基于参数自调节评估电梯P M S M退磁的研究

张传龙 董恩源

（1.大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司 大连 116000）

（2.大连理工大学 大连 116000）

目前市场上的电梯曳引机多为表贴式永磁同步电机，对于该类电机，其空载反电动势仅与转速和转子磁链有关。本文提出的方法通过估算待测电机的空载反电动势数值，并与该型号电机额定转速下拖动测量的空载反电动势实测值进行比较，来对其内部永磁体的状态进行判定。方法对处于正常工作状态下的电机进行退磁评估，由于在变频器的控制下，永磁同步电机总能稳定到额定转速，所以此方法用于对电机稳定运行时的电压、电流数据进行获取，并以此对电机额定转速下的空载反电动势进行估算。经过仿真分析与实验验证，本文提出的方法适用于局部退磁与均匀退磁故障，且无须对编码器数据进行采集，可用于电梯永磁同步电机永磁体失效性分析的便携装置开发。

在永磁同步电梯永磁体退磁检测仪器的制造方面，国内为空白，国外主要研究方向为永磁体退磁理论、永磁电机防退磁技术与永磁电机退磁检测。其中，永磁体退磁理论研究与永磁电机退磁检测一般采用实验的方法进行，而永磁体的防退磁技术则多采用数学模型与仿真的方案，旨在通过理论分析来为永磁电机的设计与退磁预测提出参考。目前过载在永磁同步电机退磁诊断方面，已经取得了一部分进展，用于解决温度系数高、机械强度低等缺点[1-3]。诊断方法主要包括磁信号分析、反电动势分析、电流分析、扭矩分析、振动和声学分析与信号注入6 种。

1 基于参数自调节算法的退磁检测原理

通过基于永磁同步电机退磁模型的仿真与外特性参数采集实验，完成对永磁电机退磁故障在线检测方法的构想，编写DSP 程序检测永磁电机退磁故障。

退磁在线检测单元流程如图1 所示，该单元由信号采集、时域分析、频域分析3 个模块组成。其具体功能如下：

图1 退磁检测单元流程图

信号采集模块采用高精度电流、电压传感器，实时采集定子电流、电压数据，并将数据传入时域分析与频域分析模块。

时域分析模块采集定子电流、电压的基波分量，通过公式计算粗略绘制电机反电动势波形。将反电动势波形和幅值与正常电机波形进行比较，判断反电动势是否发生畸变、幅值是否减小，进而定性判断永磁电机是否存在退磁故障。

频域分析模块采用希尔伯特-黄、小波变换等数据处理方法，提取定子电流谐波分量。将数据与局部、均匀双退磁故障仿真的结果相比较，分析数据规律，进而定量判断永磁电机局部、均匀退磁故障占比。

程序开发后，使用该方案对实物退磁电机与正常电机进行试验，通过厂家检验报告验证永磁电机退磁检测方法的正确性与适用性，并针对实际测量环境进行程序与采集设备优化。

2 退磁诊断方法仿真研究

永磁同步电机退磁诊断主要分为2 个诊断方向，分别为局部退磁检测与均匀退磁检测。

局部退磁故障会造成气隙磁通与绕组反电动势存在不对称性，使得电机运行状态与定子电流发生变化。因此，寻求简单、可靠的故障特征量成了局部退磁检测的核心，目前学者们主要从电流、扭矩、振动与声学几个方面进行分析，其中电机电流信号分析方法因其电机免拆卸的优点成为主流。多篇文献表明电机的局部退磁故障会在定子电流中产生次的谐波，其中fs为定子电流基波频率，p 为电机极对数，k 取整数。为解决其易与偏心故障混淆且精度易受负载波动的影响，西班牙学者Rosero J 利用小波分析、希尔伯特-黄变换的方式来对信号做进一步处理。然而前人研究采用的电机多为少极式高速电机，其中特征频率与基波频域间隔较远，易于分离；对于电梯常见的多极式低速电机，受逆变器输出谐波以及采集设备精度的影响，故障特征频率则很容易被湮没。

均匀退磁故障方面，目前主要采用参数辨识与信号注入等间接测量方法。其中前者需要获取电机的三相电压、三相电流、转速与转子角度的信息，通过最小二乘法、模型参考自适应或扩展卡尔曼滤波的方法来对转子磁链进行计算，考虑到永磁电机的转子磁链会随着电机负载大小而变化，因此对于不同型号的电机，需要建立不同的标准；后者通过逆变器向永磁同步电机中注入幅值和频率可编程的信号，并对信号进行处理来提取故障诊断所需的指标[4]。2 种方法都需要采集电机的编码器数据，因此其发展趋势为集成于电机的控制系统，然而目前对于出厂的电梯，配备退磁自检功能的占极少数，因此对于便携式外置在线退磁检测设备的研究成了当下的主流方向。

本文的主要目标是设计一种便携性装置，其能够在不拆卸电机的情况下，仅通过测量电机的三相电压与三相电流，完成对永磁同步电机退磁故障的诊断工作，为从事电梯检测的人员提供便利。经过前期研究，本文探寻了一种参数自调节的滑模控制算法，经过仿真与实验验证，可以用于永磁同步电机的退磁检测。

