電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制

李啟明， 李學(xué)明， 黃 慶， 陳志文

(1.湖南特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院株洲分院, 株洲 412001; 2.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所, 株洲 412001; 3.中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,一般需要采集電流傳感器信號(hào)并反饋到閉環(huán)控制系統(tǒng),以提高控制系統(tǒng)性能[1]。然而,由于電流傳感器其工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣,已成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)常見(jiàn)故障源。電流傳感器故障將導(dǎo)致控制發(fā)散,使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作異常。因此,需要研究有效的電流傳感器故障診斷和容錯(cuò)控制方法來(lái)提高系統(tǒng)的可用性。

許多學(xué)者對(duì)基于觀測(cè)器的電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制算法進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[2-3]用實(shí)際電流與觀測(cè)的電流比較的方法來(lái)診斷電流傳感器故障。如果診斷出電流傳感器發(fā)生故障,電流傳感器信號(hào)被隔離,然后用電流觀測(cè)器的觀測(cè)信號(hào)取代實(shí)際信號(hào)進(jìn)行控制。但該類(lèi)方法在診斷出故障后,不能實(shí)時(shí)估計(jì)真實(shí)值,而是通過(guò)切換控制方法來(lái)保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]用3個(gè)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器和一個(gè)選擇器,實(shí)現(xiàn)電流傳感器的故障診斷,該方法需要大量的計(jì)算,實(shí)時(shí)性差。文獻(xiàn)[5]使用3個(gè)Luenberger觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)電流傳感器的故障診斷,每個(gè)Luenberger觀測(cè)器只使用兩個(gè)相電流信息和三相相電壓信息,但該方法只能診斷出一個(gè)電流傳感器故障的情況,容錯(cuò)控制也只適用于一個(gè)電流傳感器發(fā)生故障的情況。

修正的Bayes分類(lèi)算法[6-7]通過(guò)檢測(cè)故障前后系統(tǒng)測(cè)量殘差的統(tǒng)計(jì)特性(均值和方差)發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)與診斷,計(jì)算量小,實(shí)時(shí)性高,用于在線診斷具有良好的適用性[8]。

基于修正的 Bayes分類(lèi)決策算法及Luenberger狀態(tài)觀測(cè)器,提出一種新的電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制算法,實(shí)現(xiàn)了單電流傳感器故障工況和兩電流傳感器同時(shí)故障工況下的傳感器故障診斷與系統(tǒng)容錯(cuò)控制功能,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制原理

電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制算法基本原理框圖如圖1所示,該算法在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器中實(shí)現(xiàn)。算法包括控制功能單元以及故障診斷與容錯(cuò)估計(jì)功能單元兩部分。

Ud為中間電壓采樣值； ia為A相電機(jī)電流傳感器采樣值； ib為B相電機(jī)電流傳感器采樣值；ωn為電機(jī)速度采樣值；為A相電機(jī)電流傳感器估計(jì)值；為B相電機(jī)電流傳感器估計(jì)值；Fa為A相電機(jī)電流傳感器故障標(biāo)志；Fb為B相電機(jī)電流傳感器故障標(biāo)志； Sa、Sb、Sc分別為逆變器A、B、C三相IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)

故障診斷與容錯(cuò)估計(jì)功能單元采集中間電壓、電機(jī)電流和電機(jī)速度信號(hào)并完成電流傳感器故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。當(dāng)檢測(cè)到電流傳感器出現(xiàn)故障時(shí),故障診斷與容錯(cuò)估計(jì)單元診斷出故障傳感器,并將故障標(biāo)志與故障傳感器估計(jì)值傳至控制功能單元?？刂乒δ軉卧谡９r下采集電流傳感器真實(shí)信號(hào)進(jìn)行逆變器控制,當(dāng)收到故障診斷與容錯(cuò)估計(jì)功能單元的傳感器故障標(biāo)志時(shí),以估計(jì)值替代故障傳感器采樣值用于逆變器控制,從而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制功能。由圖1可知,故障診斷與容錯(cuò)估計(jì)功能單元是帶容錯(cuò)控制功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心,下節(jié)將對(duì)其原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 故障診斷與容錯(cuò)估計(jì)算法介紹

