CN106019058A - 一种基于相电流分析的三相全桥逆变器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种通过分析三相电流波形来诊断和定位三相全桥逆变器开路故障的方法。本发明方法在硬件上仅需增加三个电流传感器，来获取无刷直流电机运行时的三相相电流，然后计算一个电周期内每相电流每隔60电角度的电流有效值，将每个电周期内三相电流的有效值按顺序排成此状态下的诊断矩阵，根据诊断矩阵中0元素个数来检测是否发生开路故障，并与开路故障状态的诊断矩阵进行对比，即可定位出故障功率管。此方法无需复杂的信号处理方法，提高了故障诊断的正确率。

Description

一种基于相电流分析的三相全桥逆变器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电机驱动和变流器技术领域，特别涉及一种基于相电流分析的三相全桥逆变器开路故障诊断和定位方法。

背景技术

无刷直流电机(BLDCM)采用电子换相代替了传统有刷电机的电刷和换向器；并具有结构简单，调速性能优越，功率密度高等优势，使得其在各个工业领域内均有广泛的应用，尤其是在航空航天，武器装备，天线雷达等精密度高，电磁环境复杂的应用领域内。

逆变器是无刷直流电机驱动系统中最重要的部分，其中的功率开关管能将直流电转换成所需交流电。但由于外界可能出现强烈的电磁干扰，逆变器的功率开关管会出现短路和开路等故障。对于短路故障而言，通常由硬件电路可在微秒级的时间内进行保护处理；而对于开路故障，多数情况下不会立刻导致系统停机，但会引起其他器件发生二次故障，最终导致系统无法正常工作。因此，逆变器开路故障诊断和定位技术，可以在故障发生初期识别并准确定位故障，同时也为后续故障隔离、切除，甚至系统重构运行以及健康管理工作打下了基础。

对于逆变器开路故障检测参数的不同，主要分为电流检测法和电压检测法。目前研究出的方法中，有的不能适应方波驱动的无刷直流电机的故障检测，有的数学方法过于复杂，需要高性能的处理器或者需要过多的硬件电路，不但增加了系统成本、体积和复杂性，实际应用价值并不高，而且由于外界电磁环境复杂多变，导致出现误诊断和虚警率高等严重问题，极大地影响了诊断系统的可靠性。因此，现有技术中的逆变器开路诊断方法具有局限性。

随着电力电子技术的不断发展，各种电器设备之间的电磁干扰问题也日益严重，快速安全有效地诊断出逆变器开路故障，对于整个系统驱动的安全可靠运转有着非常重要的意义。

为了在开路故障发生时快速准确地检测并定位出故障功率管，现有技术或者是采取复杂的信号提取和数学处理方法；或者是采用增加外部硬件检测电路的方式来进行诊断。但这样做，会增加整个系统的复杂性，大大提高系统成本，降低可靠性。还有些方法只能诊断和定位逆变器功率管单管开路时的故障，导致这些方法有很大的局限性，从而限制了其实际应用。

传统的三相全桥逆变器开路故障诊断方法，硬件上需要增加外围电路，用来采集和调理电压、电流等模拟量；由于需要在短时间内处理大量数据，诊断系统需要额外增加高性能的故障诊断芯片；软件上还需要通过编程，在故障诊断芯片上实现复杂的信号提取和处理算法。一般三相全桥逆变器开路诊断方法的原理图如图1所示。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决传统的故障诊断系统复杂、可靠性低，为满足无刷直流电机驱动系统快速准确、简单可靠地进行故障诊断和定位的需求。本发明提出了一种基于相电流分析的三相全桥逆变器开路故障诊断方法。

技术方案

一种基于相电流分析的三相全桥逆变器开路故障诊断方法，其特征在于在逆变器输出端增加三个电流传感器采样三相相电流的值，包括如下步骤：

步骤1：分别计算A相电流i_a、B相电流i_b、C相电流i_c在一个电周期内每隔60电角度的电流有效值，电流有效值的计算公式为：

其中，代表ABC三相相电流的一个周期内每隔60电角度的有效值；x为相电流序号，取值为a，b，c；θ为电角度，取值范围0°～360°；θ₀为起始电角度，取值为0°，60°，120°，180°，240°和300°；

步骤2：分别对进行单位化处理，得到A相电流的诊断序列为是相电流幅值的绝对值；B相电流的诊断序列C相电流的诊断序列将得到的A、B、C三相电流诊断序列按顺序组合成故障诊断矩阵

步骤3：计算出该诊断矩阵D中的0元素个数i：如果i为6，将诊断矩阵D与诊断矩阵比较，若一致则可以断定此时没有开路故障；若不一致，则此时发生非开路故障；如果i不为6，则可以推断此时有可能出现了功率管开路故障；

步骤4：如果i为14，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了I类故障，并可以定位出故障的功率管；如果i为12，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了II类故障，并可以定位出故障的功率管；如果i为10，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了III类故障，并可以定位出故障的功率管；如果表1中没有和此时诊断矩阵完全一致的矩阵，则说明此时发生非开路故障；

