CN109870639B - 一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，应用于双逆变器‑开绕组电机系统，包括下述步骤：步骤1：实时监测三相电流标么平均值之和d的值，其中d＝D_a+D_b+D_c，

其中<>表示求取单个基波周期内的电流平均值，Ia，Ib，Ic为三相定子电流；步骤2：将三相电流标么平均值之和d的值与阈值k作比较，若‑k<d<k，则无故障发生，若d>k，开关管η₁₂或者η₂₁发生开路故障，若d<‑k，则开关管η₁₁或者η₂₂发生开路故障，其中η＝a，b，c。通过以上技术方案，针对开绕组电机‑共直流母线双逆变器系统，本发明相比现有技术具有以下优点：无需安装额外的硬件，能够在任一开关管开路的情况下，精确鉴别出故障开关所在的位置，进而为冗余控制的实施提供了有力保证。

Description

一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及开绕组电机驱动领域，具体地说是一种开绕组电驱系统故障诊断方法。

背景技术

电路的故障诊断是容错控制算法的前提。总体上，故障诊断方法可分为无模型故障诊断方法和基于对象模型的故障诊断方法。前者运行机器学习、人工神经网络、模糊逻辑等人工智能技术开发专家系统对故障实施诊断，需要较大的数据处理和复杂的运算，难以工程实施。而后者则依据对象的解析模型提取故障特征或残差，进而实施故障诊断，具有较强的工程实现性。信号分析法作为典型的基于模型的诊断方案，近年来获得较多的研究。其中基于频域的信号分析法，尽管具有较低的误报率，但诊断时间较长，且计算复杂；而基于时域的分析方法算法简单，且缩短了检测时间，获得了较为广泛的应用。依据信号源的不同，又可将其划分为电压诊断法和电流诊断法。

在题为Fault detection of open-switch damage in voltage-fed PWM motordrive systems(IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(2):587-593)一文中，巴西学者基于逆变器解析模型，对比研究了4种不同电压检测的开关管开路故障诊断方法，理论上能够在1/4基波周期内实现故障诊断。然而在实际应用中，电压诊断法因实际开关模式的未知性而受到驱动电路、开关器件等硬件特性的影响，具有较大的不确定性，同时对电压检测和A/D转换带宽提出了更高的要求。

相比电压诊断法，电流诊断法因无需额外检测采样电路而受到更多的关注。其中一篇题为Voltage source inverter fault diagnosis in variable speed AC drives，by Park's vector approach.(1998Seventh International Conference on PowerElectronics and Variable Speed Drives(IEE Conf.Publ.No.456))的文章，提出运用Park电流矢量法进行开关管开路故障诊断，尽管需要复杂的模式辨识算法，但奠定了电流诊断法的基础。法国学者等在Fault detection and isolation on a PWM inverter byknowledge-based model[J].(IEEE Transactions on Industry Applications，1998，34(6):1318-1326.)中分别通过电流矢量轨迹斜率和瞬时频率两种方法进行故障诊断。在斜率诊断方法的基础上，Multiple IGBTs Open Circuit Faults Diagnosis in VoltageSource Inverter Fed Inductiong Motor Using Modified Slope Method.(XIXInternational Conference on Electrical Machines-ICEM 2010，Rome.)一文实现了多个开关管开路故障的诊断。

就开绕组电驱动拓扑而言，拓扑的冗余性将影响到故障电流特征，甚至致使一些鉴别方法失效。尽管题为“樊英，张向阳，魏梦飒，开绕组永磁复合轮毂电机驱动系统容错控制”(电工技术学报，Vol.30No.2Jan.2015)对开关管发生开路故障后开绕组驱动拓扑的冗余运行算法进行了研究，但针对开绕组驱动拓扑的开关管故障诊断研究的报道还较为少见，且多需要安装额外的传感器。

