三余度永磁同步電機繞組匝間短路故障診斷方法

徐金全 田新磊 郭宏

摘 要：機載作動系統(tǒng)可靠性是保障飛機飛行性能和飛行安全的重要前提，為了提升機載電力作動系統(tǒng)用三余度永磁同步電機系統(tǒng)可靠性，針對其常見的繞組匝間短路故障（ITSCF），本文提出一種基于高頻諧波電流的在線故障診斷方法。通過電機繞組ITSCF數(shù)學(xué)模型，明確了故障后旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下交直軸電流的典型高頻脈寬調(diào)制（PWM）諧波故障特征；綜合分析交直軸諧波電流對瞬態(tài)工況擾動的魯棒性，選擇直軸高頻諧波電流周期有效值作為診斷特征；為了消除各余度電流固有諧波的影響，提出了基于三余度諧波電流平衡度的故障診斷方法；最后設(shè)計了故障診斷算法，通過帶通濾波器進行高頻諧波電流提取，并采用周期有效值計算實現(xiàn)諧波電流量化，最終通過三余度平衡診斷表實現(xiàn)故障余度識別。通過仿真模型驗證了診斷算法的有效性，為提升機載電力作動系統(tǒng)可靠性提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電力作動系統(tǒng)； 三余度永磁同步電機； 故障診斷； 匝間短路故障； PWM諧波

中圖分類號：V242.44 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.08.011

基金項目： 航空科學(xué)基金（201907051002）

隨著多電/全電飛機的快速發(fā)展，機載伺服作動系統(tǒng)正逐漸由多能源形式作動系統(tǒng)向單一電力作動系統(tǒng)發(fā)展。電力作動系統(tǒng)（包括電靜液作動器（EHA）和機電作動器（EMA））的廣泛應(yīng)用大大簡化了飛機的二次能源系統(tǒng)，能顯著降低維護成本，提高能源利用率，已成為未來飛機的重要發(fā)展趨勢[1-4]。

作為電力作動器系統(tǒng)的核心部件，伺服電機系統(tǒng)對其性能和可靠性有決定性影響。高可靠永磁同步電機系統(tǒng)以其高可靠、高效率、高功率密度等優(yōu)點成為伺服電機系統(tǒng)的首選[5]。為了提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性，永磁同步電機系統(tǒng)通常采用多相結(jié)構(gòu)，多相結(jié)構(gòu)間互為余度關(guān)系，從而使系統(tǒng)具備故障重構(gòu)和容錯能力[6]。余度永磁同步電機系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)三相永磁同步電機提出的，其繞組由多組三相定子繞組按照一定的空間結(jié)構(gòu)排列構(gòu)成，各余度采用三相橋逆變器結(jié)構(gòu)，其控制策略也可以直接由三相永磁同步電機擴展而來，控制結(jié)構(gòu)簡單直觀。當(dāng)某相繞組發(fā)生故障時，余度永磁同步電機系統(tǒng)通常切除故障相所在的整組三相繞組，剩余余度的三相繞組可繼續(xù)運行，故障前后電機始終保持對稱運行。

盡管余度電機具有一定的故障重構(gòu)和容錯能力，然而由于轉(zhuǎn)子永磁體的存在，當(dāng)繞組發(fā)生短路故障，特別是初期的繞組匝間短路故障（ITSCF），會導(dǎo)致故障匝中產(chǎn)生大短路電流造成局部溫升，進而造成故障蔓延，如果不進行及時診斷和故障隔離措施，可能會造成系統(tǒng)癱瘓，因此，ITSCF診斷對于余度電機系統(tǒng)至關(guān)重要[7-8]?，F(xiàn)在的電機定子繞組ITSCF診斷方法可分為基于參數(shù)估計、基于高頻注入以及基于電機電流特征分析的故障診斷。其中，基于參數(shù)估計的方法可以通過監(jiān)測繞組反電勢[9]、電感[10]以及電阻[11]等參數(shù)實現(xiàn)故障識別，結(jié)構(gòu)簡單，但對環(huán)境或工況擾動的魯棒性較差。基于高頻諧波注入[12]的方法利用ITSCF后的阻抗變化，通過向電機注入高頻諧波電壓，采集高頻諧波電流實現(xiàn)故障診斷，顯著提高了診斷算法魯棒性，但由于額外高頻信號的注入，降低了系統(tǒng)的運行性能。而基于電機電流特征分析的診斷算法通過快速傅里葉變換[13]、小波變換[14]、希爾伯特-黃變換[15]等時域或頻域信號處理方法，從定子電流中提取故障特征。由于該方法的非侵入性、易于實現(xiàn)且不依賴于精確數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點，現(xiàn)已成為最常見的ITSCF診斷方法。

現(xiàn)有的研究通常是針對單三相電機，對于多余度電機各余度之間的耦合影響使得故障識別比較困難，且基于高頻諧波電流提取的方法存在閾值選取困難的問題，針對以上難點，本文對三余度永磁同步電機繞組ITSCF診斷進行研究，提出了基于d軸高頻脈寬調(diào)制（PWM）諧波電流的診斷算法，并基于各余度之間的平衡度實現(xiàn)了故障余度識別，為提升機載電力作動系統(tǒng)可靠性提供理論基礎(chǔ)。

