CN111025151A

CN111025151A - 多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法

Info

Publication number: CN111025151A
Application number: CN201911362358.8A
Authority: CN
Inventors: 张志锋; 李杨; 刘桂秋
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN111025151B

Abstract

本发明涉及多相永磁同步电机故障诊断领域，尤其涉及多相永磁同步电机驱动中逆变器开路故障诊断方法。该故障诊断方法包括：采集多相永磁同步电机每相电流传感器输出的电流信号；通过Volterra‑RLS算法对采集到的每相电流信号进行噪声抵消处理，得到电流信号；对电流信号进行EMD分解，计算其能量熵值并与设定阈值比较；当能量熵值大于设定阈值或等于零时，则该相发生开路故障；根据诊断出的故障发生相，求出该相电流信号幅值的正半周期积分、负周期积分及积分和；当积分和S小于零值时，为故障相上桥臂开路，当积分和S大于零值时，为故障相下桥臂故障。本发明提出一种快速准确且稳定性好的故障诊断方法。

Description

多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法

技术领域：

本发明涉及多相永磁同步电机故障诊断领域，尤其涉及多相永磁同步电机驱动中逆变器开路故障诊断方法。

背景技术：

与传统三相电机相比多相电机不仅拥有转矩脉动低、转子电流谐波较小和实现低压大功率输出等优点，在驱动系统缺相状态下也能容错运行，因此在高容错性和高可靠性要求的船舰电力推进、电动汽车、航空航天等领域应用广泛。多相永磁同步电机拥有一定的容错能力，当逆变电路发生常见的IGBT开路故障时，非故障相仍能稳定运行。但谐波干扰会增大，转速和转矩都会受到谐波脉动的干扰，因此及时准确的诊断出故障点对系统的高可靠性和高容错性有重要意义。

由于多相永磁同步电机逆变电路拥有多相电流和很多桥臂，当发生单相、双相故障时有多种故障类型，若采用常规的小波变换法、谱分析法提取故障特征值再送入神经网络法或机器学习法中进行故障判断，采集数据庞大，计算复杂。而在多相电机逆变器开路故障诊断中能量熵的引入减轻了计算量，但该方法不能判断上、下桥臂的状态，而且易受噪声干扰，因此准确稳定的诊断出故障点尤其重要。

发明内容：

发明目的：

本发明针对多相永磁同步电机驱动系统中逆变电路IGBT发生单桥臂、双桥臂开路故障提出一种快速准确且稳定性好的故障诊断方法。

技术方案：

多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，该故障诊断方法包括以下步骤：

(1)采集多相永磁同步电机每相电流传感器输出的电流信号；

(2)通过Volterra-RLS算法对步骤(1)采集到的每相电流信号进行噪声抵消处理，得到电流信号I_i(t)，i＝1,2,3…；

(3)对电流信号I_i进行EMD分解，计算其能量熵值H_EN并与设定阈值H_thre比较；当能量熵值大于设定阈值或等于零时，则该相发生开路故障；

(4)根据步骤(3)诊断出的故障发生相，求出该相电流信号I_i幅值的正半周期积分S_pos、负周期积分S_eng及积分和S；

当积分和S小于零值时，为故障相上桥臂开路，当积分和S大于零值时，为故障相下桥臂故障。

进一步的，采集多相永磁同步电机每相电流传感器输出的电流信号的具体步骤是：针对正常状态采集每相电流；当转速和转矩达到给定值并稳定运行时，采集时间为采样时间，通过电流互感器采集正常运行时每相电流值，为能量熵阈值设定范围提供最小值。

进一步的，针对故障状态采集每相电流；将多相永磁同步电机驱动系统中逆变电路IGBT发生单桥臂和双桥臂开路故障点分为4类，按以下4类设置故障点：

第一类：单相单桥臂开路故障，每相上或下桥臂开路造成的故障；

第二类：单相上下桥臂开路故障；

第三类：两相同侧单桥臂开路故障，故障点发生在两相的上桥臂或下桥臂；

第四类：两相交叉桥臂开路故障，开路故障点发生在两相非同侧桥臂；

采集的时间等于采样时间，电流互感器采集4种故障状态下每相电流值，为能量熵阈值设定范围提供最大值。

进一步的，通过Volterra-RLS算法对步骤(1)采集到的每相电流信号进行噪声抵消处理的具体步骤包括：

调整Volterra-RLS算法的输入信号和期望信号，实现噪声抵消模式；

设置与电流信号相同维度的白噪声信号作为Volterra-RLS算法的输入信号x(k)，算法的输出信号为y(k)；电流传感器采集到的每相电流信号作为噪声抵消系统的期望信号d(k)，噪声抵消系统输出的信号为误差信号e(k)，由e(k)＝d(k)-y(k)得到；当Volterra-RLS算法通过自适应调解使输出信号y(k)与输入的白噪声信号x(k)无限接近时，系统的输出信号e(k)为消除噪声干扰的电流信号，实现了噪声抵消，并且定义噪声抵消系统的输出信号e(k)为新的电流信号I_i(t)，i＝1,2,3…。

