基于雙滑?？刂频挠来磐诫姍C故障診斷與容錯控制

1、基于雙滑模限制的永磁同步電機故障診斷與容錯限制摘要：速度傳感器發(fā)生故障會影響永磁同步電機限制系統(tǒng)運行的平安性與穩(wěn)定性.針對速 度傳感器常見故障,提出一種基于雙滑模限制的故障診斷與容錯限制策略.借鑒滑模限制 思想,設(shè)計滑模速度限制器和觀測器,通過 sigmoid函數(shù)減小滑模觀測器抖振,并構(gòu)造李 雅普諾夫函數(shù)證實其穩(wěn)定性.在基于轉(zhuǎn)速殘差的故障診斷根底上,結(jié)合時間分析法進行速 度傳感器故障二次檢測,克服固定閾值帶來的誤檢問題.以轉(zhuǎn)速作為反應(yīng)量,采用切換控 制方式構(gòu)造故障容錯限制策略.借助Simulink軟件進行驗證.基于仿真結(jié)果可知,這一方法能對故障進行精準的檢測,并使其保持良好的運行狀態(tài).永磁同步

2、電機簡稱 PMSM ,由于其輕量級,可到達理想的功率密度,且具有良好的抗過 載水平,所以在各行各業(yè)中具有較為廣泛的應(yīng)用,并得到了迅速開展目前,PMSM勺故障診斷與容錯限制系統(tǒng)多采用基于模型的方法,利用系統(tǒng)模型設(shè)計觀測器, 將觀測狀態(tài)量與測量狀態(tài)量之間的殘差作為故障判斷依據(jù).一般情況下,觀測器可細致劃 分為假設(shè)干類別,其中包含 Luenberger觀測器在本文中,主要圍繞 PMS源統(tǒng)中可能存在的速度傳感器故障,以滑模限制器為根底,研 究得到相應(yīng)的容錯限制方法等.利用滑模限制器對系統(tǒng)速度環(huán)進行改良,提升系統(tǒng)抗干擾 水平,將基于滑模觀測器所得到的轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速進行比對,以此獲得殘差,即能夠到達 良好

3、的故障檢測效果.同時,引入時間分析法進行二次檢測,克服外界干擾與固定閾值帶 來的誤檢問題.基于所得仿真結(jié)果可知,這一方法能對故障進行迅速且精準的檢測,同時 保持電機系統(tǒng)良好的運行狀態(tài).1滑模速度限制器設(shè)計在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系d-q下,PMS陳統(tǒng)所對應(yīng)的機械運動方程為式中：u為了便于分析,定義系統(tǒng)狀態(tài)變量為式中：3 結(jié)合式2可以得到:式中：設(shè)計滑模面s為對滑模限制采用等速趨近律的方法,即式中：£如果選用正定Lyapunov函數(shù)那么有：由式8可以看出由式7得出q軸電流參考值為2二階超扭曲滑模觀測器設(shè)計兩相靜止坐標系a - 3條件下,PMS陳統(tǒng)所表現(xiàn)的定子電流狀態(tài),遵循以下方程式中：u設(shè)計滑模

4、觀測器：式中：將式11與式10作差,即能夠得到定子電流所對應(yīng)的觀測誤差方程為而設(shè)計電流觀測誤差為根據(jù)等速限制律設(shè)計滑模限制規(guī)律,并采用 sigmoid函數(shù)取代符號函數(shù),即式中：£如果觀測器狀態(tài)量為S=0,那么秉持滑模限制的等效原理,能夠得到下述公式：選取正定Lyapunov函數(shù)為假設(shè)需要確定觀測器相對穩(wěn)定,那么應(yīng)該保證 根據(jù)觀測器估計出的反電動勢可以獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置3傳感器故障診斷與容錯限制方法設(shè)計速度傳感器因電機工作環(huán)境和工作時長的影響,極易發(fā)生故障,其頻繁發(fā)生的故障主要包 含恒偏移故障、恒增益故障等,故障模型恒偏移故障卡死故障恒增益故障式中：y為傳感器輸出值；y根據(jù)滑模觀測

