CN109557410A

CN109557410A - 智能网联电动车开关磁阻电机功率变换器的故障诊断方法

Info

Publication number: CN109557410A
Application number: CN201910037888.9A
Authority: CN
Inventors: 陈昊; 董锋; 徐帅; 杨剑; 崔思航; 唐琛
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: CN109557410B

Abstract

本发明提出了一种智能网联电动车开关磁阻电机功率变换器的故障诊断方法，通过实时采集功率变换器相桥臂的中点电压信号输入到相应的故障诊断硬件电路中，通过故障诊断硬件电路输出一个信号flag，并且将flag信号输入到控制器中，然后控制器在诊断区间就可以判断出开关管是否发生故障以及故障的位置，之后根据故障开关管的门极驱动信号来判断故障发生的类型，从而实现功率变换器各开关管的故障诊断。本发明提出的故障诊断方法有效地实现了开关磁阻电机功率变换器的故障检测和故障定位，保证了智能网联电动车开关磁阻驱动电机系统的可靠性运行，具有良好的工程应用价值。

Description

智能网联电动车开关磁阻电机功率变换器的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一智能网联电动车开关磁阻电机功率变换器的故障诊断方法，尤其适用于各种类型、各种相数的智能网联电动车开关磁阻电机功率变换器。

背景技术

智能网联电动车是当前汽车工业发展中的重点研究方向，电机作为电动汽车的重要组成部分，在智能网联电动车驱动系统可靠性运行中发挥着重要作用。由于开关磁阻电机采用简单而坚固的结构，转子无绕组和永磁体，各相之间保持相互独立，具有一定的容错能力，因此成为了智能网联电动车的良好选择。但是开关磁阻电机系统功率变换器在恶劣的工况条件下，容易发生开关管开路故障和短路故障，可能会造成智能网联电动车驱动系统失效进而造成人员伤害，所以在工作过程中必须要对开关磁阻电机系统功率变换器进行故障诊断。目前，常用的故障诊断方法有小波变换和傅里叶变换分析法，主要问题是需要得到一个完整周期的相电流才能实现诊断，诊断速度慢，而且在电压斩波和角度位置控制策略中还需要额外的增加电流传感器，增加了智能网联电动车开关磁阻电机驱动系统的成本。因此，提出一种诊断速度快、成本低的故障诊断方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是针对智能网联电动车开关磁阻电机驱动系统存在的问题，提出一种基于相桥臂中点电压特征的开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法。

本发明的故障诊断方法：

采用一种故障诊断电路进行功率变换器相桥臂开关管的故障诊断，诊断电路的工作原理为：对于相桥臂leg1，通过实时采集相桥臂中点电压u_A+与我们所设置的参考电压U_ref1进行逻辑比较，若u_A+＜U_ref1，则输出一个低电平信号M1＝0，若u_A+＞U_ref1，则输出一个高电平信号M1＝1，然后将采集到的开关管门极驱动信号DS1经过一个延时模块后与得到的信号M1通过一个逻辑异或门输出一个信号flag，将信号flag输入到控制器中，控制器会在诊断区间进行判断，并且输出一个信号flag1，若flag1＝1且DS1＝1，则判定开关管S1出现开路故障，若flag1＝1且DS1＝0，则判定开关管S1出现短路故障，若flag1＝0，则开关管S1工作正常；对于相桥臂leg2，通过实时采集相桥臂中点电压u_A-与我们所设置的参考电压U_ref2进行逻辑比较，若u_A-＜U_ref2，则输出一个低电平信号M2＝0，若u_A-＞U_ref2，则输出一个高电平信号M2＝1，然后将采集到的开关管门极驱动信号DS2经过一个延时模块后与得到的信号M2通过一个逻辑同或门输出一个信号flag，将信号flag输入到控制器中，控制器会在诊断区间进行判断，并且输出一个信号flag2，若flag2＝1且DS2＝1，则判定开关管S2出现开路故障，若flag2＝1且DS2＝0，则判定开关管S2出现短路故障，若flag2＝0，则开关管S2工作正常；