进一步的，计算电流信号I_i能量熵值H_EN的具体步骤：通过经验模态分析法对电流信号I_i(t)进行分解，得到N个频率段不同的分量和一个余量，各分量记为c_j(t)，j＝1,2,3,…,N，余量记为r_n(t)；能量熵能够反映信号的不确定状态和内部频率分布的均匀程度，分量的能量E_j，j＝1,2,3,…,N和电流信号I_i的能量熵值H_EN通过下面的公式(1)、(2)、(3)得出；

E_j表示各分量的能量，p_j为第j个分量的能量占整个信号总能量的百分比，t为采样时间。

进一步的，判断每相运行状态的步骤包括：为避免故障点的误判断，要求计算得出的能量熵值H_EN保留一位小数，能量熵阈值H_thre设置为1，能量熵值与能量熵阈值比较得该相运行状态；当该相能量熵值在大于0小于或等于1的范围时，该相为正常运行状态；当该相能量熵值在大于1的范围时，为故障运行状态；对故障状态继续判断，当该相能量熵值等于0时，则该相上下桥臂的IGBT均发生开路故障；当该相能量熵值大于1时，只能得出该相发生开路故障，具体开路点需要继续诊断。

进一步的，计算电流信号I_i幅值正半周期积分S_pos、负半轴积分S_neg，判断故障相上下桥臂开路状态具体步骤：对电流信号I_i(t)幅值的正负性进行判断，将其分离成幅值全正的I⁺ _i信号和幅值全负的I^- _i信号；通过公式(4)、(5)、(6)得到正半周期积分S_pos、负半周期积分S_neg以及积分和S；

S＝S_pos+S_neg (6)

当积分和S小于零时，诊断该相为上桥臂开路故障；当积分和S大于零时，诊断该相为下桥臂开路故障。

进一步的，当逆变电路上桥臂IGBT发生开路时，该相只有下半桥IGBT导通，因此该相电流信号正半周期波形消失，只剩负半周期波形，根据公式(4)、(5)、(6)可知此时积分和S为负值；逆变电路下桥臂IGBT开路时，只有上半桥IGBT导通，该相电流信号只有正半周期波形，积分和S为正值；将积分和S与零值进行比较，即可完成具体故障点的诊断过程。

优点及效果：

本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明方法不需要增加传感器数量，仅依靠采集电机输出电流值即可完成多相永磁同步电机驱动系统中逆变器IGBT单桥臂和双桥臂开路故障诊断过程。

(2)本发明方法针对传感器采集信号会产生白噪声污染问题，通过噪声抵消系统得到很好的解决效果，并且提高了故障诊断的灵敏度。

(3)本发明方法兼顾了故障相能量熵值明显、可准确诊断故障发生点的优势，并且提高了故障诊断系统在噪声干扰时的稳定性。

(4)多相永磁同步电机驱动系统中逆变电路桥臂和IGBT数量较多，发生单桥臂和双桥臂开路的故障组合较为复杂。本发明方法将双桥臂开路状态转化为每相单桥臂开路状态，简化了故障诊断的复杂度，减少了故障诊断时间。

附图说明：

图1为多相永磁同步电机驱动系统开路故障每相诊断过程。

图2为六相永磁同步电机驱动系统电路连接图。

图3为六相永磁同步电机驱动系统A相上桥臂开路故障电流值。

图4为六相永磁同步电机驱动系统A相下桥臂开路故障电流值。

图5为六相永磁同步电机A相上和下桥臂发生开路故障时的电流值。

图6为六相永磁同步电机A相B相上半桥臂开路故障时的电流。

图7为六相永磁同步电机A相B相下半桥臂开路故障时的电流。

图8为六相永磁同步电机A相上桥臂B相下桥臂开路故障时的电流。

图9为六相永磁同步电机A相下桥臂B相上桥臂开路故障时的电流。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，对本发明实施方式进一步详细说明，以下实施例仅用于说明本发明，不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明方法依据多相永磁同步电机驱动系统中逆变器IGBT发生单桥臂、双桥臂开路时电流谐波密度和电流波形特征，把双相交叉、双相同侧故障状态分离为单相上或下桥臂开路故障进行判断。

