哈尔滨工业大学郑萍教授：永磁同步电机故障诊断与容错控制技术综述

永磁同步电机故障诊断与容错控制技术综述

Ping Zheng; Wei Liu; Yiteng Gao; Chengde Tong; Yi Sui

Harbin Institute of Technology, Harbin, China

P. Zheng, W. Liu, Y. Gao, C. Tong and Y. Sui, "Review of Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control Technologies for Permanent-Magnet Synchronous Machine," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, Vol. 9, No. 3, pp. 320-339, September 2025, DOI: 10.30941/CESTEMS.2025.00022.

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内容

本文总结了永磁同步电机故障诊断与容错控制技术的最新发展趋势，讨论了不同类型电机故障的故障机理、故障诊断方法和容错控制技术的优缺点、研究进展和应用场景。从故障诊断方法、容错电机拓扑和系统性容错控制技术等方面对未来的发展方向进行了展望。

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亮点

2.1 故障诊断方法分类

（1）数学模型法

主要包括：电磁方程法、磁网络法和有限元法。通过参数方程、磁路方程和磁场方程等数学模型，对比健康和故障情况下的模型输出，实现电机故障的诊断，适用于安全性、可靠性要求较高的电机装备系统。

（2）信号处理法

主要包括：故障频率法、复杂信号处理法和信号注入法。通过提取电磁、温度和振动等信号中故障高敏感特征量，实现电机故障的诊断，适用于大批量通用型且能通过传感器获取有效信号的电机健康状态监测场合。

（3）人工智能法

主要包括：结合特征工程的机器学习法、无监督和半监督学习法以及深度学习法。通过挖掘历史数据中有效信息，学习“信号”到“故障类型”的复杂特征映射关系，适用于高自动化电机产品的智能运维场景。

2.2 容错控制技术分类

（1）故障容错拓扑

主要包括电机容错拓扑和控制系统容错拓扑。其中，轴向串联型电机具备整机容错能力，多相电机和多三相电机具备绕组容错能力，混合励磁电机和双永磁电机具备励磁单元容错能力，桥臂冗余控制系统具备功率器件和电机绕组容错能力。

（2）容错电流重构

容错电流重建是实现容错控制的基础，主要包括磁动势不变法、瞬时功率不变法、谐波电流注入法以及拉格朗日乘子法。该方法通过重构电流在幅值、相位和谐波方面的特性，降低故障绕组引起的转矩脉动，但要求电机具备一定冗余度且模型依赖性高。

（3）容错电流跟踪

容错电流跟踪是实现容错控制的关键，追踪性能将直接影响容错效果。主要包括：交流电流直接追踪法、转子磁场定向控制（矢量控制）以及基于降阶解耦矩阵的定子磁场定向控制（直接转矩控制）。该方法能够保证容错电流形式的有效实现，但在极端工况下系统容易失稳。

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结论

本文分析了永磁同步电机不同类型故障的产生机理，总结了故障诊断与容错控制技术的最新发展趋势。通过对比分析各种故障诊断方法、容错拓扑和容错控制方法的优缺点，为各种应用场景下永磁同步电机容错拓扑设计、故障诊断和容错控制方法的实现提供了指导。

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团队介绍

哈尔滨工业大学“特种电机系统及其智能计算”研究团队2021年入选黑龙江省研究团队，团队现有教师7人，其中教授5人，副研究员2人。团队拥有国家杰青、国家优青等国家级人才，团队带头人郑萍任国务院学位委员会第八届学科评议组成员、电驱动与电推进技术教育部重点实验室主任、IEEE PES电动汽车技术委员会（中国）电动汽车电驱动技术分委会主席。承担国家重点研发计划、国家863计划、国家自然科学基金重大项目课题、重点项目、联合基金重点项目、工信部高质量专项等科研项目50多项。研究成果获国家技术发明二等奖、中国青年科技奖、黑龙江省科技进步一等奖、天津市科技进步一等奖、中国电工技术学会科技进步一等奖等奖励40多项。

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作者介绍

郑萍，博士，教授、博导，国家杰青，国家级高层次人才，电驱动与电推进技术教育部重点实验室主任。1992年、1995年和1999年分别获得哈尔滨工业大学学士、硕士和博士学位。承担国家重点研发计划、国家863计划、国家自然科学基金重大项目课题、重点项目、联合基金重点项目、工信部高质量专项等科研项目50多项。获国家技术发明二等奖、中国青年科技奖、黑龙江省科技进步一等奖、天津市科技进步一等奖、中国电工技术学会科技进步一等奖等奖励40多项。发表科技论文380多篇，SCI检索120多篇。授权中国发明专利90多项。主要研究方向包括特种电机及驱动控制技术、电机故障诊断与容错控制技术、电机智能计算与超算设计平台等。

刘蔚，2021年和2023年获哈尔滨工业大学学士学位和硕士学位，目前正在哈尔滨工业大学攻读电气工程博士学位。主要研究方向包括永磁电机设计、分析、故障诊断与容错控制。

高易腾，2024年获哈尔滨工业大学学士学位，目前正在哈尔滨工业大学攻读电气工程博士学位。主要研究方向包括电动汽车永磁同步电机的故障诊断与容错控制技术。

佟诚德，博士，教授、博导。2007年、2009年及2013年分别获得中国哈尔滨工业大学电气工程学士、硕士及博士学位。现任哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院教授。发表论文80余篇。申请中国发明专利35项，授权27项。获天津市科技进步一等奖、中国电工技术学会科技进步一等奖等奖励10余项。主要研究方向包括特种电机驱动控制技术和电动汽车驱动控制系统。

隋义，博士，教授、博导，国家优青。2009年、2011年及2016年分别获得中国哈尔滨工业大学电气工程学士、硕士及博士学位。现任哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院教授。获中国电工技术学会科技进步一等奖、中国专利优秀奖等奖励。发表论文100余篇，授权中国发明专利50余项。主要研究方向包括电机及驱动控制、电机云计算。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

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