基于相電流算法的磁浮直線同步電機電流傳感器故障診斷

姜付杰，孫玉璽，張旭東，鄭曉欽

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.青島大學電氣工程學院，山東 青島 266071)

0 前言

近年來，高速磁浮列車常采用電勵磁直線同步電機來驅動和懸浮車輛，其體積小、效率高且具備直接驅動的優勢[1-3]。磁浮直線電機系統利用由地面電源供電的定子繞組與勵磁磁極之間的吸力來實現整個系統的無接觸穩定運行。

電流傳感器作為電機控制系統的重要組成部分，將相電流采樣后反饋到控制系統，其采樣的準確性影響著整個磁浮直線電機系統的穩定性。直線電機系統在長期運行中，高振動、高濕度、高溫、過電壓、過電流等惡劣運行環境易造成電流傳感器的采樣故障，進而影響電機系統的輸出轉矩。對于電機可靠性要求較低的應用環境，簡單的離線檢測手段即可清理電流傳感器故障[4-7]；然而對于可靠性要求嚴苛的場合，如高速磁浮電機系統，則需要迅速、準確、實時的檢測出電流傳感器的具體故障類型及位置，以便采取必要的應對措施。因此，對高速磁浮電機系統電流傳感器故障的在線診斷進行深入研究刻不容緩。

目前已有諸多文獻報道了電流傳感器故障的實時診斷與定位。文獻[8]定義了定、轉子電流觀測器狀態變量誤差項的模，在其大于某一閾值時實現電流傳感器斷線故障的診斷；文獻[9]分別針對永磁電機與感應電機，通過滑模變結構的數學模型比較觀測器估算值與電流傳感器反饋電流，實現了電流傳感器的故障檢測與定位。然而觀測器模型的設計易受系統自身參數與運行工況的影響，后有學者將基于模型的算法應用于電流傳感器故障檢測。文獻[10]對傳統卡爾曼濾波器進行優化，縮減了觀測器的數量，可以同時提供多個估計值以求取殘差，再通過設置閾值完成電流傳感器的斷線故障診斷。文獻[11]將轉速與正交靜止坐標系的電壓量作為觀測器的輸入量，產生的狀態方程作為中間變量，輸入到故障分析單元，得到相電流的估計值，通過仿真實現永磁同步電機電流傳感器的斷線故障檢測。上述基于模型的故障檢測方法的參數魯棒性較強，但是在運行工況變化較大的應用場合仍有較大的改進空間。人工智能技術的發展促進了基于知識分析的方法在電流傳感器故障檢測上的應用。文獻[12]將樣本熵與模型法相結合，并通過小波變換去除噪聲，實現了電流傳感器增益與偏移故障的診斷，且該方法對系統溫度變化魯棒性較高。基于知識分析的故障檢測方法不僅需要實時、大量的數據，而且計算過程繁雜，同時依賴于樣本的選取和知識庫的構建，故其在具體應用中較難得到普及。

基于信號處理的故障檢測方法有著更寬廣的適用范圍，僅通過對電流傳感器反饋的信號進行取模、歸一化、求取平均值等處理即可實現多種傳感器故障類型的檢測。文獻[13]針對雙饋電機的電流傳感器斷線故障，提出了一種受電機參數影響小的電流誤差構造模塊，該模塊與觀測器策略相結合，僅通過對觀測器反饋信號進行處理即可實現斷線故障檢測。文獻[14]針對永磁直線電機提出一種電流傳感器增益與偏移故障的診斷策略，通過計算dq軸估計與實測電流誤差，并將其引入濾波器提取交流分量，從而實現了故障的精確定位。文獻[15]、[16]將檢測范圍擴展到增益、偏移、卡死與斷線故障，以不同軸為基準設計偏移坐標系，通過閾值的合理設計實現了三相永磁同步電機電流傳感器的故障檢測。綜上可知，基于信號處理的電流傳感器故障檢測方法具有較短的計算過程與較低的計算復雜度。然而，以上方法僅針對電流傳感器單類或兩類故障檢測，而電流傳感器在實際應用中會存在采樣信號增益、偏移、斷線等多種類型的故障，因此，對于能同時準確檢測多種電流傳感器故障的方法還有待進一步的研究。

為使高速磁浮直線電機電流傳感器的故障檢測范圍更為寬廣，本文提出了一種綜合目前電流傳感器所有故障的診斷方法。該方法僅通過對相電流的采樣與處理，便可綜合檢測增益、偏移、斷線及卡死故障。最后建立磁浮直線電機電流傳感器故障檢測模塊，驗證了所提方法的有效性。

1 磁浮直線同步電機數學模型

本文研究的三相磁浮直線同步電機，采用全橋逆變電路分別驅動各相，其結構如圖1所示。

圖1 三相直線同步電機結構圖

三相磁浮直線同步電機是一個非線性、強耦合的多變量系統，為方便控制，需要將自然坐標系下的數學模型解耦到dq坐標系，解耦矩陣為:

其中，θe為轉子電角度。

通過矢量空間坐標變換，可以得到電機在d-q-0旋轉坐標系下的數學模型為:

其中，Ud、Uq、id、iq為定子 d、q軸電壓或電流；Uf、if為勵磁電壓或電流折算量；rs為定子電阻；rfd為勵磁繞組電阻；ψd、ψq為d、q軸定子磁鏈；ψfd為d軸勵磁繞組磁鏈；Ld、Lq為直軸和交軸繞組自感；Lfd為勵磁繞組自感；Lmd為電機直軸繞組互感；τ為極距；νs為磁極運行速度；F為電磁推力。

2 磁浮直線同步電機電流傳感器故障分析

以電流傳感器測量信號的輸出特征為基礎，可將不同原因導致的故障總結為增益故障、偏移故障、卡死故障和斷線故障。以a相發生故障為例，各相電流傳感器的測量值可表示為:

