CN111830434B - 基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法 - Google Patents

基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法 Download PDF

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CN111830434B CN202010729729.8A CN202010729729A CN111830434B CN 111830434 B CN111830434 B CN 111830434B CN 202010729729 A CN202010729729 A CN 202010729729A CN 111830434 B CN111830434 B CN 111830434B
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Abstract

基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，通过对容错电机六相电流进行Park矢量变换，实时计算三个正交空间电流矢量在一个周期内的归一化平均值，通过比较电流矢量的模值归一化平均值与故障阈值来检测单功率管及双功率管开路故障，根据电流矢量实部、虚部归一化平均值的正负极性实现故障功率管的定位。本方法能够准确快速的实现永磁容错电机系统正常运行、开路/短路故障容错运行时的单功率管、双功率管开路故障诊断，在不同负载、转速工况下无需调整故障阈值，具有对转速突变、负载突变较强的鲁棒性，显著地提升了永磁容错电机系统的故障诊断能力、可靠性和容错运行性能，能有效满足机载电力作动器的高可靠性要求。

Description

基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法
技术领域
本发明属于电机系统故障诊断技术领域，具体涉及一种高可靠机载电力作动器用基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术、材料科学以及现代控制理论的快速发展，多电/全电飞机获得了技术上的重大突破，飞机伺服作动系统正逐渐由多能源形式作动系统向单一电力作动系统发展。电力作动系统的应用简化了飞机机载次能源系统结构，减轻了飞行器的重量，提高了飞行器的效率、可维护性及可靠性。机电作动器以其小型化、高效率、高功率密度及良好的动态性能等优点，成为未来飞机机载电力作动系统的主要发展方向。
作为飞控系统的执行机构，机电作动器在很大程度上决定了飞控系统的性能及可靠性，因此机电作动器通常有较高的可靠性需求。电机系统作为电作动器的核心部件，其容错能力是提高机电作动器可靠性的关键因素，因此高可靠多相永磁容错电机系统成为机电作动器的重要发展方向。
故障诊断作为永磁容错电机控制系统的关键环节之一，其性能直接影响着伺服系统的可靠性。永磁容错电机系统故障主要包括电机本体故障、传感器故障以及逆变器故障。电机系统中发生最频繁的故障是逆变器故障，且故障点主要集中在功率开关管。功率开关管故障主要分为开路故障和短路故障两类，其中短路故障目前多通过硬件电路实现短路过流保护。功率开关管开路故障发生后电机通常还能继续运行，但若不及时处理则会导致其它器件出现二次故障，因此功率开关管的开路故障诊断尤为重要。
针对功率开关管的开路诊断方法已有大量相关研究，而目前所提出的方法均是基于电机正常运行且电机各相为正弦对称电流条件下的开路故障诊断。然而永磁容错电机在开路故障或短路故障容错运行时，剩余非故障相绕组为非对称非正弦电流，若发生功率开关管二次开路故障，传统的方法无法实现容错运行时的故障诊断。为了满足永磁容错电机系统的可靠性需求，提高故障诊断能力，开展永磁容错电机系统功率单功率管和双功率管开路故障诊断方法研究，具有重要的理论意义和工程价值。本发明申请所提出的基于归一化平均电流Park矢量法的正常及容错运行工况下单功率管及双功率管开路故障诊断方法，通过实时监测六相永磁容错电机电流Park矢量变换三个正交子空间中电流矢量的归一化平均模值实现开路故障检测，通过判断三个正交子空间中电流矢量实部虚部归一化平均值的正负极性实现故障功率开关管的定位，从而实现永磁容错电机系统正常和开路/短路故障容错运行时的单、双功率管的开路故障诊断。本发明故障诊断方法不依赖电机各相绕组对称运行，适用于永磁容错电机正常运行、开路故障容错运行和短路故障容错运行时的单、双功率管的开路故障诊断。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，能够在保持原系统硬件电路的条件下，快速可靠的实时诊断容错电机系统在正常运行、开路容错运行及短路容错运行时的单个功率管或两个功率管的开路故障，同时能有效避免因为电机转速突变或负载转矩突变引起的误诊断，鲁棒性强，且在不同负载、转速工况下无需调整故障判断阈值。