综上所述，现有技术均无法在不加装额外硬件设施的前提下实现开绕组电机-共直流母线双逆变器(OEW-IM)拓扑的开关管故障诊断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何能够在不加装额外硬件设施的前提下实现开绕组电机-共直流母线双逆变器(OEW-IM)拓扑的开关管故障诊断。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，应用于双逆变器-开绕组电机系统，双逆变器-开绕组电机系统的绕组两边分别采用逆变器VSI1和逆变器VSI2供电，逆变器VSI1和逆变器VSI2的各桥臂并联后与公共的直流电源Udc相连，逆变器VSI1的A相桥臂为串联的开关管a₁₁与a₁₂，桥臂的中点为a1，逆变器VSI1的B相桥臂为串联的开关管b₁₁与b₁₂，桥臂的中点为b1，逆变器VSI1的C相桥臂为串联的开关管c₁₁与c₁₂，桥臂的中点为c1，逆变器VSI2的A相桥臂为串联的开关管a₂₁与a₂₂，桥臂的中点为a2，逆变器VSI2的B相桥臂为串联的开关管b₂₁与b₂₂，桥臂的中点为b2，逆变器VSI2的C相桥臂为串联的开关管c₂₁与c₂₂，桥臂的中点为c2，开关管a₁₁、开关管b₁₁、开关管c₁₁、开关管a₂₁、开关管b₂₁、开关管c₂₁的非串联端接直流电源Udc的正极，开关管a₁₂、开关管b₁₂、开关管c₁₂、开关管a₂₂、开关管b₂₂、开关管c₂₂的非串联端接直流电源Udc的负极，所述开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法包括下述步骤：

步骤1：实时监测三相电流标么平均值之和d的值，其中d＝D_a+D_b+D_c，

其中<>表示求取单个基波周期内的电流平均值，Ia，Ib，Ic为三相定子电流；

步骤2：将三相电流标么平均值之和d的值与阈值k作比较，若-k<d<k，则无故障发生，若d>k，开关管η₁₂或者η₂₁发生开路故障，若d<-k，则开关管η₁₁或者η₂₂发生开路故障，其中η＝a，b，c。通过以上技术方案，针对开绕组电机-共直流母线双逆变器系统，本方案无需安装额外的硬件，能够在任一开关管开路的情况下，大致鉴别出故障开关所在的开关对的位置，进而为冗余控制的实施提供了有力保证。

作为进一步优化的技术方案，所述双逆变器-开绕组电机系统采用电流闭环控制系统，所述电流闭环控制系统包括Clark/park坐标变换单元、第一比较器、第二比较器、第一PI调节器、第二PI调节器、park坐标反变换单元、SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量脉宽调制)单元、编码器、转差计算单元、加法器、积分单元；

采样三相定子电流Ia，Ib，Ic，通过编码器测得电机转角ω_r，指定值电流Id^*、Iq^*输入转差计算单元得到给定转差频率ωf，电机转角ω_r和给定转差频率ωf通过加法器相加后输入到积分单元，积分单元输出角度控制值θ到Clark/park坐标变换单元及park坐标反变换单元，三相定子电流Ia，Ib，Ic在Clark/park坐标变换单元进行坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电流Id，Iq，坐标变换公式如(1)，(2)所示，

将d轴分量Id与指定值电流Id^*进行比较，q轴分量Iq与指定值电流Iq^*进行比较，比较后的值分别通过第一PI调节器和第二PI调节器输出参考电压Ud、Uq，参考电压Ud、Uq输入park坐标反变换单元，park坐标反变换单元输出的电压信号经过SVPWM单元得到逆变器VSI1的触发脉冲信号PWM1～6和逆变器VSI2的触发脉冲信号PWM7～12。

作为进一步优化的技术方案，若d>k，开关管η₁₂或者η₂₁发生开路故障，接下来进入步骤3：判断ε_n是否低于0.3，其中n＝a，b，c，ε_n为各相电流直流分量占比，

其中I_∑＝<|I_a|>+<|I_b|>+<|I_c|>；

若εa<0.3，则判定开关管a₁₂或a₂₁开路，若εb<0.3，则判定开关管b₁₂或b₂₁开路，若εc<0.3，则判定开关管c₁₂或c₂₁开路。本方案进一步给出了如何准确鉴别出故障开关所在的开关对是具体的哪个开关对，进而进一步明确了故障开关所在的位置。

作为进一步优化的技术方案，若εa<0.3，则判定开关管a₁₂或a₂₁开路，并进入步骤32：封锁开关管a₁₁并扰动开关管a₁₂的驱动信号，然后进入步骤322；

步骤322：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管a₂₁开路，若J＝0，则开关管a₁₂开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

作为进一步优化的技术方案，若εb<0.3，则判定开关管b₁₂或b₂₁开路，并进入步骤34：封锁开关管b₁₁并扰动开关管b₁₂的驱动信号，然后进入步骤342；

步骤342：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管b₂₁开路，若J＝0，则开关管b₁₂开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

作为进一步优化的技术方案，若εc<0.3，则判定开关管c₁₂或c₂₁开路，并进入步骤36：封锁开关管c₁₁并扰动开关管c₁₂的驱动信号，然后进入步骤362；

步骤362：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管c₂₁开路，若J＝0，则开关管c₂₁开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

