CN106019055A - 矢量控制电机驱动系统逆变器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矢量控制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：根据d轴电压值判断是否发生故障；根据定子电流矢量轨迹进入圆弧部分的空间位置以及圆弧部分所占的圆周比率定位故障。本发明适用于矢量控制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

矢量控制电机驱动系统逆变器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及在线检测技术领域，具体地，涉及一种矢量控制电机驱动系统逆变器开路故障诊断方法。

背景技术

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。

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大部分是基于电流开环控制电机驱动系统，而对矢量控制驱动系统的研究很少，特别是用定子电流来做故障诊断的方法，而且这些方法多是基于电流信号的特征来检测故障。但是，由于加入电流闭环调节器的缘故，矢量控制驱动系统中的电流特性要比电流开环控制电机驱动系统复杂得多。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种矢量控制电机驱动系统逆变器开路故障诊断方法，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。

本发明通过以下技术方案来实现：

矢量控制电机驱动系统逆变器开路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，阈值选取，取阈值u_th1∈(u_d1,u_max)，u_th2∈(u_d1,u_th1)，u_th3∈(u_d1,u_max)，其中u_d1为系统正常情况下定子电压d轴分量的数值，u_max为极限幅值；

步骤2，故障检测，在每个采样周期实时检测值，当时，表明系统出现故障，令flag1＝1；

步骤3，在检测到系统故障后，在每个采样周期，计算三相电流的能量值，计算公式如公式(1)所示，直到此时令flag2＝1，

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=E_a+i_a^2\\ E_b=E_b+i_b^2\\ E_c=E_c+i_c^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，E_a、E_b、E_c分别表示三相电流的能量值，i_a、i_b、i_c分别表示三相电流，

在flag2＝1时，对采样周期计数，在每个采样周期令n＝n+1，直到令其中T_p为矢量控制系统的控制周期，P为基本电流周期，同时，当flag2＝1后，给定延时t_lag，t_lag通过公式(2)给出：

$t_{lag}=\frac{speed\_rated}{speed}\·t_{lag\_rated}---\left(2\right)$

式中，speed_rated为额定转速，speed为矢量控制系统的反馈速度，取t_{lag_rated}为ω_e是与额定转速相对应的同步角速度，n_p为电机的极对数，

在t_lag时间后，计算定子电流矢量的相角cosθ，其计算公式如公式(3)所示：

$cos\mathrm{\θ}=\frac{i_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{\α}}}^2+{i_{\mathrm{\β}}}^2}}---\left(3\right)$

式中，i_α和i_β分别是定子电流在α和β轴的分量；

步骤4，计算故障特征量，设计三个特征量函数用于故障诊断与定位：

故障特征量一：区域值N，将圆周空间等分为六个区域，分别以不同的区域值N代表，并根据电流矢量轨迹进入圆弧部分时电流矢量所在的空间位置，确定区域值N；

故障特征量二：故障类型M，M值由公式(4)给出：

$\left\{\begin{array}{c}M=1,\frac{1}{2}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{2}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=2,\frac{1}{3}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{3}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=3,\frac{1}{6}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{6}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=4,f<\mathrm{\&sigma;}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，

故障特征量三：同桥臂多管故障情况下，故障桥臂L，L值由公式(5)给出；

$\left\{\begin{array}{c}L=1,min(E_a,E_b,E_c)=E_a\\ L=2,min(E_a,E_b,E_c)=E_b\\ L=3,min(E_a,E_b,E_c)=E_c\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤5，由所得的三个故障特征量设计故障诊断表，根据故障诊断表检测并且定位故障功率管。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

(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；

(2)检测精度高，速度快，实时性高，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；

(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；对电机内部参数不敏感，抗噪声能力强。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明电机驱动系统的结构图；

图2为本发明的系统结构；

图3和图4为定子电流矢量在不同故障情况下的轨迹图；

图5为电流矢量空间区域的分块。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将通过具体实施例对本发明内容做更清晰、完整的诠释。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不局限于其公式形式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在正常情况下，定子电流矢量轨迹呈圆形，当IGBT管发生开路故障时，轨迹将相应地发生变化，如图3及图4所示。图中实线部分表示开环控制系统的定子电流矢量轨迹，虚线部分表示闭环控制系统的定子电流矢量轨迹的不规则部分，其圆弧部分与开环控制系统重合。

本发明的一种多相系统中信号流动态数据重构方法，具体包括：

步骤1，阈值选取，取阈值u_th1∈(u_d1,u_max)，u_th2∈(u_d1,u_th1)，u_th3∈(u_d1,u_max)，其中u_d1为系统正常情况下定子电压d轴分量的数值，u_max为极限幅值，u_th2、u_th3分别为轨迹进入圆弧部分和结束圆弧部分的两个临界值；

步骤2，故障检测，在每个采样周期实时检测值，当时，表明系统出现故障，令flag1＝1；

步骤3，在检测到系统故障后，在每个采样周期，计算三相电流的能量值，计算公式如公式(1)所示，直到此时令flag2＝1，

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=E_a+i_a^2\\ E_b=E_b+i_b^2\\ E_c=E_c+i_c^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，E_a、E_b、E_c分别表示三相电流的能量值，i_a、i_b、i_c分别表示三相电流，

在flag2＝1时，对采样周期计数，在每个采样周期令n＝n+1，直到令其中T_p为矢量控制系统的控制周期，P为基本电流周期，同时，当flag2＝1后，给定延时t_lag，t_lag通过公式(2)给出：