所述容错电机系统包括六相永磁容错电机、容错功率驱动器、信号检测电路和容错控制器；所述的六相永磁容错电机包括5对极表贴式永磁体转子组件和12槽定子组件；所述容错功率驱动器由隔离驱动电路和逆变电路组成，其中逆变电路包含六个相互独立的H桥电路，每个H桥电路由第一～第四功率管T1a、T1b、T2a、T2b组成，T1a与T1b组成H桥正向桥臂，T2a与T2b组成H桥负向桥臂；所述信号检测电路由电流传感器、旋转变压器、轴角变换器、信号调理电路和A/D转换电路组成；所述容错控制器包括DSP系统和FPGA系统，DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；DSP系统负责系统的速度环计算、容错控制策略计算、电流Park矢量变换、Park矢量平均值计算、归一化计算，功率管开路故障检测及故障定位；FPGA系统包括电流环控制器、旋变控制模块、A/D采样控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；FPGA系统负责系统的电流环计算、电流A/D采样控制、电机转速和转子位置检测控制及PWM信号生成；
该基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其包括以下几个步骤：
步骤1：将信号检测电路采集到的六相永磁容错电机A、B、C、D、E、F六相电流IA，IB，IC，ID，IE，IF，进行Park矢量变换，分别得到三个正交子空间
Figure BDA0002602791990000031
下的电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000032
其中，对永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相反馈电流IA，IB，IC，ID，IE，IF进行如下Park矢量变换：
Figure BDA0002602791990000041
式中Iα1、Iβ1分别为子空间
Figure BDA0002602791990000042
中电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000043
的实部、虚部，Iα2、Iβ2分别为子空间
Figure BDA0002602791990000044
中电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000045
的实部、虚部，Iα3、Iβ3分别为子空间
Figure BDA0002602791990000046
中电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000047
的实部、虚部。
Figure BDA0002602791990000048
为Park矢量变换的三个正交子空间，三个矢量
Figure BDA0002602791990000049
分别为：
Figure BDA00026027919900000410
其中Imod1为矢量
Figure BDA00026027919900000411
的模值，Imod2为矢量
Figure BDA00026027919900000412
的模值，Imod3为矢量
Figure BDA00026027919900000413
的模值，表达式为：
Figure BDA00026027919900000414
步骤2：计算三个电流Park矢量
Figure BDA00026027919900000415
在一个电流周期内的平均值，分别得到矢量
Figure BDA0002602791990000051
实部平均值
Figure BDA0002602791990000052
虚部平均值
Figure BDA0002602791990000053
模值平均值
Figure BDA0002602791990000054
矢量
Figure BDA0002602791990000055
实部平均值
Figure BDA0002602791990000056
虚部平均值
Figure BDA0002602791990000057
模值平均值
Figure BDA0002602791990000058
矢量
Figure BDA0002602791990000059
实部平均值
Figure BDA00026027919900000510
虚部平均值
Figure BDA00026027919900000511
模值平均值
Figure BDA00026027919900000512
其中，在一个电流周期T内，电流Park矢量
Figure BDA00026027919900000513
的实部平均值
Figure BDA00026027919900000514
虚部平均值
Figure BDA00026027919900000515
模值平均值
Figure BDA00026027919900000516
电流Park矢量
Figure BDA00026027919900000517
的实部平均值
Figure BDA00026027919900000518
虚部平均值
Figure BDA00026027919900000519
模值平均值
Figure BDA00026027919900000520
电流Park矢量
Figure BDA00026027919900000521
的实部平均值
Figure BDA00026027919900000522