在软斩波控制策略中，针对相桥臂leg1，在开关管工作区间内，当S1工作正常，A相工作在励磁状态时，此时相桥臂中点电压u_A+＝Us，DS1＝1；当A相工作在零电压续流状态时，A相绕组中的电流通过续流二极管D1和开关管S2续流，此时相桥臂中点电压u_A+＝-u_D1，DS1＝0；当S1出现短路故障时，此时相桥臂中点电压u_A+＝Us，由于开关磁阻电机控制系统的反馈调节机制导致S1的门极驱动信号DS1＝0；当S1出现开路故障时，A相工作在零电压续流状态，此时相桥臂中点电压u_A+＝-u_D1，由于开关磁阻电机控制系统的反馈调节机制导致S1的门极驱动信号DS1＝1；其中，Us为电源压降，u_D1为二极管D1的压降；

经过分析选取相桥臂leg1的参考电压U_ref1必须满足：-u_D1＜U_ref1＜Us，故取：U_ref1＝1/2Us，由于开关管在工作时才可能发生故障，针对相桥臂leg1，选择S1的工作区间作为故障诊断区间，用诊断电路的原理进行验证：

(1)当S1正常工作，A相工作在励磁状态时，DS1＝1，u_A+＝Us；因为u_A+＞U_ref1，故M1＝1，由DS1和M1信号通过逻辑异或门可得flag1＝0，故控制器判断S1工作在正常状态；

(2)当S1正常工作，A相工作在零电压续流状态时，DS1＝0，u_A+＝-u_D1；因为u_A+＜U_ref1，故M1＝0，由DS1和M1信号通过逻辑异或门可得flag1＝0，故控制器判断S1工作在正常状态；

(3)当S1短路故障时，DS1＝0，u_A+＝Us；因为u_A+＞U_ref1，故M1＝1，由DS1和M1信号通过逻辑异或门可得flag1＝1，故控制器判断S1发生短路故障；

(4)当S1开路故障时，DS1＝1，u_A+＝-u_D1；因为u_A+＜U_ref1，故M1＝0，由DS1和M1信号通过逻辑异或门可得flag1＝1，故控制器判断S1发生开路故障；

针对相桥臂leg2，在开关管工作区间内，当S2工作正常，当A相工作在励磁状态和零电压续流状态时，此时相桥臂中点电压u_A-＝0，DS2＝1；在开关管关断区间内，当A相工作在负电压续流状态时，A相绕组中的电流通过续流二极管D1、D2续流，此时相桥臂中点电压u_A-＝Us+u_D2，DS2＝0；当S2出现短路故障时，在工作区间内，此时相桥臂中点电压u_A-＝0，DS2＝1；在负电压续流状态区间，此时相桥臂中点电压u_A-＝0，DS2＝0；当S2出现开路故障时，在工作区间内，此时A相工作在续流状态，此时相桥臂中点电压u_A-＝Us+u_D2，DS2＝1；其中，u_D2为二极管D2的压降；

经过分析选取相桥臂leg2的参考电压必须满足：0＜U_ref2＜Us+u_D2，故取：U_ref2＝1/2Us，由于开关管在工作时才可能发生故障，对于开关管S2，在工作区间一直是保持开通的，如果在工作区间发生开路故障时，可以立刻诊断出来，如果在工作区间发生短路故障时，无法立即诊断出来，需要进入负电压续流区间才可以诊断出来，故针对相桥臂leg2，选择S2的工作区间及负电压续流区间作为故障诊断区间，用诊断电路的原理进行验证：

(1)当S2正常工作，A相工作在励磁状态和零电压续流状态时，DS2＝1，u_A-＝0；因为u_A-＜U_ref2，故M2＝0，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝0，故控制器判断S2工作在正常状态；

(2)当S2正常工作，A相工作在负电压续流状态时，DS2＝0，u_A-＝Us+u_D2；因为u_A-＞U_ref2，故M2＝1，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝0，故控制器判断S2工作在正常状态；

(3)当S2开路故障时，DS2＝1，u_A-＝Us+u_D2；因为u_A-＞U_ref2，故M2＝1，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝1，故控制器判断S2发生开路故障；

(4)当S2短路故障时，在工作区间，DS2＝1，u_A-＝0；因为u_A-＜U_ref2，故M2＝0，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝0，故控制器在工作导通区间不能立即诊断出短路故障时，当进入负电压续流区间，DS2＝0，u_A-＝Us+u_D2；因为u_A-＜U_ref2，故M2＝0，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝1，故控制器判断S2发生短路故障；

