CN111190066A - 矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法，基于模型预测控制，包括：矩阵变换器驱动永磁同步的电机系统，建立正常工况下和故障情况下的输出电压和输出电流期望的关系模型；根据故障后的模型，通过获得故障后的下一采样周期的输出电流预测值和前一周期的差值，得出两种不同故障的辨识条件；如果辨识为驱动系统的开关开路故障，利用电机模型得到输出线电压的估计值，进而定义残差和阈值，根据有限集模型预测控制的矩阵变换器在一个采样周期的开关状态是已知和固定的特点，在故障发生后的一个采样周期内就可以快速诊断和定位开关开路故障位置；如果辨识为电流传感器故障，将其与输出相电流传感器的实际值进行比较，进而诊断出故障。

Description

矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及开关开路故障诊断领域，特别涉及一种矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法。

背景技术

矩阵变换器(Matrix converter,MC)具有低谐波畸变率、高效率和高功率密度等优良特性，在电机驱动领域具有广阔的应用前景。然而，矩阵变换器的电气故障严重威胁电机驱动系统的安全运行。因此，快速、可靠的故障诊断对于提高系统可靠性，避免电气运行事故的发生具有重要意义。

根据测量的不同可将开路诊断的方法分为两类:电流法和电压法。在电流测量的方法中常用的有平均电流法、斜率法和基于电流观测器的方法。此外，还提出了基于小波变换的方法来检测电压源型逆变器开关开路故障的方法。与电流法相比，早期，许多的基于电压测量的方法通常需要增加额外的电压传感器。近年来基于误差电压的故障诊断方法较为常见，它从系统分析模型中估计实际的线电压，利用参考值与估计值之间的残差来检测和定位故障开关。这两种方法都高度依赖于模型参数，影响诊断系统的鲁棒性。

传感器作为电机驱动系统的关键信号采集模块，其故障诊断至关重要。针对永磁同步电机的输出电流传感器故障，通常利用观测器估计输出相电流值，通过比较估计值和实测值定位故障传感器的位置。

发明内容

本发明提供了一种矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法，其目的是为了提高诊断系统灵敏度和可靠性。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法，基于模型预测控制，包括：

步骤1，建立矩阵变换器各相输出电压和电流的模型，所述模型包括矩阵变换器驱动永磁同步电机正常工作情况和故障情况；

步骤2，计算比较所述故障情况前后的模型，得出开关开路故障和电流传感器故障的特征，并辨识所述特征为开关开路故障或电流传感器故障；

步骤3，若所述特征为开关开路故障，则定义三相输出线电压的残差，根据永磁同步电机的等效模型，通过开关状态和前一周期的采样值，预测当前状态的线电压；

步骤4，比较线电压的估计值与参考值，关联故障输出相的残差将超过预先设定的阈值，关联两个正常输出相的残差将保持在一个较低的值，此特征可以判断故障相位；

步骤5，若所述特征为电流传感器故障，则利用有限集模型预测控制的特征，在一个采样周期的开关状态是已知和固定的，通过已知故障相和已知当前状态的开关位置，诊断出故障开关具体位置；

步骤6，将输出相电流估计值与实测值形成残差，当残差大于一定阈值时，进而判断哪一相的电流传感器发生故障。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的上述实施例所述的矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法基于模型预测控制，充分利用了有限集模型预测控制中一个采样周期内的开关状态不变的特性，提出一种鲁棒、快速的开关开路故障诊断方法，简单易用，且不需要增加额外传感器考，虑参数变化和噪声的影响，合理的使用阈值来降低误报率，且本方法提供的不同故障设备的辨识方法，针对不同的故障设备，可以进行辨识，避免了故障设备之间耦合而无法分辨的情况。本发明可以及时诊断出矩阵变换器开关开路故障的位置及电流传感器的故障位置，保障系统可靠运行。

附图说明

图1为本发明的故障诊断方法的流程示意图；

图2为本发明的矩阵变换器电机驱动系统的拓扑结构图。

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，本发明的实施例提供了一种矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法，基于模型预测控制，包括：

步骤1，建立矩阵变换器各相输出电压和电流的模型，所述模型包括矩阵变换器驱动永磁同步电机正常工作情况和故障情况；

步骤2，计算比较所述故障情况前后的模型，得出开关开路故障和电流传感器故障的特征，并辨识所述特征为开关开路故障或电流传感器故障；

步骤3，若所述特征为开关开路故障，则定义三相输出线电压的残差，根据永磁同步电机的等效模型，通过开关状态和前一周期的采样值，预测当前状态的线电压；

步骤4，比较线电压的估计值与参考值，关联故障输出相的残差将超过预先设定的阈值，关联两个正常输出相的残差将保持在一个较低的值，此特征可以判断故障相位；

步骤5，若所述特征为电流传感器故障，则利用有限集模型预测控制的特征，在一个采样周期的开关状态是已知和固定的，通过已知故障相和已知当前状态的开关位置，诊断出故障开关具体位置；

