基于參數自調節評估電梯P M S M退磁的研究

張傳龍 董恩源

（1.大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司 大連 116000）

（2.大連理工大學 大連 116000）

目前市場上的電梯曳引機多為表貼式永磁同步電機，對于該類電機，其空載反電動勢僅與轉速和轉子磁鏈有關。本文提出的方法通過估算待測電機的空載反電動勢數值，并與該型號電機額定轉速下拖動測量的空載反電動勢實測值進行比較，來對其內部永磁體的狀態進行判定。方法對處于正常工作狀態下的電機進行退磁評估，由于在變頻器的控制下，永磁同步電機總能穩定到額定轉速，所以此方法用于對電機穩定運行時的電壓、電流數據進行獲取，并以此對電機額定轉速下的空載反電動勢進行估算。經過仿真分析與實驗驗證，本文提出的方法適用于局部退磁與均勻退磁故障，且無須對編碼器數據進行采集，可用于電梯永磁同步電機永磁體失效性分析的便攜裝置開發。

在永磁同步電梯永磁體退磁檢測儀器的制造方面，國內為空白，國外主要研究方向為永磁體退磁理論、永磁電機防退磁技術與永磁電機退磁檢測。其中，永磁體退磁理論研究與永磁電機退磁檢測一般采用實驗的方法進行，而永磁體的防退磁技術則多采用數學模型與仿真的方案，旨在通過理論分析來為永磁電機的設計與退磁預測提出參考。目前過載在永磁同步電機退磁診斷方面，已經取得了一部分進展，用于解決溫度系數高、機械強度低等缺點[1-3]。診斷方法主要包括磁信號分析、反電動勢分析、電流分析、扭矩分析、振動和聲學分析與信號注入6 種。

1 基于參數自調節算法的退磁檢測原理

通過基于永磁同步電機退磁模型的仿真與外特性參數采集實驗，完成對永磁電機退磁故障在線檢測方法的構想，編寫DSP 程序檢測永磁電機退磁故障。

退磁在線檢測單元流程如圖1 所示，該單元由信號采集、時域分析、頻域分析3 個模塊組成。其具體功能如下：

圖1 退磁檢測單元流程圖

信號采集模塊采用高精度電流、電壓傳感器，實時采集定子電流、電壓數據，并將數據傳入時域分析與頻域分析模塊。

時域分析模塊采集定子電流、電壓的基波分量，通過公式計算粗略繪制電機反電動勢波形。將反電動勢波形和幅值與正常電機波形進行比較，判斷反電動勢是否發生畸變、幅值是否減小，進而定性判斷永磁電機是否存在退磁故障。

頻域分析模塊采用希爾伯特-黃、小波變換等數據處理方法，提取定子電流諧波分量。將數據與局部、均勻雙退磁故障仿真的結果相比較，分析數據規律，進而定量判斷永磁電機局部、均勻退磁故障占比。

程序開發后，使用該方案對實物退磁電機與正常電機進行試驗，通過廠家檢驗報告驗證永磁電機退磁檢測方法的正確性與適用性，并針對實際測量環境進行程序與采集設備優化。

2 退磁診斷方法仿真研究

永磁同步電機退磁診斷主要分為2 個診斷方向，分別為局部退磁檢測與均勻退磁檢測。

局部退磁故障會造成氣隙磁通與繞組反電動勢存在不對稱性，使得電機運行狀態與定子電流發生變化。因此，尋求簡單、可靠的故障特征量成了局部退磁檢測的核心，目前學者們主要從電流、扭矩、振動與聲學幾個方面進行分析，其中電機電流信號分析方法因其電機免拆卸的優點成為主流。多篇文獻表明電機的局部退磁故障會在定子電流中產生次的諧波，其中fs為定子電流基波頻率，p 為電機極對數，k 取整數。為解決其易與偏心故障混淆且精度易受負載波動的影響，西班牙學者Rosero J 利用小波分析、希爾伯特-黃變換的方式來對信號做進一步處理。然而前人研究采用的電機多為少極式高速電機，其中特征頻率與基波頻域間隔較遠，易于分離；對于電梯常見的多極式低速電機，受逆變器輸出諧波以及采集設備精度的影響，故障特征頻率則很容易被湮沒。

均勻退磁故障方面，目前主要采用參數辨識與信號注入等間接測量方法。其中前者需要獲取電機的三相電壓、三相電流、轉速與轉子角度的信息，通過最小二乘法、模型參考自適應或擴展卡爾曼濾波的方法來對轉子磁鏈進行計算，考慮到永磁電機的轉子磁鏈會隨著電機負載大小而變化，因此對于不同型號的電機，需要建立不同的標準；后者通過逆變器向永磁同步電機中注入幅值和頻率可編程的信號，并對信號進行處理來提取故障診斷所需的指標[4]。2 種方法都需要采集電機的編碼器數據，因此其發展趨勢為集成于電機的控制系統，然而目前對于出廠的電梯，配備退磁自檢功能的占極少數，因此對于便攜式外置在線退磁檢測設備的研究成了當下的主流方向。

本文的主要目標是設計一種便攜性裝置，其能夠在不拆卸電機的情況下，僅通過測量電機的三相電壓與三相電流，完成對永磁同步電機退磁故障的診斷工作，為從事電梯檢測的人員提供便利。經過前期研究，本文探尋了一種參數自調節的滑模控制算法，經過仿真與實驗驗證，可以用于永磁同步電機的退磁檢測。

