CN108445340A - 五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，根据五相电流的周期平均值和绝对平均值计算出各相的故障检测变量，将故障检测变量与设定阈值进行比较得到逆变器的故障指示信号，根据故障指示信号进行故障检测和定位，确定逆变器开路故障的类型，能准确定位出逆变器发生单管故障、单相故障、相邻两相故障以及不相邻两相故障这4类开路故障类型，实现了五相逆变器开路故障的快速检测和定位，不需要复杂的坐标变换和增加额外的硬件电路，提高故障检测的速度。

Description

五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法

技术领域

本发明涉及电机逆变器开路故障检测领域，尤其涉及五相永磁同步电机的逆变器开路故障的检测方法。

背景技术

多相电机驱动系统是通过增加定子绕组的相数来实现低压大功率传输，与传统的三相电机驱动系统相比，其输出转矩脉动的幅值降低，减少了电机的振动和噪声；逆变器每相桥臂承担的功率容量较小，避免了开关器件串并联引起的动静态均压、均流等问题；相数的冗余，使其能够在故障状态下继续容错运行，提高了系统的可靠性。

一般地，电机驱动系统由逆变器、控制器和传感器几个部分构成，任何一个部分发生故障都会对驱动系统的运行造成影响。其中，逆变器故障是电机驱动系统中最频繁发生的故障，占总故障的82.5％以上。

如图1所示的五相逆变器结构，逆变器故障主要包括开路故障和短路故障。功率管发生的短路故障会引起逆变器上下桥臂的直通，瞬间产生很大的短路电流，需要在极短的时间内进行处理。当功率管发生短路故障时，通常采用故障隔离技术，将其转换为开路故障，然后再根据开路故障的检测方法进行诊断和定位。功率管发生的开路故障，通常情况下并不会造成系统立即停机，但将会增加其它开关器件的电压和电流应力，使输出波形产生畸变，如不及时进行诊断和处理，将导致二次事故的发生，其危害性亦不容小觑。因此当逆变器发生故障时，要能够及时检测、定位、隔离，进入容错运行状态，而切换到容错控制的前提就是能准确地检测到逆变器发生故障以及发生故障的位置。

针对五相逆变器开路故障的，目前主要是基于电流的故障检测方法，如图2所示，基于电流的逆变器开路故障检测方法是：

(1)将五相电流i_n(n＝a,b,c,d,e)经过Park变换，得到静止两相坐标系下的电流i_α、i_β。

其中i_a、i_b、i_c、i_d、i_e分别是A、B、C、D、E的相电流，i_α、i_β分别是两相静止坐标系下的电流，γ＝2*π/5。

(2)通过模值计算出电流矢量模值

(3)电机的电流受电机运行工况的影响，当电机正常运行时电流呈现对称的波形；当发生故障后，电流波形就会发生变化，因此对电机相电流进行归一化处理：

其中i_n ^*是电机相电流的归一化值。

(4)对归一化的电流分别求取周期平均值〈i_n ^*〉和绝对平均值〈|i_n ^*|〉：

其中〈i_n ^*〉为归一化电流的周期平均值，|i_n ^*|是电机归一化相电流的绝对值，〈|i_n ^*|〉是归一化电流的绝对平均值，χ是电机正常状态下求取|i_n ^*|在一个周期里的值，w_e是电角速度。

(5)根据绝对平均值|i_n ^*|判断出五相逆变器的故障指示信号A_n，根据周期平均值〈|i_n ^*|〉判断出五相逆变器的故障指示信号B_n，

A_n＝χ-<|i_n ^*|>

当电机正常运行时，故障指示信号A_n保持为0；当某相桥臂发生开路故障时故障指示信号A_n为χ；当发生单管开路故障时，故障指示信号A_n为χ的0.5倍。当故障指示信号B_n的值为1时，表示该相上桥臂发生断路故障；当B_n的值为-1时，表示该相下桥臂发生故障；当B_n的值为0时，可能是发生单相开路故障，也可能是没有故障发生。所以必须综合两个诊断变量A_n和B_n来实现故障的检测和定位。