虚部平均值
Figure BDA00026027919900000523
模值平均值
Figure BDA00026027919900000524
分别为：
Figure BDA00026027919900000525
步骤3：对电流Park矢量平均值进行归一化处理，将矢量
Figure BDA00026027919900000526
模值归一化平均值
Figure BDA0002602791990000061
矢量
Figure BDA0002602791990000065
模值归一化平均值
Figure BDA00026027919900000611
矢量
Figure BDA0002602791990000067
模值归一化平均值
Figure BDA0002602791990000068
作为故障诊断变量，将矢量
Figure BDA0002602791990000069
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000610
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000612
矢量
Figure BDA00026027919900000613
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000614
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000615
以及矢量
Figure BDA00026027919900000616
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000617
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000618
作为故障定位变量；
其中，Park矢量归一化基准值可表示为：
Figure BDA0002602791990000062
其中TF为故障相产生的制动转矩，可表示为：
Figure BDA0002602791990000063
式中Te为电磁转矩，km为峰值反电势系数，x为电角度，SN为正常相绕组集合,SF为故障相绕组集合，电机绕组集合表示为：
SN∪SF＝{A，B，C，D，E，F} (7)
θei为第i相绕组初始电气角度，θej为第j相绕组初始电气角度，六相永磁容错电机初始电气角度的值属于以下集合：
Figure BDA0002602791990000064
归一化处理后，矢量
Figure BDA00026027919900000619
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000620
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000621
模值归一化平均值
Figure BDA00026027919900000622
矢量
Figure BDA00026027919900000623
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000624
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000625
模值归一化平均值
Figure BDA00026027919900000626
矢量
Figure BDA00026027919900000627
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900000628
虚部归一化平均值
Figure BDA0002602791990000075
模值归一化平均值
Figure BDA0002602791990000076
分别为：
Figure BDA0002602791990000071
步骤4：判断故障诊断变量
Figure BDA0002602791990000072
是否至少有两个变量大于设定阈值Ithres，若是，则判定开路故障发生，并转至步骤5进行故障定位，否则判定未发生开路故障，并返回步骤1继续进行监测；
步骤5：记录判定开路故障发生时六个故障定位变量
Figure BDA0002602791990000073
Figure BDA0002602791990000074
的正负极性，查询开路故障功率管定位表，即可确定故障功率开关管的位置。
优选的，所述步骤4中，设置的故障阈值Ithres为：
Ithres＝0.8 (10)
优选的，所述步骤5中，当电机在正常运行过程时发生单管开路故障后，非故障相电流平均值为零；而故障相电流在半个周期内变为零，根据故障管位于正向桥臂或负向桥臂，其中正向桥臂由T1a与T1b组成，负向桥臂由T2a与T2b组成，故障相电流在一个周期T内的积分可以表示为：
Figure BDA0002602791990000081
式中i∈SF，SF为故障相绕组集合，ωe为电角速度。
优选的，当电机在开路故障容错或短路故障运行时，若发生了二次功率管开路故障，非故障相电流的平均值仍保持为零；根据故障管位于正向桥臂或负向桥臂，故障相电流在一个周期内的积分可以表示为：