实施例1

本发明选择六相永磁同步电机作为研究对象，六相绕组相分别为A、B、C、U、V、W，具体驱动系统电路连接方式如图2所示，以A相为例，上桥臂表示为A+，下桥臂表示为A-。六相永磁同步电机驱动系统中逆变电路IGBT发生单桥臂及双桥臂开路故障，一共有78种故障状态。可将78种故障状态分为4类，按不同类别观察故障相电流特征，简化诊断复杂度。

4类故障每类包含的故障状态为，第一类：单相上桥臂或者下桥臂开路，针对六相永磁同步电机第一类故障包括12个故障状态，分别为A+、A-、B+、B+-、C+、C-、U+、U-、V+、V-、W+、W-。

图3、图4以A+、A-相发生开路故障为例，可得此类故障电流特征。如图3所示，当上半桥臂发生开路故障时，该处IGBT不能导通，只有下半桥臂的IGBT导通，因此故障相只剩负半周期电流值，同理，如图4所示，当下半桥臂开路时故障相电流只剩正半周期。而非故障相电流仍为正弦信号，仅幅值和谐波含量发生变化。

第二类：单相上下桥臂同时开路状态，包括6个电流幅值为零的故障状态，即A-A+、B-B+、C-C+、-U+、V-V+、W-W+。以A相上下桥臂开路为例，具体如图5所示，由图可知此类故障电流特征。

第三类：两个不同相但同一侧桥臂发生开路故障，此类包含了30个故障状态，分别为A+B+、A-B-、A+C+、A-C-、A+U+、A-U-、A+V+、A-V-、A+W+、A-W-、B+C+、B-C-、B+U+、B-U-、B+V+、B-V-、B+W+、B-W-、C+U+、C-U-、C+V+、C-V-、C+W+、C-W-、U+V+、U-V-、U+W+、U-W-、V+W+、V-W-。列举A相B相上桥臂、A相B相下桥臂发生故障时的电流波形，如图6、7所示，可得到该类故障电流特征。由图6、图7可得到，当两相同侧桥臂发生开路故障时，会影响非故障相波形。为满足三相电流和为零的条件，非故障相只剩半个周期的波形且幅值增大，此时易和第一类故障状态混淆，选择合适的能量熵值精确位和阈值可以避免此问题。

第四类：两个不同相上下桥臂交叉发生开路故障，包含了30个故障状态，分别为A+B-、A-B+、A+C-、A-C+、A+U-、A-U+、A+V-、A-V+、A+W-、A-W+、B+C-、B-C+、B+U-、B-U+、B+V-、B-V+、B+W-、B-W+、C+U-、C-U+、C+V-、C-V+、C+W-、C-W+、U+V-、U-V+、U+W-、U-W+、V+W-、V-W+。具体电流波形如图8、图9中A相上桥臂B相下桥臂开路，A相下桥臂B相上桥臂开路所示，可得出该类故障电流特征。由图8、图9可得到，当两相交叉桥臂发生开路故障时，不会影响非故障相波形，而故障相电流可分解为两个第一类故障状态去判断。

基于上述故障状态分类的基础，本发明六相永磁同步电机逆变电路IGBT开路故障诊断方法包括以下步骤：

(1)采集多相永磁同步电机每相电流传感器输出的电流信号。

当转速和转矩达到稳定的时刻，通过电流传感器采集六相每相电流信号。

针对正常状态采集每相电流；当转速和转矩达到给定值并稳定运行时，采集时间为采样时间，通过电流互感器采集正常运行时每相电流值，为能量熵阈值设定范围提供最小值。

针对故障状态采集每相电流；将多相永磁同步电机驱动系统中逆变电路IGBT发生单桥臂和双桥臂开路故障点分为4类，具体分类为上述四类故障状态。采集的时间等于采样时间，电流互感器采集4种故障状态下每相电流值，为能量熵阈值设定范围提供最大值。

(2)通过Volterra-RLS算法对步骤(1)采集到的每相电流信号进行噪声抵消处理，得到电流信号I_i(t)，i＝1,2,3…；本实施例将六相永磁同步电机作为研究对象，六相绕组相分别为A、B、C、U、V、W，因此，电流信号中以A、B、C、U、V、W分别指代，即电流信号I_i(t)，i＝A,B,C,U,V,W。

