传统接触取电的电力机车应用。2）内燃机动力机车，不需要建设供电网络，因此工况企业货运机车几乎全部采用内燃机动力机车方案，但燃料费用、运行维护成本高，环保问题尤为突出。3）混合动力轨道机车，中车资阳厂立项研发混动机车，将传统内燃机与电池***结合，通过提高小功率内燃机发电功率能效提高从而实现节能，但由于内燃机依然存在环保及排放问题，且维护工作量增加。国内钢铁、矿山、石化、港口等大型工矿企业因内燃机车无需在铁路沿线架设接触网，不受环境、天气、供电影响，广泛采用内燃机车用于内部铁路运输。但是内燃机车存在污染排放高、运行成本大、机车性能差等诸多缺点。
电机作为轨道机车的主要动力来源，其主要功能是将电能转换成机械能，驱动机车运行。牵引变流器通常采用基于转子磁场定向的矢量控制，可以实现分别控制电机转矩与磁链的目的。因此，准确获取转子位置信息是矢量控制不可缺少的环节。
在轨道机车牵引变流器***中，通常采用旋转变压器来获得转子位置信息。然而轨道机车运行过程中经常发生振动、撞击工况，容易造成位置传感器错位、脱线、卡死等问题，导致位置传感器偏差故障、开路故障或失效故障。位置传感器故障会使得磁场无法准确定向，导致电机无法输出期望的驱动力矩，造成机车动力不足甚至启动失败。
到目前为止，轨道机车牵引变流器的位置传感器故障诊断技术研究较少。发明专利CN 112304608 A于2020年10月公布的《一种牵引传动***的故障诊断方法、***及相关组件》，提出根据***状态信号，提取电气特征数据和机械特征数据来判断故障类型，但是并未涉及针对位置传感器的故障诊断。发明专利CN 112039387 A于2020年12月公布的《一种永磁同步电机位置传感器的故障诊断方法》，提出基于滑模观测器的位置传感器故障诊断算法。但是滑模观测器仅仅在电机转速高时可以有效观测位置，不适用于运行转速较低的轨道机车工况。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提出了一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法及装置。
第一方面，提供一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法，所述轨道机车的位置传感器故障诊断方法包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态；
基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
其中，所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差采用高频正弦电压信号注入方式获取。
可选的，所述基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态，包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
进一步的，所述基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值，包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值以及驱动电机三相定子绕组电流值确定驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值；
基于驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值确定驱动电机的转矩检测值。
进一步的，所述驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值的计算式如下：
上式中，i a 、i b 、i c 分别为驱动电机a、b、c相定子绕组电流值，i d 、i q 分别为驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值，θ r 为驱动电机的转子位置检测值。
进一步的，所述驱动电机的转矩检测值的计算式如下：
上式中，T e 为驱动电机的转矩检测值，n p 为驱动电机极对数，Ψ f 为驱动电机永磁体磁链，L d 、L q 分别为驱动电机直轴电感值和交轴电感值。
进一步的，所述基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态，包括：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
可选的，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
进一步的，所述高频正弦电压信号的计算式如下：
上式中，u αh 和u βh 分别为驱动电机α轴和β轴的高频正弦电压信号，V h 为高频正弦电压信号的幅值，ω h 为高频正弦电压信号的角速度，t为当前时刻。
进一步的，所述基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断，包括：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
第二方面，提供一种轨道机车的位置传感器故障诊断装置，所述轨道机车的位置传感器故障诊断装置包括：
确定模块，用于基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态；
故障诊断模块，用于基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
其中，所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差采用高频正弦电压信号注入方式获取。
可选的，所述确定模块具体用于：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
进一步的，所述确定模块具体用于：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
可选的，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
进一步的，所述故障诊断模块具体用于：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
第三方面，提供一种轨道机车，所述轨道机车包括：位置传感器故障诊断装置、位置传感器和电流传感器；
所述位置传感器故障诊断装置，用于基于驱动电机转子位置检测值、转速检测值和三相定子绕组电流值对轨道机车的位置传感器进行故障诊断，并将故障诊断结果上报至轨道机车的整车控制器；
所述位置传感器，用于检测轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值；
所述电流传感器，用于检测驱动电机三相定子绕组电流值。
优选的，所述位置传感器故障诊断装置包括：
信息采集模块，用于获取位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值以及电流传感器检测的驱动电机三相定子绕组电流值；
信息比较模块，用于基于驱动电机转子位置检测值、转速检测值和三相定子绕组电流值判断轨道机车的运行状态；
故障诊断模块，用于基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
