基于滑模觀測器的電流傳感器故障監測系統設計

劉 瑩，李 娜，陳玉玲

(沈陽工學院 信息與控制學院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

電流傳感器是能夠感應到被測電流信號，并根據特定的規律將偵測到的訊息轉化為其他信息，以達到傳送、處理、儲存、顯示、記錄電力信息的目的[1]。不同類型的電流傳感器可以應用到不同領域，能夠為家用電器、智能電網、電動車以及航天器等設備提供設備支持。電流傳感器需要安裝在不同的應用環境中，因此部分電流傳感器會長時間處于高溫、高壓等惡劣環境中，容易發生故障。據不完全統計，在智能電網、控制系統等環境中，傳感器故障占硬件設備總故障的概率較高。電流傳感器發生故障會直接降低電流數據的采集精度，甚至出現電流參數采集與傳遞空缺，最終出現系統運行故障，嚴重時還會產生設備燒毀、爆炸等危險事故。為了保證電流傳感器的應用安全以及使用價值，有必要對處于工作狀態的電流傳感器設計相應的故障監測系統。故障監測系統的設計目的就是通過主動地從傳感器上接收到各種運行信息，并對傳感器的運行錯誤進行分析，從而實現設備故障監測。該系統可以對電流傳感器各個組成元件的老化、過熱和火災進行識別。

當前已有學者對電流傳感器故障監測系統做出了設計。文獻[2]提出基于瞬時振幅的電流傳感器微故障診斷方法。建立以瞬時振幅為基礎的電流傳感器微小故障模型，并采用 Hilbert變換估算相電流的瞬時幅度。采用 FWMPCA 技術從三維 DC信號中提取微故障概率密度分布函數，建立故障檢測閾值，進行小故障檢測與估算。文獻[3]提出基于可變增益狀態觀測器的電流傳感器故障容錯控制技術。采用可變增益狀態觀測器模型對電流值進行實時估算，產生電流殘差，采用 CUSUM方法對傳感器故障進行實時檢測和定位，并在故障情況下采用觀測器估計取代電流傳感器信號，對牽引系統進行容錯控制。上述方法均具有一定的有效性，但對電流傳感器運行信號的觀測性能仍有待提升。

為此在現有傳感器故障監測系統的基礎上，本文設計了基于滑模觀測器的電流傳感器故障監測系統。滑模觀測器主要是根據系統的外部變量的實測值得出狀態變量估計值的一類動態系統，它能夠在一定特性下觀測元件的狀態軌跡，提升元件滑模運動的觀測精度。在電流傳感器故障監測系統優化設計過程中，通過滑模觀測器的應用，以期能夠提高對故障的監測功能。

1 電流傳感器故障監測硬件系統設計

1.1 電流傳感器運行數據采集器

此次電流傳感器故障分別從設備的運行電壓和溫度兩個方面進行監測，因此電流傳感器運行數據采集器分為電壓傳感器和溫度傳感器兩個部分。選用VSM600D型霍爾電壓傳感模塊，溫度傳感模塊采用的是型號為MAX6675的螺釘式K型熱電偶溫度傳感器。選用采集器的外部接線方式如圖1所示。

圖1 電流傳感器運行數據采集器接線圖

按照圖1的接線方式，將電壓傳感器和溫度傳感器連接在一起，并安裝在待測電流傳感器的測點位置上。

1.2 電流傳感器運行信號處理器

電流傳感器故障監測系統使用TMS320F2812作為一種專用于32位控制的、最高指令速度150 MIPS的數字信號處理器，該處理器具有高性能的計算和處理能力[4]。該系統的信號處理部分采用靜態CMOS技術，所有的輸入端均為施密特觸發，從而增強了設備的抗干擾性。該信號發生器的功率為3.3 V，核心電壓為1.8 V，最高功率為150 MHz[5]。

