CN106908722A - 一种开关磁阻电机的相电流故障的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种开关磁阻电机的相电流故障的诊断方法属于电机电流故障诊断领域，涉及一种开关磁阻电机的相电流故障的诊断方法。诊断方法是通过在微控制器中安装特殊编制的开关磁阻电机控制程序和开关磁阻电机相电流故障诊断程序，利用电流检测单元和位置检测单元提取开关磁阻电机各种状态下的相电流特征值，针对电机所处的不同状态，采取相应的方法进行相电流故障的诊断。诊断方法通过提取不同运行状态下开关磁阻电机的相电流特征值，可以实现全面的开关磁阻电机相电流故障诊断与保护；利用特制的软件实现，算法简单可靠，不需额外增加硬件具有良好的工程应用价值。本发明适用于不同相数、各种结构的开关磁阻电机电流检测故障诊断。

Description

一种开关磁阻电机的相电流故障的诊断方法

技术领域

本发明属于电机电流故障诊断领域，涉及一种开关磁阻电机的相电流故障的诊断方法，采用特制的软件实现，不需增加额外硬件，适合对不同相数开关磁阻电机的相电流故障的诊断方法。

背景技术

开关磁阻电机的工作电源是直流电，正常工作时，相绕组中流过断续的脉动直流电流。定子绕组的相电流是控制开关磁阻电机所需的重要参数，现阶段相电流检测的方法主要为电流传感器检测。有多方面的原因可能引起开关磁阻电机相电流故障，包括电流传感器受干扰或是因故障损坏、电流检测与信号处理电路损坏、电流传感器引线接触不良或是引线脱落等；或是位置传感器安装位置精度不够，导致各相电流不平衡。

如开关磁阻电机系统发生相电流故障，必然影响开关磁阻电机的正常运行，导致其出力减小、效率降低、噪声和振动激增，严重时还会损坏控制系统。尤其是在开关磁阻电机起动过程中，如果出现某相电流检测结果始终为零的故障，在该相绕组通电时，该相绕组电流不受控制地增大，导致功率开关器件损毁。所以，开关磁阻电机控制系统必须具备完善的电流故障诊断方法，以保证开关磁阻电机调速系统的运行可靠性。

然而，目前开关磁阻电机调速控制系统的电流故障诊断方法并不完善，主要表现在，现有开关磁阻电机系统的电流故障诊断大部分都是基于电流检测与信号调理电路无故障的条件下进行的，如过电流保护、短路保护、堵转保护等，都需要将检测信号与给定信号相比较后做出判断，对电流检测信号缺失则无能为力。有的系统虽然可以对电流检测信号缺失进行简单的判断，但它是基于检测信号始终为0来做出判断的，对于检测信号始终为恒值的这种电流故障则无法诊断。此外，开关磁阻电机位置传感器的安装精度，直接影响到电机各相电流是否平衡，相电流不平衡也是开关磁阻电机常见故障，但目前现有系统对这种故障几乎都没有考虑。总之，目前尚没有形成适用于开关磁阻电机的全面有效的相电流故障诊断方法，缺少对相电流故障的全面分析，没有建立起基于开关磁阻电机的相电流特征值的故障诊断方法。

中国专利公报公布了发明人文彦东等人的“一种电机相电流预测与诊断方法”专利，申请号为CN104242774A，公布日：2014.12.24。该方法通过检测到电流过零时刻，计算任意一相电流下一采样时刻的电流预测值和其他相电流在本采样时刻的电流预测值，然后利用各相电流采样值与电流预测值之间的偏差对电流传感器进行故障诊断，并对传感器信号的准确度和可信性进行检查。这种方法较好地利用了相电流的特征值，能够对电机的相电流故障做出全面的诊断，但这种方法仅适用于普通交流电机，且还存在一个缺点，即在电机起动过程中无法及时诊断相电流故障并进行保护。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明了一种开关磁阻电机的相电流故障的诊断方法，诊断方法是通过在微控制器中安装特殊编制的开关磁阻电机控制程序和开关磁阻电机相电流故障诊断程序，利用电流检测单元和位置检测单元提取开关磁阻电机各种状态下的相电流特征值，采取适合的方法进行相电流故障的诊断。实现了开关磁阻电机从待机、到起动、再到运行的全过程相电流故障诊断，完善开关磁阻电机调速系统的保护功能。