$t_{lag}=\frac{speed\_rated}{speed}\&CenterDot;t_{lag\_rated}---\left(2\right)$

式中，speed_rated为额定转速，speed为矢量控制系统的反馈速度，取t_{lag_rated}为ω_e是与额定转速相对应的同步角速度，n_p为电机的极对数，

在t_lag时间后，计算定子电流矢量的相角cosθ，其计算公式如公式(3)所示：

$cos\mathrm{\&theta;}=\frac{i_{\mathrm{\&alpha;}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{\&alpha;}}}^2+{i_{\mathrm{\&beta;}}}^2}}---\left(3\right)$

式中，i_α和i_β分别是定子电流在α和β轴的分量；

步骤4，计算故障特征量，设计三个特征量函数用于故障诊断与定位：

故障特征量一：定子电流矢量轨迹进入弧线部分时对应的区域值N，N值由表1确定，

表1

图5为电流矢量空间区域的分块，将圆周空间等分为六个区域，分别以不同的区域值N代表，根据轨迹进入圆弧部分时所在的区域位置，可以对故障进行初步定位，如表2所示，再根据圆弧部分所占的圆周比率定位故障类型，故障类型包括四类:单管故障、第一类双管故障(故障管处于同一桥臂)、第二类双管故障(故障管在不同桥臂上，且一个处于桥臂上方，一个处于桥臂下方)、第三类双管故障(故障管处于不同桥臂，且同在桥臂上方或下方)。针对单桥臂双管故障的特殊情况，辅助以各桥臂电流能量计算的方法进行定位，

表2

故障特征量二：故障类型M，M值由公式(4)给出：

$\left\{\begin{array}{c}M=1,\frac{1}{2}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{2}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=2,\frac{1}{3}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{3}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=3,\frac{1}{6}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{6}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=4,f<\mathrm{\&sigma;}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，

故障特征量三：同桥臂多管故障情况下，故障桥臂L，L值由公式(5)给出；

$\left\{\begin{array}{c}L=1,min(E_a,E_b,E_c)=E_a\\ L=2,min(E_a,E_b,E_c)=E_b\\ L=3,min(E_a,E_b,E_c)=E_c\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤5，由所得的三个故障特征量设计故障诊断表，并根据故障诊断表检测并且定位故障功率管，如表3所示，

表3

本发明一种多相系统中信号流动态数据重构方法在传统信号处理技术之前添加信号预处理技术，即信号流数据动态重构，以达到消除相相信号流间相位、幅值不均衡，谐波，噪声的影响，相对于现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：

1，作为一种信号预处理技术，在多相系统信号流数据挖掘中尚属空白；

2，可以消除信号流间相位、幅值不均衡，谐波噪声对信号处理的影响；

3，算法简单，用C语言链表易于实现。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (1)

1.矢量控制电机驱动系统逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，阈值选取，取阈值u_th1∈(u_d1,u_max)，u_th2∈(u_d1,u_th1)，u_th3∈(u_d1,u_max)，其中ud1为系统正常情况下定子电压d轴分量的数值，u_max为极限幅值；

步骤(2)，故障检测，在每个采样周期实时检测直流母线的参考电压值当时，表明系统出现故障，令flag1＝1；

步骤(3)，在检测到系统故障后，在每个采样周期，计算三相电流的能量值，计算公式如公式(1)所示，直到此时令flag2＝1，

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=E_a+i_a^2\\ E_b=E_b+i_b^2\\ E_c=E_c+i_c^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，E_a、E_b、E_c分别表示三相电流的能量值，i_a、i_b、i_c分别表示三相电流，

在flag2＝1时，对采样周期计数，在每个采样周期令n＝n+1，直到令其中T_p为矢量控制系统的控制周期，P为基本电流周期，同时，当flag2＝1后，给定延时t_lag，t_lag通过公式(2)给出：

$t_{lag}=\frac{speed\_rated}{speed}\&CenterDot;t_{lag\_rated}---\left(2\right)$

式中，speed_rated为额定转速，speed为矢量控制系统的反馈速度，取t_{lag_rated}为ω_e是与额定转速相对应的同步角速度，n_p为电机的极对数，在t_lag时间后，计算定子电流矢量的相角cosθ，其计算公式如公式(3)所示：

$cos\mathrm{\&theta;}=\frac{i_{\mathrm{\&alpha;}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{\&alpha;}}}^2+{i_{\mathrm{\&beta;}}}^2}}---\left(3\right)$

式中，i_α和i_β分别是定子电流在α和β轴的分量；

步骤(4)，计算故障特征量，设计三个特征量函数用于故障诊断与定位：

故障特征量一：区域值N，将圆周空间等分为六个区域，分别以不同的区域值N代表，并根据电流矢量轨迹进入圆弧部分时电流矢量所在的空间位置，确定区域值N；

故障特征量二：故障类型M，M值由公式(4)给出：

$\left\{\begin{array}{c}M=1,\frac{1}{2}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{2}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=2,\frac{1}{3}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{3}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=3,\frac{1}{6}-\mathrm{\&sigma;}<f<\frac{1}{6}+\mathrm{\&sigma;}\\ M=4,f<\mathrm{\&sigma;}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，

故障特征量三：同桥臂多管故障情况下，故障桥臂L，L值由公式(5)给出；

$\left\{\begin{array}{c}L=1,min(E_a,E_b,E_c)=E_a\\ L=2,min(E_a,E_b,E_c)=E_b\\ L=3,min(E_a,E_b,E_c)=E_c\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤(5)，由所得的三个故障特征量设计故障诊断表，根据故障诊断表检测并且定位故障功率管。