1.3 功率驅動模塊

從系統的可靠性和安全性角度出發，選擇了西門驅動器SKHI23/17作為一款具有過電流保護和短路保護功能的新型智能雙管式執行器[6]。該設備具有驅動、欠壓保護、過電壓保護等多種功能，可為系統提供動力。信號緩沖器、脈沖抑制器的主要功能是保證驅動信號的幅值、寬度和脈沖邊緣的最佳化，特別是當脈沖寬度在500 ns以下的情況下，不會向IGBT輸出，以保證驅動組件的響應速度在一個可靠的范圍內[7]。互鎖和死區時間電路確保了上臂和下橋臂的驅動信號互鎖，也就是每個都有規則地切換，不能同時開啟，并且死區時間根據TDT2插入電阻器的變化來調節，從上臂斷開至完全閉合再斷開下臂。電源監控、故障監控、錯誤記憶電路的功能是確保電源在13 V以下輸出ERROR，過電流和短路時輸出低，并能自動關閉電源輸出，直至故障消除為止。

1.4 系統電路設計

1.4.1 電平處理電路

電平處理的內容包括信號整形、信號放大以及電平轉換三個部分，將被檢測的傳感器置于電源線路上，在該裝置工作時，50 Hz的AC電流流經該傳感器，其感應電流的頻率是該傳感器的1/2 000。當該裝置的工作電流是10 A時，該傳感器將會輸出一個5毫安的AC信號[8]。為了便于單片機的數據采集，需要把交流電轉換成直流電。電流感應器的紅線與IN1相連，而黑線與IN2相連，AC電信號經變壓器及整流二極管轉換為DC。圖2為信號整形電路連接圖。

圖2 電流傳感器信號整形電路圖

電平變換器主要用于多種輸入和輸出功能的擴充，利用高速TTL-COMS兼容性轉換芯片，完成電平變換功能，在驅動程序作用下，既可以實現電平的兼容性，又可以簡化周邊電路。

1.4.2 故障監測保護電路

為了確保電路和系統硬件安全、可靠運行，DSP還具有PDPINT的輸出信號，并與其它DSP的擴展I/O接口相結合，可以很容易地完成對伺服系統的各種保護，并通過設計故障監控和保護電路，達到對系統設備運行過溫和驅動板故障的保護。通過NOR門電路MC14078BCP對各類故障信號進行合成，然后將其輸入到管腳PDPINT中，在此使用的是電平變換的功能[9]。如果驅動板內部出現過電流、短路、模塊驅動控制電壓不足、模塊控制控制電壓過高、模塊溫度過高等，則輸出一個故障告警信號，使得MC14078BCP輸出為低，PDPINT插針也會被拉到Low，這時DSP內定時器就會立刻停止計數，所有的輸出插針都處于高電阻狀態，即PWM硬件阻塞輸出脈沖，并生成一個中斷信號，以告知出現了異常[10]。整個流程都是自動化的，沒有任何的程序介入。這對于快速地處理不同的故障狀況是很有幫助的。在電機溫度過高時，由熱敏開關產生故障，并經光藕隔離變換到DSP輸入/輸出端口，以保證系統的正常工作。

1.4.3 故障監測結果顯示電路

選用JLX12864G-1016型號的LCD液晶顯示器，為電流傳感器故障監測結果的可視化輸出提供硬件支持，該型號的液晶顯示器具有良好的顯示效果、易于操作、成本低廉等特點，可廣泛用于多種人機交互顯示，充分滿足多傳感器冗余系統的故障信息顯示。LCD驅動芯片采用功能強大、穩定性好的UC1701X，采用串行通訊方式將指令、數據傳輸給芯片，采用SPI通訊。SPI總線的標準要求有四條線路：數據輸入線路、數據輸出線路、時鐘線路和選擇線路。由于該液晶模組僅需接收數據，因此不需采用數據輸出線。顯示電路中令LCD_CS信號為液晶模塊SPI總線的片選信號，低電平有效，LCD_RESET信號是液晶模塊的復位信號，復位時通過MCU置為低電平，置為高電平后液晶正常工作[11]。LCD模塊的暫存器主要有兩類：數據寄存器和指令寄存器，其中LCD_RS信號的選取，高電平的LCD_RS，低電平的LCD_RS。UC1701X具備豐富的指令功能，MCU可以根據不同的指令，以及對應的數據，實現所要顯示的位置和內容。SCLK信號是通過主機MCU來控制SPI總線的時鐘信號。SDA信號為SPI總線LCD模塊的數據輸入。LEDA和LEDK是液晶的背光源和背光源的陰極，它們可以通過MCU來控制，為了使背光源的陰極更容易地被接到較低的位置，背光電源的陽極被連接到一個能影響LCD的清晰度的上拉電阻器上，一般設定為500歐姆。

