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中国电机工程学报 2024年第1期44卷 332-340,I0027页

作者：丁石川何旺杭俊汤德伟安徽大学电气与自动化学院安徽省合肥市230601

该文提出一种基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断方法。首先,建立电机的d轴等效磁路模型,分析均匀退磁故障后径向气隙磁密的变化规律;然后,获取电机的径向气隙磁密和定子电流信号,对各极下径向气隙磁密幅值进行... 详细信息

该文提出一种基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断方法。首先,建立电机的d轴等效磁路模型,分析均匀退磁故障后径向气隙磁密的变化规律;然后,获取电机的径向气隙磁密和定子电流信号,对各极下径向气隙磁密幅值进行归一化处理,并绘制雷达图,根据雷达图和比较相同定子电流幅值下健康电机和故障电机的各极下径向气隙磁密幅值的平均值,来诊断均匀退磁故障;利用空载各极下径向气隙磁密幅值的平均值计算故障程度。最后,仿真和实验结果均验证所提均匀退磁故障诊断方法的有效性。

关键词：均匀退磁故障永磁同步电机径向气隙磁密定子电流 d轴等效磁路

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基于ALN-MRAS磁链观测器的永磁同步直线电机均匀退磁故障诊断研究

基于ALN-MRAS磁链观测器的永磁同步直线电机均匀退磁故障诊断研究

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作者：许良安徽大学

学位级别：硕士

永磁同步直线电机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor,PMSLM)因其具有无中间转换结构的直驱方式、推力密度大、定位精度高、满足高速大行程运动和微纳米级动态精度等优点,在激光切割机、高档数控机床等各类加工领域有极其重要... 详细信息

永磁同步直线电机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor,PMSLM)因其具有无中间转换结构的直驱方式、推力密度大、定位精度高、满足高速大行程运动和微纳米级动态精度等优点,在激光切割机、高档数控机床等各类加工领域有极其重要的应用价值。PMSLM永磁体的磁场大小往往是决定电机运行性能的关键因素,而电机性能的高低直接影响产品生产加工的质量。PMSLM的永磁体由钕铁硼材料制作,该永磁材料在高温、过载、散热条件差等恶劣工况下,另外永磁体的自然老化、腐蚀等因素,极易导致电机永磁体发生不可逆退磁故障,从而直接影响电机的输出性能,进而影响整个伺服控制系统的稳定性和高精度输出。因此,需对电机进行在线退磁故障诊断,并准确地识别出退磁程度,从而及时对整个伺服系统采取容错控制补偿措施,实现电机定位精度保持和高品质推力输出。本课题以应用在激光切割机中的双次级无铁芯PMSLM为研究对象,以解决在电机在多工况条件下均匀退磁故障诊断和退磁程度估计为研究目标,开展了如下研究:(1)针对PMSLM均匀退磁故障诊断和退磁程度识别的问题,设计PMSLM均匀退磁故障诊断系统。根据PMSLM的拓扑结构特点和控制系统的描述,对均匀退磁故障需解决的问题进行分析。通过对问题进行分析,设计均匀退磁故障诊断系统的功能,以及设计均匀退磁故障诊断系统的主要构成。(2)研究一种基于神经网络算法的磁链观测器,实现多工况条件下对磁链的实时在线监测。依据三种常见的坐标变换关系,推导了PMSLM在同步旋转坐标系下的数学模型。引入滑模控制原理,设计PMSLM控制系统的速度控制器,采用李雅普诺夫稳定性原理证明了其稳定性。基于模型参考自适应系统的原理和结构,建立MRAS磁链观测器,根据波波夫超稳定性原理求解出满足整个系统稳定的自适应律。采用了一种基于神经网络,能够在线调整权重的自适应线性神经元算法,设计MRAS的自适应律,建立ALN-MRAS磁链观测器。通过分析电阻、电感误差对磁链观测的影响,设计了反馈增益矩阵,进行了参数整定。(3)研究一种均匀退磁故障预设的方法,仿真计算不同退磁程度下的磁链精确值,为故障诊断系统实现退磁故障诊断和退磁程度识别提供基准值。根据有限元法的建模流程,建立正常情况下的PMSLM有限元模型,仿真验证所建模型的正确性。通过计算,改变所有永磁体剩余磁感应强度Br参数,实现均匀退磁故障预设。建立不同退磁程度下的PMSLM有限元故障模型,仿真计算得到不同退磁故障下磁链精确值。(4)设计基于PMSLM的均匀退磁故障诊断算法,实现均匀退磁故障诊断和退磁程度识别。根据均匀退磁程度的大小,定义了4类退磁故障类型。结合ALN-MRAS磁链观测器实时观测的磁链值,和有限元预设故障得到的不同退磁程度下的精确磁链值,设计PMSLM均匀退磁故障诊断算法。通过对比仿真实验,验证了ALN-MRAS磁链观测器在多工况下条件下的精度和性能。(5)搭建了基于半实物AD5435的PMSLM退磁实验平台,并制作了一台均匀退磁故障样机。设置了微弱退磁和严重退磁两种故障类型,通过3D打印机打印了不同厚度的薄块(1、2、3mm),将薄块垫到背铁下,通过增大上下永磁体之间的气隙来模拟微弱退磁。在单工况和多工况的条件下,引入未改进前的磁链观测器进行对比,分别对退磁样机进行实验,通过分析实验结果证明了本课题所研究ALN-MRAS磁链观测器的高效性和先进性。综上所述,本课题所研究的ALN-MRAS磁链观测器,不仅能实时在线观测磁链值,且观测精度高达98%以上,而且在多工况条件下,磁链观测误差波动较小,负载适应性和速度适应性更好。因此,基于此方法设计一种PMSLM均匀退磁故障诊断方案,通过有限元预设退磁故障,得到不同退磁程度下的磁链精确值,利用均匀退磁故障诊断算法,实现退磁故障诊断和退磁程度估计。

关键词：永磁同步直线电机均匀退磁故障 SMC速度控制器 ALN-MRAS磁链观测器均匀退磁故障诊断算法

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