故障报警模块，用于上传故障信息给整车控制器。
进一步的，所述信息比较模块具体用于：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
进一步的，所述信息比较模块具体用于：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
进一步的，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
进一步的，所述故障诊断模块具体用于：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
第四方面，提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；
所述处理器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现所述的轨道机车的位置传感器故障诊断方法。
第五方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现所述的轨道机车的位置传感器故障诊断方法。
本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
本发明提供了一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法及装置，包括：基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态；基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；其中，所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差采用高频正弦电压信号注入方式获取。本发明提供的技术方案采用高频正弦电压信号注入法对位置传感器故障进行诊断，通过驱动电机转子位置残差和转速残差可以快速锁定故障位置类型，速度达到毫秒级，方便轨道机车维护。
附图说明
图1是本发明实施例的轨道机车的位置传感器故障诊断方法的主要步骤流程示意图；
图2是本发明实施例的基于同轴滤波器的转子位置和转速估计原理框图；
图3是本发明实施例的轨道机车的位置传感器故障诊断装置的主要结构框图；
图4是本发明实施例的轨道机车的位置传感器故障诊断装置的具体结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
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做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。
实施例1
参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的轨道机车的位置传感器故障诊断方法的主要步骤流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的轨道机车的位置传感器故障诊断方法主要包括以下步骤：
步骤S101：基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态；
步骤S102：基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
其中，所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差采用高频正弦电压信号注入方式获取。
本事实例中，所述基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态，包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
在一个实施方式中，所述基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值，包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值以及驱动电机三相定子绕组电流值确定驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值；
基于驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值确定驱动电机的转矩检测值。
在一个实施方式中，所述驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值的计算式如下：
上式中，i a 、i b 、i c 分别为驱动电机a、b、c相定子绕组电流值，i d 、i q 分别为驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值，θ r 为驱动电机的转子位置检测值。
在一个实施方式中，所述驱动电机的转矩检测值的计算式如下：
上式中，T e 为驱动电机的转矩检测值，n p 为驱动电机极对数，Ψ f 为驱动电机永磁体磁链，L d 、L q 分别为驱动电机直轴电感值和交轴电感值。
在一个实施方式中，所述基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态，包括：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
本事实例中，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
在一个实施方式中，所述高频正弦电压信号的计算式如下：
上式中，u αh 和u βh 分别为驱动电机α轴和β轴的高频正弦电压信号，V h 为高频正弦电压信号的幅值，ω h 为高频正弦电压信号的角速度，t为当前时刻。
进一步的，所述利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值的过程，如图2所示，包括：
通过牵引变流器向电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号u αh 、u βh 。采用带通滤波器（band pass filter, BPF）提取αβ轴系电流的高频分量，并坐标变换到与注入的高频电压矢量同步旋转的轴系中，此时正序分量变为直流量，负序分量变为高频电压信号的二倍频分。再采用同轴滤波器滤除正序分量，其中用到了高通滤波器（high pass filter,HPF）。将负序分量变换到静止轴系中，变换角度为2倍高频角。再采用反正切可以求解出转子位置估计值和转速估计值。
在一个实施方式中，所述基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断，包括：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
实施例2
基于同一种发明构思，本发明还提供一种轨道机车的位置传感器故障诊断装置，如图3所示，所述轨道机车的位置传感器故障诊断装置包括：
确定模块，用于基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态；
故障诊断模块，用于基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