1.5 硬件設備抗干擾設計

硬件設計中的抗干擾處理對于硬件系統的整體性能非常關鍵，首先確定與其他硬件設備相連接的元件的位置，再決定與組裝相關的元件的位置，以及對某些特定要求的元件的擺放位置，以及功能模塊的不同，將不同的功能模塊放在一起[12]。良好的布局很關鍵，在進行設計時，必須要考慮到界面、關鍵設備的布置。其次，請注意電源解耦和集成晶片解耦，即在各印制板入口的電源線和地線之間，并連接一個解耦電容。利用集成晶片解耦技術將0.1 μF陶瓷電容器置于各晶片的電源和接地端。最后，留意電源線電流的大小，盡可能的增加電線的寬度，采用電源線、地線的方向和數據的傳輸方向，并在電源線和地線間增加0.1 μF的陶瓷電容器。

2 電流傳感器故障監測系統軟件設計

在上述硬件設備的基礎上，對電流傳感器故障監測系統軟件進行設計。構建電流傳感器故障數學模型，對電流傳感器故障類型進行分類并分別計算其特征值，利用滑模觀測器獲取傳感器運行信號，針對電流傳感器的不同故障類型，對不同的指標進行監測。最后，設置故障監測閾值，判定待測設備是否處于故障狀態，實現電流傳感器故障監測。

2.1 構建電流傳感器故障數學模型

電流傳感器是遵循霍爾效應研制的硬件設備，從結構上看，電流傳感器包含一個原邊線圈和一個副邊線圈，當傳感器達到磁平衡時，原副邊線圈電流滿足式如下關系式：

N1I1=N2I2

(1)

其中:N1和N2分別為原邊線圈和次邊線圈的匝數，I1和I2對應的是原邊電流和次邊電流。根據公式(1)可以看出，在已知的原副邊線圈的數目的情況下，通過測量副邊的電流，即可從平衡關系推斷出原邊的電流[13]。由于機械振動、電磁、噪聲等因素的干擾，以及接觸不良等因素，使得電流傳感器出現故障。表1表示的是常見的電流傳感器故障類型。

表1 電流傳感器故障類型說明表

將表1中表示的電流傳感器故障類型的運行特征進行量化表示，其中卡死故障、增益故障和偏差故障特征可以表示為：

(2)

其中:yiin(t)和yiout(t)分別表示t時刻電流傳感器的輸入值和輸出值，R1、R2和R3對應的是卡死、增益以及偏差故障類型，ki為常數，用來表示傳感器輸出固定值，γi為待測電流傳感器的增益比例系數，Δi為恒定偏差[14]。根據電流傳感器的時間特性，可以將故障分為突變、緩變和間歇三種形式，其中偏差故障和漂移故障屬于突變故障，增益故障滿足緩變故障類型，而間歇故障主要針對的是卡死、開路、短路等特征，其數學模型表達式如下：

yout(t)=yin(t)+α·τ(t)

(3)

其中:τ(t)表示待測傳感器發生故障的時間，一般以集合的方式表示，α為間歇故障的發生幅值[15]。根據故障數學模型的構建結果，確定不同電流傳感器故障類型的基本特征，以此作為判斷待測傳感器是否存在故障的比對標準。

2.2 利用滑模觀測器獲取傳感器運行信號

在電流傳感器故障監測系統中安裝滑模觀測器的目的是用來觀測電流傳感器待測目標的運行狀態，并收集其實時運行數據。滑模觀測器的設計可以分為兩個階段，首先系統狀態由任意初始狀態向滑模面移動，直到電流傳感器進入滑模面，系統狀態進入滑模面后要求其能沿著滑模面移動，并使此時的等效運動具有期望的性能。此次故障監測系統中使用滑模觀測器的設計結構如圖3所示。

圖3 滑模觀測器結構框圖

在滑模觀測器設計與應用過程中省略了機械式或光電式編碼器，以轉子滑模觀測器代之。滑模觀測器的輸入信號為電流傳感器的實時運行定子電壓和電流，通過滑動薄膜控制系統進行計算，將轉子的角度和速度輸出給系統轉換和調整。