Figure BDA0002602791990000082
式中j∈SF1，SF1为一次开路故障相绕组集合，k∈SF2，SF2为二次开路故障相绕组集合。
优选的，对于采用六相H全桥驱动架构的永磁容错电机系统，根据不同故障相之间的排列组合，有12种单管开路故障，60种双管开路故障，开路故障功率管定位表为：
Figure BDA0002602791990000083
Figure BDA0002602791990000091
Figure BDA0002602791990000101
优选的，所述永磁容错电机可处于正常运行，开路故障容错运行及短路故障容错运行的工况。
优选的，该诊断方法既可以检测定位单管开路故障，也可以检测定位双管同时开路故障。
优选的，所述的DSP系统采用浮点型高速DSP为TMS320F28335,采用高性能的静态CMOS技术，指令周期为6.67ns，主频达150MHz，拥有一个单精度浮点运算单元，最多支持18通道PWM输出，支持CAN、UART、SPI和I2C通讯接口。
优选的，所述FPGA系统由FPGA芯片及其外围电路组成，所述FPGA芯片采用EP2C35F484,主频高达100MHz，具有33216个逻辑单元，片内集成了35个乘法器，可提供最多332个可用I/O端口，并且支持多种电平标准，工作时钟频率最高可达400MHZ。
优选的，所述的容错功率驱动电路中的MOSFET器件采用IXTP90N075T2，最大电压电流分别可达75V和90A，导通电阻10mΩ。
本发明的有益技术效果体现在：
1)、本发明提出的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法无需在原系统中额外增加传感器等检测设备，简化了系统复杂程度。
2)、本发明提出的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法采用六相电机三个正交子空间中平均电流Park矢量归一化模值作为故障诊断变量，避免了因转速突变、负载突变造成的误诊断，相比于其它故障诊断方法具有更好的鲁棒性。
3)、本发明提出的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法对平均电流Park矢量进行了归一化处理，因此在不同负载、转速工况下无需调整故障判断阈值，提高了诊断方法的灵活性。
4)、本发明提出的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法仅需根据平均电流Park矢量实部虚部的正负极性即可实现故障功率管的定位，简化运算复杂程度的同时提高了故障诊断速度。
5)、本发明提出的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法不仅能实现单个功率管故障的检测与定位，还能实现两个功率管故障的检测与定位，具有更全面的开路故障检测能力。
6)、本发明提出的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法除了能在永磁容错电机正常运行时实现单、双功率管的开路故障诊断，还能在永磁容错电机开路故障、短路故障容错运行时实现单、双功率管的开路故障诊断，提高了永磁容错电机系统在发生一次及二次开路故障时的故障诊断能力。
附图说明
图1为本发明中机载电力作动器用六相永磁容错电机系统的总体组成结构示意图。
图2为本发明中DSP系统和FPGA系统的功能分配模块组成示意图。
图3为本发明中六相H桥架构容错功率驱动电路结构示意图。
图4为本发明中DSP系统中故障诊断模块组成框图。
图5为本发明中基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法步骤的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-5详细说明实现本发明技术方案的一个具体实施例。
图1所示为本发明中机载电力作动器用六相永磁容错电机系统的总体组成结构示意图，该系统包括六相永磁容错电机、容错功率驱动器、信号检测电路和容错控制器。
所述的六相永磁容错电机主要包括定子组件、转子组件、位置传感器和其它零部件,定子组件为十二槽结构，槽型采用抗短路设计，为隔齿嵌放、分数槽集中单层绕组结构，转子组件的永磁体为五对极表贴式结构。
所述容错功率驱动器由隔离驱动电路和H桥逆变电路组成。其中隔离驱动电路主要由栅极隔离驱动芯片及其外围电路组成，除了实现容错功率驱动器强电信号与PWM控制弱电信号的电气隔离，提高系统稳定性，同时对FPGA系统产生的PWM信号起功率放大作用。隔离驱动芯片选用了ADI公司的隔离式高精度半桥驱动芯片ADuM7234，高、低压侧的隔离采用了磁隔离技术，高频运行最高可达1MHz。六相H桥逆变电路对永磁容错电机的每一相绕组单独驱动供电，使各相绕组之间形成电气容错结构。所述的H桥逆变器功率开关管采用了美国IXYS公司的N沟道增强型MOSFET IXTP90N075T2，最大电压电流分别可达75V和90A，导通电阻10mΩ,具有体积小、损耗低、功率密度高等优点。
