CN107957527A - 一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法，属于电力电子技术领域。所述方法如下：将单电流传感器安装在逆变器的两条支路上，采集两条支路的总电流，在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，分别得到C相电流i_c和A相电流i_a，再根据i_a+i_b+i_c＝0，重构出电机的三相电流；利用重构出的三相电流，计算出Park电流矢量，并得到故障诊断变量，根据故障诊断变量的取值范围判定发生开路故障的功率管位置。本发明的优点是：新型的单电流传感器技术在空间矢量六边形的低调制比区域和扇区边界区域不存在盲区，省去了繁琐的补偿算法。

Description

一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)相比其他电机具有高可靠性，高功率密度，高控制精度等优点，故其在数控机床、机器人伺服控制、电动汽车、军用武器、深水伺服系统以及航空航天等领域得到了飞速的发展。在整个永磁同步电机控制系统中，三相电压源逆变器是相对脆弱的环节，若发生故障，将导致整个控制系统无法正常工作。逆变器功率管中主要故障分为短路故障和开路故障，短路故障发生时多引起过流保护，且长时间的短路故障会熔断功率管，从而转换为开路故障。对于功率管开路故障，传统方法通常通过实时地检测电流或电压信息，来定位故障功率管。

然而，若采用一个单电流传感器来实现逆变器功率管的故障诊断，驱动器的体积和成本均得以降低，且减少了传感器附加引线，避免了由于电流传感器采样差异所带来的扰动。现有的单电流传感器技术大多对逆变器的直流母线进行采样，这种方法存在以下缺点：(1)在电压空间矢量六边形的低调制比区域和扇区边界区域存在盲区，导致相电流波形发生畸变；(2)畸变的相电流波形不仅影响电机伺服性能，而且不利于实现电机系统故障诊断和容错控制等高可靠控制策略；(3)电流采样点在一个PWM周期内不固定，相电流重构算法复杂；(4)为解决电流重构盲区，需要复杂的补偿算法，会间接增加PWM开关频率，增加系统损耗。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有利用单电流传感器采样存在的缺点，提供一种利用新型电路拓扑的单电流传感器技术实现三相电压源逆变器功率管开路故障诊断的方法，该方法能够改善电流重构盲区，减小相电流的畸变，有效提升永磁同步电机控制系统的伺服性能和逆变器功率管的故障诊断精度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法，所述方法步骤如下：

步骤一：将单电流传感器安装在逆变器的两条支路上，采集两条支路的总电流，在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，分别得到C相电流i_c和A相电流i_a，再根据i_a+i_b+i_c＝0，重构出电机的三相电流；

步骤二：利用步骤一重构出的三相电流及公式(1)，计算出Park电流矢量，并得到故障诊断变量，根据故障诊断变量的取值范围判定发生开路故障的功率管位置

I_s＝i_α+ji_β＝|I_s|∠θ_s (1)

式(1)中，I_s为Park电流矢量，i_α为重构三相电流i_a、i_b、i_c经过三相与两相坐标变换得到的α轴电流分量，i_β为重构三相电流i_a、i_b、i_c经过三相与两相坐标变换得到的β轴电流分量，|I_s|为Park电流矢量的模，∠θ_s为电流矢量与A相绕组轴线的夹角，j为虚数单位。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

(1)新型的单电流传感器技术在空间矢量六边形的低调制比区域和扇区边界区域不存在盲区，省去了繁琐的补偿算法；

(2)电流传感器的采样点固定为两个零电压矢量的中间时刻，实现简单；重构相电流谐波畸变率较小，可以提高故障诊断精度；采样单电流传感器来实现逆变器功率管的开路故障诊断，极大的节省了驱动器的体积和成本，避免了由于不同电流传感器所引入的干扰；故障诊断实现时根据重构的三相电流计算出Park电流矢量，并得到故障诊断变量，从而定位出故障功率管；该方法不仅可以诊断单管开路故障，还可以诊断双管开路故障。

附图说明

图1为单电流传感器的安装位置图；

图2为两个零电压矢量作用时间内的电流路径图；

图3为采样单电流传感器技术的电流重构盲区图；

图4为故障诊断算法的原理框图；

图5为Q1单管开路故障时的相电流图；

图6为Q1单管开路故障时的故障诊断变量图；

图7为Q1和Q3双管开路故障时的相电流图；

图8为Q1和Q3双管开路故障时的故障诊断变量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明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精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明的基本工作原理为：单电流传感器安装在逆变器的两条支路上，采集两条支路的总电流。电机的控制算法采样空间矢量脉宽调制算法(SVPWM)，在两个零电压矢量V0(000)和V7(111)的中间时刻对单电流传感器进行采样，分别可以得到C相电流i_c和A相电流i_a，再根据i_a+i_b+i_c＝0，便可以重构出电机的三相电流。利用三相电流计算归一化的Park电流矢量，并计算出故障诊断变量，通过查表的方式得到功率管的故障信息并进行准确定位。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法，所述方法步骤如下：