本发明的技术方案是一种开关磁阻电机相电流故障的诊断方法，其特征是，诊断方法是通过在微控制器1中安装特殊编制的开关磁阻电机控制程序和开关磁阻电机相电流故障诊断程序，利用电流检测单元5和位置检测单元6提取开关磁阻电机各种状态下的相电流特征值，针对电机所处的待机、起动、运行三种不同状态，采取相应的方法进行相电流故障的诊断；方法具体的实现步骤如下：

第一步开关磁阻电机在待机状态下的相电流故障诊断

开关磁阻电机处于待机状态时，相电流特征值是各相均为0；考虑到电流传感器和电流信号处理电路环节可能存在的零点漂移，设定一个相电流零点漂移参考值I₀作为电流特征值，I₀的实际大小由控制系统的电流采样环节的零点漂移情况决定，一般设定I₀为额定电流的1％，即I₀＝0.01I_N。所以，在待机状态下，开关磁阻电机正常的相电流采样结果是：

I_X≤I₀，x＝A,B,C (1)

开关磁阻电机处于待机状态，如果检测到某相电流I_X＞I₀，报错计数标志位Err_count加1，否则Err_count清零；若出现Err_count大于连续报错阈值K情况，设定K＝5，判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1；综合考虑相电流故障诊断的灵敏度和可靠性。如果开关磁阻电机的相电流出现故障，使检测到的相电流I_X连续多次出现I_X>I₀，则判定相电流故障；

第二步开关磁阻电机起动状态相电流故障诊断

开关磁阻电机起动过程中，每相绕组开通的最初阶段，都处在相绕组电感的最小区，即L＝L_min区域。在这一阶段，正常的相电流变化率I_ratio按下式计算：

式中，θ为转子为转子位置角，U_S为电源电压，Ω为转子的角速度，L_min为各相绕组的最小电感。正常情况下I_ratio>0，即在相绕组开通后的一段时间内，该相电流变化率大于零，取I_ratio>0为开关磁阻电机起动阶段的电流特征值；

开关磁阻电机处于起动状态，程序根据转子位置依次控制三相绕组开通或关断，以A相绕组开通为例，上下桥臂功率管V1和V6导通，导通位置为θ_on，A相开通标志位Aopen_flg置1；在每次读取A相电流采样结果I_a后，采样计数标志变量Count_Ia加1，并将I_a与上次的A相电流采样结果Ia_Last进行比较；如果I_a≤Ia_Last，A相电流采样结果停止增大的计数变量Ia_unin加1，否则Ia_unin＝0。当出现Ia_unin大于设定值N的情况时，N是判断相电流停止增长的参考计数值，停止采样计数标志变量Count_Ia的计数，并判断其是否小于设定值M，M是判别相电流故障的计数阈值，若是，则判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1；设定值N和M还应满足(M-N)>2，且M<10；A相绕组关断后，将Aopen_flg清零，并且终止上述操作；

第三步开关磁阻电机运行状态下的相电流故障诊断

开关磁阻电机处于运行状态时，如果没有转速突变或负载突变，开关磁阻电机的开通角和关断角不变，各相绕组在相邻几个导通周期内的电流波形和电流大小变化不大；因此，开关磁阻电机在运行状态下的电流特征值是每相绕组的相邻两个导通周期内平均电流的差、以及三相绕组电流在同一导通周期内两两之差，其值应小于额定电流的3％，如这些差值大于该特征值，则判定为电流故障；具体方法如下：

开关磁阻电机处于运行状态，以A相为例，导通从θ_on开始，A相开通标志位Aopen_flg置1，每读取一次A相电流采样结果I_a，采样计数标志变量Count_Ia加1，且将相电流采样结果I_a依次存入数组Saved_Ia[count_Ia]；在到达A相关断位置θ_off后，将Aopen_flg清零，计算出该导通阶段A相电流采样结果的平均值Avg_Ia,并记录A相上一个导通阶段相电流采样结果的平均值Avg_Ia_Last；

