电动汽车永磁同步电机驱动系统故障诊断与容错技术研究

【摘要】：安全性和可靠性是交通工具的重要指标,随着电动汽车逐步代替传统汽车,研究电动汽车的安全性和可靠性具有重要意义。电机驱动系统是电动汽车动力系统的核心,故障诊断和容错技术是提高电机驱动系统可靠性的有效技术手段。本文以基于永磁同步电机的电机驱动系统为研究对象,针对其位置传感器失效故障、匝间短路故障以及退磁故障的诊断与容错技术进行理论和实验研究。与传统电机的故障诊断系统相比,电动汽车驱动电机系统受成本和空间的限制,故障诊断系统的设计,力求不增加硬件成本。同时,电动汽车的运行工况存在大量间隔,可以采用离线诊断技术提高诊断的可靠度。本文以电驱动系统的硬件平台为基础,结合汽车电机工况,对永磁同步电机的位置传感器失效故障、匝间短路故障和退磁故障展开了相关电机故障诊断算法和容错算法的设计。针对永磁同步电机位置传感器失效故障,建立了以无位置传感器矢量控制技术为基础的容错算法。该方法以线性自抗扰控制器为基础,设计了一种混合型的转子位置估计方法。在高速段,依靠线性状态扩张观测器实现反电势估计,再基于锁相环实现转子位置观测。而在低速段,提出了基于高频谐波电流注入的无位置传感器算法。首先向定子中注入正弦谐波电流,再通过检测相应谐波电压信号实现转子位置观测。与传统的无位置传感器算法相比,本文采用的高速与低速算法被整合进同一个控制结构中,并依靠自抗扰控制器的优势,实现了转子位置观测和电流控制的融合。通过仿真和实验对这种混合型的转子位置估计方法进行了有效性验证,实现了电机恒转矩区内的无位置传感器矢量控制。针对永磁同步电机的匝间短路故障,建立了在线诊断算法和离线诊断算法相结合的故障诊断策略。在电驱动系统运行时,依靠在线诊断算法进行故障诊断,在停机的间隙,采用离线诊断算法作为诊断系统的有效补充。该策略基于电动汽车的工况,通过两种方法的整合优化了诊断算法的灵敏度。对于在线诊断方法,首先,建立了永磁同步电机匝间短路故障的数学模型,并分析电机在故障状态下的运行特性,采用反电势正序3次谐波作为匝间短路故障特征,并基于该故障特征设计了相应的诊断算法。该诊断算法以状态观测器和二阶广义积分为基础,实现了故障特征的提取,无需大量存储数据,能有效降低系统的运算开销。同时,设计了基于高频电压谐波注入的永磁同步电机匝间短路离线诊断算法。该方法基于匝间短路的故障模型,分析了电机在故障状态下的高频响应电流,将高频响应电流的正序分量作为故障特征。该方法利用高频信号放大绕组的不对称,提高了诊断灵敏度。最后,通过仿真和实验对该故障诊断策略进行了有效性验证,优化了诊断系统的灵敏度。针对永磁同步电机的退磁故障,建立了故障诊断算法和容错算法。首先,建立了基于二阶广义积分器的电机退磁故障诊断方法。通过二阶广义积分器实现了电机基波磁链的实时估计和谐波信号的分离,通过计算基波磁链的幅值,并结合旋转坐标系提取特定频率的谐波,实现退磁故障诊断。在容错控制方面,采用了基于参数辨识的最大转矩/电流控制策略。这种方法保证了电机在一定工作区域内,输出转矩不会随永磁体退磁而下降。采用TMS320F28335 DSP作为主控芯片,搭建了电机驱动系统故障诊断技术的实验平台,用于实验验证。实验结果证明了所采用的电机故障诊断与容错算法的可行性。