式中，ia、 ib、 ic為實際定子相電流； ia_m、ib_m、ic_m為相應電流傳感器的測量電流；β為電流傳感器增益因數；C為偏移系數；Iam為a相電流幅值；ω為電機角頻率；θori為初相角。

電機正常運行與電流傳感器發生不同故障時，增益因數β與偏移系數C的取值見表1。

表1 不同故障時增益因數與偏移系數的取值

同步旋轉坐標系下id、iq的表達式為:

將式 (5)帶入式 (6)，可得到iq的測量值iq_m的表達式為:

電流傳感器發生故障時，式中增益因數β與偏移系數C會使iq_m產生交流分量與直流分量，即不同形式的脈動與直流偏移，此時，iq_m的脈動與偏移經過PI調節閉環控制后，會對電機的電磁轉矩造成不同程度的脈動影響。因此，迅速、準確地檢測出電流傳感器的故障相、故障類型，能為后期容錯做好必要準備。

3 故障診斷策略

針對前文所述電流傳感器常見故障，本文提出一種基于相電流算法的電流傳感器故障診斷策略。該方法可同時診斷電流傳感器的增益、偏移、斷線和卡死故障，其診斷原理如圖2所示。

圖2 電流傳感器故障診斷原理圖

(1)相電流經過Park變換可得到dq旋轉坐標系下的電流量，相電流的模值可表示為:

(2)對相電流進行歸一化處理，以減小電機運行工況突變對定子電流的影響。具體如下:

(3)將歸一化的電流分別進行平均值及絕對平均值計算， 得到 en、fn，記為電流傳感器正常運行時，各相歸一化電流的絕對平均值為fn＝ζ，為避免故障誤診斷，通常需要對診斷變量設置閾值范圍，本文將閾值設置為0.05，即診斷變量 fn在 [ζ-0.05，ζ＋0.05]的范圍內、en在[-0.05，0.05]的范圍內時，檢測系統輸出fn＝ζ、en＝0， 其中:

(4)為消除正常相電流增益或偏移的影響，引入最大值、最小值計算模塊以篩選故障相的診斷變量en、fn。將發生電流傳感器故障相的診斷變量en、fn分別記為En、Fn以定位故障相，即En＝Max[en]或Min[en]，Fn＝Max[fn]或 Min[fn]。

本文提出的檢測方法對電流傳感器增益、偏移、斷線與卡死故障的診斷準則匯總見表2，診斷流程如圖3所示。

表2 不同故障診斷準則

圖3 電流傳感器故障診斷流程

因此通過診斷變量en、fn確定故障類型、通過En、Fn定位故障相位即可完成電流傳感器增益、偏移、斷線和卡死故障的綜合診斷。

4 仿真驗證

建立磁浮直線同步電機矢量控制系統，電機參數見表3，電機正常運行控制原理框圖如圖4所示。三相星型繞組設置兩個電流傳感器 (a相和b相)，其中取a相為故障相，且c相電流變化趨勢與b相基本一致。電機給定速度為10m/s，空載起動后投入負載100N·m，穩定時通過控制電流環反饋信號模擬故障，故障發生時間為t＝50ms。

表3 磁浮直線同步電機參數

圖4 磁浮直線同步電機矢量控制系統

4.1 增益故障檢測

發生a相電流傳感器增益故障時 (設置 β＝2.5)，相電流波形和診斷變量en、fn如圖5所示。在系統發生電流傳感器增益故障時，a相檢測電流發生較為明顯的增益，各相電流經過平均值計算器處理后，診斷變量en仍為零，而此時故障相電流的絕對平均值fn滿足fn≠ζ(在閾值范圍內)，且Max[fn]＝Fa。

圖5 增益故障仿真波形

4.2 偏移故障檢測

發生a相電流傳感器偏移故障時(設置C＝2.5)，相關仿真波形如圖6所示。故障相電流傳感器(a相)電流偏移現象最為顯著，各相電流的絕對平均值fn滿足fn＝ζ(在閾值范圍內)，而診斷變量en卻發生較為明顯的差異。雖然各相en＞0，但其中故障相電流偏移程度最大，即Max[en]＝Ea。

圖6 偏移故障仿真波形

4.3 斷線故障檢測

發生a相電流傳感器斷線故障時(設置C＝2.5)，相應仿真波形如圖7所示。在系統發生故障時，故障相電流變為確切的零值，因此其平均值en與絕對平均值fn均滿足en＝0、 fn＝0。

圖7 斷線故障仿真波形

4.4 卡死故障檢測

發生a相電流傳感器卡死故障時(設置C＝2.5)，相應仿真波形如圖8所示。檢測a相電流輸出為恒定值2.5A，故障相電流滿足en＞0、fn＞ζ，且Max[en]＝Ea。由于電流傳感器卡死故障發生時，相電流呈現恒定值，具有較為明顯的特征，因此相電流自身亦可作為故障診斷變量。

圖8 卡死故障仿真波形

5 結論

本文針對磁浮直線同步電機系統的電流傳感器增益、偏移、卡死及斷線故障，提出了一種基于相電流平均值的故障檢測方法。通過對相電流進行坐標變換、歸一化、求取平均值和最大、最小值等處理，完成電流傳感器多種故障的精確檢測與定位。最后建立磁浮直線同步電機矢量控制系統模型與故障檢測模塊，驗證了本文所提檢測方法的有效性。需要說明的是，本文提出的檢測方法雖然以磁浮直線電機系統故障為例進行分析，但可拓展應用于任意電機的電流傳感器故障診斷。與此同時，對診斷變量進行優化使其實現電流傳感器多重故障的綜合檢測，是下一步工作的重點。