同样的方法分别获得B、C各相相邻的两个导通阶段相电流采样结果的平均值Avg_Ib、Avg_Ib_Last、Avg_Ic、Avg_Ic_Last；计算出各相的相邻两个导通阶段电流采样结果平均值的差值ΔIa、ΔIb、ΔIc；

然后，将两相在同一导通周期的采样结果平均值进行比较，即计算出Avg_Ia、Avg_Ib、Avg_Ic两两之间的差值ΔIab、ΔIac、ΔIbc；

如果(4)和(5)式中有差值超出允许波动范围ΔI，取ΔI＝±3％I_N则判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1。

本发明具有的有益效果是本发明适用于不同相数、各种结构的开关磁阻电机电流检测故障诊断。通过提取不同运行状态下开关磁阻电机的相电流特征值，可以实现全面的开关磁阻电机相电流故障诊断与保护。尤其是实现了电机起动过程中，相电流故障的及时诊断与保护；以及实现了在电机运行过程中，可以诊断出各种原因引起的相电流不平衡故障。及时诊断出相电流故障，有效地避免开关元件损坏或电机无法正常运行等问题。该开关磁阻电机相电流故障的诊断方法，利用特制的软件实现，不需额外增加硬件，且算法简单可靠，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1是开关磁阻电机调速系统框图。其中，U_s是主电路直流供电电源；1是微控制器；2是开关磁阻电机，A、B、C分别为开关磁阻电机的三相定子绕组；3是功率变换器，VD1、VD2、VD3、VD4、 VD5、VD6是二极管，V1、V2、V3、V4、V5、V6是开关元件，A绕组串联在V1和V6之间，B绕组串联在V3和V4之间，C绕组串联在V5和V2之间；4是PWM驱动单元；5是电流检测单元，C_a、C_b、C_c是电流传感器；6是位置检测单元。

图2是开关磁阻电机正常的相电流波形与相电感曲线的关系图。横坐标为电机转子位置(机械角)，坐标原点(θ＝0)位置对应电机定子齿极轴线与转子凹槽中心重合的位置(简称不对齐位置)。其中，7是开关磁阻电机单相电流的曲线，8是开关磁阻电机单相电感曲线，θ_on是相开通角，θ_off是相关断角，T₁是相绕组续流阶段，T₂是相绕组续流结束后的关断阶段，T₃是相绕组导通阶段。

图3是本发明的开关磁阻电机相电流故障诊断方法整体流程图。

图4是开关磁阻电机待机状态相电流故障诊断流程图。

图5是开关磁阻电机起动状态相电流故障诊断流程图。

图6是开关磁阻电机运行状态相电流故障诊断流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是开关磁阻电机调速系统框图。以基于Microchip公司生产的DSPIC33FJ128MC706为控制芯片的三相12/8极开关磁阻电机调速系统为例。该开关磁阻电机调速系统由微控制器1、开关磁阻电机2、功率变换器3、电流检测单元5和位置检测单元6四部分组成。微控制器1中除开关磁阻电机控制程序外，还设计了开关磁阻电机相电流故障诊断程序。功率变换器3的拓扑结构采用三相不对称半桥电路，开关元件V1～V6选用IGBT模块，二极管VD1～VD6都封装于IGBT模块内部。开关元件V1、V3和V5作为上桥臂接在直流母线正极U_s+，开关元件V2、V4和V6作为下桥臂接在直流母线负极U_s-。开关磁阻电机的定子绕组A串接于开关元件V1和V6之间，定子绕组B串接于开关元件V3和V4之间，定子绕组C串接于开关元件V2和V5之间，构成三相定子绕组独立控制主回路。6个二极管分别两两组成各相电流的续流回路。检测器包括电流检测单元5和位置检测单元6，C_a、C_b、C_c选用CS200B/4V型霍尔电流传感器，按固定的电流方向分别套装在A、B、C三相绕组的接线上；位置检测单元6采用光电编码型位置传感器。

微控制器实时检测得到位置信号、转速信号和电流信号，控制程序采用经典的转速-电流双闭环控制，输出6路PWM信号，经驱动单元4分别驱动V1到V6的每个开关元件。本系统微控制器中设计了开关磁阻电机相电流故障诊断程序，针对电机所处的不同状态，采取合适的方法进行相电流故障的诊断。