電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)估計(jì)功能單元基本框圖如圖2所示,該單元由Luenberger狀態(tài)預(yù)測(cè)器、殘差生成單元、Bayes決策單元等組成。Luenberger狀態(tài)觀測(cè)器通過(guò)采集中間電壓、電機(jī)速度、兩相電機(jī)電流采樣信號(hào)并結(jié)合增益調(diào)節(jié)單元輸出的增益矩陣綜合計(jì)算,得到電機(jī)電流實(shí)時(shí)估計(jì)值；得出電流估計(jì)值后,殘差生成單元根據(jù)兩相電機(jī)電流測(cè)量值和估計(jì)值,生成兩相電流殘差信號(hào),送至Bayes決策單元；Bayes決策單元基于兩相電流殘差,綜合無(wú)故障時(shí)殘差統(tǒng)計(jì)特性以及用戶設(shè)定的故障閥值門(mén)檻,對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與診斷；若Bayes決策單元診斷出故障,則反饋故障標(biāo)志至調(diào)增益調(diào)節(jié)單元,增益調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)故障傳感器相關(guān)的反饋增益,從而保證Luenberger狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)偏差估計(jì)效果。下面對(duì)各部分原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。

εa為A相電機(jī)電流值估計(jì)殘差；εb為B相電機(jī)電流值估計(jì)殘差；G為輸出反饋增益矩陣

2.1 Luenberger狀態(tài)觀測(cè)器

三相異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)上的狀態(tài)空間方程模型可描述為

(1)

式(1)中：x=[isα,isβ,ψsα,ψsβ]T；y=[ia,ib]T；u=[usα,usβ]T;

A=

則其Luenberger狀態(tài)觀測(cè)器狀態(tài)空間方程模型可描述為

(2)

2.2 殘差生成單元

(3)

2.3 Bayes決策單元

(4)

(5)

(6)

(7)

定義閾值βε,此值應(yīng)根據(jù)不同的對(duì)象分別選取。則根據(jù)式(7)生成故障狀態(tài)標(biāo)志F為

(8)

式(8)中：F=true表示檢測(cè)到傳感器發(fā)生故障；F=false表示傳感器無(wú)故障。

2.4 增益調(diào)節(jié)單元

為了保證Luenberger觀測(cè)器估計(jì)效果不受電流傳感器故障的影響,根據(jù)傳感器故障狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)增益矩陣相關(guān)系數(shù)。正常工況下利用兩個(gè)傳感器的測(cè)量偏差來(lái)修正估計(jì)值,當(dāng)某個(gè)電流傳感器發(fā)生故障時(shí),將相應(yīng)的增益系數(shù)重置為0,以消除該傳感器故障對(duì)估計(jì)效果的影響,其增益調(diào)節(jié)方案可描述為

(9)

由式(9)可以看出,當(dāng)僅有一個(gè)電流傳感器發(fā)生故障時(shí),觀測(cè)器利用另一個(gè)電流傳感器測(cè)量偏差來(lái)修正系統(tǒng)估計(jì)值,當(dāng)兩個(gè)電流傳感器同時(shí)發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)實(shí)際上可等效為一個(gè)開(kāi)環(huán)狀態(tài)估計(jì)器。

3 仿真驗(yàn)證

使用MATLAB Simulink R2015B仿真軟件,以某型三相鼠籠式異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象,對(duì)所提出的實(shí)時(shí)故障診斷算法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制采用間接定子量控制方式[9]實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)跟蹤,恒速控制環(huán)采用PI控制方式。三相異步電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

綜上所述，本試驗(yàn)采用EDTA間接滴定法進(jìn)行海藻鹽水溶液中硫酸根離子的定量檢測(cè)，具有分析靈敏快速、適合批量測(cè)試的特點(diǎn)，適用于對(duì)準(zhǔn)確度要求更高的樣品的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，是較為適宜用于鹽水中硫酸根含量的檢測(cè)方法。該方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也為EDTA間接滴定法測(cè)定硫酸根在食鹽檢測(cè)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

表1 三相異步電機(jī)主要參數(shù)

由t=0.2 s開(kāi)始,參考速度從0以一定斜率上升至200 r/min,t=1 s時(shí)突加4 000 N·m的負(fù)載,分別在正常工況、一個(gè)或兩個(gè)電機(jī)傳感器發(fā)生偏差或增益型故障[10]工況下的正?？刂扑惴ㄅc所提帶容錯(cuò)控制功能的控制算法進(jìn)行仿真對(duì)比。

