CN111505536B - 一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法，首先，采样无刷直流电机的三相电流值，然后，将三相电流值的绝对值相加获得电流和，最后，根据电流和与无刷直流电机的转子位置角，判断三相全桥逆变器是否发生单管开路或双管开路故障，并对故障开关管定位。本方法实现了无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断，当三相全桥逆变器发生开路故障时，可以及时报警并对故障开关管进行定位，减小了因逆变器开路故障而造成的财产损失，大大提高了无刷直流电机系统的稳定安全运行。

Description

一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法，属于电力电子与电力传动领域。

背景技术

无刷直流电机(BLDCM)是近年来迅速发展起来的一种新型电机，它利用电子换相代替机械换相，既具有直流电动机的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，而且体积小、效率高。因此，目前在先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电动机所替代。此外，无刷直流电动机在航空航天、数控机床、工业机器人、办公自动化设备、电动汽车和计算机外围设备等方面都获得了广泛应用。

无刷直流电机驱动系统可能发生故障的有驱动控制器、位置传感器以及逆变器等几个部位，经分析得出无刷直流电机最薄弱的环节为驱动控制线路、绕组、轴承三个部位，其可能发生的故障模式有以下几种：逆变器功率管开路和短路、位置传感器断线，定子相绕组开路、短路及轴承损坏。逆变器的控制电路及其功率开关器件是无刷直流电机调速系统中最易发生故障的部位，在变频调速过程中逆变器功率管的可靠性问题也一直没有得到很好的解决，最新研究结果表明，无刷直流电机驱动系统故障的82.5％发生在功率变换器上。因此，有效的防止、及时的诊断逆变器故障是提高无刷直流电机安全、可靠运行的根本。

针对逆变器开路故障检测，国内外学者对其进行了大量研究，但现有的逆变器开路故障检测方法，要么数学运算复杂，需要更高性能的处理器，要么检测方法虽然简单，但对电驱系统的控制方法有一定要求，并且需要添加大量复杂的检测电路。此外，现有研究一般只关注逆变器单管开路故障，而未考虑逆变器双管开路故障。

发明内容

技术问题：针对上述现有技术，提出一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法，可以准确、简单、快速地检测出逆变器的单管开路故障和双管开路故障。

技术方案：一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤1：在每一个控制周期中，采样无刷直流电机(2)三相电流i_A、i_B和i_C，利用绝对值加法器(3)计算得到无刷直流电机三相电流绝对值之和i_sum；

步骤2：采样无刷直流电机转子位置角θ，利用故障判断器(4)判断三相全桥逆变器(1)是否发生开路故障，并输出故障标志信号F_n(n＝1～6)；

步骤3：根据故障标志信号F_n，通过故障定位器(5)，得到开关管故障位置信息；

步骤4：通过故障信息输出器(6)，输出故障信息。

进一步的，所述步骤1中，利用绝对值加法器(3)计算得到无刷直流电机三相电流绝对值之和i_sum，具体如公式(1)所示；

i_sum＝|i_A|+|i_B|+|i_C| (1)。

进一步的，所述步骤2中，故障标志信号F_n获取方法为：首先，通过公式(2)对i_sum进行二值化，获得二值化信号L_n(n＝1～3)；然后通过公式(3)计算得到故障标志信号F_n；

F_n＝(P_n,1L₁*P_n,2L₂*P_n,3L₃)|F_n (3)

式中，k为与i_sum二值化次数相关量，i_sum每进行一次二值化，k的值就增加1；“％”表示取余运算；σ是i_sum二值化界限值，这里σ取0.1*i_{sum_max}，i_{sum_max}为i_sum最大值，电机每旋转一圈，i_{sum_max}更新一次；P_n(n＝1～6)为与无刷直流电机转子位置相关量，其满足公式(4)，P_n,1为L₁对应的P_n，P_n,2为L₂对应的P_n，P_n,3为L₃对应的P_n，L₁、L₂、L₃分别为i_sum连续三次二值化值；“|”表示或运算；