实施示例：

如图3所示，本发明的开关磁阻电机相电流故障诊断方法，其故障诊断范围包含电机处于待机状态、电机处于起动过程以及电机处于运行状态三个阶段。从电机待机开始相电流故障的具体诊断过程如下：

第一步，开关磁阻电机处于待机状态的相电流故障诊断，具体实现流程如图4所示：

开关磁阻电机处于起动过程中，首先，分别判断三相电流采样结果I_a、I_b、I_c是否大于I₀，是则Err_count加1，否则Err_count清零。然后，判断Err_count是否大于K，是则判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1；否则继续待机状态相电流故障诊断。

第二步，开关磁阻电机接收起动指令，进入起动过程的相电流故障诊断，具体实现流程如图5所示：

首先，判断A、B、C三相的相开通标志位Aopen_f、Bopen_flg、Copen_flg是否等1，当以上标志位为1时，进行相应相的起动相电流故障诊断。以A相为例，Aopen_flg置1之后，每次读取到A相电流采样结果I_a时，Count_Ia加1，并将I_a与Ia_Last比较。如果I_a≤Ia_Last，Ia_unin加1；否则将Ia_unin清零。然后，判断Ia_unin是否大于设定值N，是则停止Count_Ia计数，并判断Count_Ia是否小于设定值M。如果在Aopen_flg＝1时，出现Ia_unin大于N，且Count_Ia小于M的情况，则说明在A相开通后相电流I_a没有正常的增大阶段，判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1；否则结束继续进行故障诊断。

第三步，开关磁阻电机结束起动过程，进入运行状态的相电流故障诊断，具体实现流程如图6所示。

首先，判断A、B、C三相的相开通标志位Aopen_flg、Bopen_flg、Copen_flg是否等1，当以上标志位为1时，进行相应相的运行状态相电流故障诊断。以A相为例，Aopen_flg置1之后，每次读取到A相电流采样结果I_a时，采样计数标志变量Count_Ia加1，且将相电流采样结果I_a依次存入数组Saved_Ia[count_Ia]。Aopen_flg清零之后，停止上述操作，记录上一个导通阶段A相电流采样结果的平均值Avg_Ia_Last，并将此导通阶段A相电流采样结果的平均值Avg_Ia求出。按同样的方法分别获得B、C各相相邻的两个导通阶段相电流采样结果的平均值Avg_Ib、Avg_Ib_Last、Avg_Ic、Avg_Ic_Last。

然后，计算出各相的相邻两个导通阶段电流采样结果平均值的差值ΔIa、ΔIb、ΔIc；再次，将两相之间的同一导通周期的采样结果平均值进行比较，即计算出Avg_Ia、Avg_Ib、Avg_Ic两两之间的差值ΔIab、ΔIac、ΔIbc；

如果其中有差值超出允许波动范围ΔI，取ΔI＝±3％I_N，则判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机相电流故障的诊断方法，其特征是，诊断方法是通过在微控制器(1)中安装特殊编制的开关磁阻电机控制程序和开关磁阻电机相电流故障诊断程序，利用电流检测单元(5)和位置检测单元(6)提取开关磁阻电机各种状态下的相电流特征值，针对电机所处的待机、起动、运行三种不同状态，采取相应方法进行相电流故障的诊断；方法的具体步骤如下：

第一步开关磁阻电机在待机状态下的相电流故障诊断

开关磁阻电机处于待机状态时，相电流特征值是各相均为0；设定一个相电流零点漂移参考值I₀作为电流特征值，I₀的实际大小由控制系统的电流采样环节的零点漂移情况决定，一般设定I₀为额定电流的1％，即I₀＝0.01I_N；所以，在待机状态下，开关磁阻电机正常的相电流采样结果是：

I_X≤I₀，x＝A,B,C (1)

开关磁阻电机处于待机状态，如果检测到某相电流I_X>I₀，报错计数标志位Err_count加1，否则Err_count清零；若出现Err_count大于设定值连续报错阈值K，K＝5的情况，判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1；如果开关磁阻电机的相电流出现故障，使检测到的相电流I_X连续多次出现I_X>I₀，则判定相电流故障；