所述的信号检测电路主要包括电流传感器、旋转变压器、轴角变换器、信号调理电路和A/D转换电路，用于采集电机的相电流信号、电机的转速及转子位置信息。所述的电流传感器选用LEM公司的电压型霍尔电流传感器LTS 15-NP，最大电流测量范围达±48A，测量精度高达0.1％，频响为100kHz。所述旋转变压器负责将转子角位置信息变换成高频调制的一对电压信号，信号调理电路负责将旋转变压器输出的电压信号进行电平转换，以及将轴角变换器产生的激磁信号功率放大，旋转变压器选用日本多摩川公司的内置无刷型旋变TS2620N21E11，其电气误差最大为±10弧分，最大转速测量范围为0～10000r/min，结构简单、体积较小，且具有较高的精度。所述轴角变换器选用ADI公司的AD2S1210，该芯片具有可选择的10～16位分辨率，用户可自主配置的正弦振荡器并产生旋转变压器需要的正弦波激励，正余弦接收端的最大输入电压为3.15Vp-p，输入电压频率范围为2kHz到20kHz，转换精度为±2.5′，最大跟踪速率为187500RPM，工作环境温度范围为-40℃到+125℃。所述的信号调理电路由运算放大器和电阻、电容组成，作用一是对电流传感器得到的信号进行滤波和电平转换处理，二是对AD2S1210产生的一组共模的正弦波激磁信号EXC和EXC_N进行驱动放大，EXC和EXC_N通过差分推挽电路之后功率得到抬升，以满足旋转变压器激磁电路的需求，另一方面对旋转变压器产生的正余弦感应电压信号进行滤波、电平平移后送入AD2S1210。所述的A/D模数转换器用于将调理后的电流模拟信号转化为数字信号，以送入FPGA系统，A/D模数转换器芯片采用ADI公司的AD7606芯片，它是一款8通道同步采样的数据采集芯片，具有14位的转换精度。
所述容错控制器主要包括DSP系统FPGA系统，容错控制器根据采集的转速和上位机的速度指令经速度环控制的计算，得到给定电磁转矩指令；同时根据采集的六相电流，经故障诊断模块实时诊断功率开关管开路故障，得到系统的故障状态；再根据电磁转矩给定指令、转子位置信息以及系统的故障状态，经容错控制策略模块计算得到电机非故障相电流的给定指令；然后根据电流给定指令和电流反馈值，完成电流环控制的计算，得到各相给定电压；最后根据各相给定电压及系统故障状态，经PWM模块生成PWM控制信号。PWM控制信号经隔离驱动电路进行功率放大后实现对24个功率开关管的导通关断控制，进而实现对六相永磁容错电机的控制，保证系统在正常和故障工况下的平稳运行。
图2所示为本发明中DSP系统和FPGA系统的功能分配模块组成示意图。
其中，DSP系统由速度控制器模块、容错控制器模块和故障诊断模块组成，主要功能包括：根据FPGA输入的六相电流反馈值，通过故障诊断模块检测并诊断功率开关管开路故障，分析系统的实时故障状态；根据上位机的速度指令和FPGA输入的速度反馈，进行速度环控制的计算，得到电磁转矩给定值；根据电磁转矩给定值、FPGA输入的转子位置信息以及系统实时故障状态，进行容错控制器的计算，得到电机非故障绕组的电流给定值，并将该指令发送至FPGA。所述的DSP系统选用浮点型高速DSP TMS320F28335,该芯片采用高性能的静态CMOS技术，指令周期为6.67ns，主频达150MHz，拥有一个单精度浮点运算单元，最多支持18通道PWM输出，支持CAN、UART、SPI和I2C通讯接口。
FPGA系统由数据传输模块、A/D采样控制模块、电流控制器模块、PWM生成模块和旋变控制模块组成，系统主要功能包括：通过旋变控制模块对电机转速及位置采样进行控制；通过A/D采样控制模块对电流采样进行控制；根据DSP输入的电流给定指令和A/D采样控制模块所测得的电流反馈值，完成电流环控制的计算，得到给定电压指令；PWM生成模块根据各相给定电压及DSP输入的电机故障状态输出控制六相H桥的24路PWM信号。所述FPGA系统采用美国ALTERA公司Cyclone II系列FPGA EP2C35F484,主频高达100MHz，具有33216个逻辑单元，片内集成了35个乘法器，可提供最多332个可用I/O端口，并且支持多种电平标准，工作时钟频率最高可达400MHZ。
如图3所示，本发明中六相H桥架构容错功率驱动电路由六组H全桥结构的驱动电路组成，六相永磁容错电机每相绕组由一个H桥逆变电路独立驱动供电，各相绕组间无中性点，形成电气隔离。图3中A+，A-表示A相绕组的两端，B+，B-表示B相绕组的两端，C+，C-表示C相绕组的两端，D+，D-表示D相绕组的两端，E+，E-表示E相绕组的两端，F+，F-表示F相绕组的两端。每相H桥包含4个功率开关管，图3中T1a、T1b，T2a，T2b为A相H桥的4个功率管，其中H桥正向桥臂由T1a与T1b组成，负向桥臂由T2a与T2b组成。所述的H桥逆变器功率开关管采用了美国IXYS公司的N沟道增强型MOSFET IXTP90N075T2，最大电压电流分别可达75V和90A，导通电阻10mΩ,具有体积小、损耗低、功率密度高等优点。隔离驱动芯片选用了ADI公司的隔离式高精度半桥驱动芯片ADuM7234，高、低压侧的隔离采用了磁隔离技术，高频运行最高可达1MHz。
图4所示为本发明DSP系统中故障诊断模块组成框图，包括Park矢量变换模块、Park矢量平均值计算模块、平均值归一化计算模块、单管及双管开路故障检测模块以及故障定位模块。Park矢量变换模块将电机六相采样电流IA，IB，IC，ID，IE，IF进行Park矢量变换，输出得到三个正交子空间中的电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000151