传感器采集信号时会在原信号中增加白噪声，造成信号污染。而且能量熵值H_EN抗噪性较差，白噪声会淹没其特性，影响故障诊断的准确性。调整Volterra-RLS算法的输入信号和期望信号，能够实现噪声抵消模式。设置与电流信号相同维度的白噪声信号作为Volterra-RLS算法的输入信号x(k)，算法的输出信号为y(k)。电流传感器采集到的每相电流信号作为噪声抵消系统的期望信号d(k)，噪声抵消系统输出的信号为误差信号e(k)，e(k)＝d(k)-y(k)。

当Volterra-RLS算法通过自适应调解使输出信号y(k)与输入的白噪声信号x(k)无限接近时，系统的输出信号e(k)为消除噪声干扰的电流信号，实现了噪声抵消，并且定义噪声抵消系统的输出信号e(k)为新的电流信号I_i(t)，i＝A,B,C,U,V,W。

(3)对电流信号I_i进行EMD分解，计算其能量熵值H_EN并与设定阈值H_thre比较；完成每相状态诊断。当能量熵值大于设定阈值或等于零时，则该相发生开路故障。

通过EMD对电流信号I_i(t)进行分解，可得到N个频率段不同的分量和一个余量，各分量记为c_j(t)，j＝1,2,3,…,N，余量记为r_n(t)。能量熵能够反映信号的不确定状态和内部频率分布的均匀程度，分量的能量E_j，j＝1,2,3,…,N和电流信号I_i的能量熵值H_EN可通过公式(1)、(2)、(3)得出；。

在4种故障类别中，第三类故障中的非故障相易于第一类故障发生误判断。因此为避免故障点的误判断，要求计算得出的能量熵值H_EN保留一位小数，能量熵阈值H_thre设置为1，能量熵值与能量熵阈值比较可得该相运行状态。

H_EN＞1时，该相单桥臂发生开路故障，继续进行诊断。

0<H_EN≤1时，该相为正常运行状态。

H_EN＝0时，该相上下桥臂均发生开路故障。

当该相能量熵值在大于0小于或等于1的范围时，该相为正常运行状态；当该相能量熵值在大于1的范围时，为故障运行状态；对故障状态继续判断，当该相能量熵值等于0时，则该相上下桥臂的IGBT均发生开路故障；当该相能量熵值大于1时，只能得出该相发生开路故障，具体开路点需要继续诊断。

(4)根据步骤(3)诊断出的故障发生相，求出该相电流信号I_i幅值的正半周期积分S_pos、负周期积分S_neg及积分和S；

对电流信号I_i(t)幅值的正负性进行判断，将其分离成幅值全正的I⁺ _i信号和幅值全负的I^- _i信号；通过公式(4)、(5)、(6)得到正半周期积分S_pos、负半周期积分S_neg以及积分和S；

S＝S_pos+S_neg (6)

由4类故障和故障电流波形图可知，当逆变电路上桥臂IGBT发生开路时，该相只有下半桥IGBT导通，因此该相电流信号正半周期波形消失，只剩负半周期波形。逆变电路下桥臂IGBT开路时，只有上半桥IGBT导通，该相电流信号只有正半周期波形。将积分和S与零值进行比较，可得故障相故障点发生位置。

S>0故障相下桥臂发生开路故障；

S<0故障相上桥臂发生开路故障；

S为判断故障相上桥臂开路还是下桥臂开路的故障特征值，其判断依据是建立在已经诊断出故障相的条件下进行诊断的，即H_EN>1。

当故障相上下桥臂全开路时电流值为零，求出的S为零。

(5)六相永磁同步电机每相电流计算所得数据输入到支持向量机(SVM)进行模式判断，得到每相运行状态数值。

采用“一对多”型支持向量机(SVM)对六相永磁同步电机每一相的运行状态进行单独具体诊断，每相SVM设置四个子分类器，分别为SVM1正常运行状态、SVM2上下桥臂开路运行状态、SVM3上桥臂开路运行状态、SVM4下桥臂开路运行状态。将每相计算得到的能量熵值H_EN、积分和S组成特征向量输入进分类器中，按照分类器顺序进行模式判断，符合子分类器特征输出1，不符合输出-1。

