CN117879446A - 基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法 - Google Patents

基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，涉及位置传感器技术领域，在基于双凸极电机的三相位置传感器的三相位置信号按照预定导通逻辑控制开关管通断状态的过程中，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。这一故障诊断方法基于非导通相电流对位置传感器进行故障诊断，在双凸极电机匀速、加速、减速运行时均适用，且双凸极电机加载减载也不会对故障诊断结果产生影响，有效保证了双凸极电机位置传感器故障诊断的准确性和可靠性。

Description

基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法
技术领域
本申请涉及位置传感器技术领域，尤其是基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法。
背景技术
双凸极电机***中，位置传感器能为转速计算和电机换相提供依据，对于***可靠运行具有重要作用。双凸极电机基于位置传感器控制各相绕组的导通顺序和时间以实现输出转矩的精准控制，只有正确的位置信号处理才能保证双凸极电机在正确位置换相，使双凸极电机按预定目标运行，因此位置信号非常重要，且被广泛用于检测电机转子位置信息。
然而，在双凸极电机实际运行中，位置传感器可能由于各种原因而失效，例如恶劣的环境、振动和故障连接。如果不诊断出故障位置，将导致许多严重后果，例如：1)转速突然变化、高转矩脉动、高振动和噪声；2)电流畸变；3)过电流损坏功率变换器。
发明内容
本申请人针对上述提出的难以对双凸极电机位置传感器进行故障诊断的技术问题及技术需求，提出了一种基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，本申请的技术方案如下：
一种基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，包括：
在基于双凸极电机的三相位置传感器的三相位置信号，采用PWM斩下管控制方式，按照预定导通逻辑控制双凸极电机连接的桥式变换器的开关管通断状态的过程中，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。
其进一步的技术方案为，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器包括：确定提供从当前工作状态切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态的换相信号的位置传感器发生故障。
其进一步的技术方案为，该双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：
当按照预定导通逻辑切换至当前工作状态并完成换相操作后，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。
其进一步的技术方案为，该双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：
从切换至当前工作状态开始，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值下降至到达电流阈值时，确定完成当前工作状态下的换相操作。
其进一步的技术方案为，该双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：
根据发生故障的位置传感器对当前工作状态进行切换以对桥式变换器进行容错控制。
其进一步的技术方案为，根据发生故障的位置传感器对当前工作状态进行切换包括：从当前工作状态切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态。
其进一步的技术方案为，当未切换到下一个工作状态时，当前工作状态下的非导通相的电流值持续增大；当切换至下一个工作状态后，当前工作状态下的非导通相的电流值开始下降。
其进一步的技术方案为，电流阈值大于三相电流传感器的最大测量误差。
其进一步的技术方案为，电流阈值小于双凸极电机空载运行时的三相电流幅值。
本申请的有益技术效果是：
本申请的基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，在基于双凸极电机的三相位置传感器的三相位置信号按照预定导通逻辑控制开关管通断状态的过程中，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。这一故障诊断方法基于非导通相电流对位置传感器进行故障诊断，在双凸极电机匀速、加速、减速运行时均适用，且双凸极电机加载减载也不会对故障诊断结果产生影响，有效保证了双凸极电机位置传感器故障诊断的准确性和可靠性。
本申请还考虑到了双凸极电机***每次换相时非导通相电流的变化对故障诊断结果的影响，基于开关管的驱动信号及非导通相电流确定换相操作所处区间，再在完成换相操作后对位置传感器进行故障检测，从而有效避免了对位置传感器故障情况的误诊，进一步提高了故障诊断结果的准确性。
本申请在确定发生故障的位置传感器后，还对开关管进行容错控制，使得双凸极电机在多个位置传感器故障时依旧能够正常运行，大大提高了双凸极电机运行的稳定性。
附图说明
图1是本申请一个实施例中双凸极电机***拓扑图。
图2是本申请一个实施例中考虑换相操作时的三相位置信号、开关管驱动信号与非导通相电流波形图。