以上三个方案进一步给出了如何准确鉴别出故障开关所在的具体位置。

作为进一步优化的技术方案，若d<-k，则开关管η₁₁或者η₂₂发生开路故障，接下来进入步骤4：判断ε_n是否低于0.3，其中n＝a，b，c，若εa<0.3，则判定开关管a₁₁或a₂₂开路，若εb<0.3，则判定开关管b₁₁或b₂₂开路，若εc<0.3，则判定开关管c₁₁或c₂₂开路。本方案进一步给出了如何准确鉴别出故障开关所在的开关对是具体的哪个开关对，进而进一步明确了故障开关所在的位置。

作为进一步优化的技术方案，若εa<0.3，则判定开关管a₁₁或a₂₂开路，并进入步骤42：封锁开关管a₁₂并扰动开关管a₁₁的驱动信号，然后进入步骤422；

步骤422：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管a₂₂开路，若J＝0，则开关管a₁₁开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

作为进一步优化的技术方案，若εb<0.3，则判定开关管b₁₁或b₂₂开路，并进入步骤44：封锁开关管b₁₂并扰动开关管b₁₁的驱动信号，然后进入步骤442；

步骤442：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管b₂₂开路，若J＝0，则开关管b₁₁开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

作为进一步优化的技术方案，若εc<0.3，则判定开关管c₁₁或c₂₂开路，并进入步骤46：封锁开关管c₁₂并扰动开关管c₁₁的驱动信号，然后进入步骤462；

步骤462：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管c₂₂开路，若J＝0，则开关管c₁₁开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

以上三个方案进一步给出了如何准确鉴别出故障开关所在的具体位置。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、针对开绕组电机-共直流母线双逆变器(OEW-IM)系统，本发明能够在任一开关管开路的情况下，准确的鉴别故障开关的位置，进而为冗余控制的实施提供了有力保证。

2、与加装电压传感器的方案相比，本方案无需安装额外的硬件，这样既减少了拓扑的复杂性，又节省了成本。

3、本方案仅仅通过三相电流判定系统的故障情况，计算相对现有方案更加简单，易于实现，且在电流控制环作用下，判断方法可以在两相容错运行的基础上实施，不至于影响电机的正常运行，使得系统运行更加可靠。

附图说明

图1为本发明中实施例中使用的开绕组电机驱动系统拓扑；

图2为本发明中双逆变器产生的空间电压矢量分布图；

图3为开关状态1-6，1’-6’对应的开关状态图；

图4为本发明中开绕组异步电机系统的仿真控制框图；

图5为本发明中，开关管a11开路前后，电流环作用下的三相电流波形；

图6为本发明中，开关管a11开路前后，故障诊断变量d的变化情况图；

图7为本发明中，开关管a11开路前后，三相电流绝对平均值占比的变化情况图；

图8为本发明中开关管a11及a12无法导通后的电流流向分析图；

图9为本发明中开关管a22及a12无法导通后的电流流向分析图；

图10为本发明中(a11，a22)开路时单极式运行模式下，对a11驱动信号进行扰动后的A相电流变化示意图；

图11为本发明中a11扰动幅度△T与系统运行频率及定子电流之间的关系(其中In、f_N分别为电机额定定子相电流及额定频率)；

图12为本发明实施例中所述的故障诊断方法的诊断流程总图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明将一种针对开绕组电驱动变流系统开关管开路故障的诊断方法应用于如图1所示的双逆变器-开绕组电机(OEW-IM，open-end winding induction motor)系统，按照矢量合成法则，得到双逆变器输出电压矢量的空间分布图如图2所示，其中开关状态1-6，1’-6’对应的开关状态见图3。本实施例采用的调制方式为中间矢量调制方式，利用图2中的OH，OG，OL，OK，OJ，OI将空间分为六个扇区，并在在各个扇区内利用相邻中矢量合成所需电压矢量。该双逆变器-开绕组电机系统采用如图4所述的电流闭环控制系统。

