基于多參數(shù)的純電動(dòng)汽車電機(jī)短路故障研究

尹愛(ài)華,李政原，萬(wàn)培懿，左付山*

(1.江蘇省無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校， 江蘇 無(wú)錫 214151； 2.南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 南京 210037)

0 引言

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力核心，其工作情況決定了整車的運(yùn)行狀態(tài)[1-2]。目前電動(dòng)汽車廣泛使用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中每一個(gè)部分的工作狀態(tài)都會(huì)造成不同類型故障的發(fā)生[3]。電機(jī)本體是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，其常見(jiàn)的故障形式是電機(jī)相間短路[4-6]，表現(xiàn)方式不盡相同，診斷過(guò)程較復(fù)雜。因此，亟需針對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行診斷，從而快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障原因，為車輛的運(yùn)行提供可靠的技術(shù)保障。

關(guān)于電機(jī)故障診斷方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。波蘭AGH科學(xué)技術(shù)大學(xué)Glowacz[7-10]在電機(jī)故障診斷方面做了大量研究，開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了一種聲學(xué)信號(hào)的特征提取方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的軸承、定子和轉(zhuǎn)子的故障診斷。阿爾及利亞Khodja[11]提出了短時(shí)傅里葉變換，還提出了最大值定位算法，兩種算法分析相關(guān)聯(lián)，以診斷變速運(yùn)行的PWM逆變器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的軸承故障。

江蘇大學(xué)薛紅濤等[12]利用狼群算法對(duì)多個(gè)特征參數(shù)融合，實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)的漏電故障檢測(cè)。LI等[13]利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過(guò)預(yù)處理電機(jī)電流信號(hào)診斷行星齒輪故障。李世濤[14]以異步電機(jī)故障診斷為研究對(duì)象，闡述在不同的故障狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)的變化情況，并將其作為判斷電機(jī)故障的標(biāo)準(zhǔn)，在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立適用于電機(jī)故障診斷的系統(tǒng)。

本文從電機(jī)相間短路的角度展開(kāi)研究，首先分析了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，其次分析電機(jī)故障模式，并指出相間短路故障分析難度較大，最后運(yùn)用層次分析法，對(duì)影響短路的溫度、三相電流和三相電壓等參數(shù)的影響權(quán)重進(jìn)行建模、仿真分析，從而準(zhǔn)確地判斷出故障發(fā)生的原因，為車輛的正常運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)類似，只是工作環(huán)境更加復(fù)雜和特殊，因此這兩個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障體系也基本相同。從工作環(huán)境、運(yùn)行情況來(lái)看，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)存在區(qū)別，圖1是某復(fù)雜工況下永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)[15]。永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，工況非常復(fù)雜，需要不斷啟停、加速和減速，一直處在不平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)下。永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，許多故障與其運(yùn)行狀態(tài)和特點(diǎn)有關(guān)[16]。電機(jī)需要在發(fā)電和電動(dòng)兩種狀態(tài)下不斷切換，因此永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和調(diào)速范圍很寬。系統(tǒng)一直在這種復(fù)雜工況中運(yùn)行，會(huì)由于加速和多余的振動(dòng)出現(xiàn)多種不同的故障。

同時(shí)，純電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中，電池的SOC容量和動(dòng)力電池電壓都會(huì)不斷減小，造成汽車動(dòng)力性下降，系統(tǒng)的控制能力減弱，從而導(dǎo)致不同故障的發(fā)生。

圖1 某復(fù)雜工況永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)Fig.1Working state of permanent magnet synchronous motor drive system in a complex working condition

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障模式

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所以其所產(chǎn)生故障的復(fù)雜性也很高。驅(qū)動(dòng)電機(jī)按故障模式可以分為損壞型故障、退化型故障、松脫型故障、失調(diào)型故障、阻漏型故障和功能型故障6種[17]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)損壞型故障主要有：轉(zhuǎn)子偏心故障、軸承故障、相間短路故障、定子單相接地故障和定子繞組短路/斷路故障；電機(jī)本體退化型故障模式有永磁體退磁故障和定子繞組絕緣老化故障；松脫型故障模式有定子鐵芯松動(dòng)故障和傳感器接插件松動(dòng)故障；失調(diào)型故障模式有間隙超差故障、運(yùn)動(dòng)件干涉故障和性能失調(diào)；阻漏型故障模式有冷卻水路堵塞不暢故障和冷卻水路滲漏故障；其他故障模式有噪聲和振動(dòng)故障等。

