CN109375103A - 三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，能够针对逆变器功率管进行实时在线故障诊断，以提高系统的安全性。所述方法包括：根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器；通过滑模观测器输出观测电流；根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差；根据电流残差，确定残差评估函数；判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警。本发明涉及三相无刷直流电机的过程检测与控制领域。

Description

三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及三相无刷直流电机的过程检测与控制领域，特别是指一种三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法。

背景技术

随着科学技术的发展与应用，电动机已广泛使用于各行各业。作为一种能量转换设备，其具有极大的应用价值，随着技术的发展更新，近年来，传统电动机也正逐步被无刷直流电机所替代。相比传统电机，无刷直流电机采用功率开关器件配合电子控制电路进行换向，克服了传统电机电刷换向时存在的摩擦、噪声、火花以及寿命短等弱点。

无刷直流电机现已广泛应用于汽车、医疗、工具、机械生产等多个领域。但系统逆变器部分的控制较为复杂，且电力电子器件易损坏而造成系统故障，且由于逆变器部分的可靠性一直没有得到充分的解决。一旦发生故障，整个驱动系统便无法正常工作，轻则降低生产效率，若不及时处理，还会引发其他硬件故障，甚至带来灾难性的故障。

无刷直流电机的发展，离不开电力电子技术的发展与应用。半导体器件在不断的研究和使用过程中得到了更加稳定的性能，尤其是现代功率开关器件被广泛的应用于无刷直流电机驱动系统之中，因其具有良好的性能而成为逆变技术的核心器件，但由于其自身可控性较低，易受到干扰，使得这一部分的驱动系统发生故障的概率相对增加。一旦逆变器功率管器件自身发生故障，将直接影响逆变器的正常工作，进而导致相关功率器件实际电流值和电压值的增加。如果在电机不停机的状态下不及时的诊断故障并报警，将会对无刷直流电机造成二次故障，甚至会使整个电机系统停机。在逆变器中过流、过压、过热及驱动电路欠压等检测和保护电路的应用在一定程度上减小了功率开关器件故障对整个电机系统的影响，但由于逆变器工作环境复杂，极容易受到电网扰动和电磁干扰的影响，同时如果逆变器处于非正常工作状态，相关的电路就有可能发生开路或短路故障，针对这些可能出现的问题，尽早的发现故障有助于及时解除潜在的隐患，提高系统的安全性。

现有技术中，还没有针对三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断的有效方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，能够针对三相无刷直流电机逆变器功率管进行实时在线故障诊断，以提高系统的安全性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，包括：

根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器；

通过滑模观测器输出观测电流；

根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差；

根据电流残差，确定残差评估函数；

判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警。

进一步地，所述根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器包括：

根据三相无刷直流电机等效电路图，确定三相无刷直流电机数学模型；

将确定的三相无刷直流电机数学模型转换到两相坐标系中；

根据转换得到的两相坐标系下的三相无刷直流电机的数学表达式，结合滑模变结构控制理论，确定滑模观测器状态方程。

进一步地，所述滑模观测器状态方程表示为：

其中， 为观测电流，表示相电流观测值；为相电流观测值的一阶微分；A为相电流系数；B为相电压系数；u为相电压；K为滑模增益；表示滑模观测器输出的相电流观测值；w为不连续的非线性滑模控制量。

进一步地，w＝sign(s)，其中，s为滑模平面，i为电机在两相坐标系中的相电流，sign(s)为符号函数：

进一步地，所述通过滑模观测器输出观测电流包括：

获取测量得到的三相无刷直流电机实际输出的三相电压；

将测量得到的三相电压转换到两相坐标系下，得到电机在两相坐标系中的相电压u_α和u_β；

将转换完成的电压信号u_α和u_β输入到滑模观测器中；

由滑模观测器输出观测电流和

进一步地，所述根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差包括：

获取测量得到的三相无刷直流电机实际输出的三相电流；

将测量得到的三相电流转换到两相坐标系下，得到电机在两相坐标系中的相电流i_α和i_β；

将转换完成的电流信号i_α与观测出的电流信号做差，生成电流残差r_α。

进一步地，所述根据电流残差，确定残差评估函数包括：

根据电流残差r_α，确定残差评估函数J_α，J_α表示为：

其中，r_α(t)为电流残差，t₀为当前时刻，T为积分周期。

进一步地，所述判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警包括：

若小于等于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管无开路故障。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器；通过滑模观测器输出观测电流；根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差；根据电流残差，确定残差评估函数；判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警，从而针对逆变器功率管进行实时在线故障诊断，以提高系统的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的三相无刷直流电机等效电路示意图；