如图1所示，绕组两边分别采用逆变器VSI1和逆变器VSI2供电，逆变器VSI1和逆变器VSI2的各桥臂并联后与公共的直流电源Udc相连，逆变器VSI1的A相桥臂为串联的开关管a₁₁与a₁₂，桥臂的中点为a1，逆变器VSI1的B相桥臂为串联的开关管b₁₁与b₁₂，桥臂的中点为b1，逆变器VSI1的C相桥臂为串联的开关管c₁₁与c₁₂，桥臂的中点为c1，逆变器VSI2的A相桥臂为串联的开关管a₂₁与a₂₂，桥臂的中点为a2，逆变器VSI2的B相桥臂为串联的开关管b₂₁与b₂₂，桥臂的中点为b2，逆变器VSI2的C相桥臂为串联的开关管c₂₁与c₂₂，桥臂的中点为c2，开关管a₁₁、开关管b₁₁、开关管c₁₁、开关管a₂₁、开关管b₂₁、开关管c₂₁的非串联端接直流电源Udc的正极，开关管a₁₂、开关管b₁₂、开关管c₁₂、开关管a₂₂、开关管b₂₂、开关管c₂₂的非串联端接直流电源Udc的负极。

如图4所示，所述电流闭环控制系统包括Clark/park坐标变换单元、第一比较器、第二比较器、第一PI调节器、第二PI调节器、park坐标反变换单元、SVPWM(Space VectorPulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)单元、编码器、转差计算单元、加法器、积分单元。

所述电流闭环控制系统的工作过程为：通过三相电流传感器采样所得的三相定子电流Ia，Ib，Ic，通过编码器测得电机转角ω_r，指定值电流Id^*、Iq^*输入转差计算单元得到给定转差频率ωf，电机转角ω_r和给定转差频率ωf通过加法器相加后输入到积分单元，积分单元输出角度控制值θ到Clark/park坐标变换单元及park坐标反变换单元。三相定子电流Ia，Ib，Ic在Clark/park坐标变换单元进行坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电流Id，Iq，坐标变换公式如(1)，(2)所示，

将d轴分量Id与指定值电流Id^*进行比较，q轴分量Iq与指定值电流Iq^*进行比较，比较后的值分别通过第一PI调节器和第二PI调节器输出参考电压Ud、Uq，参考电压Ud、Uq输入park坐标反变换单元，park坐标反变换单元输出的电压信号经过SVPWM单元得到逆变器VSI1的触发脉冲信号PWM1～6和逆变器VSI2的触发脉冲信号PWM7～12。所述电流闭环控制系统采取对拖系统，转速保持恒定。

假设某一时刻，图1所示OEW-IM系统中的开关管a₁₁发生开路故障，此时采样所得三相电流Ia、Ib、Ic的波形如图5所示，观察可知A相电流Ia将会出现较为明显的负向偏置，甚至仅有负向电流存在。同步旋转dq坐标系下，第一PI调节器、第二PI调节器对坐标轴分量Id、Iq进行控制。故障相电流的直流偏置所引起的三相不对称将通过Clark/park坐标变换单元的旋转坐标变换反映到坐标轴分量Id、Iq中，形成脉动成分，这将通过第一PI调节器、第二PI调节器的控制作用进一步反映到输出参考电压Ud、Uq，从而进一步反映到三相电压中，进而使得三相电流均受到影响，最终三相电流出现相同方向的直流偏置，进而减小Id、Iq的脉动。

同理，可以分析开关管a₂₂出现故障时将有类似的环流特征，而开关管a₁₂或开关管a₂₁出现故障时环流将呈现相反的方向，具有类似的幅值和频谱特征。类似地可以分析其余两相对应开关管开路故障时的环流，具有类似的特征。不难发现，因开绕组系统两逆变器的对称性，同一相对角两开关管如开关管a₁₁与a₂₂、开关管a₁₂与a₂₁等。在这里为便于描述将同一相对角两开关管称为开关对，开绕组系统包含了6个开关对，即第一开关对(a₁₁，a₂₂)、第二开关对(a₁₂，a₂₁)、第三开关对(b₁₁，b₂₂)、第四开关对(b₁₂，b₂₁)、第五开关对(c₁₁，c₂₂)、第六开关对(c₁₂，c₂₁)。

接下来，定义各相电流平均值与绝对平均值之比为相电流标幺平均值D_n，即

其中<>表示求取单个基波周期内的电流平均值。

无开关故障时，D_n＝0，而当某开关管发生开路时，根据故障开关管位置的不同其对应相的相电流几乎全为正或负，其电流标幺平均值D_n＝1或-1。在矢量控制的作用下，三相电流均发生同极性的直流偏移，对非故障相有-1＜|D_n|＜1。此时，三相电流标么平均值之和d＝D_a+D_b+D_c大于1或小于-1，如图6所示，展示了当开关管a11开路前后，三相电流标么平均值之和d的变化情况。