當電流傳感器狀態在滑模面運動時，硬件系統中安裝的滑模觀測器具備很好的魯棒性。對于一個多變量多輸出的非線性系統，可用公式(4)表示的狀態方程描述。

(4)

式中，C為常數系數，A(x)為電流傳感器狀態變量，B(x)為輸入變量，y(x)為觀測器的輸出量，u為觀測器誤差閾值[16]。由此可以將滑模觀測器的工作原理量化表示為：

(5)

其中:K為增益矩陣，sgn(·)為取整函數。按照上述原理，可以將電流傳感器故障監測系統安裝在待測電流傳感器上，根據圖4表示的邏輯運行原理，得出傳感器實時運行數據的觀測結果。

圖4 滑模觀測器邏輯原理圖

電流傳感器的實時運行數據輸入到滑模觀測器中，經過濾波得到的新狀態，可以量化表示為：

ynew(t)=-Afy(t)+AfCx(t)+AfNy(t)

(6)

其中:N為滑模觀測器中存在的不確定因素，Af為傳感器的噪聲矩陣。那么提取滑模觀測器讀取的實時狀態參數，即為電流傳感器實時運行數據的采集結果。為了濾除初始采集數據中的干擾，需要將滑模觀測器的輸出結果進行濾波處理[17]。設定相鄰兩次采樣允許的最大偏差值為E，定義滑模觀測器的第i個電流傳感器運行數據采集結果為c(i)，則經過濾波處理后得出的結果為：

(7)

經過濾波處理后最終輸出的結果，即為待測電流傳感器實時運行數據的采集結果。

2.3 選取與計算電流傳感器故障監測指標

針對電流傳感器的不同故障類型，對不同的指標進行監測。設置電流傳感器異常變化的三個故障特征監測指標及其計算公式如下：

(8)

(9)

其中:U為滑模觀測器采集的傳感器運行電壓數據。同理可以計算出其他的電流傳感器故障監測指標，并通過數據整合得出結果。

2.4 實現電流傳感器故障監測

根據電流傳感器的故障原理，設置故障監測閾值，并比對監測指標與設置閾值之間的大小關系，若當前電流傳感器的監測值低于閾值，則認為電流傳感器當前處于正常運行狀態，否則判定待測設備處于故障狀態，需要通過與設置故障特征標準之間的匹配，確定設備的故障類型。從實時監測的角度來看，以測量電流傳感器的實時工作數據為曲線，以時間為橫坐標，從總體上看是動態的電流數值。在系統數據展示模塊的設計中，采用了 Chart組件，可以在屬性對話框中直接選擇曲線的類型、坐標軸的設置、曲線的命名。為實現對電流傳感器的實時監控，并根據計時器的周期特性，以每秒1個數據點的形式繪制出一條動態曲線[19]。此外，為了方便清晰地觀察監測結果，設置80個最大數據顯示點，并在一定時間內對在此時間之前的81個數據點進行刪除顯示接口，從而形成80個數據點穩定地顯示的圖表[20]。最終將包含電流傳感器運行狀態、故障判定等內容的監測結果，以可視化的形式輸出，實現系統的電流傳感器故障監測功能。

3 系統測試

為驗證所設計基于滑模觀測器的電流傳感器故障監測系統的應用性能，設計系統測試實驗，此次實驗主要從系統的故障監測功能方面進行分析，從而驗證優化設計的系統是否滿足應用要求。

3.1 準備電流傳感器監測樣本

為了保證系統測試結果的可信度，同時為系統的適配度測試提供充足的研究樣本，設置AKH-0.66、LZZBJ9-10A3G、HCT204A和LFZ-10Q四種型號的電流傳感器作為監測樣本，分別將其編號為C01、C02、C03、C04，樣本總數量為800個，每個型號樣本均為200個。其中AKH-0.66型電流傳感器的耐溫溫度為220 ℃，另外三種類型的電流傳感器的耐溫溫度均為180 ℃，使用普通的塑料包線方式。在系統測試前期，根據不同型號傳感器樣本的內部結構，確定其基本運行參數，AKH-0.66電流傳感器的輸入和輸出的最大電流分別為3.5 mA和12 mA，溫度系數為60 ppm/℃，工作頻率范圍為[0.03 kHz,10 kHz]，能夠承受60 mA的短時熱電流，LZZBJ9-10A3G、HCT204A和LFZ-10Q三種型號電流傳感器的輸入和輸出的最大電流分別為2.5 mA和10 mA，溫度系數為50 ppm/℃，工作頻率范圍為[0.03 kHz,10 kHz]，能夠承受50 mA的短時熱電流。在初始狀態下，電流傳感器均為正常工作狀態，通過人為破壞的方式將監測樣本調整至故障狀態，設置的故障類型包括卡死、偏差、增益和短路故障四種類型，并對樣本故障類型進行標記。