步骤6，将输出相电流估计值与实测值形成残差，当残差大于一定阈值时，进而判断哪一相的电流传感器发生故障。

其中，所述矩阵变换器各相输出电压和电流的模型为：

其中，所述步骤2具体包括：

以S_Aa开关开路故障为例，矩阵变换器各相输出电压和电流的模型为：

其中，u_oX(X∈{A,B,C})为正常状况下的三相输出相电压，u_of为A相发生故障后引起的额外故障电压，T_s为模型预测控制一个采样周期的时间，

为第k次采样周期的三相输出电流值，

为正常状况下第k+1次采样周期三相输出相电流的估计值，

为开关开路故障情况下第k+1次采样周期的三相输出电流值的估计值，e_X(X∈{A,B,C})为电机模型的反电动势值，u_No为电机中性点相对于地的值，R_s为定子电阻，L为定子漏电感；

公式(2)减(1)可得：

当与输出B相连接的一个开关发生开路故障时，满足

输出A相传感器发生故障时，

当输出B相传感器发生故障时，

上述特征作为辨识开关开路故障和输出电流传感器故障的条件。

其中，所述步骤3具体包括：

所述三相线电压残差的定义为：

线电压与矩阵变换器开关状态可以表示为：

其中，u_oXY(X，Y∈{A，B，C})为三相输出线电压参考值，

为三相输出线电压估计值，u_ex(x∈{a，b，c})为三相输入相电压；当S_Xy(X∈{A，B，C}，y∈{a，b，c})＝1时，开通开关S_Xy；当S_Xy＝0时，关断开关S_Xy；

根据永磁同步电机在旋转坐标系下的模型：

其中，u_d、u_q、i_d和i_q分别为dq旋转坐标系下矩阵变换器的输出电压和输出相电流；ψ_f、ω_r和R_s分别为永磁同步电机的磁链、转速和定子电阻；L_d和L_q为dq旋转坐标系下永磁同步电机的等效电感；

矩阵变换器第k次采样周期的开关状态已知，在第(k+1/4)次采样周期

第(k+1/2)次采样周期

和第(k+3/4)次采样周期

分别采样输出相电流用于估计输出线电压；

dq旋转坐标系下矩阵变换器的输出电压估计值为：

将dq旋转坐标系下的矩阵变换器输出电压估计值转换到静止坐标系下，从而得到的输出线电压。

在正常操作条件下，输出线电压实际值与参考值一致，残差接近为零。如果发生开关开路故障，关联故障输出相的残差将超过设定的阈值，然而关联两个正常输出相的残差将保持在一个较低的值。

基于上面的分析，表1为总结的故障相定位方法，ε_th为一个正阈值。当X(X∈{A,B,C})相输出发生开路故障时，X相开路故障标志位F_X等于‘1’；当X相输出正常工作时，F_X等于‘0’；将线电压估计值和参考值做差后与阈值作比较，用查表法判断故障相。

表1.正常运行和开关开路故障条件下的残差

诊断和定位出故障输出相以后，需要进一步定位故障相的开路故障开关。对于采用有限集模型预测控制的矩阵变换器，在一个采样周期的开关状态是已知和固定的。对于每一个输出相，有且仅有一个开关被开通用于连接输出相与输入相。因此，根据如下公式，连接故障相到输入相的开关被定位为开路故障开关。上述开关开路故障诊断方法利用输出线电压参考值与估计值的偏差快速定位故障开关的位置，不需要增加额外的电压传感器；

其中，所述步骤6具体包括：

基于矩阵变换器电机驱动系统，用以下公式估计输出相电流：

其中，

和

为下一个采样周期的输出电流估计值；

将dq旋转坐标系下的矩阵变换器输出电流估计值转换到静止坐标系下，从而得到估计的输出相电流：

将输出相电流估计值与实测值做差形成残差ε_ioX(X∈{A,B,C})，如下所示：

当残差ε_ioX大于一定的阈值时，认定为输出X相的电流传感器发生故障。

本发明的上述实施例所述的矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法，基于模型预测控制，在驱动永磁同步电机正常工作的情况下，建立矩阵变换器各相输出电压和电流的模型，基于模型，对故障前后的模型进行计算比对，得出开关开路故障和电流传感器故障的特征，以此作为辨识条件，当辨识得到是矩阵变换器开关开路故障时，首先定义三相输出线电压的残差，并根据永磁同步电机模型，通过开关状态和前一周期的采样值，预测当前线电压，将线电压估计值和参考值作对比，关联故障相的残差将超过预设的阈值，而关联正常输出相的残差将保持在一个较低的值，并且不会超过阈值。据此可以判断故障相，然后利用有限集模型预测控制的特征，在一个采样周期内的开关状态是固定不变的，通过已知故障相和已知当前的开关状态，即可诊断出故障开关的具体位置。而如果一开始辨识为电流传感器故障，则根据本文使用的一种输出相电流的估计方法，将其与输出相电流的实测值进行对比，将输出相电流的估计值和实测值作比较形成残差，当残差大于一定阈值时，即可判断此相为故障相。

