CN110571752B - 一种闭环控制下逆变电源驱动故障的诊断方法及系统 - Google Patents

一种闭环控制下逆变电源驱动故障的诊断方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法及系统，针对闭环控制下H桥结构的逆变电源，通过采用闭环控制系统中固有的电流检测装置测量逆变电源中滤波电感上的正、负向电流值，进而根据电流值来诊断闭环控制下H桥结构的逆变电源的驱动故障，从而解决了现有技术中在检测H桥结构的逆变电源驱动故障时需要借助额外的硬件装置进行检测而导致的测量成本较高的问题。该方法不受具体闭环控制策略的影响，计算量较小，无需额外增加硬件器件就能保证系统安全运行，成本较低且实现简单，并且适用于四管同时或者四管非同时驱动故障等多种故障情况，当故障发生时，能快速识别并定位故障，发出相应信号，保证逆变电源的安全。

Description

一种闭环控制下逆变电源驱动故障的诊断方法及系统
技术领域
本发明属于逆变电源领域，更具体地，涉及一种闭环控制下逆变电源驱动故障的诊断方法及系统。
背景技术
随着电源的应用日趋广泛，人们对电源的安全性也提出了更高的要求。逆变电源一旦发生故障，将会影响输出电压、输出电流等，从而使得逆变电源所在的系统无法正常工作，如果逆变电源的故障没有被及时发现以及处理，很容易使得逆变电源本身损坏，甚至可能会引起灾难性的事故，进而造成巨大的损失。由于半导体器件开关管的大量使用，开关管或者开关管的驱动电路发生故障的可能性将增加，使得逆变电源发生故障的风险大大增加，而逆变电源中的故障，主要也是驱动故障。目前，H桥结构的逆变器更加模块化、易于安装和扩展，所以在很多领域都得到了广泛应用，故针对H桥结构的逆变电源的驱动故障诊断研究是非常重要的。
在现有的逆变电源驱动故障的诊断方法中，绝大部分方法都是通过测量特定位置的电压或者电流进行判断，如在H桥结构的逆变电源中的开关管两端放置电压或电流测量装置测量开关管上的电压或电流来进行诊断，这种方法需要增加额外的硬件装置进行检测，测量成本较高。
综上所述，提出一种成本较低的逆变电源驱动故障的诊断方法及系统是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种闭环控制下逆变电源驱动故障的诊断方法及系统，旨在解决现有技术中在检测H桥结构的逆变电源驱动故障时需要借助额外的硬件装置进行检测而导致的测量成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，包括以下步骤：
S1、若逆变电源的控制电路中的调制波控制下的pwm控制信号占空比大于占空比上限，则转至步骤S2，否则算法结束；
S2、根据逆变电源中电流检测装置测量的前一个基波周期内逆变电源中滤波电感上的电流值，计算滤波电感上的正、负向电流在各自所在的半个基波周期内的平均值，取绝对值作为正、负向电流平均幅值；
S3、若正、负向电流平均幅值之差的绝对值大于等于逆变电源工作状态下的误差裕度，则四管非同时驱动故障；若正、负向电流平均幅值均小于逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度，则四管同时驱动故障；除以上两种情况之外的其他情况，算法结束；其中逆变电源工作状态下的误差裕度大于逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度。
进一步优选地，每隔半个基波周期，重复上述逆变电源驱动故障诊断方法诊断在前一个基波周期内是否存在驱动故障，持续诊断闭环控制下的逆变电源的驱动故障。
进一步优选地，驱动故障是指逆变电源中的开关管发生故障或者开关管的驱动电路发生故障。
进一步优选地，步骤S3中逆变电源工作状态下的误差裕度a＝kIL+c，其中，IL为一个基波周期内滤波电感上电流的有效值，k为IL对逆变电源工作状态下的误差裕度产生的影响系数，c为逆变电源工作过程中考虑到测量误差及输入直流电压波动的裕度。
进一步优选地，步骤S3中逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度是逆变电源中的电流检测装置测量误差的1.2-1.8倍。
进一步优选地，本发明所提供的一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法应用于逆变电源领域。
进一步优选地，本发明所提供的一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法适用于工作状态下闭环控制下H桥结构的逆变电源的驱动故障诊断。
本发明另一方面提供了一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断系统，包括占空比判断模块、电流计算模块、电流判断模块；其中，占空比判断模块的输出端与电流计算模块的输入端相连，电流计算模块的输出端与电流判断模块的输入端相连；
占空比判断模块用于根据逆变电源的控制电路中的调制波控制下的pwm控制信号占空比来判断逆变电源是否可能存在故障；
电流计算模块用于计算逆变电源中滤波电感上的正、负向电流在各自所在的半个基波周期内的平均值；
电流判断模块用于根据所得正、负向电流平均值来判断逆变电源是否存在驱动故障。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供了一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，针对闭环控制下H桥结构的逆变电源，通过采用闭环控制下的逆变电源内固有的电流检测装置测量逆变电源中滤波电感上的正、负向电流值，并根据所得电流值进一步判断逆变电源是否存在驱动故障，能够在不借助额外的硬件装置的情况下对H桥结构的逆变电源驱动故障进行检测，检测成本较低。