图3是本申请一个实施例中基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法流程图。
图4是本申请一个实施例中采用PWM斩下管控制方式时***换相出错后开关管驱动信号与非导通相电流波形图。
图5是本申请一个实施例中采用PWM斩上管控制方式***换相出错后开关管驱动信号与非导通相电流波形图。
图6是本申请一个实例中双凸极电机***正常工作时的三相位置信号、开关管导通逻辑和相电流波形图。
图7是本申请一个实例中开关管驱动信号与开关管导通逻辑示意图。
图8是本申请一个实例中第一位置传感器发生故障时三相位置信号、开关管导通逻辑示意图。
图9是本申请一个实例中开关管T5T6工作时T5T6均导通时的电流回路示意图。
图10是本申请一个实例中开关管T5T6工作时T5导通T6关断时的电流回路示意图。
图11是本申请一个实例中开关管T5T6工作时T5关断T6导通时的电流回路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
本申请的基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，包括：
在基于双凸极电机的三相位置传感器的三相位置信号，采用PWM斩下管控制方式，按照预定导通逻辑控制双凸极电机连接的桥式变换器的开关管通断状态的过程中，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。
如图1所示，双凸极电机的A相绕组、B相绕组、C相绕组的一端分别连接至桥式变换器的三相桥臂的桥臂中点，三相绕组的另一端相连实现星型连接。其中，Udc为电源，C为负载储能电容，T5～T6为开关管，D1～D 6分别为各个开关管反接的二极管。在本实施例中，双凸极电机***配置有三相位置传感器和三相电流传感器，且利用数字信号处理器连接三相位置传感器、三相电流传感器和桥式变换器的开关管，基于获取的三相位置信号和三相电流值控制开关管通断状态。
在本实施例中，非导通相电流的电流值为绝对值，三相桥臂流向中性点的方向为电流正方向。
双凸极电机实际运行中，根据开关管的通断情况能够确定导通的两相电枢绕组，将另外一相电枢绕组作为非导通相。当所有位置传感器均正常工作时，理论上非导通相的相电流值等于0；而当存在位置传感器出现故障时，该故障位置传感器无法继续向数字信号处理器发送换相信号，则无法正常切换工作状态，使得非导通相的电流值异常，本申请便是基于这一原理利用非导通相实现对位置传感器的故障诊断。
可选的，预定导通逻辑包括每种工作状态下各个开关管的通断状态、不同工作状态的切换顺序中的至少一种。
在本实施例中，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器包括：确定提供从当前工作状态切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态的换相信号的位置传感器发生故障。
其中，换相信号为位置传感器的高低电平切换时的信号。可选的，以位置传感器的低电平切换至高电平时的输出信号上升沿作为换相信号。
上述诊断位置传感器故障情况的方法是理想情况下得出的，然而在双凸极电机的实际运行中，每次切换工作状态时，都会存在一段换相区间。在每个换相区间的初始时刻，非导通相的电流值由0发生突变，逐渐减小至电流阈值再减小至0，结束换相区间。如图2所示，0°～θ1、120°～θ2、240°～θ3、360°～θ4、480°～θ5、600°～θ6均为换相区间，图中阴影部分为换相区间内非导通相的电流值大于电流阈值的区间，在这些阴影部分对应的区间内，若是依旧根据非导通相的电流值来诊断位置传感器的故障情况，则会出现误诊。
因此，在本实施例中，如图3所示，该双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：
当按照预定导通逻辑切换至当前工作状态并完成换相操作后，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。
在本实施例中，该双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：
从切换至当前工作状态开始，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值下降至到达电流阈值时，确定完成当前工作状态下的换相操作。
本申请通过去除图中阴影部分所在区间对位置传感器故障诊断的影响，有效避免了错误诊断的发生，使得基于非导通相电流对位置传感器进行故障诊断的结果更加准确。
在诊断得到故障传感器后，为了确保双凸极电机正常运行，在本实施例中，该双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：根据发生故障的位置传感器对当前工作状态进行切换以对桥式变换器进行容错控制。
在本实施例中，根据发生故障的位置传感器对当前工作状态进行切换包括：从当前工作状态切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态。
由于在本实施例中采用的是PWM斩下管控制方式对开关管进行控制，因此在当前工作状态由于存在位置传感器发生故障而无法正常切换至下一工作状态时：当未切换到下一个工作状态时，当前工作状态下的非导通相的电流值持续增大；当切换至下一个工作状态后，当前工作状态下的非导通相的电流值开始下降。示例性的，如图4所示，在360°～480°内未切换到下一个工作状态时，非导通相的电流值持续增大至i1。可选的，在此控制方式下，存在电流阈值ε满足-i1≤-ε≤0，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。
