CN104965148B - 一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法,属于在线检测技术领域。本发明包括:计算滑动窗口宽度,并实时计算滑动窗口定义的三相电流的2个等位点函数的函数值Pn、Fn及其残差 若残差不相等,则判断故障发生,然后根据等位点函数判据将故障分类为四大类;根据等位点函数的正负取值及其对应残差的取值与相应阈值的比较结果实现对故障具体定位。本发明适用于电机驱动系统中逆变器任意单管和任意双管开路故障的诊断,具有成本低、检测精度高、速度快、实时性高、鲁棒性好以及抗干扰能力强的优点。

Description

一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于在线检测技术领域,更具体地,涉及一种电机驱动系统中逆变器功率 管开路故障实时检测方法。
背景技术
[0002] 目前,交流电机作为电能和机械能转换的装置,在航空航天、军事、工业、机车牵引 系统及船舶等领域得到了广泛的应用,呈现完全取代直流电机的趋势。逆变器作为交流电 机驱动系统中的核心部件,是驱动系统中最容易发生故障的薄弱环节,其中功率管由于高 频开通、关断造成的开路故障尤为显著,直接影响电机驱动系统的正常运行。针对逆变器功 率管的开路故障提出实时有效的检测、定位和隔离的方法,提供实时有效的信息给后续的 容错控制策略,对提高电机驱动系统的可靠性具有重要的工程应用价值。
[0003] 当前已出版的文献中,关于逆变器功率管开路故障实时检测方法有三种:1、基于 电机模型,设计观测器,若观测器的输出和实际系统输出的残差大于设定的阈值,则判断系 统发生故障。这种方法很大程度依赖于电机参数,在实际运行中电机的参数是变化的不确 定的,因此这种方法在工程应用中存在一定的不足;2、基于检测电压的方法,根据故障功率 管电压畸变的特性,进行快速实时的检测和定位,这一类方法需要在硬件上添加相应的传 感器以及检测电路,提高了监控系统的成本;3、基于检测电流的方法,根据逆变器输出的三 相电流,分别在坐标系和d_q坐标系中分析系统故障机理,进行快速实时的检测和定位, 这类方法需要估算同步旋转角,估算误差会影响检测精度。
发明内容
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供一种电机驱动系统中逆变器功 率管开路故障实时检测方法,其目的在于改善已有的功率管开路故障实时检测方法,提高 检测速度,增强算法鲁棒性,降低检测成本。本发明能够实时检测出任意一个或者两个功率 管发生的开路故障的情况,并可以精确定位故障功率管。本发明适用于同步电机、异步电机 电流闭环或者开环控制策略的系统,并对5相(多相)电机的驱动系统功率管开路故障的在 线检测具有指导意义。
[0005] 本发明提供一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法,包括以下 步骤:
[0006] 步骤1计算滑动窗口的宽度
Figure CN104965148BD00051
I其中,T表示电网的供电周期,TS表示 电流环的采样周期,η表示电机转子转速,p表示电机的极对数;
[0007] 步骤2实时计算三相电流对应的等位点函数的函数值及其相应的残差,所述等位 点函数为:
[0008]
Figure CN104965148BD00052
[0009]
Figure CN104965148BD00061
[0010] 其中,in (k)表示离散系统采样时刻k的电流值;Ko表示一个接近0的阈值;a、b、c表 示逆变器三相输出电流;
[0011] 所述等位点函数的残差为:
[0012]
Figure CN104965148BD00062
[0013] 步骤3根据逆变器三相的残差片是否相等以判断故障是否发生;
[0014] 步骤4根据等位点函数的取值及其对应残差的取值与相应阈值的比较结果实现对 故障功率管的定位。
[0015] 总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效 果:
[0016] (1)成本低,本发明适用于任何采用矢量控制策略的系统中,不需要额外的电压传 感器;也适用于三相电机电流开环控制系统中逆变器功率管开路故障诊断;
[0017] (2)检测精度高,速度快,实时性高。本发明能够实时准确的检测变频器中任意单 管或者双管开路故障和二次故障;
[0018] (3)鲁棒性好,抗干扰能力强。电机启动、变速、突加或者突减负载等动态过程不会 对本发明的故障诊断结果产生消极影响;且该方案对电机内部参数不敏感,抗噪声能力强;
[0019] ⑷实现简单,本发明可以作为一个子程序嵌入到控制程序中,不影响也无需修改 控制程序。
附图说明
[0020] 图1为本发明逆变器的拓扑结构;
[0021] 图2为本发明电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法的流程图。
具体实施方式