2、本发明所提供的闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，其不受具体闭环控制策略的影响，仅需每半个基波周期计算一次滤波电感上正负向电流的平均值，计算量较小，无需额外增加硬件器件就能保证系统安全运行，成本较低且实现简单。
3、本发明所提供的闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法适用于四管同时或者四管非同时驱动故障等多种故障情况，能够应对各种故障情况，当故障发生时，能快速识别并定位故障，发出相应信号，保证逆变电源的安全。
附图说明
图1是本发明所提供的闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法流程图；
图2是本发明实施例中闭环控制下的逆变电源系统结构图；
图3是本发明实施例所提供的H桥结构的逆变电源主电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现上述目的，本发明提供了一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、若逆变电源的控制电路中的调制波控制下的pwm控制信号占空比大于占空比上限，则转至步骤S2，否则算法结束；
具体的，如图2所示为闭环控制下的逆变电源系统结构图，包括主电路1、检测回路2、驱动电路3、控制电路4，其中Udc为逆变电源的输入直流电压，Uac为逆变电源的输出交流电压，逆变电源输出的交流电压Uac和输出交流电流Iac输入到检测回路2中，给控制电路提供反馈信息，实现闭环控制，输出电压Um和电流Im，经过控制电路4后，输出调制波Upwm。调制波控制驱动电路3产生对应的pwm控制信号Spwm，进而控制主电路1中开关管的开关行为。其中主电路1为H桥结构的逆变电源主电路，如图3所示为H桥结构的逆变电源主电路的电路图，包括直流侧稳压电容1、H型逆变桥2、输出LC滤波3，其中，H型逆变桥2由开关管21-24构成，主电路中每个开关管21-24分别与各自的驱动电路相连，具体的，开关管21-24可以为IGBT、MOSFET等，输出LC滤波3包括输出滤波电感31、输出滤波电容32、电流检测装置33，电流检测装置33用于检测滤波电感31上的流过的电流。具体的，若开关管的驱动电路发生故障，导致开关管的控制极接收不到驱动信号Spwm，相应的开关管将始终处于关断状态，从而会直接影响到输出电流和输出电压。例如，若开关管21驱动故障，21始终处于关断状态，在输出电流的正半周期，正向电流的流通路径受到影响，其值将会小于正常值，相应的，输出电压也是如此。根据图2所示的闭环控制下的逆变电源系统，输出电压的降低将会使得控制系统尽力恢复电压，导致调制波幅值上升，调制波下的pwm控制信号占空比也会相应变大，当大于占空比上限时，可能存在逆变电源驱动故障。具体的，一般情况下，调制波下的pwm控制信号占空比上限取值为1。当多开关管故障时现象与上述类似。若四管同时故障，显而易见电流无法流通，理想情况下输出电流将为零。故当调制波下的pwm控制信号占空比大于占空比上限时，可能存在逆变电源驱动故障，下面做进一步判断。
S2、根据逆变电源中电流检测装置测量的前一个基波周期内逆变电源中滤波电感上的电流值，计算滤波电感上的正、负向电流在各自所在的半个基波周期内的平均值，取绝对值作为正、负向电流平均幅值；
具体的，这里所述的滤波电感正负向电流是指输出滤波电感31上的正负向电流，由于滤波电感上的电流为交流电流，每半个基波周期变换一次方向，在一个基波周期内，半个基波周期内正向电流，半个基波周期内为负向电流；其中，采用闭环控制系统上的电流检测装置是闭环控制系统上固有的电流检测装置，无需另外接入硬件进行检测，更加方便。
S3、若正、负向电流平均幅值之差的绝对值大于等于逆变电源工作状态下的误差裕度，则四管非同时驱动故障；若正、负向电流平均幅值均小于逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度，则四管同时驱动故障；除以上两种情况之外的其他情况，驱动正常；
具体的，在本实施例中如图1所示，判断所得的正、负向电流平均幅值之差的绝对值是否大于等于逆变电源工作状态下的误差裕度，若所得的正、负向电流平均幅值之差的绝对值大于等于逆变电源工作状态下的误差裕度，则四管非同时驱动故障；否则判断正、负向电流平均幅值是否均小于逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度，若正、负向电流平均幅值均小于逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度，则四管同时驱动故障；否则，驱动正常。具体的，逆变电源工作状态下的误差裕度a＝kIL+c，其中，IL为一个基波周期内滤波电感上电流的有效值，k为IL对逆变电源工作状态下的误差裕度产生的影响系数，经验上取值为0.005；c为逆变电源工作过程中考虑到测量误差及输入直流电压波动的裕度，经验上取值为2。理想情况下，若逆变电源无驱动故障，正、负向电流平均幅值应该相等，但是由于存在误差，逆变电源在无驱动故障的情况下正、负向电流平均幅值并不完全相等，故存在逆变电源工作状态下的误差裕度，有效值IL越大，正、负向电流相应的也更大，误差也就越大，故采用IL来衡量逆变电源工作状态下的误差裕度。