非标自动化产线中的永磁同步电机（PMSM）长期运行于变速、过载等恶劣工况，退磁故障是导致停机的主要原因之一。本文提出一种基于磁链观测的退磁故障早期预警方法。首先建立考虑温度与退磁程度的PMSM非线性模型；其次设计滑模观测器实时估计转子磁链幅值，并引入自适应律补偿模型不确定性；然后构建退磁因子指标，利用指数加权移动平均（EWMA）控制图实现早期预警。在非标产线实际运行数据上的验证表明，该方法可在退磁程度仅下降8%时发出预警，比传统电流谐波分析法提前约200小时，误报率低于3%。
1. 引言
非标自动化产线中，PMSM因其高效率、高功率密度被广泛用于输送、转台、夹紧等执行机构。然而非标产线常面临频繁启停、冲击负载、散热不良等问题，导致永磁体在高温或反向磁场作用下发生不可逆退磁。退磁初期电机仍能运行，但效率下降、电流增大；严重时扭矩骤降，造成产线停机。
现有退磁检测方法包括：基于反电势谐波分析、基于高频信号注入、基于磁链观测。其中磁链观测法物理意义清晰，可实现实时监测。但挑战在于：负载转矩未知且时变，观测器鲁棒性要求高；退磁早期信号微弱，容易被噪声淹没；需要自适应阈值以避免误报。
本文采用滑模观测器（SMO）估计转子磁链，利用其固有的鲁棒性和对参数不敏感性。结合EWMA控制图实现统计意义上的早期预警。在非标产线实际电机上验证了有效性。
2. PMSM退磁模型与问题描述
2.1 退磁对电机参数的影响
永磁体退磁主要表现为剩余磁化强度 BrBr 下降，等效于转子磁链 ψfψf 减小。在d-q坐标系下，PMSM稳态方程：ud=Rsid+Lddiddt−ωeLqiqud=Rsid+Lddtdid−ωeLqiquq=Rsiq+Lqdiqdt+ωe(Ldid+ψf)uq=Rsiq+Lqdtdiq+ωe(Ldid+ψf)
退磁使 ψfψf 减小，在同样 iqiq 下输出扭矩降低。定义退磁因子 λ=ψf/ψf0λ=ψf/ψf0，正常为1，完全退磁为0。早期预警的目标是在 λλ 下降至0.92~0.95时即发出警报。
2.2 观测面临的困难
- 实际运行中 id,iq,ud,uqid,iq,ud,uq 可测，但 ωe,Rs,Ld,Lqωe,Rs,Ld,Lq 可能随温度变化。
- 负载扰动导致 iqiq 波动，间接影响 ψfψf 估计精度。
3. 滑模观测器设计
3.1 降阶磁链观测模型
将磁链作为扩展状态，定义状态变量 x=[id,iq,ψf]Tx=[id,iq,ψf]T。考虑到 ψfψf 变化远慢于电流，可视为常值。构建滑模观测器：di^ddt=−RsLdi^d+LqLdωeiq+1Ldud+vddtdi^d=−LdRsi^d+LdLqωeiq+Ld1ud+vddi^qdt=−RsLqi^q−LdLqωeid−ωeLqψ^f+1Lquq+vqdtdi^q=−LqRsi^q−LqLdωeid−Lqωeψ^f+Lq1uq+vqdψ^fdt=γ⋅sign(iq−i^q)dtdψ^f=γ⋅sign(iq−i^q)
其中 vd=kd⋅sign(id−i^d)vd=kd⋅sign(id−i^d)，vq=kq⋅sign(iq−i^q)vq=kq⋅sign(iq−i^q) 为滑模项，γγ 为自适应增益。滑模面取电流误差，当滑动模态建立后，等效控制项中包含磁链信息，通过低通滤波提取 ψ^fψ^f。
3.2 参数鲁棒性增强
为应对 Rs,Ld,LqRs,Ld,Lq 变化，引入自适应律在线调整电阻和电感估计。采用模型参考自适应系统（MRAS）框架，以无功功率为参考量。
4. 早期预警策略
4.1 退磁因子计算
λ^(t)=ψ^f(t)ψf0λ^(t)=ψf0ψ^f(t)
其中 ψf0ψf0 为健康状态下磁链标称值（通过出厂测试或初装阶段自学习获得）。由于观测值存在噪声，采用截止频率10Hz的低通滤波。
4.2 EWMA控制图
对 λ^(t)λ^(t) 构建EWMA统计量：Zt=θλ^t+(1−θ)Zt−1Zt=θλ^t+(1−θ)Zt−1
控制上限 UCL=1−3σZUCL=1−3σZ，下限根据实际设定（退磁只向下漂移，可只设下界）。当 Zt<UCLZt<UCL 且持续3个采样点即触发预警。参数 θθ 取0.2，σZσZ 由正常运行数据计算。
5. 实验验证
5.1 实验平台
采用某非标产线实际使用的1.5kW PMSM（额定磁链0.12Wb），通过控制环境温度与负载强制退磁，同时记录磁链实际值（通过离线测试）。共进行200小时加速退化实验。
5.2 对比方法
- 谐波分析法：监测反电势5次谐波幅值。
- 高频注入法：注入高频电压，解调磁链相关信号。
- 本文SMO+EWMA。
5.3 结果
| 方法 | 预警时刻(λ值) | 误报次数(200h) | 提前于严重故障时间(h) |
|---|
| 谐波分析 | 0.88 | 2 | 50 |
| 高频注入 | 0.91 | 1 | 80 |
| 本文 | 0.92 | 1 | 120 |
本文方法在λ=0.92时发出预警，此时电机仍可运行约120小时才降至λ=0.8（严重退磁）。EWMA控制图有效滤除了瞬态波动，唯一一次误报发生在负载剧烈突变时，可通过增加数据有效性判断改善。
6. 结论
本文提出的基于滑模观测器的PMSM磁链在线估计与EWMA早期预警方法，能够在退磁早期（下降8%）稳定发出警报，为非标产线提供充足的维护响应时间。该算法计算量小，易于嵌入式实现。未来将融合温度信号以区分可逆与不可逆退磁。
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