在另一实施例中，采用PWM斩上管控制方式对开关管进行控制，则当未切换到下一个工作状态时，当前工作状态下的非导通相的电流值则不断重复先增大再减为0的过程。示例性的，如图5所示，在360°～480°内未切换到下一个工作状态时，非导通相的电流值在0和第二电流值i2之间波动。可选的，在此控制方式下，存在电流阈值ε满足-i2≤-ε≤0，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。
需要说明的是，由于通常情况下i1>i2，以PWM斩下管控制方式对开关管进行控制能够得到更加明显的故障特征，电流阈值ε也具有较大的选取空间，因此本实施例主要针对PWM斩下管控制展开叙述。然而从理论上说，采用PWM斩上管控制也能实现本申请的技术方案，只是对于电流阈值ε的选取会更加严格，其具体方案与PWM斩下管控制方式类似，故此处不再赘述。
考虑到三相电流传感器存在一定测量误差，为避免出现误诊，在本实施例中，电流阈值大于三相电流传感器的最大测量误差。
为防止出现漏诊情况，在本实施例中，电流阈值小于双凸极电机空载运行时的三相电流幅值。
为了更好的说明本申请的基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，下面通过一个实例进行详述。
在本实例中，以360°作为转子电角度周期，将转子电角度周期分为三个扇区进行控制。三相位置传感器关于双凸极电机转子旋转对称分布，以每个位置传感器的换相信号作为扇区的划分依据，每个扇区为120°。
如图6所示，在所有位置传感器均正常工作时，预定导通逻辑包括：在0°～120°对应的第一扇区内，以第一位置传感器的输出信号上升沿作为换相信号，控制上开关管T1导通、下开关管T2斩波、其余开关管关断；在120°～240°对应的第二扇区内，以第二位置传感器的输出信号上升沿作为换相信号，控制上开关管T3导通、下开关管T4斩波、其余开关管关断；在240°～360°对应的第三扇区内，以第三位置传感器的输出信号上升沿作为换相信号，控制上开关管T5导通、下开关管T6斩波、其余开关管关断；在每个转子电角度周期内重复上述控制步骤。图6中La、Lb、Lc分别为A、B、C三相电枢绕组自感，Laf、Lbf、Lcf分别为A、B、C三相电枢绕组和励磁绕组间的互感，H1、H2、H3分别为第一、二、三位置传感器的输出信号，ia、ib、ic分别为A、B、C三相电流，θ为转子电角度。
在本实例中，如图7所示，以开关管的驱动信号Pm(m＝1,2,3,4,5,6)确定开关管Tm的通断状态，示例性的，Pm＝1时，开关管Tm导通；Pm＝0时，开关管Tm关断。且本实例采用PWM斩下管控制方式，因此上开关管在每个扇区内的驱动信号恒定，基于上开关管的驱动信号及预定导通逻辑便可确定当前所有开关管的通断情况。
如图8所示，当第一位置传感器发生故障，在360°时无法产生输出信号上升沿，导致360°～480°内T5 T6继续工作，***换相出错。由于本实例中T5 T6工作时对应的非导通相电流为ia，因此，下面通过对360°～480°内A相电流ia进行分析来验证本申请方案的可行性。
本实例采用PWM斩下管控制方式控制开关管，则不同时刻下T5T6具有两种工作模式：
(1)T5T6均导通时如图9所示，电流回路为：Udc→T5→C相绕组→B相绕组→T6；T5→C相绕组→A相绕组→D1；ia由0逐渐减小。
(2)T5导通T6关断时如图10所示，电流回路为：B相绕组→D3→T5→C相绕组；T5→C相绕组→A相绕组→D1。根据基尔霍夫电压定律可得：
其中，ea、eb、ec分别为A、B、C三相绕组反电势。
考虑到iaR、ibR、icR与ea、eb、ec相比幅值很小，可忽略其影响，根据公式(1)计算得到ia变化率因此，在T5导通T6关断时ia依旧下降。
综合上述T5T6的两种工作模式可以得知，如图4所示，采用PWM斩下管控制方式且换相出错时，非导通相的电流方向为负，电流值持续增大。
在另一个实例中，采用PWM斩上管控制方式控制开关管，则不同时刻下T5T6具有两种工作模式：
(1)T5T6均导通时如图9所示，电流回路为：Udc→T5→C相绕组→B相绕组→T6；T5→C相绕组→A相绕组→D1；ia由0逐渐减小。
(2)T5关断T6导通时如图11所示，电流回路为：Udc→D2→C相绕组→A相绕组→D1；T6→D2→C相绕组→B相绕组。根据基尔霍夫电压定律可得：
其中，R为电枢绕组的内阻，ω为转子角速度。考虑到iaR、ibR、icR与Udc、ea、eb、ec相比幅值很小，可忽略其影响。由图5可知，在360°～420°区间内，dLa/dθ>0、dLaf/dθ>0、dLb/dθ＝0、dLbf/dθ＝0、dLc/dθ<0、dLcf/dθ<0，因此ea>0、eb＝0、ec<0，结合公式(2)求得ia变化率：
由公式(3)可知，在T5导通T6关断时ia逐渐增大，综合上述T5T6的两种工作模式可以得知，如图5所示，采用PWM斩上管控制方式且换相出错时，非导通相的电流方向为负，电流值随着T6斩波而增减。
通过上述分析可知，当位置传感器出现故障导致***无法正确换相时，非导通相电流将出现变化，通过分析其电流变化范围并基于该电流变化范围确定电流阈值，便可在非导通相的电流值大于电流阈值时确定存在位置传感器发生故障。再结合图2所示的非导通相电流i_nc在换相区间内的变化情况，去除其影响后，基于双凸极电机空载运行时的三相电流幅值和三相电流传感器的误差情况选取合适的电流阈值，便可基于非导通相电流对双凸极电机的位置传感器进行准确的故障诊断。
由上一实施例可知，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器包括：确定提供从当前工作状态切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态的换相信号的位置传感器发生故障。
