电动汽车PMSM退磁故障诊断及容错控制

摘要

受安装空间限制，电动汽车PMSM功率密度高、散热条件差、运行工况复杂，存在较强的电枢反应，加之自然老化等因素，容易出现永磁体局部退磁或均匀退磁故障，导致PMSM输出转矩降低并伴随出现转速脉动现象。因此，论文通过对PMSM退磁故障诊断与容错控制深入与系统的研究，提出集永磁体退磁故障建模、退磁故障诊断、故障模式识别、故障程度评估及容错控制于一体的电动汽车PMSM永磁体退磁故障综合解决方案，其研究对于实现电动汽车PMSM驱动系统的安全可靠运行无疑具有重要的理论研究价值和工程应用价值。
　　论文首先深入分析PMSM永磁体退磁故障的产生机理，并建立计及永磁体退磁故障的PMSM驱动系统数学模型及系统仿真模型，实现PMSM永磁体退磁故障电气特征的定性与定量描述。其次，在车用非平稳运行工况及测量噪声约束下，研究扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、粒子滤波、无迹粒子滤波等典型非线性滤波算法在PMSM永磁体磁链辨识中的应用，并综合比较其辨识性能。以EKF算法为例，在参数敏感性分析的基础上，研究并提出考虑电机参数变化条件下实现永磁体磁链满秩辨识的统一辨识算法，确保电机参数变化时的永磁体磁链辨识结果的准确性与唯一性。为了攻克以较小计算量解决电机参数变化及辨识模型欠秩对永磁体磁链辨识精度影响的关键技术，研究并提出基于代数法的PMSM参数辨识方法，实现包括永磁体磁链在内的所有电机电磁参数的同时在线准确辨识及永磁体均匀退磁故障的准确诊断。继而，论文研究HHT的微弱故障信号提取能力，鉴于其存在基波频率附近微弱故障特征信号容易湮没及受逆变器输出谐波影响永磁体局部退磁故障表征较为模糊的技术不足，提出集成自适应基波提取和EMD于一体，基于分形维数的PMSM永磁体局部退磁故障诊断方法，消除定子电流基波、PMSM驱动系统高频谐波及EMD低频趋势项对局部退磁故障微弱故障特征信号盒维数计算值的影响，实现永磁体局部退磁故障的准确诊断。最后，在永磁体均匀退磁故障与局部退磁故障准确诊断的基础上提出了不同故障模式的有效识别方法、故障程度评估方法及容错控制策略。
　　论文在理论分析与系统仿真测试的基础上，以dSPACE组件系统PX10为控制核心，完成了PMSM驱动系统的硬件、软件设计以及PMSM驱动系统实验平台的搭建，通过PMSM驱动系统的实验测试，证实所提出的PMSM永磁体退磁故障诊断、故障模式识别、故障程度评估方法及容错控制策略的有效性和可行性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的、研究意义及课题来源

1．1．1 研究目的与研究意义

1．1．2 课题来源

1．2 PMSM永磁体退磁故障形成机理

1．3 PMSM永磁体退磁故障诊断方法国内外技术发展现状

1．3．1 基于数据驱动的PMSM永磁体退磁故障诊断方法

1．3．2 基于模型驱动的PMSM永磁体退磁故障诊断方法

1．3．3 基于高频信号注入法的PMSM永磁体退磁故障诊断方法

1．4 论文研究内容

1．5 本章小结

第二章 计及退磁故障的PMSM驱动系统建模

2．1 计及永磁体退磁故障的PMSM有限元模型

2．2 计及永磁体退磁故障的PMSM数学模型

2．2．1 退磁故障时永磁体定子绕组磁链

2．2．2 永磁体退磁故障时PMSM数学模型

2．3 计及永磁体退磁故障的PMSM驱动系统仿真研究

2．4 本章小结

第三章 PMSM驱动系统的硬、软件设计

3．1 dSPACE实时控制系统概述

3．2 PMSM驱动系统硬件设计

3．2．1 功率变换及驱动隔离电路

3．2．2 采样调理及保护电路

3．3 PMSM驱动系统软件设计

3．3．1 半实物控制系统模型的建立

3．3．2 基于ControlDesk的PMSM驱动系统调试界面设计与数据存储

3．4 本章小结

第四章 基于模型驱动的PMSM均匀退磁故障诊断

4．1 基于永磁体磁链辨识的PMSM均匀退磁故障诊断

4．2 永磁体磁链辨识的PMSM状态方程

4．3 PMSM永磁体磁链的非线性辨识

4．3．1 基于扩展卡尔曼滤波的PMSM永磁体磁链辨识

4．3．2 基于无迹卡尔曼滤波的PMSM永磁体磁链辨识

4．3．3 基于标准粒子滤波的PMSM永磁体磁链辨识

4．3．4 基于无迹粒子滤波的PMSM永磁体磁链辨识

4．3．5 基于EKF、UKF、PF、UPF的PMSM永磁体磁链辨识仿真

4．4 考虑电机参数变化的PMSM永磁体磁链的满秩辨识

4．4．1 永磁体磁链辨识精度的参数敏感性分析

4．4．2 永磁体磁链的满秩辨识

4．4．3 永磁体磁链满秩辨识方法的仿真测试

4．5 基于代数法的PMSM永磁体磁链辨识

4．5．1 基于代数法的PMSM永磁体磁链辨识原理

4．5．2 基于代数法的PMSM永磁体磁链辨识的仿真测试

4．6 实验验证

4．7 本章小结

第五章 基于数据驱动的PMSM局部退磁故障诊断

5．1 基于HHT的PMSM局部退磁故障诊断

5．1．1 HHT基本理论

5．1．2 基于HHT的PMSM永磁体局部退磁故障诊断的仿真研究

5．1．3 基于HHT的PMSM永磁体局部退磁故障诊断的实验验证

5．2 基于分形维数的PMSM局部退磁故障诊断

5．2．1 自适应基波提取及盒维数计算

5．2．2 基于分形维数的PMSM永磁体局部退磁故障诊断的仿真研究

5．2．3 基于分形维数的PMSM永磁体局部退磁故障诊断的实验验证

5．3 本章小结

第六章 PMSM退磁故障模式识别、故障程度评估及容错控制

6．1 PMSM退磁故障模式识别

6．2 PMSM退磁故障程度评估

6．2．1 PMSM局部退磁故障程度评估的仿真研究

6．2．2 系统运行工况对PMSM局部退磁故障程度评估性能的影响

6．2．3 PMSM局部退磁故障程度评估方法的实验验证

6．3 PMSM退磁故障的容错控制

6．3．1 PMSM退磁故障容错控制策略对系统动态性能的影响

6．3．2 PMSM退磁故障容错控制策略对系统稳态性能的影响

6．4 本章小结

第七章 研究总结与展望

7．1 论文主要工作与创新点

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况