针对相桥臂leg1的故障诊断方法适用于开关磁阻电机功率变换器的所有奇数桥臂，同时针对相桥臂leg2的故障诊断方法适用于开关磁阻电机功率变换器的所有偶数桥臂，因此基于相桥臂中点电压的开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法能够实时地对整个功率变换器相桥臂进行故障检测和故障定位，保证了智能网联电动车开关磁阻驱动电机系统的可靠性运行。

有益效果：采用基于相桥臂中点电压特征的开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，可以有效的实现功率变换器开关管的故障诊断和故障定位，无需额外的传感器进行检测，降低了智能网联电动车开关磁阻电机驱动系统的成本，同时此故障诊断方法具有可移植性，适用于多种不同类型的功率变换器拓扑，其所用的故障诊断电路，结构非常简单，极易实现，诊断速度快，提高了故障诊断的效率，而且这种故障诊断方法适用于不同的斩波策略和控制策略，具有很高的实用性和应用价值。

附图说明

图1是本发明的开关磁阻电机功率变换器拓扑图。

图2是本发明的开关磁阻电机功率变换器A相的故障类型图。

图3是本发明功率变换器相桥臂leg1的故障诊断电路图。

图4是本发明功率变换器相桥臂leg2的故障诊断电路图。

图5是本发明的开关磁阻电机功率变换器A相正常工作的状态区间图。

图6是本发明的开关管S1发生开路故障的诊断实验波形图。

图7是本发明的开关管S1发生短路故障的诊断实验波形图。

图8是本发明的开关管S2发生开路故障的诊断实验波形图。

图9是本发明的开关管S2发生短路故障的诊断实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的故障诊断方法作进一步的描述：

针对图1所示的开关磁阻电机功率变换器拓扑，Us为直流电源，C为电容，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8为功率开关管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8为二极管，L_a、L_b、L_c、L_d分别为开关磁阻电机A、B、C、D四相的绕组，S1和D1组成相桥臂leg1，S2和D2组成相桥臂leg2，S3和D3组成相桥臂leg3，S4和D4组成相桥臂leg4，S5和D5组成相桥臂leg5，S6和D6组成相桥臂leg6，S7和D7组成相桥臂leg7，S8和D8组成相桥臂leg8，A+为相桥臂leg1的中点，A-为相桥臂leg2的中点，B+为相桥臂leg3的中点，B-为相桥臂leg4的中点，C+为相桥臂leg5的中点，C-为相桥臂leg6的中点，D+为相桥臂leg7的中点，D-为相桥臂leg8的中点，u_A+为A+点的电压，u_A-为A-点的电压，i_a、i_b、i_c、i_d分别为A、B、C、D四相的电流。

功率变换器中A相发生的故障类型如图2所示，主要有开关管S1开路故障、开关管S1短路故障、开关管S2开路故障、开关管S2短路故障。

针对相桥臂leg1的故障诊断电路如图3所示，其中电容C1＝0.1uF，电阻R1＝4.7kΩ，电容C2＝0.01uF，电阻R2＝200Ω，将相桥臂leg1的中点电压u_A+与我们所选取的参考电压U_ref1作为光耦隔离芯片6N137的输入，采用6N137芯片的目的是考虑到实际电路的需要，必须进行电平隔离，若u_A+＜U_ref1，则芯片输出一个低电平信号M1＝0，若u_A+＞U_ref1，则芯片输出一个高电平信号M1＝1，然后将信号M1通过一个非门逻辑电路芯片HD74LS04P进行整形，以消除其他毛刺信号的干扰，之后将采集到的开关管S1的门极驱动信号DS1经过一个延时模块后与整形后的信号M1通过一个逻辑异或门芯片HD74LS86P输出一个信号flag，然后将flag信号输入到控制器中，控制器芯片采用TMS320F28335,控制器在诊断区间进行判断，并且输出一个信号flag1，若flag1＝1且DS1＝1，则判定开关管S1出现开路故障，若flag1＝1且DS1＝0，则判定开关管S1出现短路故障，若flag1＝0，则开关管S1工作正常；