1 電機系統(tǒng)ITSCF模型

1.1 三余度電機系統(tǒng)

為了提高電力作動系統(tǒng)的容錯重構(gòu)能力，伺服電機采用三余度永磁同步電機，由三套對稱三相繞組組成，且三套繞組之間的中性點隔離，互差2π/9，每套繞組分別由三相全橋電路獨立控制，電機主功率電路如圖1所示。為了實現(xiàn)三套繞組之間互為余度，提高電機系統(tǒng)可靠性，采用三組全橋電路對每個基本單元進行單獨控制，當(dāng)一套繞組故障后切除該余度實現(xiàn)故障隔離。

電機系統(tǒng)雙閉環(huán)控制框圖如圖2所示，電流環(huán)采用三通道控制器分別對三組繞組進行單獨控制，由于永磁同步電機永磁體采用表貼式結(jié)構(gòu)，因而電流環(huán)采用傳統(tǒng)的d軸給定電流id=0的控制策略，三余度的q軸電流由外轉(zhuǎn)速環(huán)輸出給定。然后，采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）驅(qū)動控制策略生成驅(qū)動信號，實現(xiàn)電機系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

定義各余度坐標(biāo)關(guān)系如圖3所示，其中ABC為第一組繞組，UVW為第二組繞組，XYZ為第三組繞組。三套繞組分別采用互差2π/9的靜止坐標(biāo)系α1-β1、α2-β2和α3-β3進行矢量變換，靜止坐標(biāo)系Clarke變換矩陣分別為

1.2 ITSCF模型

當(dāng)繞組線圈中的不同匝由于絕緣擊穿形成接觸時，就會發(fā)生ITSCF，當(dāng)絕緣退化嚴(yán)重時，接觸電阻較小，從而通過短路電阻形成短路路徑，在極端情況下，短路電阻為0。以三余度中的第一組為例進行ITSCF建模，等效電路模型如圖4所示。

以A相繞組ITSCF為例，當(dāng)發(fā)生故障后，繞組分為兩部分，分別為被短路電阻rf短接的ITSCF部分和剩余正常部分，均由電阻、電感和反電勢構(gòu)成。此時，電機故障余度數(shù)學(xué)模型為

由式（11）可知，發(fā)生ITSCF后，在交直軸電流正常運行的基礎(chǔ)上，會疊加一個由PWM諧波電壓產(chǎn)生的高頻諧波電流，且該諧波電流同時與載波和基波頻率相關(guān)。基于該諧波電流即可實現(xiàn)電機繞組ITSCF在線診斷。

2 診斷算法

根據(jù)前述電機繞組ITSCF數(shù)學(xué)模型分析，理論上，映射在交直軸上的PWM諧波電流均可以作為三余度永磁同步電機繞組ITSCF特征。然而，由圖 2可知，電機的三個余度控制均采用同一個交軸電流，因而當(dāng)任意余度發(fā)生故障并造成轉(zhuǎn)速波動時，均會對交軸電流產(chǎn)生影響，進而對非故障電機電流波形產(chǎn)生影響，且交軸電流受負載和轉(zhuǎn)速等工況的影響較大，故障診斷魯棒性較差，因而選擇直軸高頻諧波電流作為故障特征進行故障診斷。

根據(jù)各余度的故障標(biāo)志即可實現(xiàn)ITSCF的診斷和識別，見表1。

綜上，本文提出的三余度電機繞組ITSCF診斷方法流程如圖5所示。首先，對三余度直軸電流進行帶通濾波，獲取PWM諧波電流；然后采用周期有效值計算對諧波電流進行量化；利用余度之間的諧波差異消除正常狀態(tài)下的諧波影響，并構(gòu)建故障診斷指標(biāo)；利用診斷指標(biāo)進行故障診斷，并通過查表進行故障余度識別。

3 仿真驗證

為了驗證本文所提出的ITSCF診斷算法的有效性，在ANSYS環(huán)境中搭建了三余度永磁同步電機系統(tǒng)仿真模型，電機主要參數(shù)見表2。故障相繞組的仿真模型如圖4所示，通過改變故障相的短路繞組與剩余繞組的電阻、電感以及反電勢與正常參數(shù)的比值，來模擬不同故障程度μ。在電機系統(tǒng)控制中，PWM載波頻率為fs= 20kHz，帶通濾波器的中心頻率設(shè)置為20kHz，通帶寬度設(shè)置為10kHz。