进一步的，所述步骤3中，开关管故障位置定位方法为：通过公式(5)计算得到故障定位信号G_n(n＝1～6)，如果G_n＝0，则开关管S_n没有产生开路故障，否则，S_n产生了开路故障；

若单管开路故障，此时6个故障定位信号G_n只有1个不为零；若不在同一桥臂的上下开关管双管开路故障，此时6个故障定位信号G_n有2个不为零。

有益效果：(1)本发明通过采样三相电流值对逆变器开路故障进行检测，其检测方法简单、快速、准确。

(2)本发明不仅可以进行逆变器的单管开路进行检测，而且可以进行逆变器的双管开路故障进行检测，并且能迅速对故障的开关管进行定位。

(3)本发明中不涉及复杂的运算，便于程序的编写实现，对控制器没有特别要求。

附图说明

图1为一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法控制框图；

图2为无刷直流电机正常运行时的三相电流、三相电流绝对值和波形；

图3为无刷直流电机S₁开路故障运行时的三相电流、三相电流绝对值和波形；

图4为无刷直流电机S₂开路故障运行时的三相电流、三相电流绝对值和波形；

图5为无刷直流电机S₁、S₄开路故障运行时的三相电流、三相电流绝对值和波形。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤1：在每一个控制周期中，采样无刷直流电机2三相电流i_A、i_B和i_C，利用绝对值加法器3计算得到无刷直流电机三相电流绝对值之和i_sum，具体为：

将无刷直流电机三相电流i_A、i_B和i_C输入绝对值加法器，根据公式(1)获得三相电流绝对值之和i_sum；

i_sum＝|i_A|+|i_B|+|i_C| (1)

步骤2：采样无刷直流电机转子位置角θ，利用故障判断器4判断三相全桥逆变器1是否发生开路故障，并输出故障标志信号F_n(n＝1～6)，具体为：

将电机转子位置角θ与相电流绝对值之和i_sum输入故障判断器，通过公式(2)对i_sum进行二值化，获得二值化信号L_n(n＝1～3)，然后通过公式(3)计算得到故障标志信号F_n，最后计算本次电机旋转周期(本发明中，电机旋转一周为一个电机旋转周期)内i_sum的最大值i_{sum_max}，便于下一个电机旋转周期i_sum二值化使用。

F_n＝(P_n,1L₁*P_n,2L₂*P_n,3L₃)|F_n (3)

式中，k为与i_sum二值化次数相关量，i_sum每进行一次二值化，k的值就增加1；“％”表示取余运算；σ是i_sum二值化界限值，这里σ取0.1*i_{sum_max}，i_{sum_max}为i_sum最大值，电机每旋转一圈，i_{sum_max}更新一次；P_n(n＝1～6)为与无刷直流电机转子位置相关量，其满足公式(4)，P_n,1为L₁对应的P_n，P_n,2为L₂对应的P_n，P_n,3为L₃对应的P_n，L₁、L₂、L₃分别为i_sum连续三次二值化值(例如对i_sum进行第k、k+1、k+2次二值化，如果k为3的整倍数，则L₁是第k次i_sum二值化值，L₂是第k+1次i_sum二值化值，L₃是第k+2次i_sum二值化值)；“|”表示或运算。

步骤3：根据故障标志信号F_n，通过故障定位器5，得到开关管故障位置信息，具体为：

将故障标志信号F_n输入故障定位器，通过公式(5)计算得到故障定位信号G_n(n＝1～6),如果G_n＝0，则开关管S_n没有产生开路故障，否则，S_n产生了开路故障，然后对F_n进行清零，并对i_{sum_max}进行更新。注意，本步骤每个电机旋转周期执行一次。

步骤4：通过故障信息输出器6，输出故障信息，具体为：

故障信息可以通过显示屏或指示灯显示出来，也可以通过通信传输给其它控制器。此外，本发明可以检测的逆变器开路故障类型的：(1)单管开路故障。此时6个故障定位信号G_n只有1个不为零。(2)不在同一桥臂的上下开关管双管开路故障。此时6个故障定位信号G_n有2个不为零。注意，本步骤每个电机旋转周期执行一次。