本发明的故障诊断方法充分利用了有限集模型预测控制中一个采样周期内的开关状态不变的特性，提出一种鲁棒、快速的开关开路故障诊断方法，简单易用，且不需要增加额外传感器考，虑参数变化和噪声的影响，合理的使用阈值来降低误报率，且本方法提供的不同故障设备的辨识方法，针对不同的故障设备，可以进行辨识，避免了故障设备之间耦合而无法分辨的情况。本发明可以及时诊断出矩阵变换器开关开路故障的位置及电流传感器的故障位置，保障系统可靠运行。

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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法，基于模型预测控制，其特征在于，包括：

步骤1，建立矩阵变换器各相输出电压和电流的模型，所述模型包括矩阵变换器驱动永磁同步电机正常工作情况和故障情况；

步骤2，计算比较所述故障情况前后的模型，得出开关开路故障和电流传感器故障的特征，并辨识所述特征为开关开路故障或电流传感器故障；

步骤3，若所述特征为开关开路故障，则定义三相输出线电压的残差，根据永磁同步电机的等效模型，通过开关状态和前一周期的采样值，预测当前状态的线电压；

步骤4，比较线电压的估计值与参考值，关联故障输出相的残差将超过预先设定的阈值，关联两个正常输出相的残差将保持在一个较低的值，此特征可以判断故障相位；

步骤5，若所述特征为电流传感器故障，则利用有限集模型预测控制的特征，在一个采样周期的开关状态是已知和固定的，通过已知故障相和已知当前状态的开关位置，诊断出故障开关具体位置；

步骤6，将输出相电流估计值与实测值形成残差，当残差大于一定阈值时，进而判断哪一相的电流传感器发生故障。

2.根据权利要求1所述矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法其特征在于，所述矩阵变换器各相输出电压和电流的模型为：

3.根据权利要求2所述矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法其特征在于，所述步骤2具体包括：

以S_Aa开关开路故障为例，矩阵变换器各相输出电压和电流的模型为：

其中，u_oX(X∈{A,B,C})为正常状况下的三相输出相电压，u_of为A相发生故障后引起的额外故障电压，T_s为模型预测控制一个采样周期的时间，

为第k次采样周期的三相输出电流值，

为正常状况下第k+1次采样周期三相输出相电流的估计值，

为开关开路故障情况下第k+1次采样周期的三相输出电流值的估计值，e_X(X∈{A,B,C})为电机模型的反电动势值，u_No为电机中性点相对于地的值，R_s为定子电阻，L为定子漏电感；

公式(2)减(1)可得：

当与输出B相连接的一个开关发生开路故障时，满足

输出A相传感器发生故障时，

当输出B相传感器发生故障时，

上述特征作为辨识开关开路故障和输出电流传感器故障的条件。

4.根据权利要求3所述矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法其特征在于，所述步骤3具体包括：

所述三相线电压残差的定义为：

线电压与矩阵变换器开关状态可以表示为：

其中，u_oXY(X，Y∈{A，B，C})为三相输出线电压参考值，

为三相输出线电压估计值，u_ex(x∈{a，b，c})为三相输入相电压；当S_Xy(X∈{A，B，C}，y∈{a，b，c})＝1时，开通开关S_Xy；当S_Xy＝0时，关断开关S_Xy；

根据永磁同步电机在旋转坐标系下的模型：

其中，u_d、u_q、i_d和i_q分别为dq旋转坐标系下矩阵变换器的输出电压和输出相电流；ψ_f、ω_r和R_s分别为永磁同步电机的磁链、转速和定子电阻；L_d和L_q为dq旋转坐标系下永磁同步电机的等效电感；

矩阵变换器第k次采样周期的开关状态已知，在第(k+1/4)次采样周期

第(k+1/2)次采样周期

和第(k+3/4)次采样周期

分别采样输出相电流用于估计输出线电压；

dq旋转坐标系下矩阵变换器的输出电压估计值为：

将dq旋转坐标系下的矩阵变换器输出电压估计值转换到静止坐标系下，从而得到的输出线电压。

5.根据权利要求4所述矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法其特征在于，所述步骤6具体包括：

基于矩阵变换器电机驱动系统，用以下公式估计输出相电流：

其中，

和

为下一个采样周期的输出电流估计值；

将dq旋转坐标系下的矩阵变换器输出电流估计值转换到静止坐标系下，从而得到估计的输出相电流：

将输出相电流估计值与实测值做差形成残差ε_ioX(X∈{A，B，C})，如下所示：

当残差ε_ioX大于一定的阈值时，认定为输出X相的电流传感器发生故障。

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