Park矢量平均值计算模块通过积分实现电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000152
在一个电流周期内的平均值计算，输出得到矢量
Figure BDA0002602791990000153
实部平均值
Figure BDA0002602791990000154
虚部平均值
Figure BDA0002602791990000156
模值平均值
Figure BDA0002602791990000157
矢量
Figure BDA0002602791990000155
实部平均值
Figure BDA0002602791990000158
虚部平均值
Figure BDA0002602791990000159
模值平均值
Figure BDA0002602791990000165
矢量
Figure BDA0002602791990000161
实部平均值
Figure BDA0002602791990000166
虚部平均值
Figure BDA0002602791990000167
模值平均值
Figure BDA0002602791990000168
平均值归一化计算模块对电流Park矢量平均值进行归一化处理，输出得到
Figure BDA00026027919900001620
实部归一化平均值
Figure BDA0002602791990000169
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900001610
模值归一化平均值
Figure BDA00026027919900001611
矢量
Figure BDA00026027919900001612
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900001613
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900001614
模值归一化平均值
Figure BDA00026027919900001615
矢量
Figure BDA00026027919900001616
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900001617
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900001618
模值归一化平均值
Figure BDA00026027919900001619
单管及双管开路故障检测模块通过比较三个故障诊断变量
Figure BDA0002602791990000162
与故障阈值Ithres，输出故障信号；故障定位模块基于六个故障定位变量
Figure BDA0002602791990000163
的正负极性与故障信号，根据故障定位表输出系统故障状态。
图5为本发明中基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法步骤的流程示意图，该方法包括以下步骤：
S1：六相电流Park矢量变换。
将信号检测电路采集到的永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相反馈电流IA，IB，IC，ID，IE，IF进行如下Park矢量变换：
Figure BDA0002602791990000164
得到三个正交子空间下的电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000171
分别为：
Figure BDA0002602791990000172
其中矢量
Figure BDA0002602791990000173
的模值表达式分别为：
Figure BDA0002602791990000174
S2：Park矢量平均值计算。
计算三个电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000175
在一个电流周期T内的平均值，电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000176
的实部平均值
Figure BDA0002602791990000179
虚部平均值
Figure BDA00026027919900001710
模值平均值
Figure BDA00026027919900001711
电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000177
的实部平均值
Figure BDA00026027919900001712
虚部平均值
Figure BDA00026027919900001713
模值平均值
Figure BDA00026027919900001714
电流Park矢量
Figure BDA0002602791990000178
的实部平均值
