CN102998588A - 一种无刷直流电机逆变器常见断路故障诊断方法 - Google Patents

一种无刷直流电机逆变器常见断路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无刷直流电机逆变器常见断路故障诊断方法，其诊断过程是：首先检测本阶段电流，确定本阶段导通状态矩阵：然后根据本阶段电流检测信号，输出故障位信号；再求本阶段之前一个周期内的导通矩阵的和矩阵Q，通过判断和矩阵Q中0元素的个数和位置来诊断故障管的个数和位置；最后输出故障类型、故障管位置、故障位作为诊断结果。本发明公开的无刷直流电机常见断路故障诊断方法，能在无刷直流电机逆变器发生断路故障后及时检测并诊断出故障位置，可以方便技术人员维修更换故障开关管，还可以使系统及时切换到容错运行模式使系统继续运行，在可靠性要求较高的航空、航天、汽车等行业具有具有较高的实际应用价值。

Description

一种无刷直流电机逆变器常见断路故障诊断方法
 
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机常见断路故障诊断方法，属于电机故障诊断及容错技术领域。
背景技术
目前，无刷直流电机在是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，没有换向器，结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备、高级家用电器、交通工具等。无刷直流电机定子绕组多做成三相对称星形接法，其反电势多为方波，因此可用直流经过逆变器换相后驱动。由于单相相导通工作的无刷直流电机工作效率低，因此，目前常用的无刷直流电机大多采用双相导通的六拍控制方式。其电子换向器是六管全桥逆变器。往往采用120°导通方式，即在一个电周期中，每相绕组正负各导通120°，在同一时刻，有两相绕组同时导通，且每60个电角度换相一次。
逆变器是无刷直流电机系统的最薄弱环节，其故障类型主要有开关管断路故障、开关管短路故障和续流管短路故障三大类。由于开关管反并联的续流二极管耐压、承受尖峰电流能力要强于功率管，因此故障较少。为了减少短路故障相对其他相的影响，发生短路故障时应当利用熔断丝把短路故障转化为断路故障来处理。逆变器开关管断路故障按故障功率管个数可分类为单管断路、双管断路和三管以上的多管断路故障。逆变器发生断路故障后及时检测并诊断出故障位置，可以方便技术人员维修更换，也可以使系统及时切换到容错运行模式使系统继续运行。逆变器常见的故障是：由于管体内部断路、接触不良、驱动信号丢失、驱动隔离光耦故障等原因造成的单管故障；由于死区控制不当导致的逆变器的单相上下双管直通短路和由于某个导通状态电流过大导致的该模态对应的两相上、下管分别故障。因此，开关管的断路故障具有较高的研究价值。
目前，已经有一些学者提出了不同类型电机所用的逆变器故障诊断方法。例如，公告的发明专利双凸极电机驱动器功率管故障诊断方法，专利申请号：200710024823.8，公开了一种双凸极电机驱动器功率器件的故障诊断方法。该方法通过对三相电流的续流电流进行检测和处理后，并结合功率管驱动信号实现对主功率电路在线故障检测、诊断。授权的发明专利无刷电机位置信号的故障诊断方法与容错控制方法，授权号：ZL200610097466.3，提出了一种无刷电机位置信号的故障诊断方法与容错控制方法。授权的发明专利开关磁阻电机双主开关功率变换器主开关故障诊断方法，授权号：ZL200910182910.5，利用安装在主开关直流母线上的电流传感器LEM1和安装在续流二极管直流母线上的电流传感器LEM2检测主开关的总电流信号和续流二极管回馈的总电流信号，并进行故障类型判断和定位，便于实施容错控制。授权的发明专利：一种开关磁阻电机功率变换器主电路故障诊断方法，授权号：ZL201010174734.3，通过分析开关磁阻电机功率变换器主电路的直流母线滤波电容电压的序列方差曲线和直流母线滤波电容电压功率谱熵曲线，诊断出开关磁阻电机功率变换器的故障。以上发明涉及的开关磁阻电机和双凸极电机在原理和控制电路上与无刷直流电机有着本质的区别，其故障诊断方法也和本发明所提出的利用导通状态矩阵诊断无刷直流电机常见断路故障的方法有着本质的区别，本发明公开的技术能有效诊断出无刷直流电机常见断路故障的故障管的位置和故障类型。
发明内容
本发明的目的是提供一种无刷直流电机逆变器常见断路故障诊断方法。具体是：
一种无刷直流电机常见断路故障诊断方法，其特征在于，诊断方法采取以下步骤：
步骤一、检测本阶段电流，确定本阶段导通状态矩阵：将无刷直流电机六个导通状态用矩阵表示为：                                                ，