3.1 額定工況下的故障診斷

為了驗證電機不同余度發(fā)生不同程度的ITSCF的診斷性能，在額定工況下，以第一組和第二組繞組ITSCF為例進行仿真，由于電機轉(zhuǎn)速較高，在計算諧波電流周期有效值時，為了降低特征值脈動，采用兩個周期的有效值作為故障特征值，診斷閾值是綜合考慮診斷快速性和可靠性進行選取，這里設(shè)置為0.25，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可知，在0.075s時，第一組的A相繞組發(fā)生故障程度為μ= 0.25的ITSCF后，電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均會產(chǎn)生波動，且各余度電流波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致交軸電流iq產(chǎn)生較大脈動，在此基礎(chǔ)上，第一組的三相電流高頻諧波幅值變大，映射在直軸電流id上表現(xiàn)為周期性高頻諧波，如圖6（c）所示。經(jīng)過高頻諧波提取和周期有效值計算，故障特征值如圖6（d）所示，故障發(fā)生后，部分特征值逐漸增大至約0.75后逐漸平穩(wěn)，當(dāng)大于閾值時，則相應(yīng)的故障標(biāo)志置“1”。圖6（e）為故障標(biāo)志，發(fā)生ITSCF后，故障標(biāo)志由“000”變?yōu)椤?11”，通過查表 1可以識別為第一組故障，且診斷時間僅2ms。

同樣地，當(dāng)?shù)诙M繞組發(fā)生μ= 0.125的ITSCF后，仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知，在0.075s故障后，電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及交直軸電流同樣會產(chǎn)生脈動，故障特征值波形如圖7（d）所示，增大到0.65附近逐漸平穩(wěn)，但相較于μ= 0.25時，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流脈動幅值減小，特征值也有所下降，從而驗證了式（11）中隨故障程度加重、故障特征值增大的結(jié)論。第二組故障后，故障標(biāo)志如圖7（e）所示，由“000”變?yōu)椤?01”，通過查表即可實現(xiàn)故障余度識別。

額定工況下的故障診斷結(jié)果表明，當(dāng)不同余度發(fā)生匝間短路故障后，本文所提出的診斷方法不僅能夠準(zhǔn)確識別故障余度，還可以根據(jù)故障特征值判斷故障程度。另外，仿真結(jié)果表明，故障發(fā)生后，在兩個電周期內(nèi)即可實現(xiàn)故障診斷和識別，該快速性取決于診斷閾值選取時對故障診斷靈敏度和“誤警”率的綜合考量。

3.2 負載擾動下的診斷性能

圖8和圖9分別為電機轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩階躍變化下的診斷仿真結(jié)果。由圖可知，在電機轉(zhuǎn)速階躍變化和電機轉(zhuǎn)矩階躍變化瞬態(tài)工況下，盡管在瞬態(tài)過渡期間電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及相電流均會產(chǎn)生一定波動，且在d軸電流中同樣會產(chǎn)生一定的脈動，但通過診斷算法中各余度之間的平衡度計算，有效地消除了脈動干擾。診斷結(jié)果顯示，在瞬態(tài)過程中，故障特征值均未發(fā)生明顯變化，故障標(biāo)志也未出現(xiàn)誤診斷，從而驗證了所提出的故障診斷算法在轉(zhuǎn)速和負載階躍擾動下的強魯棒性。

4 結(jié)束語

本文針對航空電作動系統(tǒng)用的三余度永磁同步電機，提出了一種基于高頻諧波電流的電機繞組匝間短路故障診斷方法。首先，搭建了三余度電機數(shù)學(xué)模型，分析了正常運行與故障運行狀態(tài)下電機繞組諧波電流以及交直軸諧波電流特征變化。然后提出了基于直軸電流高頻諧波周期有效值的診斷算法，具體包括PWM高頻諧波電流提取、諧波電流量化、診斷特征值計算以及故障余度識別等。通過建模仿真驗證，結(jié)果表明，該故障診斷方法能夠快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)故障診斷和故障余度識別，且對電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩階躍變化等工況引起瞬態(tài)擾動具有強魯棒性。

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Inter-turn Short-circuit Fault Diagnosis Method for Triple-redundancy PMSM System

Xu Jinquan， Tian Xinlei， Guo Hong

Beihang University， Beijing 100083， China

Abstract： The reliability of airborne actuator system is an important prerequisite to ensure the flight performance and flight safety of aircraft. To enhance the reliability of triple-redundancy Permanent Magnet Synchronous Motor（PMSM） for airborne electric actuation system， an online diagnosis method based on high-frequency harmonic current for InterTurn Short-Circuit Fault（ITSCF） was proposed. By the ITSCF mathematical model of the fault winding， the typical fault feature in high frequency of the d-axis and q-axis current is defined in rotating coordinate. The robustness of d-axis and q-axis harmonic current to transient disturbance is analyzed comprehensively， and the RMS value of d-axis high frequency PWM harmonic current is selected as the diagnostic feature. To eliminate the influence of the inherent harmonics of each redundant current， a fault diagnosis method based on the balance degree of the three-redundant harmonic current is proposed. Finally， a fault diagnosis method is designed， concluding that extracting the high frequency harmonic current through the band-pass filter， quantifying the harmonic current by calculating the periodic RMS， and finally realizing the fault redundancy identification through the three-redundancy balance diagnosis table. Furthermore， the validity of the diagnosis method proposed is verified by simulation， which provides reference for improving the reliability of airborne electric actuation system.

Key Words： electric actuation system； triple-redundancy PMSM； fault diagnosis； ITSCF； PWM harmonic