3.2 設置系統測試指標計算

從電流傳感器故障監測功能方面來看，設置測試指標包括故障指標監測誤差、故障類型的誤檢率和漏檢率，其中故障指標監測誤差的數值結果為：

(10)

其中:xi-monitor和xi-actual分別為第i個監測指標的監測值和實際值。另外誤檢率和漏檢率的量化測試結果如下：

(11)

式中，變量Nerr、Ncor和Ntotal分別表示的是故障類型監測錯誤、監測正確的樣本數量以及實驗設置的樣本總數量，Ncor+Nerr表示的是系統能夠正常輸出的故障監測樣本數量。測試得出監測誤差越大，誤檢率和漏檢率越大，證明系統的故障監測功能越差。為了保證此次故障監測系統的設計價值，要求監測的電流誤差不得高于0.1 mA，電阻誤差不得高于0.1 Ω，誤檢率和漏檢率均不得高于2.0%。

3.3 系統測試過程與結果分析

按照硬件系統的優化設計結果，對各個組成元件進行調試，并利用供電電路實現硬件設備的連接與驅動。圖5為部分硬件設備的配置結果。

圖5 實驗環境配置實景

由于優化設計的故障監測系統應用了滑模觀測器設備，因此需要將相關的硬件設備連接到監測樣本上，并設置觀測器的初始運行參數均為0。同時啟動電流傳感器監測樣本、系統硬件設備以及故障監測程序，輸出實時故障監測結果。圖6表示的是傳感器樣本C01的監測結果。

圖6 電流傳感器故障監測結果

由此可以得出系統測試實驗中所有傳感器樣本的故障監測結果，通過與初始樣本設置標記的比對，可以確定當前系統輸出的故障監測結果是否正確。通過相關數據的提取，得出系統故障指標監測誤差的測試結果，如表2所示。

表2 系統故障指標監測誤差測試結果

將表2的數據代入到公式(10)中，得出所設計電流傳感器故障監測系統的A相電流故障監測誤差為0.007 5 mA，B相電流故障監測誤差為0.017 5 mA，電阻故障監測誤差為0.135 Ω，均低于預設值。

分別設置電流傳感器卡死、偏差、增益和短路故障四種類型，每種故障出現的次數為5次。采用本文系統進行電流傳感器故障監測，進行10次實驗，故障監測結果如表3所示。

表3 電流傳感器不同類型故障的監測準確性

分析表3可知，在10次電流傳感器不同類型故障的監測過程中，均能準確監測到卡死故障，對偏差故障、增益故障的監測僅有一次實驗中出現漏檢情況，對短路故障的監測出現兩次漏檢情況。綜上可證明所設計系統能夠準確監測電流傳感器不同類型的故障。

通過公式(11)的計算，得出系統誤檢率和漏檢率的測試結果，如圖7所示。

圖7 電流傳感器誤檢率與漏檢率的測試結果

從圖7中可以直觀的看出，設計系統的誤檢率和漏檢率的最大值分別為1.54%和1.88%，均低于2.0%，綜合三個指標的測試結果，可以證明優化設計基于滑模觀測器的電流傳感器故障監測系統具有良好的監測功能。

4 結束語

電流傳感器的工作狀態直接決定其應用價值，通過滑模觀測器的應用，充分考慮到外界干擾因素對電流傳感器故障監測的影響，最大程度的提高了系統的故障監測功能。然而系統測試實驗只針對故障監測功能進行測試，未對系統的運行性能進行測試，由于測試數據不完整還不能直接投入到實際應用中，還需要在今后的工作中對相關數據作進一步補充。