在電機(jī)本體故障模式中，軸承磨損、繞組絕緣老化、定子鐵芯松動(dòng)、傳感器插接件松動(dòng)、冷卻水路堵塞不暢和滲漏是比較容易發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象，通過(guò)觀察判斷就能夠找出故障部位；而相間短路故障、定子單相接地故障和定子繞組短路/斷路，這些故障原因往往伴隨著電機(jī)性能參數(shù)的變化，出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)的三相電流幅值和三相電壓會(huì)有不同程度的變化。其中相間短路故障較為常見(jiàn)而且較難直接找出故障原因，故障分析的難度也較大。

3 多參數(shù)診斷方法分析

3.1 多參數(shù)分析模型建立

電動(dòng)汽車的故障分析，通常是采用單一參數(shù)分析的方法。但單一的參數(shù)分析有時(shí)很難準(zhǔn)確判斷故障原因。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，常常伴隨著多個(gè)參數(shù)的變化，多參數(shù)分析可以更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障的原因。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種科學(xué)的多參數(shù)分析方法。該方法由美國(guó)研究運(yùn)籌學(xué)的Saaty等[18]創(chuàng)立，其核心內(nèi)容是將事物分層，經(jīng)過(guò)AHP方法分析，能夠清楚展現(xiàn)目標(biāo)的權(quán)重，可以通過(guò)每個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性來(lái)確定權(quán)重系數(shù)。運(yùn)用該方法所需定量數(shù)據(jù)信息較少，可以對(duì)電機(jī)本體及電機(jī)控制器性能參數(shù)和故障之間的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)性綜合分析。電機(jī)中相間短路故障是出現(xiàn)概率最高的故障。

由于永磁同步電機(jī)的功率密度很高，極易造成散熱問(wèn)題，所以散熱不良、溫度過(guò)高是造成電機(jī)定子相間短路的原因之一。當(dāng)電機(jī)三相電流和三相電壓出現(xiàn)較大幅值變化時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)電機(jī)定子相間短路故障。

電機(jī)定子相間短路故障原理如圖2所示，圖2中阻值R大小的不同，可以模擬故障的嚴(yán)重程度。對(duì)于相同程度的故障，影響這些故障的參數(shù)值的權(quán)重大小排列往往是相同的。由于永磁同步電機(jī)的功率密度很高，易造成散熱問(wèn)題，所以散熱不良、溫度過(guò)高是造成電機(jī)定子相間短路的原因之一；當(dāng)電機(jī)三相電流和三相電壓出現(xiàn)較大幅值變化時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)電機(jī)定子相間短路故障，所以影響定子相間短路的參數(shù)為三相電流、三相電壓和溫度。根據(jù)層次分析方法的要求，將定子相間短路故障作為目標(biāo)層，將溫度、三相電流和三相電壓作為方案層，建立定子相間短路的影響參數(shù)模型，如圖3所示。

圖2 電機(jī)定子相間短路原理圖Fig.2 Schematic diagram of motor stator phase-to-phase short circuit

圖3 定子相間短路影響參數(shù)模型Fig.3 Parameter model of stator phase-to-phase short circuit

3.2 判斷矩陣的建立

根據(jù)層次分析法中相對(duì)重要程度分類方法，建立模型中各層的判斷矩陣。每個(gè)權(quán)重的計(jì)算采用統(tǒng)一標(biāo)度，對(duì)同一層的元素進(jìn)行兩兩比較后得到判斷矩陣。統(tǒng)一標(biāo)度即為權(quán)重判斷矩陣的標(biāo)度，權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 權(quán)重判斷矩陣標(biāo)度Tab.1Weight judgment matrix scale

3.3 各元素權(quán)重值計(jì)算

根據(jù)層次分析法，設(shè)判斷矩陣為AX，求出AX的權(quán)重向量并歸一化為ωX。最后求出方案層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重向量。按照表1中標(biāo)度建立層次分析法判斷矩陣見(jiàn)表2。