5、器的觀測轉(zhuǎn)速,將其與 PMS喻出轉(zhuǎn)速之間的差值作為故障檢測依據(jù).在理 想情況下,系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速與滑模觀測器觀測轉(zhuǎn)速相等,速度殘差為0o如果速度傳感器出現(xiàn)故障,同時,速度殘差不等于 0,那么可以將其和預先擬定的闕值進行比照,如果殘差 已經(jīng)高于閾值,那么能夠得到故障之處,該過程公式為式中：p代表故障情況；e由于受到參數(shù)變化等方面的諸多影響,在系統(tǒng)運行時,輸出轉(zhuǎn)速會發(fā)生波動,容易造成誤 檢,為了減少這種情況的發(fā)生,以時間為根底進行檢測.定義故障檢測時間t假設(shè)靈敏度系數(shù)過大,可能無法檢測到故障；假設(shè)靈敏度系數(shù)過小,那么可能造成誤檢.在設(shè)定 靈敏度系數(shù)時,應(yīng)屢次進行仿真實驗,結(jié)合系統(tǒng)參數(shù),設(shè)置合理數(shù)值.

6、定義時間t如果t當已經(jīng)檢測出故障后,需要基于切換限制,將速度環(huán)反應(yīng)回路與速度傳感器切斷,選擇與 觀測器相連通,再將反應(yīng)量設(shè)定為觀測器已觀測的轉(zhuǎn)速,將其實時傳輸至系統(tǒng),即能夠達到良好的故障容錯限制效果.上述方法的根本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.在此速度環(huán)中,SMC PI限制器取而代之,利用速度傳感器輸出轉(zhuǎn)速與 SMO俞出觀測轉(zhuǎn)速比擬產(chǎn)生殘差,故障檢測后輸出故障判斷標志位 Flag ,根據(jù)Flag的值,容錯切換限制器選擇正常的轉(zhuǎn)速值反應(yīng)回系統(tǒng)速度環(huán).4數(shù)值仿真與結(jié)果分析系基于MATLA歆件,可構(gòu)建出相對應(yīng)的 PMS源統(tǒng)模型,并以此展開仿真驗證,對傳感器正 常工作情況下傳統(tǒng) PI速度限制器和滑模速度限制器

7、進行仿真比照,與此同時,圍繞優(yōu)化 前后的兩種滑模觀測器,展開科學合理的綜合分析,并給予容錯限制方面的仿真結(jié)果,電 機參數(shù)如表1所示.4.1 基于PI和SMCW系統(tǒng)仿真比照分析分別搭建基于PI限制器和SMCW PMSMJ真系統(tǒng)模型.仿真給定轉(zhuǎn)速為N速度環(huán)分別采用PI限制器和SMCW的系統(tǒng)響應(yīng)波形如圖 2所示.其中,圖2(a)和圖2(b) 為分別基于PI限制器和SMC勺系統(tǒng)三相電流響應(yīng)波形；圖 2(c)為基于PI限制器和SMC 的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形；圖 2(d)為基于PI限制器和SMC勺系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形.基于圖2所呈現(xiàn)的仿真結(jié)果比照能夠得知,基于SMC勺系統(tǒng)三相定子電流更快到達穩(wěn)態(tài),波形更加平滑,轉(zhuǎn)

8、矩到達穩(wěn)定狀態(tài)速度更快,轉(zhuǎn)速更快到達給定轉(zhuǎn)速,且超調(diào)量小；在負 載轉(zhuǎn)矩增大后,基于 SMC勺系統(tǒng)響應(yīng)波形波動小,能更快的到達新平衡狀態(tài).驗證了滑模 限制器較于PI限制器對速度環(huán)有更優(yōu)越的限制性能.4.2 基于傳統(tǒng)滑模觀測器與改良滑模觀測器的仿真比照分析基于傳統(tǒng)滑模觀測器和基于改良滑模觀測器的觀測轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速波形,以及二者的觀測誤差波形如圖3所示.其中,圖3(a)和圖3(c)為基于傳統(tǒng)滑模觀測器的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形及其與系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速之間的誤差；圖 3(b)和圖3(d)為基于改良滑模觀測器的轉(zhuǎn)速 響應(yīng)波形及其與系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速之間的誤差.基于圖3所呈現(xiàn)的仿真比照結(jié)果能夠得知,基于改良滑模觀測器的轉(zhuǎn)速可