但是以上基于电流的逆变器开路故障检测方法存在以下缺点：

(1)只能检测单管开路故障以及单相开路故障的情况，不能检测多管同时发生开路故障的情形。

(2)需要对五相电流进行坐标变换，还要求取两相静止坐标系下电流矢量模值，加大了计算量，进而导致检测速度慢。

(3)需要两个检测变量才能准确判断出发生故障的类型。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有基于电流的逆变器开路故障检测方法存在的问题，提供一种五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，不需要复杂的坐标变换，就可以准确定位出逆变器发生单管故障、单相故障、相邻两相故障以及不相邻两相故障的开路故障类型。

本发明所述的五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法采用的技术方案是依次按以下步骤：

A、求取五相电流i_n的周期平均值〈i_n〉和绝对平均值〈|i_n|〉，n＝a,b,c,d,e，

B、根据周期平均值〈i_n〉和绝对平均值〈|i_n|〉计算出各相的故障检测变量

C、将故障检测变量d_n与设定阈值k_i进行比较，得到逆变器的故障指示信号k₁<k₂<k₃，L、M、N、J是标志符，

D、根据故障指示信号D_n进行故障检测和定位，确定逆变器开路故障的类型。

当A相故障指示信号D_a＝J且D相故障指示信号D_d＝L时，逆变器发生A相上管开路故障；当A相故障指示信号D_a＝L且D相故障指示信号D_d＝J时，逆变器A相下管开路故障；当A相故障指示信号D_a＝M时，逆变器A相断路故障；当A相故障指示信号D_a＝M且B相故障指示信号D_b＝M时，逆变器AB两相断路故障；当A相故障指示信号D_a＝M且C相故障指示信号D_c＝M时，逆变器AC两相断路故障。

本发明采用上述技术方案后具有以下有益效果：

(1)由于五相逆变器存在的开路故障种类众多，而五相驱动系统中故障类型以单管故障，单相故障，相邻两相故障，不相邻两相故障为主。而本发明能准确定位出逆变器发生单管故障、单相故障、相邻两相故障以及不相邻两相故障这4类开路故障类型，实现了五相逆变器开路故障的快速检测和定位，为进一步的容错控制和系统的故障处理提供有效的依据。

(2)与现有技术相比，本发明能在线检测和准确定位发生逆变器开路故障的位置，简单易操作，检测的故障类型有23种，不需要复杂的坐标变换，而且不需要增加额外的硬件电路，节约了成本，提高了故障检测的速度；

(3)对参数敏感性进行分析，验证了转速以及转矩的变化不会对故障检测的结果产生影响，从而不会产生误判。

附图说明

图1为五相永磁同步电机的逆变器结构示意图；

图2为图1中基于电流的五相逆变器开路故障检测方法流程图；

图3为本发明五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法流程图；

图4为电机发生单管、单相开路故障后的电流波形；

图5为电机发生单管、单相开路故障后的故障检测变量d_n的波形；

图6为电机发生不相邻两相开路故障后的电流波形；

图7为电机发生不相邻两相开路故障后的故障检测变量d_n的波形；

图8为电机发生相邻两相开路故障后的电流波形；

图9为电机发生相邻两相开路故障后的故障检测变量d_n的波形；

图10为电机转速发生变化后的电流波形；

图11为电机转速发生变化后的故障检测变量d_n的波形；

图12为电机转矩发生变化后的电流波形；

图13为电机转矩发生变化后的故障检测变量d_n的波形。

具体实施方式

如图3所示，本发明首先通过电流传感器检测到电机驱动系统中五相电流的实际值i_n，然后对五相电流i_n进行滤波处理，滤除干扰信号，对滤波后的五相电流求取周期平均值和绝对平均值，再进行归一化处理，从而得到故障检测变量d_n的值，将故障检测变量d_n与设定的阈值进行比较，就能够得到五相逆变器的故障指示信号D_n，最后根据故障指示信号D_n就能确定发生故障的类型。由于五相永磁同步电机逆变器开路故障种类众多，本发明只对常见的故障类型进行检测，包括：单管开路故障、单相开路故障、相邻两相开路故障、不相邻两相开路故障。具体如下：

