汽车离合器盖总成检测试验台电机故障诊断研究

陈刚　黄庆涛　许春玲

摘要：采用扩展卡尔曼（EKF）的残差法对永磁同步电机故障进行检测，其目的是为了提高系统的鲁棒性，减少故障的漏报率，提高准确率。

关键词：永磁同步交流伺服电机；扩展卡尔曼滤波器；故障诊断

基金项目：本文是吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目《汽车离合器盖总成综合性能检测系统设计与研究》成果之一，项目编号为：吉教科合字〔2013〕第558号。

中图分类号：S31 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.02.0024

永磁同步交流伺服电机（PMSM），它是由绕线式同步电动机发展而来的，具有效率高、易于控制、结构简单、性能优良等优点，因此在军事装备、办公机械、仪器仪表、汽车电器、家用电器等领域得到了广泛的应用[1]。汽车离合器盖总成检测试验台采用永磁同步交流伺服电机，为试验台位移回路的运动提供动力，同时为试验台负载回路提供准确的加载测试力。作为离合器盖总成检测试验台的动力源，一旦发生故障，系统将无法工作[2]。为了故障信息被及时准确地找出来，采用故障诊断的方法是扩展卡尔曼滤波。

1 扩展卡尔曼滤波器

扩展卡尔曼滤波器（EKF）主要用来解决非高斯、非线性的滤波问题，是一种近似滤波的方法，是卡尔曼滤波器线性向非线性系统的推广算法，在非线性系统的设计中已经得到广泛应用[3]，它把非线性方程进行近似线性化，将高阶项略去，只取泰勒展开式中的线性项。永磁同步电机是一个复杂的非线性系统，可以采用EKF方法。

基于扩展卡尔曼滤波器的故障诊断模型的建立，状态估计：

（1）

其中，■为状态的一步预测值。残差序列：

（2）

Kalman滤波器的结构框图如图1所示，它主要由系统、滤波器以及观测器三部分构成。

图1 Kalman滤波器的结构框图

2 建立永磁同步电机的数学模型

EKF算法是利用获得的系统输出残差进行故障检测，因此需建立电机的数学模型，应用UKF将系统的初始状态统计值带到所建立的数学模型中，得到系统的预测输出。系统的输出残差是通过将预测输出与实际输出相比较来获得，根据残差评价准则来进行故障检测[4]。以二相导通星形三相六状态为例，建立永磁同步电机的数学模型。

3 基于扩展卡尔曼滤波的电机故障诊断

当系统正常运行时，协方差矩阵为

由公式（5）可以看出， 具有不同的统计特性。根据这个特性定义作为随机变量

近似服从分布，由此可得如下残差加权平方和检测方法，令

（7）

其中， N为数据窗长度。的数值较小，说明系统正常运行。当系统发生突变性故障时， 失去白噪声特性，通过的数值与预先设定的阈值进行比较，得到故障诊断准则如公式（8）

（8）

4 结论

采用扩展卡尔曼（EKF）的残差法对永磁同步电机进行检测，其目的是为了提高系统的鲁棒性，减少故障的漏报率，提高准确率。利用EKF本身良好的逼近能力及去噪能力，通过获得的系统残差进行故障检测。当获得系统EKF残差的均值是零具有高斯白噪声特性，说明系统运行正常，其方差为观测矩阵；反之若当残差的均值不再为零，失去高斯白色特性，说明系统有故障发生，这是因为预测估计值是由先验信息递推计算得到的，与测量信息无关，不受故障等异常信息的影响。

参考文献

[1] 张邦成.汽车离合器从动盘测试机电控系统设计[J].西南交通大学学报.2009

[2] 王巨涛.汽车离合器盖总成综合性能检测机构误差分析与综合[D].天津：天津理工大学，2010.

[3] Chen Ming， Zhou Sizhu， Gao Yunquan， Qi Xuan， Zhang Junhuan..The Journal of Hubei University of Technology 2009，02（24），71-73. In Chinese.

作者简介：陈刚，硕士，东北师范大学人文学院，讲师，研究方向：系统工程。

网络出版时间：2014-12-22 16：09：02

网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/22.1186.S.20141222.1609.001.html·endprint