图4为本发明实施例提供的残差评估示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，包括：

S101，根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器；

S102，通过滑模观测器输出观测电流；

S103，根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差；

S104，根据电流残差，确定残差评估函数；

S105，判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警。

本发明实施例所述的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器；通过滑模观测器输出观测电流；根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差；根据电流残差，确定残差评估函数；判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警并进行报警，从而针对逆变器功率管进行实时在线故障诊断，以提高系统的安全性。

在前述三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器包括：

根据三相无刷直流电机等效电路图，确定三相无刷直流电机数学模型；

将确定的三相无刷直流电机数学模型转换到两相坐标系中；

根据转换得到的两相坐标系下的三相无刷直流电机的数学表达式，结合滑模变结构控制理论，确定滑模观测器状态方程。

本实施例中，根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器的具体步骤可以包括：

A1，本实施例中，以图3所示的三相无刷直流电机等效电路图为例，根据如图3所示的三相无刷直流电机等效电路图，确定三相无刷直流电机数学模型：

其中，v_a、v_b、v_c：表示各相相电压；R_a、R_b、R_c：表示电机各相绕组电阻；L_a、L_b、L_c：表示电机各相绕组电感；M_ab、M_ba、M_ac、M_ca、M_bc、M_cb：表示电机三相之间的互感；i_a、i_b、i_c：表示电机各相相电流；e_a、e_b、e_c：表示电机各相反电势；为运算符，表示在时间t上进行微分运算。

A2，假设：

R_a＝R_b＝R_c＝R、L_a＝L_b＝L_c＝L、M_ab＝M_ba＝M_ac＝M_ca＝M_bc＝M_cb＝M，对确定的三相无刷直流电机数学模型进行化简，得到：

进一步可以得到简化后的三相无刷直流电机数学模型为：

其中，表示电机各相电流的一阶微分。

A3，为方便计算，结合Clarke变换理论，将简化后的三相无刷直流电机数学模型转换到两相坐标系中，得到：

其中，v_α、v_β、v₀示电机在两相坐标系中的各相电压；i_α、i_β、i₀表示电机在两相坐标系中的各相电流；表示电机在两相坐标系中的各相电流的微分；e_α、e_β、e₀表示电机在两相坐标系中的各相反电势。

变形得：

可进一步表示为：

其中，电机在两相坐标系中的各相电流的微分相电流系数相电压系数i＝[i_α i_β]^T为状态量相电流，表示电机在两相坐标系中的相电流；u＝[v_α v_β]^T为输入量相电压；为扰动量；y表示系统输出。

A4，根据转换得到的两相坐标系下的三相无刷直流电机的数学表达式，结合滑模变结构控制理论，确定滑模观测器状态方程为：

其中， 为观测电流，表示相电流观测值；为相电流观测值的一阶微分；K为滑模增益；表示滑模观测器输出的相电流观测值；w为不连续的非线性滑模控制量，w＝sign(s)，其中，s为滑模平面，选择电流估计值与其实际值为滑模面切换函数，即

本实施例中，sign(s)为符号函数：

在前述三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法的具体实施方式中，进一步地，所述通过滑模观测器输出观测电流包括：