3.1 正常工況

正常工況下?tīng)恳姍C(jī)控制效果如圖3所示,由圖3(a)、圖3(b)可以看出,空載啟動(dòng)時(shí)速度跟蹤效果良好,突加負(fù)載時(shí),實(shí)際速度在突降后能迅速回升至給定值。而由圖3(c)、圖3(d)可看出,由于采用了間接定子量控制方法,定子磁鏈?zhǔn)噶恳詧A形軌跡運(yùn)動(dòng),定子電流正弦性好,轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)快。下面將分不同故障工況來(lái)對(duì)故障診斷算法進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 正常工況控制仿真結(jié)果

3.2 偏差故障工況

在實(shí)際工程應(yīng)用中,大多數(shù)傳感器偏差故障的表現(xiàn)為徹底失效,即測(cè)量值由正常值突變至某一恒定值。因此,下面針對(duì)該類(lèi)偏差故障,對(duì)傳統(tǒng)控制方法與帶容錯(cuò)功能的控制算法進(jìn)行對(duì)比仿真分析。

3.2.1 單個(gè)傳感器偏差故障

假設(shè)t=2 s后,A相電機(jī)電流傳感器發(fā)生偏差故障,幅值突變至100 A,無(wú)容錯(cuò)功能的控制效果與采用本文傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制功能的效果如圖4～圖7所示。

由圖4可以看出,當(dāng)A相電機(jī)電流傳感器發(fā)生偏差故障時(shí),傳統(tǒng)控制算法由于A相測(cè)量值采樣失真,導(dǎo)致模型失配,控制迅速發(fā)散,A相真實(shí)電流值遠(yuǎn)超過(guò)2 000 A；而從圖5可以看出,帶容錯(cuò)控制功能的算法在A相電流傳感器故障后,仍能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。由圖6可見(jiàn),A相電流傳感器故障后,A相電流殘將迅速增大,當(dāng)達(dá)到?jīng)Q策單元設(shè)定的殘差閥值100時(shí),診斷出傳感器故障；從圖7也可以看出,由于A相電流傳感器診斷出故障后,將故障標(biāo)志反饋至可調(diào)增益矩陣,狀態(tài)觀測(cè)器將不再使用A相電流測(cè)量值,避免了A相測(cè)量失真對(duì)觀測(cè)效果的影響,因此B相電流殘差基本無(wú)變化,無(wú)誤判情況。

圖4 單個(gè)傳感器偏差故障控制效果(無(wú)容錯(cuò)功能)

圖5 單個(gè)傳感器偏差故障控制效果(帶容錯(cuò)功能)

圖6 單個(gè)傳感器偏差故障時(shí)A相電流估計(jì)與故障診斷效果

圖7 單個(gè)傳感器偏差故障時(shí)B相電流估計(jì)與故障診斷效果

3.2.2 兩個(gè)傳感器偏差故障

假設(shè)2 s后,A相、B相電流傳感器同時(shí)發(fā)生偏差故障,幅值分別變成100、200 A,無(wú)容錯(cuò)功能的控制效果與采用本文傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制功能的效果如圖8～圖11所示。

圖8 兩個(gè)傳感器偏差故障控制效果(無(wú)容錯(cuò)功能)

圖9 兩個(gè)傳感器偏差故障控制效果(帶容錯(cuò)功能)

圖10 兩個(gè)傳感器偏差故障時(shí)A相電流估計(jì)與故障診斷效果

圖11 兩個(gè)傳感器偏差故障時(shí)B相電流估計(jì)與故障診斷效果

由圖8可以看出,當(dāng)A、B兩相電機(jī)電流傳感器同時(shí)發(fā)生偏差故障時(shí),傳統(tǒng)控制算法由于兩個(gè)電流均采樣失真,控制迅速發(fā)散,而圖9所示帶容錯(cuò)控制功能的算法在A、B相電流傳感器故障后,雖然在A、B相電流傳感器故障診斷完成前,A、B相電流也出現(xiàn)了短時(shí)發(fā)散,但A、B相電流同時(shí)故障后,殘差會(huì)迅速增大,因此,決策單元會(huì)快速診斷出故障傳感器,并將故障標(biāo)志送至可調(diào)增益矩陣,使?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器及時(shí)切換至開(kāi)環(huán)觀測(cè)模式,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

從圖10、圖11也可以看出,兩個(gè)傳感器同時(shí)故障后,決策單元及時(shí)診斷出故障,并在故障診斷完成后,估計(jì)值也迅速地收斂至真實(shí)值,具有良好的估計(jì)效果。