步骤1：通过电流传感器检测到电机五相电流i_n，n＝a,b,c,d,e。

步骤2：由于电流传感器检测的电流信息会受到噪声等外界环境的影响，因此需要对采集到的五相电流i_n信号进行滤波，滤除干扰信号及噪声的影响。

步骤3：求取滤波后的五相电流i_n的周期平均值〈i_n〉以及绝对值的周期平均值〈|i_n|〉，绝对值的周期平均值〈|i_n|〉即五相电流的绝对平均值〈|i_n|〉：

其中，w为电机定子电流角频率，i_n是电机五相电流，〈i_n〉为五相电流i_n的周期平均值，|i_n|是电机五相电流i_n的绝对值，〈|i_n|〉是绝对值|i_n|的平均值，即绝对平均值。

步骤4：分别对五相电流i_n的周期平均值〈i_n〉以及绝对平均值〈|i_n|〉进行归一化处理，从而消除转速及负载变化带来的影响。再根据各相电流的周期平均值〈i_n〉和绝对平均值〈|i_n|〉计算出各相的故障检测变量d_n：

电机工作在正常运行状态时，电流对称分布，因此其周期平均值〈i_n〉为零，此时故障检测变量d_n始终为1。实际上，由于噪声以及其他环境的影响，五相电流i_n的周期平均值〈i_n〉并不是完全为零，而是在零周围小幅度脉动。

步骤5：将故障检测变量d_n与设定的阈值k_i(i＝1,2,3)进行比较，得到五相逆变器的故障指示信号D_n：

其中，L、M、N、J是不同分段的标志符，n＝a,b,c,d,e，k_i(i＝1,2,3)是设定的阈值，且满足k₁<k₂<k₃。当发生下管开路故障时，周期平均值〈i_n〉与绝对平均值〈|i_n|〉满足：〈i_n〉＝〈|i_n|〉,因此(〈|i_a|-3〈i_a〉)<0，此时d_n<0，所以本发明设定k₁<0；当发生单相开路故障时，该相没有电流流过，d_n＝0，所以本发明设定0<k₂<1；当发生上管开路故障时，相电流的周期平均值〈i_n〉与绝对平均值〈|i_n|〉满足：〈i_n〉＝-〈|i_n|〉,因此(〈|i_a|-3〈i_a〉)>0，此时d_n>1，所以本发明设定k₃>1。

步骤6：根据故障指示信号D_n进行故障检测和定位，确定发生逆变器开路故障的类型，具体有：

(1)当D_a＝J且D_d＝L时，判断逆变器发生A相上管开路故障。

A相故障指示信号D_a＝J且D相故障指示信号D_d＝L时，说明此时A相故障检测变量d_a最大、D相故障检测变量d_d偏小。只有当A相电流的周期平均值〈i_a〉与绝对平均值〈|i_a|〉满足：〈i_a〉＝-〈|i_a|〉关系时d_a最大，即：A相发生上管开路故障，A相电流正半周期电流为零，只存在负半周期电流值，则在这种情况下(〈|i_a|〉-3〈i_a〉)的值最大。由于B、E两相绕组离A相较远，因此A相故障对B、E两相的影响较小。发生故障后为了维持较大的转矩，在A相只有负半周期电流的情况下，C、D两相的电流正半周期值相比较于负半周期的平均值偏大，即：(〈|i_d|〉-3〈i_d〉)的值偏小。因此，此时判断出逆变器发生A相上管开路故障。

(2)当D_a＝L且D_d＝J时，判断逆变器发生A相下管开路故障。

A相故障指示信号D_a＝L且D相故障指示信号D_d＝J时，说明此时A相故障检测变量d_a最小、D相故障检测变量d_d偏大。只有当A相电流的周期平均值〈i_a〉与绝对平均值〈|i_a|〉满足：〈i_a〉＝〈|i_a|〉关系时d_a最小，即：A相发生下管开路故障，A相电流负半周期电流为零，只存在正半周期电流值，此时，则在这种情况下(〈|i_a|〉-3〈i_a〉)的值最小。由于B、E两相绕组离A相较远，因此A相故障对B、E两相的影响较小。发生故障后为了维持较大的转矩，在A相只有负半周期电流的情况下，C、D两相的电流负半周期值相比较于正半周期的平均值偏大，即：(〈|i_d|〉-3〈i_d〉)的值偏大。因此，此时判断出逆变器发生A相下管开路故障。