表1逆变器开路故障诊断矩阵

有益效果

本发明提出的一种通过分析三相电流波形来诊断和定位三相全桥逆变器开路故障的方法(本方法可以用来诊断单管和双管开路故障，但不适用于三只及三只以上功率管开路故障的诊断)。本发明方法在硬件上仅需增加三个电流传感器，来获取无刷直流电机运行时的三相相电流，然后计算一个电周期内每相电流每隔60电角度的电流有效值，将每个电周期内三相电流的有效值按顺序排成此状态下的诊断矩阵，根据诊断矩阵中0元素个数来检测是否发生开路故障，并与开路故障状态的诊断矩阵进行对比，即可定位出故障功率管。此方法无需复杂的信号处理方法，提高了故障诊断的正确率。

本发明能够达到如下效果：

1)通过分析电机的相电流波形进行故障诊断，成本低，简单可靠，具有一定工程实用价值；

2)优化了硬件调理电路，并用较简单的处理方法提取出了相电流的诊断矩阵，无需增加高性能处理芯片，就能快速诊断出是否发生了开路故障，并定位出故障的功率管

3)将故障诊断系统和驱动控制系统合二为一，简化了芯片之间的通讯机制，能快速地将诊断结果输出，为实现系统故障保护功能提供了基础。

附图说明

图1传统的三相全桥逆变器开路故障诊断原理图

图2本发明三相全桥逆变器故障诊断原理图

图3无刷直流电机正常工作时相电流波形

图4功率管开路故障诊断定位流程图

图5一个电周期T1、T3管开路时相电流波形

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的原理框图如图2所示。其中传感器实时采样电机工作时的三相相电流，并将电流采样值传递给有效值(RMS)转换模块；RMS模块的作用是计算三相相电流每个电周期内每隔60电角度的电流有效值；由电平转换模块再将RMS模块的输出转换成高低电平，并有序排列成此状态下的诊断矩阵，根据矩阵中0元素个数i来判断是否发生了开路故障，再与各类故障时的诊断矩阵相对比，来定位出故障功率管，得出诊断结果；最后，驱动系统控制芯片根据诊断结果实现系统故障隔离或保护。可以看出，本发明方法与一般诊断方法相比，减少了大量的硬件调理电路和故障诊断芯片，将故障诊断部分的算法以代码的形式集成在驱动系统控制芯片当中，从而将故障诊断系统和驱动控制系统合为一体，优化了两块芯片之间的通讯机制，简化了系统的结构。

无刷直流电机绕组采用星形接法，每一时刻有两相导通，当逆变器无故障时，三相相电流波形如图3所示。如果忽略相电流建立过程和续流时的非线性波动，令相电流幅值为I_s，则三相电流可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_s(1,1,0,-1,-1,0)\\ i_b=I_s(-1,0,1,1,0,-1)\\ i_c=I_s(0,-1,-1,0,1,1)\end{array}\right.---\left(1\right)$

用矩阵的形式可以表示成：

$\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=I_s\left(\begin{array}{cccccc}1& 1& 0& -1& -1& 0\\ -1& 0& 1& 1& 0& -1\\ 0& -1& -1& 0& 1& 1\end{array}\right)---\left(2\right)$

称式(2)中3行6列的矩阵为A，其中元素1、0、-1代表相电流单位幅值。称A为此状态下的相电流矩阵，即：

$A=\left(\begin{array}{cccccc}1& 1& 0& -1& -1& 0\\ -1& 0& 1& 1& 0& -1\\ 0& -1& -1& 0& 1& 1\end{array}\right)---\left(3\right)$

对A矩阵中每个元素取绝对值，便可得到对应的诊断矩阵D，即：

$D=\left(\begin{array}{cccccc}1& 1& 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 1& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 0& 1& 1\end{array}\right)---\left(4\right)$

则(4)式对应的诊断矩阵为逆变器无故障时的诊断矩阵，其中0元素有6个。同理可以得出逆变器发生开路故障时的诊断矩阵，如表1所示。逆变器双管上(下)桥臂开路故障或者双管同一桥臂开路故障称为I类故障；逆变器双管不同桥臂开路故障称为II类故障；逆变器单管开路故障称为III类故障。其中I类故障诊断矩阵中0元素有14个，II类故障诊断矩阵中0元素个数有12个，III类故障诊断矩阵中0元素有10个。

表1逆变器开路故障诊断矩阵

下面详细叙述本发明方法故障诊断和定位的步骤，其流程图如图4所示：

1)A相电流i_a＝I_s(1,1,0,-1,-1,0)经过电流传感器采样得到三相相电流的值，将三相相电流的值输入到RMS模块，完成一个电周期内每隔60电角度的电流有效值的计算，计算结果为

计算公式为：其中，代表ABC三相相电流的一个周期内每隔60电角度的有效值；x为相电流序号，取值为a，b，c；θ为电角度，取值范围0°～360°；θ₀为起始电角度，取值为0°，60°，120°，180°，240°和300°。