为验证本发明的技术问题，对本发明进行了仿真验证。如图2所示，为无刷直流电机正常运行时的三相电流、三相电流绝对值和波形，通过图中i_sum波形根据公式(3)可以得出：F_n＝0，G_n＝0。因此逆变器没有发生开路故障。如图3所示，为无刷直流电机S₁开路故障运行时的三相电流、三相电流绝对值和波形，通过故障判断器得出：F₁＝1，F₂＝1，F₃＝0，F₄＝0，F₅＝0，F₆＝0，通过故障定位器可以得出：G₁＝1，G₂＝0，G₃＝0，G₄＝0，G₅＝0，G₆＝0。因此逆变器中开关管S₁发生开路故障。如图4所示，为无刷直流电机S₂开路故障运行时的三相电流、三相电流绝对值和波形，通过故障判断器得出：F₁＝0，F₂＝0，F₃＝0，F₄＝1，F₅＝1，F₆＝0，通过故障定位器可以得出：G₁＝0，G₂＝1，G₃＝0，G₄＝0，G₅＝0，G₆＝0。因此逆变器中开关管S₂发生开路故障。如图5所示，为无刷直流电机S₁、S₄开路故障运行时的三相电流、三相电流绝对值和波形，通过故障判断器得出：F₁＝1，F₂＝1，F₃＝0，F₄＝0，F₅＝0，F₆＝1，通过故障定位器可以得出：G₁＝1，G₂＝0，G₃＝0，G₄＝1，G₅＝0，G₆＝0。因此逆变器中开关管S₁、S₄发生开路故障。可以看出，本发明可以、简便、快速、准确的实现无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在每一个控制周期中，采样无刷直流电机(2)三相电流i_A、i_B和i_C，利用绝对值加法器(3)计算得到无刷直流电机三相电流绝对值之和i_sum；

步骤2：采样无刷直流电机转子位置角θ，利用故障判断器(4)判断三相全桥逆变器(1)是否发生开路故障，并输出故障标志信号F_n，n＝1～6；

步骤3：根据故障标志信号F_n，通过故障定位器(5)，得到开关管故障位置信息；

步骤4：通过故障信息输出器(6)，输出故障信息；

所述步骤2中，故障标志信号F_n获取方法为：首先，通过公式(2)对i_sum进行二值化，获得二值化信号L_n，n＝1～3；然后通过公式(3)计算得到故障标志信号F_n；

F_n＝(P_n,1L₁*P_n,2L₂*P_n,3L₃)|F_n' (3)

式中，k为与i_sum二值化次数相关量，i_sum每进行一次二值化，k的值就增加1；“％”表示取余运算；σ是i_sum二值化界限值，这里σ取0.1*i_{sum_max}，i_{sum_max}为i_sum最大值，电机每旋转一圈，i_{sum_max}更新一次；P_n，n＝1～6为与无刷直流电机转子位置相关量，其满足公式(4)，P_n,1为L₁对应的P_n，P_n,2为L₂对应的P_n，P_n,3为L₃对应的P_n，L₁、L₂、L₃分别为i_sum连续三次二值化值；“|”表示或运算；

所述步骤3中，开关管故障位置定位方法为：通过公式(5)计算得到故障定位信号G_n，n＝1～6，如果G_n＝0，则开关管S_n没有产生开路故障，否则，S_n产生了开路故障；

若单管开路故障，此时6个故障定位信号G_n只有1个不为零；若不在同一桥臂的上下开关管双管开路故障，此时6个故障定位信号G_n有2个不为零。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机三相全桥逆变器开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1中，利用绝对值加法器(3)计算得到无刷直流电机三相电流绝对值之和i_sum，具体如公式(1)所示；

i_sum＝|i_A|+|i_B|+|i_C| (1)。

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