表2 判斷矩陣賦值表Tab.2 Judgment matrix assignment table

則判斷矩陣A為：

將上面矩陣進(jìn)行歸一化處理，公式為：

(1)

(2)

(3)

式中：n為方案層元素個(gè)數(shù)；αin為判斷矩陣A中的元素；Wi為方案層各元素的幾何平均值；ωi為方案層各元素的歸一化數(shù)值。

經(jīng)檢驗(yàn)滿足一致性要求，故歸一化處理后得到的待驗(yàn)權(quán)重系數(shù)矩陣ω即為方案層各元素的確定性權(quán)重系數(shù)矩陣。故得到方案層各元素的相對(duì)權(quán)重，即溫度、三相電流和三相電壓對(duì)于故障的影響權(quán)重值分別為0.072、0.649、0.279，將計(jì)算得到的權(quán)重寫在圖中對(duì)應(yīng)的元素上，得到完整的定子相間短路影響參數(shù)模型，如圖4所示。由此可得，在多參數(shù)模型中，對(duì)于電機(jī)相間短路故障來(lái)說(shuō)最重要的影響參數(shù)是三相電流。

圖4 加權(quán)后的定子相間短路影響參數(shù)模型Fig.4 Weighted stator phase-to-phase short-circuit influence parameter model

用Matlab/Simulink中的永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor，PMSM)模型進(jìn)行相間短路故障仿真，仿真時(shí)間共3 s，設(shè)置故障發(fā)生的時(shí)間段為1～2 s。永磁同步電機(jī)相間短路模型如圖5所示。其中，Discrete PI Controller為速度PI環(huán)，iq為q軸電流PI環(huán)，id為d軸電流PI環(huán)，由此可實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)速度電流的雙閉環(huán)控制，使永磁同步矢量控制具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和速度控制性能。仿真中通過(guò)改變Tm的值，即改變電機(jī)每相間的阻值大小，實(shí)現(xiàn)電機(jī)短路故障的設(shè)置。仿真完成以后的三相電流和三相電壓如圖6和圖7所示。

圖5 永磁同步電機(jī)相間短路模型Fig.5 Permanent magnet synchronous motor phase-to-phase short circuit model

圖6 定子相間短路三相電流圖Fig.6 Three-phase current diagram of stator phase-to-phase short circuit

圖7 定子相間短路三相電壓圖Fig.7 Three-phase voltage diagram of stator phase-to-phase short circuit

由圖6三相電流圖可以看出，三相電流A、B相在1 s時(shí)立刻出現(xiàn)尖峰，從200 A瞬時(shí)上升到400 A，是原來(lái)電流的2倍。由此可見(jiàn)，A、B相出現(xiàn)了短路故障，隨后電流幅值逐漸恢復(fù)正常，與正常值相比230 A的電流仍然高于正常值，如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，很可能出現(xiàn)線路燒毀的嚴(yán)重后果。圖7中，A、B相電壓1 s之后出現(xiàn)了小幅減小，隨后出現(xiàn)了震蕩。綜合這兩張圖，三相電流和三相電壓是出現(xiàn)定子相間短路的主要特征參數(shù)，相電流的幅值變化較相電壓更加明顯，與定子相間短路影響參數(shù)模型較為符合。由此可見(jiàn)，多參數(shù)分析模型在分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障時(shí)，可以得出短路故障影響因素是較大的參數(shù)，再以影響因素較大的參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行短路故障分析，是一種切實(shí)可行的故障分析方法。

4 總結(jié)

純電動(dòng)汽車在工作中影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)的因素很多，本文對(duì)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)常見(jiàn)的相間短路故障進(jìn)行分析，并對(duì)影響短路的溫度、三相電流和三相電壓等參數(shù)的影響權(quán)重進(jìn)行了建模、仿真分析。仿真結(jié)果表明，相間電流變化對(duì)于短路故障的影響最大，在多參數(shù)分析中起到了至關(guān)重要的作用。因此，在純電動(dòng)汽車使用性能評(píng)價(jià)中，要注重相間電流的變化特征或波形的分析，可以準(zhǔn)確地判斷故障發(fā)生的原因，為車輛的正常運(yùn)行提供技術(shù)保障。