在本实例中，检测到360°～480°内完成换相操作后存在非导通相的电流值达到电流阈值，因此以T5 T6工作作为当前工作状态。根据预定导通逻辑可知，提供从当前工作状态(T5T6工作)切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态(T1T2工作)的换相信号的位置传感器为第一位置传感器，因此确定第一位置传感器发生故障。同理，根据这一方法也能对其它位置传感器进行故障诊断，具体步骤与上述内容相似，故此处不再赘述。
由上一实施例可知，根据发生故障的位置传感器对当前工作状态进行切换包括：从当前工作状态切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态。
因此，在双凸极电机实际运行中，当检测到目标工作状态下某个时刻非导通相的电流值达到电流阈值时，判断该时刻是否已完成该目标工作状态下的换相操作，若未完成换相操作，则不对位置传感器进行故障诊断；若已完成换相操作，则确定提供从该目标工作状态切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态的换相信号的位置传感器发生故障，并控制开关管从当前工作状态切换至按照预定导通逻辑的下一个工作状态。
在本实例中，由于预定导通逻辑中每个转子电角度周期内开关管工作顺序为：T1T2工作→T3T4工作→T5T6工作，因此：
在T1T2工作对应的工作状态下，检测到完成换相操作后非导通相的电流值达到电流阈值时，确定第二位置传感器故障，并将T1T2工作切换为T3T4工作。
在T3T4工作对应的工作状态下，检测到完成换相操作后非导通相的电流值达到电流阈值时，确定第三位置传感器故障，并将T3T4工作切换为T5T6工作。
在T5T6工作对应的工作状态下，检测到完成换相操作后非导通相的电流值达到电流阈值时，确定第一位置传感器故障，并将T5T6工作切换为T1T2工作。
由于本申请在检测到位置传感器发生故障后，通过容错控制对开关管的工作状态进行了切换，因此在下一扇区的开始时刻非导通相的电流值依旧为0，即使在下一扇区由于其它位置传感器发生故障而依旧无法正常换相，通过上述方案也仍然能够基于非导通相电流对位置传感器进行故障诊断，进而对开关管进行容错控制。
因此，本申请的位置传感器故障诊断方案在多个位置传感器都发生故障的情况下也依旧适用，且能够根据预设的导通逻辑及容错控制方法对开关管的工作状态及时进行切换，使得双凸极电机在多个位置传感器故障时依旧能够正常运行，大大提高了双凸极电机运行的稳定性。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于非导通相电流的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，所述双凸极电机位置传感器故障诊断方法包括：
在基于双凸极电机的三相位置传感器的三相位置信号，采用PWM斩下管控制方式，按照预定导通逻辑控制所述双凸极电机连接的桥式变换器的开关管通断状态的过程中，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。
2.根据权利要求1所述的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器包括：
确定提供从当前工作状态切换至按照所述预定导通逻辑的下一个工作状态的换相信号的位置传感器发生故障。
3.根据权利要求1所述的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，所述双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：
当按照预定导通逻辑切换至当前工作状态并完成换相操作后，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值达到电流阈值时，根据当前工作状态确定发生故障的位置传感器。
4.根据权利要求3所述的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，所述双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：
从切换至当前工作状态开始，当检测到当前工作状态下的非导通相的电流值下降至到达所述电流阈值时，确定完成当前工作状态下的换相操作。
5.根据权利要求2所述的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，所述双凸极电机位置传感器故障诊断方法还包括：
根据发生故障的位置传感器对当前工作状态进行切换以对所述桥式变换器进行容错控制。
6.据权利要求5所述的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，根据发生故障的位置传感器对当前工作状态进行切换包括：
从当前工作状态切换至按照所述预定导通逻辑的下一个工作状态。
7.根据权利要求5所述的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，当未切换到下一个工作状态时，当前工作状态下的非导通相的电流值持续增大；当切换至下一个工作状态后，当前工作状态下的非导通相的电流值开始下降。
8.根据权利要求1所述的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，所述电流阈值大于三相电流传感器的最大测量误差。
9.根据权利要求1所述的双凸极电机位置传感器故障诊断方法，其特征在于，所述电流阈值小于双凸极电机空载运行时的三相电流幅值。
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