因此，可依据三相电流标么平均值之和d的值对故障相及其开关对进行定位，若d<-k，则开关管η₁₁或者η₂₂发生开路故障，若d>k，则开关管η₁₂或者η₂₁发生开路故障，若-k<d<k，则无故障发生，其中η＝a，b，c。，具体如表1所示。

表2故障位置的初步判定表

综合考虑故障诊断的灵敏度和可靠性，经测试k可在0.5至1之间选取。优选的，k选取为0.7。

参阅图12，判断故障开关所在相需要实时监测三相电流标么平均值之和d的值，当若d<-k或者d>k，即在开关管发生开路故障情况下，除了出现直流偏置以外，因故障开关管限制了故障相电流方向，使得故障相电流明显小于非故障相的电流。为提取这一故障相的诊断信息，并提升负载电流鲁棒性，定义各相电流直流分量占比为：

其中I_∑＝<|I_a|>+<|I_b|>+<|I_c|>，当某一相发生开路故障时，该相的标幺平均值小于其余两相，对应的ε_n<0.3，例如A相或C相开关管开路时，对应的ε_n变化情况如图7所示。

由于同一开关对中的两开关管发生开路故障时，无论哪个开关管发生开路，负向电流均可通过其余开关管及其反并联二极管形成回路，负载电流波形几乎完全一致，无法直接依据故障后的负载电流波形中进行故障开关鉴别。为此，本文提出了一种单极式开关管故障鉴别方案，即在鉴别出故障开关对的基础上，封锁故障相非故障开关对中的一个开关管的开通信号，使其处于开路状态，并主动改变与该开关管互补的开关管的驱动信号，进而从故障相电流特征中提取出故障开关信息，进而完成对故障开关管的精确定位。

这里仍以开关对(a₁₁，a₂₂)为例进行分析，在鉴别出开关对(a₁₁，a₂₂)存在开路故障的情况下，将故障开关对中开关管a₁₁的互补开关管a₁₂的驱动信号封锁，使其处于开路状态。考虑存在的开路故障开关管和主动开路的开关管a₁₂，此时A相存在两个开关管开路，其电流将衰减至0附近，并在反电动势的作用下形成脉动电流，称此时系统的A相运行模式为单极式运行方式。此时，电流控制器的作用使得两非故障相电流的幅值与相位发生变化，从而使得电机中的圆形旋转磁动势保持不变，此时系统近似地处于两相容错运行状态下。脉动电流主要是由电机反电动势续流引起，会存在正、负两个方向的电流，这就为进一步对开关管a₁₁和a₁₂开路故障进行区分提供了条件。

若发生开路故障的为开关管a₁₁，则在封锁a₁₂信号后可能存在的电流回路如图8所示。在不采取进一步措施的情况下，此时A相回路正、负向电流回路完全对称，在电机反电动势的作用下，A相不仅会存在负向电流，而且会出现正向电流。负向电流存在两种续流回路如图8(a)和(b)所示，其中图8(a)回路为反电动势直接构成回路，电流从a1节点经与开关管a₁₁反并联的二极管、开关管a₂₁流向a2节点，此时在反电动势E1的作用下，负向电流增大；而当开关管a₂₁关断时，负向电流通过图8(b)所示回路进行续流，图8(b)中电流从Udc的负极经与开关管a₂₂反并联的二极管、与开关管a₁₁反并联的二极管流向Udc的正极，负向电流衰减。类似的可以分析正向电流的情况，其中图8(c)为正向反电动势直接构成回路，电流从a2节点经开关管a₂₂、与开关管a₁₂反并联的二极管流向a1节点，此时在反电动势E1的作用下，正向电流增大；而当开关管a₂₁关断时，正向电流通过图8(d)所示回路进行续流，图8(d)中电流从Udc的负极经与开关管a₁₂反并联的二极管、与开关管a₂₁反并联的二极管流向Udc的正极，正向电流衰减。显然，在电机运行状态不变的情况下，负向和正向电流大小受到逆变器VSI2的A相桥臂的控制。