(3)当D_a＝M时，判断逆变器发生A相断路故障。

A相故障指示信号D_a＝M时，说明此时A相故障检测变量d_a在零附近。只有当A相电流的周期平均值〈i_a〉与绝对平均值〈|i_a|〉满足：〈i_a〉＝〈|i_a|〉＝0关系时故障检测变量d_a＝0满足要求，即：A相发生单相开路故障，该相没有电流流过。

(4)当D_a＝M，D_b＝M时，判断逆变器发生AB两相断路故障。

A相故障指示信号D_a＝M且B相故障指示信号D_b＝M时，说明此时A、B两相故障检测变量d_a、d_b均在零附近。只有当A、B两相电流的周期平均值〈i_a〉、〈i_b〉与绝对平均值〈|i_a|〉、〈|i_b|〉满足：〈i_a〉＝〈|i_a|〉＝0且〈i_b〉＝〈|i_b|〉＝0关系时故障检测变量d_a＝0、d_b＝0满足要求，即：A、B两相发生单相开路故障。

(5)当D_a＝M，D_c＝M时，判断逆变器发生AC两相断路故障。

A相故障指示信号D_a＝M且C相故障指示信号D_c＝M时，说明此时A、C两相故障检测变量d_a、d_c均在零附近。只有当A、C两相电流的周期平均值〈i_a〉、〈i_c〉与绝对平均值〈|i_a|〉、〈|i_c|〉满足：〈i_a>＝〈|i_a|〉＝0且〈i_c〉＝〈|i_c|〉＝0关系时故障检测变量d_a＝0、d_c＝0满足要求，即：A、C两相发生单相开路故障。

(6)当D_a＝D_b＝D_c＝D_d＝D_e＝N时，电机处于正常运行状态。

当A、B、C、D、E相故障指示信号均满足D_a＝D_b＝D_c＝D_d＝D_e＝N时，说明此时故障检测变量d_n(n＝a,b,c,d,e)均在1附近。只有当五相电流均满足〈i_n〉＝0条件时d_n＝1满足要求，即：电机处于正常状态。

以下提供本发明的3个实施例：

实施例1

参见图4～图9为电机发生4类故障后电流波形以及检测变量d_n的波形。

本实施例中的五相永磁同步电机参数如表1所示：

表1五相永磁同步电机参数

给定转速为500rpm，转矩为12Nm。检测阈值k₁＝-1，k₂＝0.2，k₃＝2.5。

图4是电机发生单管、单相开路故障后的电流波形，图5为电机发生单管、单相开路故障后的检测变量d_n的波形：

电机在0.18～0.2s时，d_n约为1，故障指示D_n＝N,根据故障指示信号发现没有发生开路故障，即电机正常运行；

电机在0.2s后，经过一段时间后可以检测到d_a>2.5，d_d<-1，故障指示D_a＝J,D_d＝L，根据故障检测信号发现此时发生了T1开路故障；

电机在0.24s～0.28s时，经过一段时间后检测到-1<d_a<0.2，故障指示D_a＝M,根据故障检测信号发现此时发生了T1&T2开路故障；

电机在0.28s～0.32s时，经过一段时间后检测到d_a<-1，d_d>2.5，故障指示D_a＝L,D_d＝J，根据故障检测信号发现此时发生了T2开路故障。

图6是为电机发生不相邻两相开路故障后的电流波形，图7是电机发生不相邻两相开路故障后的故障检测波形：

电机在0.18～0.2s时，d_n约为1，故障指示D_n＝N,根据故障指示信号发现没有发生开路故障，即电机正常运行；

电机在0.24s～0.28s时，经过一段时间后检测到-1<d_a<0.2，-1<d_c<0.2，故障指示D_a＝M,D_c＝M，根据故障检测信号发现此时发生了T1&T2，T5&T6开路故障(即AC两相发生开路故障)。