滑模控制是變結構控制的一種控制策略。其設計的滑動模態，常被用于電機的無感控制[5]。本文根據文獻[6-10]探究了一種參數自調節的滑模控制算法，其能夠通過測量電機不同負載情況下的三相電壓與三相電流，計算出電機的空載反電動勢，用于永磁同步電機的退磁診斷工作，通過Simulink 搭建不考慮轉子退磁、定子電阻與電感參數變化等因素的永磁電機理想模型如圖2 所示。

圖2 結合滑模觀測器的Simulink 電機模型

3 退磁診斷方法實驗驗證

本實驗主要目的為通過測量不同退磁類型下的永磁電機運行時的三相電壓與三相電流，并將本文方案計算出的電機反電動勢與實際電機拖動空載反電動勢數值進行比較，驗證方法的有效性。實驗現場見圖3。

圖3 實驗主要設備圖

實驗選取了2臺不同極數的電梯用永磁同步電機，并針對永磁同步電機不同程度的局部與均勻退磁故障，對6 種狀態的永磁同步電機進行實驗：1）20 極完整磁鋼電機；2）20 極缺1 塊磁鋼電機；3）20 極缺2 塊磁鋼電機；4）20 極完整磁鋼高溫退磁電機；5）32 極完整磁鋼電機；6）32 極缺1 塊磁鋼電機。

圖4 所示為電機定子電阻與電感測量圖，實驗首先使用電阻測量儀與電橋分別對20 極與32 極永磁電機的定子電阻與d 軸、q 軸電感進行測量。

圖4 電機定子電阻與電感測量

之后分別對每種電機進行以下2 組實驗：1）實驗電機不通電，使用拖動電機恒轉速輸出，拖動實驗電機到額定轉速，測量其三相空載反電動勢；2）使用控制柜控制實驗電機啟動，并使用另一臺變頻器控制拖動電機恒轉矩輸出。測量實驗電機在0%、25%、50%、75%、100% 5 個負載狀態下穩定后的三相電壓與三相電流。

實驗通過100 mV/A 的電流鉗采集三相電流，使用1：1 000 的電阻分壓器提取三相電壓信號，并采用數據采集卡對永磁電機三相電壓與三相電流進行100 kHz、14 位的6 通道同步采樣。實驗實測相電壓和相電流波形如圖5 所示。

圖5 實測相電壓與相電流波形

實測20 極完整磁鋼的永磁電機在不同負載轉矩下的電流與永磁體磁鏈如圖6 所示。

圖6 實測電機q 軸電流與永磁體磁鏈隨負載轉矩的變化

從圖6 中可以看出，隨著負載轉矩增大，永磁電機q 軸電流非線性增大，永磁體磁鏈減弱。

以靜止狀態下實測的20 極完整磁鋼永磁電機定子電阻與電感數據帶入滑模觀測器，計算電機不同負載條件下的估算反電動勢，如圖7 所示。

圖7 實驗電機估算出的反電動勢與空載反電動勢

圖7 中藍色線為實際電機靜態電阻與電感計算出的反電動勢，其中R=3.9 Ω、L=0.071 H；紅色線為電阻、電感參數調節后計算出的反電動勢，其中R=3.37 Ω、L=0.07 H。從圖7 中可看出，電阻電感參數經過修正后的估算反電動勢與實測拖動空載反電動勢誤差較小。

6種狀態電機估算與實測反電動勢數據匯總見表1。

表1 估算反電動勢與空載反電動勢數據

經過分析，6 組實驗數據表明，本文探究的自參數調節滑模觀測器可以良好地用于永磁同步電機空載反電動勢估算。該方法僅需測量電機在不同負載條件下的三相電壓與三相電流并帶入滑模觀測器進行參數調節，便可以計算出較為精確的空載反電動勢，可用于永磁同步電機的定量退磁分析。該方法無須知道準確的負載數值，操作簡單，容易編程，滿足電梯用永磁同步曳引機退磁診斷需求。

4 現場試驗應用

基本情況見表2。

表2 基本情況

電梯現場的退磁檢測圖見圖8，案例電梯的退磁檢測分析結果如圖9 所示，目前本臺電梯的永磁體狀態為98.296 9%，本臺電梯的運行狀態良好，無退磁情況。

圖8 現場檢測案例圖

圖9 退磁檢測分析結果

5 結論

本文以電梯永磁同步電機為研究對象，進行永磁同步電機的退磁檢測研究。通過主要研究電梯用永磁同步電機處于退磁狀態會影響電梯安全運行的問題，旨在設計一種操作簡單、準確度高的檢測方案，能夠在永磁曳引機處于退磁故障狀態下，無須拆除電機，僅通過測量電機運行時的三相電壓與三相電流，實現對電機退磁狀態進行在線診斷。前期已經完成了永磁電機退磁相關的理論知識學習與基礎仿真環境搭建，退磁電機在線檢測算法的設計以及退磁電機實驗數據采集與算法驗證；并通過Simulink 與AnsysEM 2種軟件聯合的方式對永磁電機退磁原因進行了研究，并對永磁電機退磁故障在線檢測算法進行優化。未來將通過Labview 構建上位機界面，并對在線檢測設備進行硬件設計。