若发生开路故障的为开关管a₂₂，则在封锁开关管a₁₂的驱动信号后对应的电流回路如图9所示，负向电流存在两种续流回路如图9(a)和(b)所示，其中图9(a)回路为反电动势直接构成回路，电流从a1节点经与a₁₁反并联的二极管、开关管a₂₁流向a2节点，此时在反电动势E1的作用下，负向电流增大；而当开关管a₂₁关断时，负向电流通过图9(b)所示回路进行续流，图9(b)中电流从Udc的负极经与开关管a₂₂反并联的二极管、与开关管a₁₁反并联的二极管流向Udc的正极，负向电流衰减。类似的可以分析正向电流的情况，其中图9(c)为正向反电动势直接构成回路，电流从a2节点经与开关管a₂₁反并联的二极管、开关管a₁₁流向a1节点，此时在反电动势E1的作用下，正向电流增大；而当开关管a₁₁关断时，正向电流通过图9(d)所示回路进行续流，图9(d)中电流从Udc的负极经与开关管a₁₂反并联的二极管、与开关管a₂₁反并联的二极管流向Udc的正极，正向电流衰减。此时正向电流受到逆变器VSI1的A相桥臂的驱动信号的控制，而负向电流受到逆变器VSI2的A相桥臂的驱动信号的控制。

对比图8和9两种情况不难发现，两种开路故障所对应的负向电流回路相同，而正向电流回路不同。若故障开关为开关管a₁₁，则A相电流不受逆变器VSI1的A相桥臂驱动信号的影响；若故障开关为开关管a₂₂，则A相电流会受到逆变器VSI1的A相桥臂驱动信号的影响，极限情况下，若将开关管a₁₁的驱动占空比置为0，即将开关管a₁₁也封锁，则在基速以下将不存在正向电流通路，此时只有负向电流；显然，通过对开关管a₁₂和a₁₁驱动信号的控制，为故障开关对(a₁₁，a₂₂)中故障开关管的进一步鉴别提供了可能。

依据上述分析，本文提出的单极式故障开关管鉴别方案，可系统地描述为：在通过负载电流故障特征量诊断出故障开关对后，主动封锁故障相非故障开关对中的一个开关管的开通信号，为便于对比分析，同时将故障相的所有开关管驱动占空比调整为固定值0.5，此时故障相电流仍保持正负对称，系统处于单极式运行模式下。由于此时故障相电流相比其余两相电流较小，这一调整几乎不会对系统的其余两相电流造成影响。在单极式运行模式下对主动封锁开关管互补开关管的驱动信号进行主动扰动，进而通过故障相电流特征实现对故障开关对中故障开关管的精确定位。仍以故障开关对(a₁₁，a₂₂)为例对所提单极式鉴别过程进行具体描述。在单极运行模式下，主动将开关管a₁₁的开通时间缩短，即将其延时ΔT时间开通，并提前ΔT关断，若ΔT＞0.25T_S，则该周期内开关管a₁₁始终关断。依据图7和图8分析可知，若发生故障的开关管为开关管a₁₁，则扰动后故障相电流Ia将不受影响，相反，若故障开关管为开关管a₂₂，则Ia的正向电流将受到抑制，使得正向电流小于负向电流，即扰动后电流将呈现负向直流偏移，且偏移量的大小与ΔT正相关。

由于单极性模式下故障相电流较小，为保证诊断的准确性，仍然利用相电流的标幺平均值进行鉴别。在单极式运行模式下，开关管a₁₁扰动前后对应的A相电流波形如图10所示，图10(a)为故障开关对(a₁₁，a₂₂)中开关管a₁₁发生开路故障的情况，图10(b)为故障开关对(a₁₁，a₂₂)中开关管a₂₂发生开路故障的情况。显然在对开关管a₁₁进行主动扰动前，A相电流正负对称，标幺平均值Da近似为0，而对开关管a₁₁扰动后，若故障开关为开关管a₁₁，故障电流不受影响，若故障开关为开关管a₂₂，则A相正半周波形减小，D_a＜0。如图10所示。

定义故障诊断变量J为

其中p为诊断阀值，其值的选取与主动扰动量ΔT相关。设故障前电机运行在30Hz，定子电流为2A，此时ΔT与|D_a|的关系如图11(a)所示，图中Ts为开关周期，可以看出相同工况下ΔT与|D_a|成正相关关系。

由于此时故障相开关占空比为固定值0.5，ΔT为定值时，开关管a₁₁导通时间保持不变，此时标幺平均值D_a的取值主要取决于电机反电动势E1。考虑到电机反电动势E1的幅值与系统频率(转速)及定子电流正相关，这使得以同样主动扰动量ΔT扰动后的标幺平均值D_a大小随系统实际运行状态的不同而发生变化。为保证诊断方法的通用性，本方案中按电机运行在额定电流及额定转速下考虑，选取的ΔT值应尽可能偏大，以保证D_a的变化幅度够大，由于此时逆变器VSI1的A相桥臂的开关管的驱动占空比为0.5，应满足ΔT＜0.25T_S，综合考虑，选取ΔT＝22％T_s。图11(b)所示为ΔT＝22％T_s时，标幺平均值D_a随转速和定子相电流变化的情况。为保证在全运行状态下，|D_a|的值能达到鉴定的要求，经测试针对本方案实验电机，对应的阀值p在0.2-0.4之间选取，优选的，对应的阀值p选取为0.3。