步骤一：将单电流传感器安装在逆变器的两条支路上，采集两条支路的总电流，在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，分别得到C相电流i_c和A相电流i_a，再根据i_a+i_b+i_c＝0，重构出电机的三相电流；

步骤二：利用步骤一重构出的三相电流及公式(1)，计算出Park电流矢量，并得到故障诊断变量，根据故障诊断变量的取值范围判定发生开路故障的功率管位置

I_s＝i_α+ji_β＝|I_s|∠θ_s (1)

式(1)中，I_s为Park电流矢量，i_α为重构三相电流i_a、i_b、i_c经过三相与两相坐标变换得到的α轴电流分量，i_β为重构三相电流i_a、i_b、i_c经过三相与两相坐标变换得到的β轴电流分量，|I_s|为Park电流矢量的模，∠θ_s为电流矢量与A相绕组轴线的夹角，j为虚数单位。

故障诊断变量的取值范围：故障诊断变量为E_k和Z_k，根据故障诊断变量E_k的正负分为正(P)，负(N)，零(0)三种取值；根据故障诊断变量Z_k的正负分为正(H)，负(L)两种取值。

图1为单电流传感器的安装位置，先将带有通孔的单电流传感器安装在功率管Q4和Q6之间的支路上，再将功率管Q1和Q3之间的支路打开，将线穿过单电流传感器的通孔再重新连接。此时单电流传感器采样的是两条支路的总电流，图1右侧为单电流传感器的采样点，位于一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻，电流采样点固定，两次的电流采样结果分别为i_c和i_b+i_c，即-i_a，如图2所示。

图3为采样这种单电流传感器技术的电流重构盲区，可以看出在空间矢量六边形的低调制比区域和扇区边界区域不存在重构盲区，省去了繁琐的补偿算法。

图4为故障诊断算法的原理框图。利用单电流传感器的输出重构出三相电流，计算Park电流矢量，在经过后续归一化和取平均值的运算得到故障诊断变量，再通过查阅表1定位出发生故障的功率管位置。

表1

故障开关管

Ea

Eb

Ec

Za

Zb

Zc

Q1

P

N

N

L

-

-

Q2

P

N

N

H

-

-

Q3

N

P

N

-

L

-

Q4

N

P

N

-

H

-

Q5

N

N

P

-

-

L

Q6

N

N

P

-

-

H

Q1,Q3

P

P

N

L

L

H

Q2,Q4

P

P

N

H

H

L

Q3,Q5

P

N

P

L

H

L

Q4,Q6

P

N

P

H

L

H

Q1,Q5

N

P

P

H

L

L

Q2,Q6

N

P

P

L

H

H

图5和图6分别为基于上述单电流传感器技术的单管开路故障诊断的实验结果，图7和图8分别为基于上述单电流传感器技术的双管开路故障诊断的实验结果，可以看出该方法可以有效诊断出逆变器功率管的多种故障，在减小驱动器体积和成本的前提下，进一步提高了控制系统可靠性。

Claims (1)

1.一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤一：将单电流传感器安装在逆变器的两条支路上，采集两条支路的总电流，在一个PWM周期的两个零电压矢量中间时刻对单电流传感器进行采样，分别得到C相电流i_c和A相电流i_a，再根据i_a+i_b+i_c＝0，重构出电机的三相电流；

步骤二：利用步骤一重构出的三相电流及公式(1)，计算出Park电流矢量，并得到故障诊断变量，根据故障诊断变量的取值范围判定发生开路故障的功率管位置

I_s＝i_α+ji_β＝|I_s|∠θ_s (1)

式(1)中，I_s为Park电流矢量，i_α为重构三相电流i_a、i_b、i_c经过三相与两相坐标变换得到的α轴电流分量，i_β为重构三相电流i_a、i_b、i_c经过三相与两相坐标变换得到的β轴电流分量，|I_s|为Park电流矢量的模，∠θ_s为电流矢量与A相绕组轴线的夹角，j为虚数单位。