Figure BDA00026027919900001715
虚部平均值
Figure BDA00026027919900001716
模值平均值
Figure BDA00026027919900001717
分别为：
Figure BDA0002602791990000181
S3：Park矢量平均值归一化计算。
对S2计算得到的电流Park矢量平均值进行归一化处理，归一化基准值可表示为：
Figure BDA0002602791990000182
归一化计算得到矢量
Figure BDA0002602791990000183
实部归一化平均值
Figure BDA0002602791990000184
虚部归一化平均值
Figure BDA0002602791990000185
模值归一化平均值
Figure BDA0002602791990000186
矢量
Figure BDA0002602791990000187
实部归一化平均值
Figure BDA0002602791990000188
虚部归一化平均值
Figure BDA0002602791990000189
模值归一化平均值
Figure BDA00026027919900001810
矢量
Figure BDA00026027919900001812
实部归一化平均值
Figure BDA00026027919900001813
虚部归一化平均值
Figure BDA00026027919900001814
模值归一化平均值
Figure BDA00026027919900001815
分别为：
Figure BDA0002602791990000191
将三个模值归一化平均值
Figure BDA0002602791990000192
作为故障诊断变量，将六个矢量实部、虚部归一化平均值
Figure BDA0002602791990000193
作为故障定位变量。
S4：判断故障诊断变量
Figure BDA0002602791990000194
是否至少有两个变量大于设定阈值Ithres，若是，则判定开路故障发生，并转至S5进行故障定位，否则判定未发生开路故障，并返回S1继续进行监测。综合考虑故障诊断的快速性和敏感度，此处设定故障诊断阈值Ithres＝0.8。
S5:故障定位表查询。
记录判定开路故障发生时六个故障定位变量
Figure BDA0002602791990000195
Figure BDA0002602791990000196
的正负极性，查询开路故障功率管定位表，即可确定故障功率开关管的位置，最终得到系统故障状态。例如当检测到
Figure BDA0002602791990000197
时，表示电机A相H桥逆变电路的T1a或T1b功率管与C相H桥逆变电路的T1a或T1b功率管同时发生了开路故障。
六相永磁容错电机系统对应72种单管、双管开路故障定位表为如下表：
Figure BDA0002602791990000201
Figure BDA0002602791990000211
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，所述容错电机系统包括六相永磁容错电机、容错功率驱动器、信号检测电路和容错控制器；所述的六相永磁容错电机包括5对极表贴式永磁体转子组件和12槽定子组件；所述容错功率驱动器由隔离驱动电路和逆变电路组成，其中逆变电路包含六个相互独立的H桥电路，每个H桥电路由第一功率管～第四功率管此四个功率管(T1a、T1b、T2a、T2b)组成；所述信号检测电路由电流传感器、旋转变压器、轴角变换器、信号调理电路和A/D转换电路组成；所述容错控制器包括DSP系统和FPGA系统，DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；DSP系统负责系统的速度环计算、容错控制策略计算、电流Park矢量变换、Park矢量平均值计算、归一化计算，功率管开路故障检测及故障定位；FPGA系统包括电流环控制器、旋变控制模块、A/D采样控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；FPGA系统负责系统的电流环计算、电流A/D采样控制、电机转速和转子位置检测控制及PWM信号生成；
其特征在于，该基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法包括以下步骤：
步骤1：将信号检测电路采集到的六相永磁容错电机A、B、C、D、E、F六相电流IA，IB，IC，ID，IE，IF，进行Park矢量变换，分别得到三个正交子空间
Figure FDA0003004064400000011
下的电流Park矢量
Figure FDA0003004064400000012
其中对永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相反馈电流IA，IB，IC，ID，IE，IF进行Park矢量变换：
Figure FDA0003004064400000021
式中Iα1、Iβ1分别为子空间
Figure FDA0003004064400000022
中电流Park矢量
Figure FDA0003004064400000023