针对相桥臂leg2的故障诊断电路如图4所示，将相桥臂leg2的中点电压u_A-与我们所选取的参考电压U_ref2作为光耦隔离芯片6N137的输入，若u_A-＜U_ref2，则芯片输出一个低电平信号M2＝0，若u_A-＞U_ref2，则芯片输出一个高电平信号M2＝1，然后将信号M2通过一个非门逻辑电路芯片HD74LS04P进行整形，之后将采集到的开关管S2的门极驱动信号DS2经过一个延时模块后与整形后的信号M2通过一个逻辑同或门芯片HD74LS266输出一个信号flag，然后将flag信号输入到控制器中，控制器在诊断区间进行判断，并且输出一个信号flag2，若flag2＝1且DS2＝1，则判定开关管S1出现开路故障，若flag2＝1且DS2＝0，则判定开关管S1出现短路故障，若flag2＝0，则开关管S2工作正常；

A相正常工作时的状态区间图如图5所示，其中励磁区间为开关管S1、S2的工作区间，由于开关管只可能在工作的时候出现故障，所以，针对相桥臂leg1，选取S1的工作区间作为故障诊断区间，针对相桥臂leg2，对于开关管S2，在工作区间一直是保持开通的，如果在工作区间发生开路故障时，可以立刻诊断出来，如果在工作区间发生短路故障时，则无法立即诊断出来，需要进入负电压续流区间才可以诊断出来，故针对相桥臂leg2，选择S2的工作区间及负电压续流区间作为故障诊断区间。

开关管S1发生开路故障的诊断实验波形图如图6所示，图中trigger是故障触发信号，Time:5ms/DIV表示时间为每格5毫秒，4V/DIV表示电压为每格4V，10A/DIV表示电流为每格10A，由图可知：在开路故障触发之前，当A相工作在励磁状态时，M1＝1，DS1＝1，flag1＝0，当A相工作在零电压续流状态时，M1＝0，DS1＝0，flag1＝0，则控制器判断S1工作正常；当开路故障触发之后，A相工作在续流状态，M1＝0，DS1＝1，flag1＝1,则控制器判断S1发生开路故障；

由诊断电路的工作原理分析可知：在开路故障触发之前，当A相工作在励磁状态时，DS1＝1，u_A+＝Us；因为u_A+＞U_ref1，故M1＝1，由DS1和M1信号通过逻辑异或门可得flag1＝0，当A相工作在零电压续流状态时，DS1＝0，u_A+＝-u_D1；因为u_A+＜U_ref1，故M1＝0，由DS1和M1信号通过逻辑异或门可得flag1＝0，故控制器判断S1工作在正常状态；在开路故障触发之后，A相工作在续流状态时，DS1＝1，u_A+＝-u_D1；因为u_A+＜U_ref1，故M1＝0，由DS1和M1信号通过逻辑异或门可得flag1＝1，故控制器判断S1发生开路故障；

开关管S1发生短路故障的诊断实验波形图如图7所示，图中5V/DIV表示电压为每格5V，12A/DIV表示电流为每格12A，由图可知：在短路故障发生之后，M1＝1，DS1＝0，flag1＝1，则控制器判断S1发生短路故障；

由诊断电路的工作原理分析可知：在短路故障触发之后，DS1＝0，u_A+＝Us；因为u_A+＞U_ref1，故M1＝1，由DS1和M1信号通过逻辑异或门可得flag1＝1，故控制器判断S1发生短路故障；

开关管S2发生开路故障的诊断实验波形图如图8所示，由图可知：在开路故障触发之前，当A相工作在励磁状态和零电压续流状态时，M2＝0，DS2＝1，flag2＝0，当A相工作在负电压续流状态时，M2＝1，DS2＝0，flag2＝0，则控制器判断S2工作正常；在开路故障触发之后，A相工作在续流状态时，M2＝1，DS2＝1，flag2＝1,则控制器判断S2发生开路故障；

由诊断电路的工作原理分析可知：在开路故障触发之前，当A相工作在励磁状态和零电压续流状态时，DS2＝1，u_A-＝0；因为u_A-＜U_ref2，故M2＝0，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝0，当A相工作在负电压续流状态时，DS2＝0，u_A-＝Us+u_D2；因为u_A-＞U_ref2，故M2＝1，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝0，故控制器判断S2工作在正常状态；在开路故障触发之后，A相工作在续流状态时，DS2＝1，u_A-＝Us+u_D2；因为u_A-＞U_ref2，故M2＝1，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝1，故控制器判断S2发生开路故障；