其中，所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差采用高频正弦电压信号注入方式获取。
可选的，所述确定模块具体用于：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
进一步的，所述基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值，包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值以及驱动电机三相定子绕组电流值确定驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值；
基于驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值确定驱动电机的转矩检测值。
进一步的，所述驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值的计算式如下：
上式中，i a 、i b 、i c 分别为驱动电机a、b、c相定子绕组电流值，i d 、i q 分别为驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值，θ r 为驱动电机的转子位置检测值。
进一步的，所述驱动电机的转矩检测值的计算式如下：
上式中，T e 为驱动电机的转矩检测值，n p 为驱动电机极对数，Ψ f 为驱动电机永磁体磁链，L d 、L q 分别为驱动电机直轴电感值和交轴电感值。
进一步的，所述确定模块具体用于：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
可选的，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
进一步的，所述高频正弦电压信号的计算式如下：
上式中，u αh 和u βh 分别为驱动电机α轴和β轴的高频正弦电压信号，V h 为高频正弦电压信号的幅值，ω h 为高频正弦电压信号的角速度，t为当前时刻。
进一步的，所述故障诊断模块具体用于：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
实施例3
基于同一种发明构思，本发明还提供一种轨道机车，如图4所示，所述轨道机车包括：位置传感器故障诊断装置、位置传感器和电流传感器；
所述位置传感器故障诊断装置，用于基于驱动电机转子位置检测值、转速检测值和三相定子绕组电流值对轨道机车的位置传感器进行故障诊断，并将故障诊断结果上报至轨道机车的整车控制器；
所述位置传感器，用于检测轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值；
所述电流传感器，用于检测驱动电机三相定子绕组电流值。
优选的，所述位置传感器故障诊断装置包括：
信息采集模块，用于获取位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值以及电流传感器检测的驱动电机三相定子绕组电流值；
信息比较模块，用于基于驱动电机转子位置检测值、转速检测值和三相定子绕组电流值判断轨道机车的运行状态；
故障诊断模块，用于基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
故障报警模块，用于上传故障信息给整车控制器。
进一步的，所述信息比较模块具体用于：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
进一步的，所述基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值，包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值以及驱动电机三相定子绕组电流值确定驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值；
基于驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值确定驱动电机的转矩检测值。
进一步的，所述驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值的计算式如下：
上式中，i a 、i b 、i c 分别为驱动电机a、b、c相定子绕组电流值，i d 、i q 分别为驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值，θ r 为驱动电机的转子位置检测值。
进一步的，所述驱动电机的转矩检测值的计算式如下：
上式中，T e 为驱动电机的转矩检测值，n p 为驱动电机极对数，Ψ f 为驱动电机永磁体磁链，L d 、L q 分别为驱动电机直轴电感值和交轴电感值。
进一步的，所述信息比较模块具体用于：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
进一步的，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
进一步的，所述高频正弦电压信号的计算式如下：
上式中，u αh 和u βh 分别为驱动电机α轴和β轴的高频正弦电压信号，V h 为高频正弦电压信号的幅值，ω h 为高频正弦电压信号的角速度，t为当前时刻。
进一步的，所述故障诊断模块具体用于：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
实施例4
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法的步骤。
实施例5
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质（Memory），所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作***。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序（包括程序代码）。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM 存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (22)
1.一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法，其特征在于，所述方法包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态；
基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
其中，所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差采用高频正弦电压信号注入方式获取。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态，包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值，包括：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值以及驱动电机三相定子绕组电流值确定驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值；