在故障状况下，除四管驱动同时故障外，正、负向电流平均幅值不相等，当所得的正、负向电流平均幅值之差的绝对值大于等于逆变电源工作状态下的误差裕度时，存在四管非同时驱动故障。更进一步的，在逆变电源开机工作的情况下，输出电流不会为零，仅在四管驱动同时故障的情况下逆变电源无电流输出，理想情况下，当逆变电源中四个开关管同时驱动故障时，正、负向电流平均幅值均为零，但是由于存在测量误差，测量到的正、负向电流依然存在趋近于零的电流值，将逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度取值为逆变电源中的电流检测装置测量误差的1.2-1.8倍，当正、负向电流平均幅值均小于逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度时，四管同时驱动故障。
具体的，每隔半个基波周期，重复上述逆变电源驱动故障诊断方法诊断在前一个基波周期内是否存在驱动故障，持续诊断闭环控制下的逆变电源的驱动故障。
具体的，方法中所述的驱动故障是指逆变电源中的开关管发生故障或者开关管的驱动电路发生故障。
本发明另一方面提供了一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断系统，包括占空比判断模块、电流计算模块、电流判断模块；其中，占空比判断模块的输出端与电流计算模块的输入端相连，电流计算模块的输出端与电流判断模块的输入端相连；
占空比判断模块用于根据逆变电源的控制电路中的调制波控制下的pwm控制信号占空比来判断逆变电源是否可能存在故障；电流计算模块用于计算逆变电源中滤波电感上的正、负向电流在各自所在的半个基波周期内的平均值；电流判断模块用于根据所得正、负向电流平均值来判断逆变电源是否存在驱动故障。
本发明提供了一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，与现有技术相比，能够在不借助额外的硬件装置的情况下对H桥结构的逆变电源驱动故障进行检测，检测成本较低，并且适用于H桥结构的逆变电源中H桥臂中四管同时或者四管非同时驱动故障等多种故障情况，另外由于其不受具体闭环控制策略的影响、计算量较小，能够取得具有普适性、占用资源少、速度快的有益效果。
本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、若逆变电源的控制电路中的调制波控制下的pwm控制信号占空比大于占空比上限，则转至步骤S2，否则算法结束；
S2、根据逆变电源中电流检测装置测量的前一个基波周期内逆变电源中滤波电感上的电流值，计算滤波电感上的正、负向电流在各自所在的半个基波周期内的平均值，取绝对值作为正、负向电流平均幅值；
S3、若正、负向电流平均幅值之差的绝对值大于等于逆变电源工作状态下的误差裕度，则四管非同时驱动故障；若正、负向电流平均幅值均小于逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度，则四管同时驱动故障；除以上两种情况之外的其他情况，算法结束；其中逆变电源工作状态下的误差裕度大于逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度；
所述逆变电源工作状态下的误差裕度a＝kIL+c，其中，IL为一个基波周期内滤波电感上电流的有效值，k为IL对逆变电源工作状态下的误差裕度产生的影响系数，c为逆变电源工作过程中考虑到测量误差及输入直流电压波动的裕度；
所述逆变电源四管同时驱动故障状态下的误差裕度是逆变电源中的电流检测装置测量误差的1.2-1.8倍。
2.根据权利要求1所述的闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，其特征在于，每隔半个基波周期，重复权利要求1所述的逆变电源驱动故障诊断方法诊断在前一个基波周期内是否存在驱动故障，持续诊断闭环控制下的逆变电源的驱动故障。
3.根据权利要求1所述的闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，其特征在于，所述驱动故障是指逆变电源中的开关管发生故障或者开关管的驱动电路发生故障。
4.根据权利要求1-3任意一项权利要求所述的闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，其特征在于，所述闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法应用于逆变电源领域。
5.根据权利要求4所述的闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法，其特征在于，所述闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断方法适用于H桥结构的逆变电源的驱动故障诊断。
6.一种闭环控制下的逆变电源驱动故障诊断系统，包括占空比判断模块、电流计算模块、电流判断模块；
所述占空比判断模块的输出端与所述电流计算模块的输入端相连，所述电流计算模块的输出端与所述电流判断模块的输入端相连；
所述占空比判断模块用于根据逆变电源的控制电路中的调制波控制下的pwm控制信号占空比来判断逆变电源是否可能存在故障；
所述电流计算模块用于计算逆变电源中滤波电感上的正、负向电流在各自所在的半个基波周期内的平均值；
所述电流判断模块用于根据所得正、负向电流平均值来判断逆变电源是否存在驱动故障。
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