获取测量得到的三相无刷直流电机实际输出的三相电压；

将测量得到的三相电压转换到两相坐标系下，得到电机在两相坐标系中的相电压u_α和u_β；

将转换完成的电压信号u_α和u_β输入到滑模观测器中；

由滑模观测器输出观测电流和

本实施例中，通过滑模观测器输出观测电流的具体步骤可以包括：

B1，测量三相无刷直流电机实际输出的的三相电压。

B2，获取测量得到的三相无刷直流电机实际输出的三相电压，将测量得到的三相电压经Clarke变换转换到两相坐标系下，得到电机在两相坐标系中的相电压u_α和u_β。

B3，将转换完成的电压信号v_α和v_β输入到滑模观测器中。

B4，由滑模观测器输出观测电流和

在前述三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差包括：

获取测量得到的三相无刷直流电机实际输出的三相电流；

将测量得到的三相电流转换到两相坐标系下，得到电机在两相坐标系中的相电流i_α和i_β；

将转换完成的电流信号i_α与观测出的电流信号做差，生成电流残差r_α。

本实施例中，根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差的具体步骤可以包括：

具体步骤如下：

C1，测量三相无刷直流电机实际输出的三相电流。

C2，获取测量得到的三相无刷直流电机实际输出的三相电流，将测量得到的三相电流经Clarke变换转换到两相坐标系下，得到电机在两相坐标系中的相电流i_α和i_β。

C3，将转换完成的电流信号i_α与观测出的电流信号做差，生成电流残差r_α。

在前述三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据电流残差，确定残差评估函数包括：

根据电流残差r_α，确定残差评估函数J_α，J_α表示为：

其中，r_α(t)为电流残差，t₀为当前时刻，T为积分周期。

本实施例中，根据电流残差r_α，确定残差评估函数即可完成故障诊断，具体步骤如下：

确定残差评估函数时，从故障对残差能量影响的角度出发，对残差信号进行滑动窗口积分，公式如下：

其中，r_α(t)为电流残差；t₀为当前时刻；T为积分周期。

在前述三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法的具体实施方式中，进一步地，所述判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警包括：

若小于等于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管无开路故障。

本实施例中，运用残差评估函数对残差r_α进行评估，并与预先设置的故障报警控制线δ_α进行比较诊断，诊断标准为：

J_α≤δ_α 无开路故障，不报警

J_α>δ_α 有开路故障，报警

如图4所示，可以看出在0.3时刻，故障产生。

本实施例中，故障报警控制线δ_α可以根据实际应用场景确定。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，其特征在于，包括：

根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器；

通过滑模观测器输出观测电流；

根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差；

根据电流残差，确定残差评估函数；

判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警。

2.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，其特征在于，所述根据三相无刷直流电机数学模型，确定相应的滑模观测器包括：

根据三相无刷直流电机等效电路图，确定三相无刷直流电机数学模型；

将确定的三相无刷直流电机数学模型转换到两相坐标系中；

根据转换得到的两相坐标系下的三相无刷直流电机的数学表达式，结合滑模变结构控制理论，确定滑模观测器状态方程。

3.根据权利要求2所述的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，其特征在于，所述滑模观测器状态方程表示为：

其中， 为观测电流，表示相电流观测值；为相电流观测值的一阶微分；A为相电流系数；B为相电压系数；u为相电压；K为滑模增益；表示滑模观测器输出的相电流观测值；w为不连续的非线性滑模控制量。

4.根据权利要求3所述的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，其特征在于，w＝sign(s)，其中，s为滑模平面，i＝[i_α i_β]^T，i为电机在两相坐标系中的相电流，sign(s)为符号函数：

5.根据权利要求4所述的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，其特征在于，所述通过滑模观测器输出观测电流包括：

获取测量得到的三相无刷直流电机实际输出的三相电压；

将测量得到的三相电压转换到两相坐标系下，得到电机在两相坐标系中的相电压u_α和u_β；

将转换完成的电压信号u_α和u_β输入到滑模观测器中；

由滑模观测器输出观测电流和

6.根据权利要求5所述的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，其特征在于，所述根据三相无刷直流电机实际输出的电流与滑模观测器输出的观测电流生成电流残差包括：

获取测量得到的三相无刷直流电机实际输出的三相电流；

将测量得到的三相电流转换到两相坐标系下，得到电机在两相坐标系中的相电流i_α和i_β；

将转换完成的电流信号i_α与观测出的电流信号做差，生成电流残差r_α。

7.根据权利要求6所述的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，其特征在于，所述根据电流残差，确定残差评估函数包括：

根据电流残差r_α，确定残差评估函数J_α，J_α表示为：

其中，r_α(t)为电流残差，t₀为当前时刻，T为积分周期。

8.根据权利要求1所述的三相无刷直流电机逆变器功率管单管开路故障诊断方法，其特征在于，所述判断残差评估函数值是否大于等于预先设置的故障报警控制线，若大于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管有开路故障并进行报警包括：

若小于等于，则三相无刷直流电机逆变器功率管单管无开路故障。