汽車離合器蓋總成檢測試驗臺電機故障診斷研究

陳剛　黃慶濤　許春玲

摘要：采用擴展卡爾曼（EKF）的殘差法對永磁同步電機故障進行檢測，其目的是為了提高系統(tǒng)的魯棒性，減少故障的漏報率，提高準確率。

關(guān)鍵詞：永磁同步交流伺服電機；擴展卡爾曼濾波器；故障診斷

基金項目：本文是吉林省教育廳“十二五”科學技術(shù)研究項目《汽車離合器蓋總成綜合性能檢測系統(tǒng)設(shè)計與研究》成果之一，項目編號為：吉教科合字〔2013〕第558號。

中圖分類號：S31 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.02.0024

永磁同步交流伺服電機（PMSM），它是由繞線式同步電動機發(fā)展而來的，具有效率高、易于控制、結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良等優(yōu)點，因此在軍事裝備、辦公機械、儀器儀表、汽車電器、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。汽車離合器蓋總成檢測試驗臺采用永磁同步交流伺服電機，為試驗臺位移回路的運動提供動力，同時為試驗臺負載回路提供準確的加載測試力。作為離合器蓋總成檢測試驗臺的動力源，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)將無法工作[2]。為了故障信息被及時準確地找出來，采用故障診斷的方法是擴展卡爾曼濾波。

1 擴展卡爾曼濾波器

擴展卡爾曼濾波器（EKF）主要用來解決非高斯、非線性的濾波問題，是一種近似濾波的方法，是卡爾曼濾波器線性向非線性系統(tǒng)的推廣算法，在非線性系統(tǒng)的設(shè)計中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[3]，它把非線性方程進行近似線性化，將高階項略去，只取泰勒展開式中的線性項。永磁同步電機是一個復雜的非線性系統(tǒng)，可以采用EKF方法。

基于擴展卡爾曼濾波器的故障診斷模型的建立，狀態(tài)估計：

（1）

其中，■為狀態(tài)的一步預(yù)測值。殘差序列：

（2）

Kalman濾波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它主要由系統(tǒng)、濾波器以及觀測器三部分構(gòu)成。

圖1 Kalman濾波器的結(jié)構(gòu)框圖

2 建立永磁同步電機的數(shù)學模型

EKF算法是利用獲得的系統(tǒng)輸出殘差進行故障檢測，因此需建立電機的數(shù)學模型，應(yīng)用UKF將系統(tǒng)的初始狀態(tài)統(tǒng)計值帶到所建立的數(shù)學模型中，得到系統(tǒng)的預(yù)測輸出。系統(tǒng)的輸出殘差是通過將預(yù)測輸出與實際輸出相比較來獲得，根據(jù)殘差評價準則來進行故障檢測[4]。以二相導通星形三相六狀態(tài)為例，建立永磁同步電機的數(shù)學模型。

3 基于擴展卡爾曼濾波的電機故障診斷

當系統(tǒng)正常運行時，協(xié)方差矩陣為

由公式（5）可以看出， 具有不同的統(tǒng)計特性。根據(jù)這個特性定義作為隨機變量

近似服從分布，由此可得如下殘差加權(quán)平方和檢測方法，令

（7）

其中， N為數(shù)據(jù)窗長度。的數(shù)值較小，說明系統(tǒng)正常運行。當系統(tǒng)發(fā)生突變性故障時， 失去白噪聲特性，通過的數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的閾值進行比較，得到故障診斷準則如公式（8）

（8）

4 結(jié)論

采用擴展卡爾曼（EKF）的殘差法對永磁同步電機進行檢測，其目的是為了提高系統(tǒng)的魯棒性，減少故障的漏報率，提高準確率。利用EKF本身良好的逼近能力及去噪能力，通過獲得的系統(tǒng)殘差進行故障檢測。當獲得系統(tǒng)EKF殘差的均值是零具有高斯白噪聲特性，說明系統(tǒng)運行正常，其方差為觀測矩陣；反之若當殘差的均值不再為零，失去高斯白色特性，說明系統(tǒng)有故障發(fā)生，這是因為預(yù)測估計值是由先驗信息遞推計算得到的，與測量信息無關(guān)，不受故障等異常信息的影響。

參考文獻

[1] 張邦成.汽車離合器從動盤測試機電控系統(tǒng)設(shè)計[J].西南交通大學學報.2009

[2] 王巨濤.汽車離合器蓋總成綜合性能檢測機構(gòu)誤差分析與綜合[D].天津：天津理工大學，2010.

[3] Chen Ming， Zhou Sizhu， Gao Yunquan， Qi Xuan， Zhang Junhuan..The Journal of Hubei University of Technology 2009，02（24），71-73. In Chinese.

作者簡介：陳剛，碩士，東北師范大學人文學院，講師，研究方向：系統(tǒng)工程。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-12-22 16：09：02

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/22.1186.S.20141222.1609.001.html·endprint