3.3 增益故障工況

增益故障也是現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)較多的一類(lèi)故障,該類(lèi)故障表現(xiàn)為測(cè)量值為真實(shí)值的一定比例,通常測(cè)量值小于真實(shí)值,下面針對(duì)該類(lèi)偏差故障,對(duì)傳統(tǒng)控制方法與帶容錯(cuò)功能的控制算法進(jìn)行對(duì)比仿真分析。

3.3.1 單個(gè)傳感器恒增益故障

假設(shè)2 s后,A相電流傳感器發(fā)生增益故障,幅值分別變成真實(shí)值的0.1倍,無(wú)容錯(cuò)功能的控制效果與采用本文傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制功能的效果如圖12～圖15所示。

圖12 單個(gè)傳感器增益故障控制效果(無(wú)容錯(cuò)功能)

圖13 單個(gè)傳感器增益故障控制效果(帶容錯(cuò)功能)

圖14 單個(gè)傳感器增益故障時(shí)A相電流估計(jì)與故障診斷效果

圖15 單個(gè)傳感器增益故障時(shí)B相電流估計(jì)與故障診斷效果

由圖12可以看出,當(dāng)A相電機(jī)電流傳感器發(fā)生增益故障時(shí),傳統(tǒng)控制算法由于A相測(cè)量值采樣失真,導(dǎo)致模型失配,控制迅速發(fā)散；而從圖13可以看出,帶容錯(cuò)控制功能的算法在A相電流傳感器故障后,仍能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。由圖14可見(jiàn),A相電流傳感器故障后,A相電流殘將迅速增大,當(dāng)達(dá)到?jīng)Q策單元設(shè)定的殘差閾值100時(shí),診斷出傳感器故障；從圖15也可以看出,由于A相電流傳感器診斷出故障后,將故障標(biāo)志反饋至可調(diào)增益矩陣,狀態(tài)觀測(cè)器將不再使用A相電流測(cè)量值,避免了A相測(cè)量失真對(duì)觀測(cè)效果的影響,因此B相電流殘差基本無(wú)變化,無(wú)誤判情況。

3.3.2 兩個(gè)傳感器增益故障

假設(shè)2 s后,A相、B相電流傳感器同時(shí)發(fā)生增益故障,幅值分別變成真實(shí)值的0.1倍和0.2倍,采用無(wú)容錯(cuò)功能的控制效果與本文傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制功能的效果如圖16～圖19所示。

圖16 兩個(gè)傳感器增益故障控制效果(無(wú)容錯(cuò)功能)

圖17 兩個(gè)傳感器增益故障控制效果(帶容錯(cuò)功能)

圖18 兩個(gè)傳感器增益故障時(shí)A相電流估計(jì)與故障診斷效果

圖19 兩個(gè)傳感器增益故障時(shí)B相電流估計(jì)與故障診斷效果

由圖16可以看出,當(dāng)A、B兩相電機(jī)電流傳感器同時(shí)發(fā)生增益故障時(shí),傳統(tǒng)控制算法由于兩個(gè)電流均采樣失真,實(shí)際力矩將迅速失真,而圖17所示帶容錯(cuò)控制功能的算法在A、B相電流傳感器故障后,雖然在A、B相電流傳感器故障診斷完成前,A、B相電流也出現(xiàn)了短時(shí)發(fā)散,但A、B相電流同時(shí)故障后,殘差會(huì)迅速增大,因此,決策單元會(huì)快速診斷出故障傳感器,并將故障標(biāo)志送至可調(diào)增益矩陣,使?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器及時(shí)切換至開(kāi)環(huán)觀測(cè)模式,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而從圖18、圖19也可以看出,兩個(gè)傳感器同時(shí)故障后,決策單元及時(shí)診斷出故障,并在故障診斷完成后,估計(jì)值也迅速地收斂至真實(shí)值,具有良好的估計(jì)效果。

4 結(jié)論

為了及時(shí)準(zhǔn)確地診斷出電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電流傳感器故障,并在傳感器故障后不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)用,提出了一種簡(jiǎn)單有效的電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制算法,得出如下結(jié)論。

(1)提出了一種可調(diào)增益矩陣的Luenberger狀態(tài)觀測(cè)器,可消除電流傳感器故障對(duì)觀測(cè)器估計(jì)效果的影響。

(2)基于電流觀測(cè)殘差和修正Bayes分類(lèi)算法,實(shí)現(xiàn)了故障傳感器的快速檢測(cè)與精確定位。

(3)針對(duì)電流傳感器常見(jiàn)的偏差型故障和增益型故障,對(duì)本文算法的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,該算法復(fù)雜低,實(shí)時(shí)性好,具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。