基于以上的描述，如图12所示，本发明开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法具体包括如下步骤：

步骤1：实时监测三相电流标么平均值之和d的值；

步骤2：将三相电流标么平均值之和d的值与阈值k作比较，若-k<d<k，则无故障发生，若d>k，开关管η₁₂或者η₂₁发生开路故障，并进入步骤3，若d<-k，则开关管η₁₁或者η₂₂发生开路故障，并进入步骤4，其中η＝a，b，c；

步骤3：判断ε_n是否低于0.3，其中n＝a，b，c，若εa<0.3，则判定开关管a₁₂或a₂₁开路，并进入步骤32，若εb<0.3，则判定开关管b₁₂或b₂₁开路，并进入步骤34，若εc<0.3，则判定开关管c₁₂或c₂₁开路，并进入步骤36；

步骤32：封锁开关管a₁₁并扰动开关管a₁₂的驱动信号，然后进入步骤322；

步骤322：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管a₂₁开路，若J＝0，则开关管a₁₂开路；

步骤34：封锁开关管b₁₁并扰动开关管b₁₂的驱动信号，然后进入步骤342；

步骤342：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管b₂₁开路，若J＝0，则开关管b₁₂开路；

步骤36：封锁开关管c₁₁并扰动开关管c₁₂的驱动信号，然后进入步骤362；

步骤362：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管c₂₁开路，若J＝0，则开关管c₂₁开路；

步骤4：判断ε_n是否低于0.3，其中n＝a，b，c，若εa<0.3，则判定开关管a₁₁或a₂₂开路，并进入步骤42，若εb<0.3，则判定开关管b₁₁或b₂₂开路，并进入步骤44，若εc<0.3，则判定开关管c₁₁或c₂₂开路，并进入步骤46；

步骤42：封锁开关管a₁₂并扰动开关管a₁₁的驱动信号，然后进入步骤422；

步骤422：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管a₂₂开路，若J＝0，则开关管a₁₁开路；

步骤44：封锁开关管b₁₂并扰动开关管b₁₁的驱动信号，然后进入步骤442；

步骤442：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管b₂₂开路，若J＝0，则开关管b₁₁开路；

步骤46：封锁开关管c₁₂并扰动开关管c₁₁的驱动信号，然后进入步骤462；

步骤462：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管c₂₂开路，若J＝0，则开关管c₁₁开路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，应用于双逆变器-开绕组电机系统，双逆变器-开绕组电机系统的绕组两边分别采用逆变器VSI1和逆变器VSI2供电，逆变器VSI1和逆变器VSI2的各桥臂并联后与公共的直流电源Udc相连，逆变器VSI1的A相桥臂为串联的开关管a₁₁与a₁₂，桥臂的中点为a1，逆变器VSI1的B相桥臂为串联的开关管b₁₁与b₁₂，桥臂的中点为b1，逆变器VSI1的C相桥臂为串联的开关管c₁₁与c₁₂，桥臂的中点为c1，逆变器VSI2的A相桥臂为串联的开关管a₂₁与a₂₂，桥臂的中点为a2，逆变器VSI2的B相桥臂为串联的开关管b₂₁与b₂₂，桥臂的中点为b2，逆变器VSI2的C相桥臂为串联的开关管c₂₁与c₂₂，桥臂的中点为c2，开关管a₁₁、开关管b₁₁、开关管c₁₁、开关管a₂₁、开关管b₂₁、开关管c₂₁的非串联端接直流电源Udc的正极，开关管a₁₂、开关管b₁₂、开关管c₁₂、开关管a₂₂、开关管b₂₂、开关管c₂₂的非串联端接直流电源Udc的负极，所述开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法包括下述步骤：

步骤1：实时监测三相电流标么平均值之和d的值，其中d＝D_a+D_b+D_c，定义某一相电流的标幺平均值为

n＝a，b，c，其中<>表示求取单个基波周期内的电流平均值，Ia，Ib，Ic为三相定子电流；

步骤2：将三相电流标么平均值之和d的值与阈值k作比较，若-k<d<k，则无故障发生，若d>k，开关管η₁₂或者η₂₁发生开路故障，若d<-k，则开关管η₁₁或者η₂₂发生开路故障，其中η＝a，b，c。