图8是电机发生相邻两相开路故障后的电流波形，图9是电机发生相邻两相开路故障后的故障检测波形：

电机在0.18～0.2s时，d_n约为1，故障指示D_n＝N,根据故障指示信号发现没有发生开路故障，即电机正常运行；

电机在0.24s～0.28s时，经过一段时间后可以检测到-1<d_a<0.2，-1<d_b<0.2，故障指示D_A＝M,D_B＝M，根据故障检测信号发现此时发生T1&T2,T3&T4开路故障(AB两相开路故障)。

实施例2

图10～11为电机转速发生变化后，电流波形以及检测变量d_n的波形。

本实施例中，给定五相永磁同步电机转矩为12Nm。0～0.5s时给定转速为700rpm，0.5s后转速突变为500rmp，0.7s后改变转速变为600rpm，整个转速变化过程的电流波形如图10所示。从图11可以看出，在转速变化的过程中虽有检测变量有小幅度变化，但是不影响检测的结果，而且在转速稳定后，检测变量也回归到1附近，这说明转速的变化不会对故障检测结果产生影响。

实施例3

图12～13为电机转矩发生变化后，电流波形以及检测变量d_n的波形。

本实施例中，给定五相永磁同步电机转速为500rpm。0～0.5s时给定转矩为3Nm，0.5s后转矩突变为12Nm，0.7s后改变转矩变为6Nm，整个转矩变化过程的电流波形如图12所示。从图13可以看出，在转矩变化的过程中虽有检测变量有小幅度变化，但是不影响检测的结果，而且在转矩稳定后，检测变量也回归到1附近，这说明转矩的变化不会对故障检测结果产生影响。

Claims (7)

1.五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，其特征是依次按以下步骤：

A、求取五相电流i_n的周期平均值〈i_n〉和绝对平均值〈|i_n|〉，n＝a,b,c,d,e，

B、根据周期平均值〈i_n〉和绝对平均值〈|i_n|〉计算出各相的故障检测变量

C、将故障检测变量d_n与设定阈值k_i进行比较，得到逆变器的故障指示信号i＝1,2,3，k₁<k₂<k₃，L、M、N、J是标志符，

D、根据故障指示信号D_n进行故障检测和定位，确定逆变器开路故障的类型。

2.根据权利要求1所述的五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，其特征是：步骤D中，当A相故障指示信号D_a＝J且D相故障指示信号D_d＝L时，逆变器发生A相上管开路故障；当A相故障指示信号D_a＝L且D相故障指示信号D_d＝J时，逆变器A相下管开路故障；当A相故障指示信号D_a＝M时，逆变器A相断路故障；当A相故障指示信号D_a＝M且B相故障指示信号D_b＝M时，逆变器AB两相断路故障；当A相故障指示信号D_a＝M且C相故障指示信号D_c＝M时，逆变器AC两相断路故障。

3.根据权利要求1所述的五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，其特征是：步骤D中，当D_a＝D_b＝D_c＝D_d＝D_e＝N时，电机处于正常运行状态，D_a、D_b、D_c、D_d、D_e分别是A、B、C、D、E相故障指示信号。

4.根据权利要求1所述的五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，其特征是：k₁<0，0<k₂<1，k₃>1。

5.根据权利要求1所述的五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，其特征是：步骤A中，先对五相电流i_n信号进行滤波，再求取滤波后的五相电流i_n的周期平均值〈i_n〉和绝对平均值〈|i_n|〉。

6.根据权利要求1所述的五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，其特征是：步骤B中，先对周期平均值〈i_n〉和绝对平均值〈|i_n|〉进行归一化处理，再计算出各相的故障检测变量d_n。

7.根据权利要求1所述的五相永磁同步电机逆变器开路故障的检测方法，其特征是：步骤B中，周期平均值绝对平均值w为电机定子电流角频率，|i_n|是电机五相电流i_n的绝对值。