9、以更好的跟蹤系 統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速,到達了理想的觀測精度,而且不存在較大誤差,魯棒性也極佳.4.3 速度傳感器故障診斷與容錯限制為驗證以上方法是否可行,本文基于MATLA歆件,構(gòu)建出相對應(yīng)的 PMS源統(tǒng)模型,并以此展開仿真驗證,并給出對速度傳感器故障診斷與容錯限制的仿真結(jié)果.通過試驗與經(jīng)驗總結(jié)選擇故障檢測閾值 N(1)基于時間分析法的故障檢測分析：假設(shè)在 t=0.2 s時,由于擾動影響,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速發(fā)生 了一個持續(xù)時間為t圖4所示0.2 s時刻,轉(zhuǎn)速出現(xiàn)持續(xù) 0.002 s的波動,轉(zhuǎn)速殘差超過閾值.引入時間分析法,計時器開始計時產(chǎn)生時間t圖6(a)表示未引入時間分析法的故障檢測結(jié)果,轉(zhuǎn)速殘差超過閾值,此時

10、代表故障發(fā)生,Flag為1,當波動消失后,轉(zhuǎn)速殘差小于閾值,標志置 0;圖6(b)表示引入時間分析法 的故障檢測結(jié)果,由于t(2)速度傳感器恒偏移故障診斷：假設(shè)在運行時間t=0.2 s時速度傳感器發(fā)生恒偏移故障且偏移240 r/min.速度傳感器發(fā)生恒偏移故障時的響應(yīng)波形如圖7所示.速度傳感器發(fā)生恒偏移故障后的系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速和觀測器估計轉(zhuǎn)速如圖7(a)所示；滑模觀測器獲得的估計轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的殘差和閾值如圖7(b)所示,在故障發(fā)生后,其殘差超過閾值.此時,觸發(fā)故障檢測時間t(3)速度傳感器卡死故障診斷：假設(shè)在運行時間t=0.2 s時速度傳感器發(fā)生卡死故障且卡死在940 r/min.速度傳感器發(fā)生

11、卡死故障時的響應(yīng)波形如圖8所示.圖8(a)給出了速度傳感器發(fā)生卡死故障后的的系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速和觀測器估計的轉(zhuǎn)速；圖8(b)所示為殘差和閾值波形,t=0.2 s出現(xiàn)故障之后,殘差高于了閾值；圖 8(c)所示故 障時間t圖9(a)為速度傳感器發(fā)生恒增益故障后的系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速和觀測器估計的轉(zhuǎn)速；圖 9(b) 為轉(zhuǎn)速殘差和閾值波形,t=0.2 s出現(xiàn)故障之后,殘差高于了閾值；圖 9(c)為故障時間t如果Flag為1,那么檢測故障發(fā)生,此時基于切換限制,基于觀測轉(zhuǎn)速實現(xiàn)閉環(huán)限制,切實保證系統(tǒng)的順利運行.故障容錯結(jié)果如圖10所示,傳感器發(fā)生任何一種故障時,都能迅速檢測到其故障,并做出相應(yīng)舉措,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定平安運行.通過對基于滑模觀測器的速度傳感器恒偏移、卡死、恒增益故障的診斷與容錯限制的仿真,可以看出在快速檢測到故障的同時,系統(tǒng)可以將估計轉(zhuǎn)速反應(yīng)回系統(tǒng),很好地隔離了速度傳感器的故障,切實保證 PMS陳統(tǒng)的不間斷驅(qū)動.本文主要圍繞PMS源統(tǒng)中存在的速度傳感器,所發(fā)生的恒偏移、恒增益等故障,以雙滑 模結(jié)構(gòu)為根底,研究得到相應(yīng)的故障診斷與容錯限制方法.速度環(huán)采用滑模速度限制器, 將其與PI限制器限制的系統(tǒng)進行仿真比照,證實了滑模速度限制器有助于提升系統(tǒng)自身 的調(diào)速性能,可到達理想的魯棒性.在設(shè)計滑模觀測器后,利用其觀測轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速比 較生成殘差,結(jié)合閾值與故障檢