2)电平转换模块对RMS模块的计算结果进行单位化处理，即将表达式中每个非零元素除以该元素的模，得到A相电流的诊断序列(即诊断矩阵的第一行)。以1)、2)的方法对B、C两相电流做同样的处理，可以得到这两相电流的诊断序列 将得到的A、B、C三相电流诊断序列按顺序组合成故障诊断矩阵

3)计算出该诊断矩阵D中的0元素个数i。如果i为6，将此时诊断矩阵与(4)式诊断矩阵比较，若一致则可以断定此时没有开路故障，若不一致，则此时发生非开路故障；如果i不为6，则可以推断此时有可能出现了功率管开路故障。

4)如果i为14，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了I类故障，并可以定位出故障的功率管；如果i为12，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了II类故障，并可以定位出故障的功率管；如果i为10，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了III类故障，并可以定位出故障的功率管。如果表1中没有和此时诊断矩阵完全一致的矩阵，则说明此时发生非开路故障。

假设无刷直流电机工作在转速和电流双闭环的控制策略下，电机由起动运行至稳态后(此稳态是指电机运行在实际转速等于给定转速时的状态)，逆变器功率管T₁、T₃发生开路故障，电机持续运转，下面运用本发明提出的方法，来诊断这个故障并定位故障的功率管。

故障发生前，三相电流波形如图3所示。三相相电流为然后经过RMS模块，计算出一个电周期内每隔60电角度的三相相电流有效值为

三相相电流有效值通过电平转换模块，并按照一定顺序排列组成此状态下的诊断矩阵计算出该诊断矩阵中的0元素个数i为6。

然后将此时诊断矩阵与(4)式逆变器无故障时的诊断矩阵比较，如果二者一致，则可以断定此时没有发生开路故障；如果二者不一致，则此时发生了非开路故障。经过比较发现二者一致，此时没有开路故障。

电机运行至转速稳定后，设置逆变器功率管T₁、T₃发生开路故障。此时，三相电流波形如图5所示。三相电流为然后经过RMS模块，计算出一个电周期内每隔60电角度的三相电流有效值为

三相相电流有效值通过电平转换模块，并按照一定顺序排列组成此状态下的诊断矩阵计算出该诊断矩阵中的0元素个数i为14，认为此时有可能发生了I类故障。

将此时诊断矩阵与表1中故障诊断矩阵比较，如果表1中有故障诊断矩阵与此时诊断矩阵一致，则说明发生了I类故障，并可由此定位出故障功率管；如果表1中没有故障诊断矩阵与此时的诊断矩阵一致，则说明发生了非开路故障。对比发现：此诊断矩阵与表1中I类故障T₁、T₃管开路时的故障诊断矩阵一致，则可以断定此时发生了I类故障，并且开路功率管为T₁和T₃。

如图2所示，得到开路故障诊断结果后，将诊断结果T₁、T₃管开路传递给驱动系统控制芯片的电机控制部分，驱动系统控制芯片收到诊断结果后，立即进入故障处理模式，停止PWM斩波并封锁逆变器六只功率管的驱动信号，使得加在电机两端的端电压为0V，电机转速由稳态时的额定转速迅速下降至0r/min。这样便完成了开路故障后电机停机工作，防止了由于开路故障可能对系统造成的二次破坏，实现了故障状态下的系统保护功能。

Claims (1)

1.一种基于相电流分析的三相全桥逆变器开路故障诊断方法，其特征在于在逆变器输出端增加三个电流传感器采样三相相电流的值，包括如下步骤：

步骤1：分别计算A相电流i_a、B相电流i_b、C相电流i_c在一个电周期内每隔60电角度的电流有效值，电流有效值的计算公式为：

其中，代表ABC三相相电流的一个周期内每隔60电角度的有效值；x为相电流序号，取值为a，b，c；θ为电角度，取值范围0°～360°；θ₀为起始电角度，取值为0°，60°，120°，180°，240°和300°；

步骤2：分别对进行单位化处理，得到A相电流的诊断序列|I_s|为是相电流幅值的绝对值；B相电流的诊断序列C相电流的诊断序列将得到的A、B、C三相电流诊断序列按顺序组合成故障诊断矩阵

步骤3：计算出该诊断矩阵D中的0元素个数i：如果i为6，将诊断矩阵D与诊断矩阵比较，若一致则可以断定此时没有开路故障；若不一致，则此时发生非开路故障；如果i不为6，则可以推断此时有可能出现了功率管开路故障；

步骤4：如果i为14，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了I类故障，并可以定位出故障的功率管；如果i为12，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了II类故障，并可以定位出故障的功率管；如果i为10，并在表1中可以找到完全一致的诊断矩阵，则可以断定出发生了III类故障，并可以定位出故障的功率管；如果表1中没有和此时诊断矩阵完全一致的矩阵，则说明此时发生非开路故障；

表1逆变器开路故障诊断矩阵