开关管S2发生短路故障的诊断实验波形图如图9所示，由图可知：在短路故障触发之后，关断区间不在故障诊断区间，无需诊断，进入工作区间后，开关管的导通状态与短路状态无法区分，不能立即诊断出来，进入负电压续流区间时，M2＝0，DS2＝0，flag2＝1,则控制器判断S2发生短路故障；

由诊断电路的工作原理分析可知：在短路故障触发之后，在工作区间，DS2＝1，u_A-＝0；因为u_A-＜U_ref2，故M2＝0，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝0，故控制器在工作导通区间不能立即诊断出短路故障时，当进入负电压续流区间时，DS2＝0，u_A-＝Us+u_D2；因为u_A-＜U_ref2，故M2＝0，由DS2和M2信号通过逻辑同或门可得flag2＝1，故控制器判断S2发生短路故障；

根据以上四组实验可知，本发明提出的故障诊断方法可以快速有效的实现故障诊断，需要说明的是，在关断区间即绕组中的电流为零时，此时相桥臂的中点电位是一个虚电位，因为没有电流，就没有电位的参考零电位，所以M1(M2)信号在关断区间会时而高电平，时而低电平，但是这种情况并不会影响到故障诊断的准确性，因为关断区间并不在故障诊断的区间内。

针对相桥臂leg1的故障诊断方法适用于开关磁阻电机功率变换器的所有奇数桥臂，同时针对相桥臂leg2的故障诊断方法适用于开关磁阻电机功率变换器的所有偶数桥臂，故对于功率变换器相桥臂leg1、leg3、leg5、leg7都采用如图8所示的故障诊断电路，对于功率变换器相桥臂leg2、leg4、leg6、leg8都采用如图9所示的故障诊断电路，因此基于相桥臂中点电压的开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法能够实时地针对整个功率变换器相桥臂进行故障检测和故障定位，保证了智能网联电动车开关磁阻驱动电机系统的可靠性运行。

Claims

1.智能网联电动车开关磁阻电机功率变换器的故障诊断方法，其特征在于：

针对相桥臂leg1，在开关管工作区间内，当S1工作正常，A相工作在励磁状态时，此时相桥臂中点电压u_A+＝Us，DS1＝1；当A相工作在零电压续流状态时，A相绕组中的电流通过续流二极管D1和开关管S2续流，此时相桥臂中点电压u_A+＝-u_D1，DS1＝0；当S1出现短路故障时，此时相桥臂中点电压u_A+＝Us，由于开关磁阻电机控制系统的反馈调节机制导致S1的门极驱动信号DS1＝0；当S1出现开路故障时，A相工作在零电压续流状态，此时相桥臂中点电压u_A+＝-u_D1，由于开关磁阻电机控制系统的反馈调节机制导致S1的门极驱动信号DS1＝1；其中，Us为电源压降，u_D1为二极管D1的压降；

经过分析选取相桥臂leg1的参考电压U_ref1必须满足：-u_D1＜U_ref1＜Us，故取：U_ref1＝1/2Us，由于开关管在工作时才可能发生故障，针对相桥臂leg1，选择S1的工作区间作为故障诊断区间；

经过分析选取相桥臂leg2的参考电压必须满足：0＜U_ref2＜Us+u_D2，故取：U_ref2＝1/2Us，由于开关管在工作时才可能发生故障，但是对于开关管S2，在工作区间一直是保持开通的，如果在工作区间发生短路故障时，无法立即诊断出来，需要进入负电压续流区间才可以诊断出来，故针对相桥臂leg2，选择S2的工作区间及负电压续流区间作为故障诊断区间；

针对相桥臂leg1的故障诊断方法适用于开关磁阻电机功率变换器的所有奇数桥臂，同时针对相桥臂leg2的故障诊断方法适用于开关磁阻电机功率变换器的所有偶数桥臂，因此基于相桥臂中点电压特征的开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法能够实时地对整个功率变换器相桥臂进行故障检测和故障定位，保证了智能网联电动车开关磁阻驱动电机系统的可靠性运行。