[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0023] 图1所示为本发明中电机驱动系统三相电压源逆变器的拓扑结构,忽略功率管 (IGBT)的非线性工作曲线,在健康或者故障状态下,6个功率管Tl〜T6全部或者部分在拓扑 结构上存在对称性,其中Ud是直流侧电压,C1X2是直流链电容,01、02、03、04、05、06分别为 各功率管附带的二极管,ia、ib、ic为三相输出电流。
[0024] 图2所示为本发明电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法的流程 图,利用滑动窗口实时计算,具体包括以下步骤:
[0025] 步骤1根据滑动窗口计算公式求取滑动窗口的宽度L,其具体的计算公式为
Figure CN104965148BD00063
,其中,T表示电网的供电周期,TS表示电流环的采样周期,η表示电机转子 转速,P表示电机的极对数,滑动窗口的宽度L在数值上等于供电周期内的电流采样次数。
[0026] 步骤2实时计算三相电流对应的等位点函数的函数值及其相应的残差。
[0027] 在如图1所示的离散控制系统中,采用周期是Ts。逆变器输出的电流是周期性的且 周期为T。这里,假设A和B是逆变器拓扑结构中任意两个点,k时刻经过这两个点的电流为ia (k)、ib (k),电流的周期为Ta、Tb,且Ta=Tb = T。若存在如下所示的函数:
[0028]
Figure CN104965148BD00071
(1)
[0029] 如果A、B两个点的描述函数存在如下关系:
[0030] fA (k+1) I = I fB (k+1) (2)
[0031] 则A、B被定义为等位点,f被定义为等位点函数。若fA (k+1) =fB (k+1),贝IjA和B正对 称,描述符号为‘+’ ;若fA(k+l) =_fB(k+l),则A和B反对称,描述符号为。
[0032] 本发明主要研究的是逆变器功率管任意单管开路故障和任意双管故障,其中,根 据故障下拓扑结构的相似性,将故障分成四大类:单管故障(FAULT_1),同桥臂双管故障 (FAULT_2),同在上管或者同在下管双管故障(FAULT_3),分别在上下管但不同桥臂双管故 障(FAULT_4)。这四类故障逆变器功率管拓扑结构的对称性如表1所述。
[0033] 下表1是提出的等位点与对应功率管健康、故障状态的映射表。例如,在故障类型 为FAULT_1,若Nb、N。为等位点,且为正对称,则故障功率管为Tl或者T2。
[0034]
Figure CN104965148BD00072
[0035] 表1
[0036] 在本发明实施例中,为了分析拓扑结构的对称性,定义了2个等位点函数Pn 〇〇和?„ (k),如下所示:
[0037]
Figure CN104965148BD00073
(3)
[0038]
Figure CN104965148BD00081
(4)
[0039] 其中,in (k)表示离散系统采样时刻k的电流值;Ko表示一个接近0的阈值;a、b、c表 示逆变器三相输出电流。公式⑶描述了每个电流采样是否在0附近。公式⑷描述了一个采 样周期中,电流值在0附近的点数占所有采样点数的百分比。
Figure CN104965148BD00082
[0043] 公式⑶描述的是一个采样周期所有电流采样点之和。公式(6)描述的是一个采样 周期所有电流采样点绝对值之和。公式(7)是第二个等位点函数,是(5)、(6)比值的积分均 值,描述的是故障功率管的位置在上管还是下管。
[0044] 在本发明实施例中,同时定义了描述等位点函数的残差:
Figure CN104965148BD00083
[0047] 其中,a、b、c表示逆变器三相输出电流。
[0048] 上述定义的2个等位点函数及其残差可以用来描述逆变器功率管拓扑结构上的对 称性,如表1所示。
[0049] 步骤3根据逆变器三相的残差Z?,1是否相等判断故障是否发生。
[0050] 在健康状态下Na、Nb、Nc对应的等位点函数Pa、Pb、Pc近似相等,桥臂间的残差
Figure CN104965148BD00084
近似相等且为〇,当且仅当有功率管发生开路故障的时候才会改变这种关系。故 障检测过程如公式(10)所描述:
[0051]
Figure CN104965148BD00085
(10)
[0052] 步骤4在故障发生以后,根据等位点函数的取值及其对应残差的取值与相应阈值 的比较结果实现对故障功率管的定位。
[0053] 在本发明实施例中,针对逆变器功率管的故障特性,将故障分成四大类,对四大类 的故障分别用如下公式来描述:
[0054] 当FAULT_1故障发生时,故障管处于开通状态的输出电流全为0或在0附近,而故障 管处于关断状态的输出电流不在〇附近。其他两相正常的桥臂拓扑结构对称,两桥臂间等位 点函数残差为〇,如公式(11)描述:
[0055]
Figure CN104965148BD00091
.(11)
[0056] 当FAULT_2故障发生时,通过故障桥臂的电流几乎为0,其他两个正常的桥臂拓扑 结构对称,如公式(12)描述:
[0057]
Figure CN104965148BD00092
(12)