Figure 146066DEST_PATH_IMAGE002
，，
Figure 533798DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 456754DEST_PATH_IMAGE006
，导通状态矩阵中第一行元素分别代表A相、B相和C相上管导通状态，第二行元素分别代表A相、B相和C相下管导通状态，一个周期内的导通顺序为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤二、输出故障位信号：如果本阶段电流检测信号为1，则为故障位置0，即无故障，否则故障位置1；
步骤三、求本阶段之前一个周期内的导通矩阵的和矩阵；
步骤四、通过判断和矩阵Q中0元素的个数和位置来诊断故障管的个数和位置：如果
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，则三相开关管均正常，如果和矩阵Q的元素中有且仅有第i元素为零，则第i开关管断路；如果和矩阵Q中的0元素仅位于某相上下管对应的位置，则可以判断该相上、下管断路；如果和矩阵Q的中有且只有某一个导通状态的两个元素为零，即一相上管和另一相下管对应的元素为0，则可以诊断出该导通状态对应的两个故障管的位置；如果和矩阵Q的中0元素是其他情况，则可以诊断出是其他非常见的故障；
步骤五、输出故障类型、故障管位置、故障位作为诊断结果；
所述的电流检测环节，以0.2I为判断开关管是否导通的门槛值，I为电机额定电流；对于三相星形绕组，只检测任意两相电流，第三相的电流通过
Figure 260073DEST_PATH_IMAGE010
求得。
其工作原理为：从故障后电机控制系统相电流变化来看，可将逆变器的常见断路故障类型归成几大类：单管断路故障、同相上下双管断路故障，同一导通状态上下双管断路故障。这三种故障是常见的基本断路故障，及时诊断这三种基本故障，对故障相进行隔离，对非故障相进行保护，可有效避免其他的开关管出现故障。
①单管断路故障。如果Q矩阵中有一个元素为0，则该元素对应的开关管出现故障。如果C相上管断路，则
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为零矩阵，
Figure 185917DEST_PATH_IMAGE012
，可以看出有且只有C相上管对应的元素为0。因此根据矩阵中唯一0元素的位置可以诊断出故障管。例如，如果，则可以判断C相下管断路。
②同相上下双管断路故障。死区控制不当可能导致逆变器的单相上下双管直通短路，这是熔断器可以把短路故障编程断路故障，以隔离故障相。如果A相桥臂上下双管断路，则
Figure 963380DEST_PATH_IMAGE014
为0矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
Figure 319406DEST_PATH_IMAGE016
，可以看出有且只有A相上下双管对应的元素为0，因此可以根据导通模态矩阵中的0元素的位置诊断出上下双管故障情况下的故障管位置。例如如果
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，则可以判断C相上、下管断路，或者C相绕组断路。
③同一导通状态上下双管断路故障。当某个导通状态电流过大时可能会发生该模态对应的两相上、下管分别故障。以
Figure 752792DEST_PATH_IMAGE018
模态电流过大导致A相上管、B相下管断路为例，则
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为0矩阵，
Figure 219677DEST_PATH_IMAGE020
=。导通状态矩阵中有且只有A相上管、B相下管对应的元素为0，因此可以通过这点诊断出故障管的位置。
发明的有益效果：
本发明公开的无刷直流电机常见断路故障诊断方法能在无刷直流电机逆变器发生断路故障后及时检测并诊断出故障位置，可以让控制器切除故障开关管以隔离故障相，防止故障“传染”，可以方便技术人员维修更换故障开关管，还可以使系统及时切换到容错运行模式使系统继续运行。因此，本发明公开的技术在可靠性要求较高的航空、航天、汽车等行业具有具有较高的实际应用价值。同时本发明的技术没有采用复杂的数学算法，在运算速度较低的控制芯片上也能实现。
附图说明
图1是本发明实施例的无刷直流电机常见断路故障诊断系统组成框图；
图2是本发明实施例的无刷直流电机常见断路故障诊断方法流程图。
具体实施方式