基于驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值确定驱动电机的转矩检测值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值的计算式如下：
上式中，i a 、i b 、i c 分别为驱动电机a、b、c相定子绕组电流值，i d 、i q 分别为驱动电机定子直轴电流值和交轴电流值，θ r 为驱动电机的转子位置检测值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述驱动电机的转矩检测值的计算式如下：
上式中，T e 为驱动电机的转矩检测值，n p 为驱动电机极对数，Ψ f 为驱动电机永磁体磁链，L d 、L q 分别为驱动电机直轴电感值和交轴电感值。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态，包括：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高频正弦电压信号的计算式如下：
上式中，u αh 和u βh 分别为驱动电机α轴和β轴的高频正弦电压信号，V h 为高频正弦电压信号的幅值，ω h 为高频正弦电压信号的角速度，t为当前时刻。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断，包括：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
10.一种轨道机车的位置传感器故障诊断装置，其特征在于，所述装置包括：
确定模块，用于基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定轨道机车的运行状态；
故障诊断模块，用于基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
其中，所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差采用高频正弦电压信号注入方式获取。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述确定模块具体用于：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述确定模块具体用于：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述故障诊断模块具体用于：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
15.一种轨道机车，其特征在于，所述轨道机车包括：位置传感器故障诊断装置、位置传感器和电流传感器；
所述位置传感器故障诊断装置，用于基于驱动电机转子位置检测值、转速检测值和三相定子绕组电流值对轨道机车的位置传感器进行故障诊断，并将故障诊断结果上报至轨道机车的整车控制器；
所述位置传感器，用于检测轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值；
所述电流传感器，用于检测驱动电机三相定子绕组电流值。
16.如权利要求15所述的轨道机车，其特征在于，所述位置传感器故障诊断装置包括：
信息采集模块，用于获取位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值以及电流传感器检测的驱动电机三相定子绕组电流值；
信息比较模块，用于基于驱动电机转子位置检测值、转速检测值和三相定子绕组电流值判断轨道机车的运行状态；
故障诊断模块，用于基于所述轨道机车的运行状态以及轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差对轨道机车的位置传感器进行故障诊断；
故障报警模块，用于上传故障信息给整车控制器。
17.如权利要求16所述的轨道机车，其特征在于，所述信息比较模块具体用于：
基于位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值确定驱动电机的转矩检测值；
将转矩目标值与驱动电机的转矩检测值的差作为转矩残差；
基于所述转矩残差确定轨道机车的运行状态。
18.如权利要求17所述的轨道机车，其特征在于，所述信息比较模块具体用于：
若所述转矩残差不大于转矩阈值，则轨道机车处于正常运行状态，否则，轨道机车处于异常运行状态。
19.如权利要求18所述的轨道机车，其特征在于，采用高频正弦电压信号注入方式获取所述轨道机车的驱动电机转子位置残差和转速残差的过程包括：
通过牵引变流器向驱动电机αβ轴静止坐标系注入高频正弦电压信号，并提取从驱动电机αβ轴静止坐标系中提取高频电流信号；
利用同轴滤波器分解所述高频电流信号，并获取驱动电机转子位置估计值和转速估计值；
将驱动电机转子位置检测值与转子位置估计值之间的差作为位置残差，将驱动电机转速检测值与转速估计值之间的差作为转速残差。
20.如权利要求19所述的轨道机车，其特征在于，所述故障诊断模块具体用于：
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述位置残差不大于位置阈值，则轨道机车的位置传感器未出现偏差故障，否则，轨道机车的位置传感器出现偏差故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若所述转速残差不大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器未出现开路故障，否则，轨道机车的位置传感器出现开路故障；
当轨道机车处于异常运行状态时，若位置传感器检测的轨道机车的驱动电机转子位置检测值和转速检测值均为0、所述位置残差大于位置阈值且所述转速残差大于转速阈值，则轨道机车的位置传感器出现失效故障，否则，轨道机车的位置传感器未出现失效故障。
21.一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；
所述处理器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求1至9中任意一项所述的轨道机车的位置传感器故障诊断方法。
22.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1至9中任意一项所述的轨道机车的位置传感器故障诊断方法。
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| CN202210733206.XA CN114812655A (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 一种轨道机车的位置传感器故障诊断方法及装置 |
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2022
- 2022-06-27 CN CN202210733206.XA patent/CN114812655A/zh active Pending
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