2.根据权利要求1所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，所述双逆变器-开绕组电机系统采用电流闭环控制系统，所述电流闭环控制系统包括Clark/park坐标变换单元、第一比较器、第二比较器、第一PI调节器、第二PI调节器、park坐标反变换单元、SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)单元、编码器、转差计算单元、加法器、积分单元；

采样三相定子电流Ia，Ib，Ic，通过编码器测得电机转角ω_r，指定值电流Id^*、Iq^*输入转差计算单元得到给定转差频率ω_f，电机转角ω_r和给定转差频率ω_f通过加法器相加后输入到积分单元，积分单元输出角度控制值θ到Clark/park坐标变换单元及park坐标反变换单元，三相定子电流Ia，Ib，Ic在Clark/park坐标变换单元进行坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电流Id，Iq，坐标变换公式如(1)，(2)所示，

将d轴分量Id与指定值电流Id^*进行比较，q轴分量Iq与指定值电流Iq^*进行比较，比较后的值分别通过第一PI调节器和第二PI调节器输出参考电压Ud、Uq，参考电压Ud、Uq输入park坐标反变换单元，park坐标反变换单元输出的电压信号经过SVPWM单元得到逆变器VSI1的触发脉冲信号PWM1～6和逆变器VSI2的触发脉冲信号PWM7～12。

3.根据权利要求1所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，若d>k，开关管η₁₂或者η₂₁发生开路故障，接下来进入步骤3：判断ε_n是否低于0.3，其中n＝a，b，c，ε_n为各相电流直流分量占比，

其中I_∑＝<|I_a|>+<|I_b|>+<|I_c|>；

若εa<0.3，则判定开关管a₁₂或a₂₁开路，若εb<0.3，则判定开关管b₁₂或b₂₁开路，若εc<0.3，则判定开关管c₁₂或c₂₁开路。

4.根据权利要求3所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，若εa<0.3，则判定开关管a₁₂或a₂₁开路，并进入步骤32：封锁开关管a₁₁并扰动开关管a₁₂的驱动信号，然后进入步骤322；

步骤322：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管a₂₁开路，若J＝0，则开关管a₁₂开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

5.根据权利要求3所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，若εb<0.3，则判定开关管b₁₂或b₂₁开路，并进入步骤34：封锁开关管b₁₁并扰动开关管b₁₂的驱动信号，然后进入步骤342；

步骤342：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管b₂₁开路，若J＝0，则开关管b₁₂开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

6.根据权利要求3所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，若εc<0.3，则判定开关管c₁₂或c₂₁开路，并进入步骤36：封锁开关管c₁₁并扰动开关管c₁₂的驱动信号，然后进入步骤362；

步骤362：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管c₂₁开路，若J＝0，则开关管c₂₁开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

7.根据权利要求1所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，若d<-k，则开关管η₁₁或者η₂₂发生开路故障，接下来进入步骤4：判断ε_n是否低于0.3，其中n＝a，b，c，若εa<0.3，则判定开关管a₁₁或a₂₂开路，若εb<0.3，则判定开关管b₁₁或b₂₂开路，若εc<0.3，则判定开关管c₁₁或c₂₂开路。

8.根据权利要求7所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，若εa<0.3，则判定开关管a₁₁或a₂₂开路，并进入步骤42：封锁开关管a₁₂并扰动开关管a₁₁的驱动信号，然后进入步骤422；

步骤422：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管a₂₂开路，若J＝0，则开关管a₁₁开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

9.根据权利要求7所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，若εb<0.3，则判定开关管b₁₁或b₂₂开路，并进入步骤44：封锁开关管b₁₂并扰动开关管b₁₁的驱动信号，然后进入步骤442；

步骤442：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管b₂₂开路，若J＝0，则开关管b₁₁开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

10.根据权利要求7所述的一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法，其特征在于，若εc<0.3，则判定开关管c₁₁或c₂₂开路，并进入步骤46：封锁开关管c₁₂并扰动开关管c₁₁的驱动信号，然后进入步骤462；

步骤462：监测故障诊断变量J的值，若J＝1，则开关管c₂₂开路，若J＝0，则开关管c₁₁开路，定义故障诊断变量J为

阀值p在0.2-0.4之间选取。

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