第二步开关磁阻电机起动状态相电流故障诊断

每相绕组开通的最初阶段，都处在相绕组电感的最小区，即L＝L_min区域；在这一阶段，正常的相电流变化率I_ratio按下式计算：

$I_{ratio}=\frac{di\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{d\mathrm{\&theta;}}=\frac{U_S}{{\mathrm{\&Omega;L}}_{\min }}---\left(2\right)$

式中，θ为转子位置角，U_S为电源电压，Ω为转子角速度，L_min为各相绕组的最小电感；正常情况下I_ratio>0，即在相绕组开通后的一段时间内，该相电流变化率大于零，取I_ratio>0为开关磁阻电机起动阶段的电流特征值；

开关磁阻电机处于起动状态，程序根据转子位置依次控制三相绕组开通或关断，以A相绕组开通为例，上下桥臂功率管V1和V6导通，导通位置为θ_on，A相开通标志位Aopen_flg置1；在每次读取A相电流采样结果I_a后，采样计数标志变量Count_Ia加1，并将I_a与上次的A相电流采样结果Ia_Last进行比较；如果I_a≤Ia_Last，A相电流采样结果停止增大的计数变量Ia_unin加1，否则Ia_unin＝0；当出现Ia_unin大于设定值N的情况时，N为判断相电流停止增长的参考计数值，停止采样计数标志变量Count_Ia的计数，并判断其是否小于设定值M，M为判别相电流故障的计数阈值，若是，则判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1；N和M的设定还应满足(M-N)>2，且M<10；A相绕组关断后，将Aopen_flg清零，并且终止上述操作；

第三步开关磁阻电机运行状态下的相电流故障诊断

开关磁阻电机处于运行状态时，如果没有转速突变或负载突变，开关磁阻电机的开通角和关断角不变，各相绕组在相邻几个导通周期内的电流波形和电流大小变化不大；因此，开关磁阻电机在运行状态下的电流特征值是每相绕组的相邻两个导通周期内平均电流的差、以及三相绕组电流在同一导通周期内两两之差，其值应小于额定电流的3％，如这些差值大于该特征值，则判定为电流故障；具体方法如下：

开关磁阻电机处于运行状态，以A相为例，导通从θ_on开始，A相开通标志位Aopen_flg置1，每读取一次A相电流采样结果I_a，采样计数标志变量Count_Ia加1，且将相电流采样结果I_a依次存入数组Saved_Ia[count_Ia]；在到达A相关断位置θ_off后，将Aopen_flg清零，计算出该导通阶段A相电流采样结果的平均值Avg_Ia,并记录A相上一个导通阶段相电流采样结果的平均值Avg_Ia_Last；

$Avg\_I_a=\frac{1}{Count\_I_a}\underset{n=1}{\overset{Count\_I_a}{\&Sigma;}}Saved\_I_a\&lsqb;count\_I_a\&rsqb;---\left(3\right)$

同样的方法分别获得B、C各相相邻的两个导通阶段相电流采样结果的平均值Avg_Ib、Avg_Ib_Last、Avg_Ic、Avg_Ic_Last；计算出各相的相邻两个导通阶段电流采样结果平均值的差值ΔIa、ΔIb、ΔIc；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}Ia=Avg\_Ia-Avg\_Ia\_Last\\ \mathrm{\&Delta;}Ib=Avg\_Ib-Avg\_Ib\_Last\\ \mathrm{\&Delta;}Ic=Avg\_Ic-Avg\_Ic\_Last\end{array}\right.---\left(4\right)$

然后，将两相在同一导通周期的采样结果平均值进行比较，即计算出Avg_Ia、Avg_Ib、Avg_Ic两两之间的差值ΔIab、ΔIac、ΔIbc；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}Iab=Avg\_Ia-Avg\_Ib\\ \mathrm{\&Delta;}Iac=Avg\_Ia-Avg\_Ic\\ \mathrm{\&Delta;}Ibc=Avg\_Ib-Avg\_Ic\end{array}\right.---\left(5\right)$

如果(4)和(5)式中有差值超出允许波动范围ΔI，取ΔI＝±3％I_N，则判断为相电流故障，将相电流故障标志位Current_err置1。