[0058] 当FAULT_3故障发生时,两个有故障管的桥臂反对称,两桥臂间的等位点函数残差 近似为〇,且符号相反,如公式(13)描述:
[0059]
Figure CN104965148BD00093
(13)
[0060] 当FAULT_4故障发生时,两个有故障管的桥臂对称,两桥臂的等位点函数残差近似 为〇,且符号相同,如公式(14)所描述:
[0061]
Figure CN104965148BD00094
(14)
[0062] 在本发明实施例中,涉及5个阈值参数,阈值参数的取值范围可以查询表2,其中:
[0063] Ko用于表征电流接近0,通常取感应电机额定电流的5%-10%。
[0064] Kdet用于表征等位点函数残差接近0,用于反应物理拓扑结构的对称性。
[0065] Kfl用于表征单管故障电流半周期为0。
[0066] Kf2用于表征同桥臂双管故障电流全周期为0。
[0067] Km用于表征故障功率管为桥臂的上管或者下管。
[0068]
Figure CN104965148BD00095
[0069] 表2
[0070] 在本发明实施例中,故障诊断表如下表3所示,第一列为故障大类,第二列为等位 点,第三列为符号,第四列为故障大类的判定准则,第五列为故障具体定位的判定准则,第 六列为故障功率管,第七列为故障类型。例如:当残差
Figure CN104965148BD00096
存在大于Kde3t时,则检测系 统出现故障。若Ra1SKdet且Kfl<Pa<Kf2,则为FAULT_1大类故障(单管故障),且故障发生在A 相桥臂上,若Fa<_Km,则故障定位在A相桥臂上管,S卩Tl故障,反之,若Fa>Km,则故障定位在 A相桥臂下管,即T2故障。同样,若Ra1SKdet且Pa>Kf2,则为FAULT_2大类故障侗桥臂双管故 障),且不管其他因素,故障发生在A相桥臂中,S卩T1T2管故障。
[0071;
Figure CN104965148BD00101
[0072] 表3
[0073] 本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以 限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含 在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法,其特征在于,包括: 步骤1计算滑动窗口的宽度
Figure CN104965148BC00021
,其中,T表示电网的供电周期,1^表示电流 环的米样周期,η表不电机转子转速,p表不电机的极对数; 步骤2实时计算三相电流对应的等位点函数的函数值及其相应的残差,所述等位点函 数为:
Figure CN104965148BC00022
其中,in CO表示离散系统采样时刻k的电流值;Ko表示一个接近O的阈值;a、b、c表示逆 变器三相输出电流; 所述等位点函数的残差为:
Figure CN104965148BC00023
步骤3根据逆变器三相的残差爽是否相等以判断故障是否发生; 步骤4根据等位点函数的取值及其对应残差的取值与相应阈值的比较结果实现对故障 功率管的定位。
2. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤2中,若等位点函数Pn⑹=Fn (j)则 为正对称,描述符号为+,若等位点函数Pn⑹=-Fn (j)则为反对称,描述符号为_。
3. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤3中,若
Figure CN104965148BC00024
不成立,则判断 有功率管故障发生。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的方法,其特征在于,所述步骤4中根据以下公式判断 所述功率管故障类型:
Figure CN104965148BC00025
其中,FAULT_1表示单管故障;FAULT_2表示同桥臂双管故障;FAULT_3表示同在上管或 者同在下管双管故障;FAULT_4表示分别在上下管但不同桥臂双管故障;Kfl用于表征单管故 障电流半周期为〇;Kf2用于表征同桥臂双管故障电流全周期为O5Kde3t用于表征等位点函数残 差接近0,用于反应物理拓扑结构的对称性。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法,其特征在于,所述步骤4中根据下表进行对故 障功率管的定位:
Figure CN104965148BC00031
其中,FAULT_1表示单管故障;FAULT_2表示同桥臂双管故障;FAULT_3表示同在上管或 者同在下管双管故障;FAULT_4表示分别在上下管但不同桥臂双管故障;Kfl用于表征单管故 障电流半周期为〇;Kf2用于表征同桥臂双管故障电流全周期为0;Kd(3t用于表征等位点函数残 差接近0,用于反应物理拓扑结构的对称性;Km用于表征故障功率管为桥臂的上管或者下 管。
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