如图1所示的无刷直流电机常见断路故障诊断系统组成框图，系统包括三相逆变器、无刷直流电机BLDCM、位置信号处理单元、电流采样与信号调理单元、主控单元和驱动隔离电路。主控单元接收电流采样与信号调理单元的电流信号，诊断出故障管位置和故障类型，并在LED上输出该诊断信号。
本发明实施例的无刷直流电机常见断路故障诊断方法流程图如图2所示，诊断故障时采取以下步骤：
步骤一、检测本阶段电流，确定本阶段导通状态矩阵。将无刷直流电机六个导通状态用矩阵表示为：，
Figure 664661DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 382081DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 714974DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 467029DEST_PATH_IMAGE005
，，导通状态矩阵中第一行元素分别代表A相、B相和C相上管导通状态，第二行元素分别代表A相、B相和C相下管导通状态，一个周期内的导通顺序为：
Figure 431891DEST_PATH_IMAGE007
。
检测电流时以0.2I为判断开关管是否导通的门槛值，I为电机额定电流；对于三相星形绕组，只检测任意两相电流，第三相的电流通过
Figure 565545DEST_PATH_IMAGE010
求得。
步骤二、输出故障位信号：如果本阶段电流检测信号为1，则为故障位置0，即无故障，否则故障位置1；
步骤三、求本阶段之前一个周期内的导通矩阵的和矩阵。
步骤四、通过判断和矩阵Q中0元素的个数和位置来诊断故障管的个数和位置：如果
Figure 103153DEST_PATH_IMAGE009
，则三相开关管均正常，如果和矩阵Q的元素中有且仅有第i元素为零，则第i开关管断路；如果和矩阵Q中的0元素仅位于某相上下管对应的位置，则可以判断该相上、下管断路；如果和矩阵Q的中有且只有某一个导通状态的两个元素为零，即一相上管和另一相下管对应的元素为0，则可以诊断出该导通状态对应的两个故障管的位置；如果和矩阵Q的中0元素是其他情况，则可以诊断出是其他非常见的故障。
步骤五、输出故障类型、故障管位置、故障位作为诊断结果。根据步骤四的诊断结果，输出被诊断的故障是单管断路故障、同相上下双管断路故障，同一导通状态上下双管断路故障和其他非常见故障四类故障的哪一种故障，并输出常见故障的故障管位置。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机逆变器常见断路故障诊断方法，其特征在于，诊断方法采取以下步骤：
步骤一、检测本阶段电流，确定本阶段导通状态矩阵：将无刷直流电机六个导通状态用矩阵表示为：                                                ，
Figure 874869DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 994134DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 387070DEST_PATH_IMAGE004
，，
Figure 728369DEST_PATH_IMAGE006
，导通状态矩阵中第一行元素分别代表A相、B相和C相上管导通状态，第二行元素分别代表A相、B相和C相下管导通状态，一个周期内的导通顺序为：
Figure 702141DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤二、输出故障位信号：如果本阶段电流检测信号为1，则为故障位置0，即无故障，否则故障位置1；
步骤三、求本阶段之前一个周期内的导通矩阵的和矩阵；
步骤四、通过判断和矩阵Q中0元素的个数和位置来诊断故障管的个数和位置：如果
Figure 325201DEST_PATH_IMAGE009
，则三相开关管均正常，如果和矩阵Q的元素中有且仅有第i元素为零，则第i开关管断路；如果和矩阵Q中的0元素仅位于某相上下管对应的位置，则可以判断该相上、下管断路；如果和矩阵Q的中有且只有某一个导通状态的两个元素为零，即一相上管和另一相下管对应的元素为0，则可以诊断出该导通状态对应的两个故障管的位置；如果和矩阵Q的中0元素是其他情况，则可以诊断出是其他非常见的故障；
步骤五、输出故障类型、故障管位置、故障位作为诊断结果；
所述的电流检测环节，以0.2I为判断开关管是否导通的门槛值，I为电机额定电流；对于三相星形绕组，只检测任意两相电流，第三相的电流通过
Figure 629756DEST_PATH_IMAGE010
求得。
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