滑模控制是变结构控制的一种控制策略。其设计的滑动模态，常被用于电机的无感控制[5]。本文根据文献[6-10]探究了一种参数自调节的滑模控制算法，其能够通过测量电机不同负载情况下的三相电压与三相电流，计算出电机的空载反电动势，用于永磁同步电机的退磁诊断工作，通过Simulink 搭建不考虑转子退磁、定子电阻与电感参数变化等因素的永磁电机理想模型如图2 所示。

图2 结合滑模观测器的Simulink 电机模型

3 退磁诊断方法实验验证

本实验主要目的为通过测量不同退磁类型下的永磁电机运行时的三相电压与三相电流，并将本文方案计算出的电机反电动势与实际电机拖动空载反电动势数值进行比较，验证方法的有效性。实验现场见图3。

图3 实验主要设备图

实验选取了2台不同极数的电梯用永磁同步电机，并针对永磁同步电机不同程度的局部与均匀退磁故障，对6 种状态的永磁同步电机进行实验：1）20 极完整磁钢电机；2）20 极缺1 块磁钢电机；3）20 极缺2 块磁钢电机；4）20 极完整磁钢高温退磁电机；5）32 极完整磁钢电机；6）32 极缺1 块磁钢电机。

图4 所示为电机定子电阻与电感测量图，实验首先使用电阻测量仪与电桥分别对20 极与32 极永磁电机的定子电阻与d 轴、q 轴电感进行测量。

图4 电机定子电阻与电感测量

之后分别对每种电机进行以下2 组实验：1）实验电机不通电，使用拖动电机恒转速输出，拖动实验电机到额定转速，测量其三相空载反电动势；2）使用控制柜控制实验电机启动，并使用另一台变频器控制拖动电机恒转矩输出。测量实验电机在0%、25%、50%、75%、100% 5 个负载状态下稳定后的三相电压与三相电流。

实验通过100 mV/A 的电流钳采集三相电流，使用1：1 000 的电阻分压器提取三相电压信号，并采用数据采集卡对永磁电机三相电压与三相电流进行100 kHz、14 位的6 通道同步采样。实验实测相电压和相电流波形如图5 所示。

图5 实测相电压与相电流波形

实测20 极完整磁钢的永磁电机在不同负载转矩下的电流与永磁体磁链如图6 所示。

图6 实测电机q 轴电流与永磁体磁链随负载转矩的变化

从图6 中可以看出，随着负载转矩增大，永磁电机q 轴电流非线性增大，永磁体磁链减弱。

以静止状态下实测的20 极完整磁钢永磁电机定子电阻与电感数据带入滑模观测器，计算电机不同负载条件下的估算反电动势，如图7 所示。

图7 实验电机估算出的反电动势与空载反电动势

图7 中蓝色线为实际电机静态电阻与电感计算出的反电动势，其中R=3.9 Ω、L=0.071 H；红色线为电阻、电感参数调节后计算出的反电动势，其中R=3.37 Ω、L=0.07 H。从图7 中可看出，电阻电感参数经过修正后的估算反电动势与实测拖动空载反电动势误差较小。

6种状态电机估算与实测反电动势数据汇总见表1。

表1 估算反电动势与空载反电动势数据

经过分析，6 组实验数据表明，本文探究的自参数调节滑模观测器可以良好地用于永磁同步电机空载反电动势估算。该方法仅需测量电机在不同负载条件下的三相电压与三相电流并带入滑模观测器进行参数调节，便可以计算出较为精确的空载反电动势，可用于永磁同步电机的定量退磁分析。该方法无须知道准确的负载数值，操作简单，容易编程，满足电梯用永磁同步曳引机退磁诊断需求。

4 现场试验应用

基本情况见表2。

表2 基本情况

电梯现场的退磁检测图见图8，案例电梯的退磁检测分析结果如图9 所示，目前本台电梯的永磁体状态为98.296 9%，本台电梯的运行状态良好，无退磁情况。

图8 现场检测案例图

图9 退磁检测分析结果

5 结论

本文以电梯永磁同步电机为研究对象，进行永磁同步电机的退磁检测研究。通过主要研究电梯用永磁同步电机处于退磁状态会影响电梯安全运行的问题，旨在设计一种操作简单、准确度高的检测方案，能够在永磁曳引机处于退磁故障状态下，无须拆除电机，仅通过测量电机运行时的三相电压与三相电流，实现对电机退磁状态进行在线诊断。前期已经完成了永磁电机退磁相关的理论知识学习与基础仿真环境搭建，退磁电机在线检测算法的设计以及退磁电机实验数据采集与算法验证；并通过Simulink 与AnsysEM 2种软件联合的方式对永磁电机退磁原因进行了研究，并对永磁电机退磁故障在线检测算法进行优化。未来将通过Labview 构建上位机界面，并对在线检测设备进行硬件设计。