基于多LMS谐波补偿的六相感应电机匝间短路故障实时检测方法

《IEEE Open Journal of Industry Applications》：Multi-LMS Harmonic Compensation for Real-Time Detection of Inter-Turn Short-Circuit Fault in Six-Phase Induction Machines

本研究针对六相感应电机(SPIM)匝间短路(ITSC)故障检测中存在的计算复杂、实时性差等问题，提出了一种基于自适应最小均方(LMS)算法的谐波补偿与故障诊断一体化方案。该方法通过提取x-y子空间基波谐波补偿电压作为故障严重程度指标，无需额外硬件或频谱分析即可实现故障实时检测。实验验证表明，该方法在提升电流质量的同时显著降低了计算负担，为高可靠性电机驱动系统提供了有效的故障监测解决方案。

　　

随着电动汽车和可再生能源系统的快速发展，多相电机驱动系统因其固有的容错能力和优异的转矩性能而受到广泛关注。其中，六相感应电机(SPIM)在复杂度和性能之间取得了理想平衡，且与常规三相功率变换器兼容，成为高可靠性应用的理想选择。然而，在恶劣运行条件下，绕组绝缘退化可能导致匝间短路(ITSC)故障，引发相电流不平衡、过热加剧和转矩脉增等问题，严重威胁驱动系统可靠性。

传统故障检测方法通常依赖于低通滤波、频谱分析或复杂特征提取，这些方法计算负担重且实时适用性有限。虽然信号注入技术能提高检测精度，但可能引入转矩脉动和额外损耗。而基于谐波子空间分析的方法又需要后处理滤波器，增加了计算开销。此外，现有方法对参数不确定性和运行条件变化的敏感性也限制了其实际应用价值。

针对这些挑战，本研究提出了一种创新的自适应LMS谐波补偿策略，通过主动抑制不必要的谐波电流，同时利用基波谐波补偿电压作为直接的ITSC故障严重程度指标。该方法首次将LMS算法应用于六相感应电机的多谐波补偿与故障诊断一体化设计中，实现了无需额外传感器、滤波器或频谱分析的实时故障监测。

关键技术方法包括：1）建立基于向量空间分解(VSD)的六相感应电机数学模型，将故障特征映射到x-y子空间；2）设计多LMS谐波补偿器，同步抑制d-q子空间的6次、12次谐波和x-y子空间的奇次谐波；3）采用平面拟合技术补偿逆变器和电机侧固有不对称性，建立基于运行速度和负载的二维阈值方程；4）通过硬件实验平台验证方法有效性，使用TMS320F28379D数字控制器实现实时控制与故障估计。

谐波抑制性能分析

实验结果表明，多LMS补偿器能显著改善电流质量。在0.7标幺值速度下，x轴电流畸变率从7.29%降至2.17%，y轴电流从3.33%降至2.41%。d-q子空间电流畸变也得到明显改善，证明该方法能有效抑制死区效应和故障引起的谐波分量。

计算效率优势

与基于多PI控制器的谐波补偿方法相比，LMS方法在计算复杂度和存储需求方面具有明显优势。对于n阶谐波抑制，LMS仅需17n次算术运算和8n+1个存储变量，而多PI方法需要更多的坐标变换运算，特别在高阶谐波抑制时优势更为显著。

故障检测灵敏度验证

通过调节短路匝数比(γ)和接触电阻(R_f)模拟不同严重程度的ITSC故障。在γ=10%、R_f=5.6Ω的轻微故障条件下，故障指数F_idx从1×10^-5升至1.1×10^-4，清晰区分故障状态。即使在仅2匝短路(γ=1.52%)的极端情况下，方法仍能有效检测，但在极低转速下灵敏度有所下降。

抗干扰能力测试

通过改变电机速度和负载验证方法鲁棒性。实验显示，在速度从0.5标幺值升至0.7标幺值过程中，校正后的故障指数F_idx^itsc保持稳定，仅在故障发生时产生显著变化，证明该方法能有效区分真实故障与运行条件变化。

特异性分析

研究还探讨了该方法对转子侧故障（如偏心、断条）的响应特性。由于对称六相感应电机中转子故障产生的空间谐波主要投影为x-y子空间的偶次谐波，而ITSC故障表现为奇次谐波，因此方法对转子故障具有天然免疫力。

本研究通过理论分析和实验验证，提出了一种计算高效、实时性强的六相感应电机匝间短路故障检测方法。多LMS谐波补偿器在改善电流质量的同时，为故障严重程度评估提供了直接指标。平面拟合技术的引入有效补偿了系统不对称性，提高了检测可靠性。与传统方法相比，该方法无需复杂信号处理或精确系统模型，显著降低了计算负担和实现复杂度。研究成果为高可靠性电机驱动系统的实时状态监测提供了新思路，特别适用于电动汽车推进系统等安全关键场景。未来工作将聚焦于故障定位技术和机器学习辅助决策系统的开发，进一步提升方法的工程实用价值。