对照故障模式数据表可得到每相运行状态，完成多相永磁同步电机驱动系统逆变器IGBT单桥臂及双桥臂开路故障诊断过程。

SVM1判断条件为：

0<H_EN≤1时，该相为正常运行状态。

符合SVM1子分类器特征输出1，不符合输出-1。

SVM2判断条件为：

H_EN＝0，S＝0时，该相上下桥臂均发生开路故障。

符合SVM2子分类器特征输出1，不符合输出-1。

SVM3判断条件为：

H_EN>1，S<0时，该相上桥臂发生开路故障

符合SVM3子分类器特征输出1，不符合输出-1。

SVM4判断条件为：

H_EN>1，S>0时，该相下桥臂发生开路故障

符合SVM4子分类器特征输出1，不符合输出-1。

(6)将六相永磁同步电机每相运行状态数值与故障模式数值表对照，完成故障诊断过程。

六相永磁同步电机每相SVM输出的运行状态数值与故障诊断信息表对照，可得到每相运行状态，故障诊断信息表如下表1所示。

表1故障诊断信息表

通过计算六相永磁同步电机每相电流的能量熵、积分和以及SVM分类器、故障诊断信息表完成了对六相永磁同步电机驱动系统中逆变器IGBT发生单桥臂、双桥臂开路时的故障诊断过程，可得到逆变电路IBGT发生单桥臂、双桥臂开路故障点的具体位置，实现准确快速诊断过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，其特征在于：该故障诊断方法包括以下步骤：

(1)采集多相永磁同步电机每相电流传感器输出的电流信号；

(2)通过Volterra-RLS算法对步骤(1)采集到的每相电流信号进行噪声抵消处理，得到电流信号I_i(t)，i＝1，2，3…；

2.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，其特征在于：采集多相永磁同步电机每相电流传感器输出的电流信号的具体步骤是：针对正常状态采集每相电流。当转速和转矩达到给定值并稳定运行时，采集时间为采样时间，通过电流互感器采集正常运行时每相电流值，为能量熵阈值设定范围提供最小值。

3.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，其特征在于：针对故障状态采集每相电流。将多相永磁同步电机驱动系统中逆变电路IGBT发生单桥臂和双桥臂开路故障点分为4类，按以下4类设置故障点：

第二类：单相上下桥臂开路故障；

4.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，其特征在于：通过Volterra-RLS算法对步骤(1)采集到的每相电流信号进行噪声抵消处理的具体步骤包括：

设置与电流信号相同维度的白噪声信号作为Volterra-RLS算法的输入信号x(k)，算法的输出信号为y(k)；电流传感器采集到的每相电流信号作为噪声抵消系统的期望信号d(k)，噪声抵消系统输出的信号为误差信号e(k)，由e(k)＝d(k)-y(k)得到；当Volterra-RLS算法通过自适应调解使输出信号y(k)与输入的白噪声信号x(k)无限接近时，系统的输出信号e(k)为消除噪声干扰的电流信号，实现了噪声抵消，并且定义噪声抵消系统的输出信号e(k)为新的电流信号I_i(t)，i＝1，2，3…。

5.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，其特征在于：计算电流信号I_i能量熵值H_EN的具体步骤：

通过经验模态分析法对电流信号I_i(t)进行分解，得到N个频率段不同的分量和一个余量，各分量记为c_j(t)，j＝1，2，3，...，N，余量记为r_n(t)；能量熵能够反映信号的不确定状态和内部频率分布的均匀程度，分量的能量E_j，j＝1，2，3，...，N和电流信号I_i能量熵H_EN通过下面的公式(1)、(2)、(3)得出；

6.根据权利要求5所述的多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，其特征在于：判断每相运行状态的步骤包括：

为避免故障点的误判断，要求计算得出的能量熵值H_EN保留一位小数，能量熵阈值H_thre设置为1，能量熵与阈值比较得该相运行状态；当该相能量熵值在大于0小于或等于1的范围时，该相为正常运行状态；当该相能量熵值在大于1或者等于0的范围时，为故障运行状态；对故障状态继续判断，当该相能量熵值等于0时，则该相上下桥臂的IGBT均发生开路故障；当该相能量熵值大于1时，只能得出该相发生开路故障，具体开路点需要继续诊断。

7.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，其特征在于：计算电流信号I_i幅值正半周期积分S_pos、负半轴积分S_neg，判断故障相上下桥臂开路状态具体步骤：

S＝S_pos+S_neg (6)

8.根据权利要求7所述的多相永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法，其特征在于：当逆变电路上桥臂IGBT发生开路时，该相只有下半桥IGBT导通，因此该相电流信号正半周期波形消失，只剩负半周期波形，根据公式(4)、(5)、(6)可知此时积分和S为负值；逆变电路下桥臂IGBT开路时，只有上半桥IGBT导通，该相电流信号只有正半周期波形，积分和S为正值；将积分和S与零值进行比较，即可完成具体故障点的诊断过程。