的实部、虚部，Iα2、Iβ2分别为子空间
Figure FDA0003004064400000024
中电流Park矢量
Figure FDA0003004064400000025
的实部、虚部，Iα3、Iβ3分别为子空间
Figure FDA0003004064400000026
中电流Park矢量
Figure FDA0003004064400000027
的实部、虚部；
Figure FDA0003004064400000028
为Park矢量变换的三个正交子空间，三个矢量
Figure FDA0003004064400000029
分别为：
Figure FDA00030040644000000210
其中Imod1为矢量
Figure FDA00030040644000000211
的模值，Imod2为矢量
Figure FDA00030040644000000212
的模值，Imod3为矢量
Figure FDA00030040644000000213
的模值，表达式为：
Figure FDA00030040644000000214
步骤2：计算三个电流Park矢量
Figure FDA00030040644000000215
在一个电流周期内的平均值，分别得到矢量
Figure FDA00030040644000000216
实部平均值
Figure FDA00030040644000000217
虚部平均值
Figure FDA00030040644000000218
模值平均值
Figure FDA00030040644000000219
矢量
Figure FDA00030040644000000220
实部平均值
Figure FDA00030040644000000221
虚部平均值
Figure FDA00030040644000000222
模值平均值
Figure FDA00030040644000000223
矢量
Figure FDA00030040644000000224
实部平均值
Figure FDA00030040644000000225
虚部平均值
Figure FDA00030040644000000226
模值平均值
Figure FDA00030040644000000227
其中在一个电流周期T内，电流Park矢量
Figure FDA0003004064400000031
的实部平均值
Figure FDA0003004064400000032
虚部平均值
Figure FDA0003004064400000033
模值平均值
Figure FDA0003004064400000034
电流Park矢量
Figure FDA0003004064400000035
的实部平均值
Figure FDA0003004064400000036
虚部平均值
Figure FDA0003004064400000037
模值平均值
Figure FDA0003004064400000038
电流Park矢量
Figure FDA0003004064400000039
的实部平均值
Figure FDA00030040644000000310
虚部平均值
Figure FDA00030040644000000311
模值平均值
Figure FDA00030040644000000312
分别为：
Figure FDA00030040644000000313
步骤3：对电流Park矢量平均值进行归一化处理，将矢量
Figure FDA00030040644000000314
模值归一化平均值
Figure FDA00030040644000000315
矢量
Figure FDA00030040644000000316
模值归一化平均值
Figure FDA00030040644000000317
矢量
Figure FDA00030040644000000318
模值归一化平均值
Figure FDA00030040644000000319
作为故障诊断变量，将矢量
Figure FDA00030040644000000320
实部归一化平均值
Figure FDA00030040644000000321
虚部归一化平均值
Figure FDA00030040644000000322
矢量
Figure FDA00030040644000000323
实部归一化平均值
Figure FDA00030040644000000324
虚部归一化平均值
Figure FDA00030040644000000325
以及矢量
Figure FDA00030040644000000326
实部归一化平均值
Figure FDA00030040644000000327
虚部归一化平均值
Figure FDA00030040644000000328
作为故障定位变量；
其中归一化电流幅值表示为：
Figure FDA00030040644000000329
其中TF为故障相产生的制动转矩，表示为：
Figure FDA0003004064400000041
式中Te为电磁转矩，km为峰值反电势系数，x为电角度，SN为正常相绕组集合,SF为故障相绕组集合，电机绕组集合表示为：
SN∪SF＝{A,B,C,D,E,F} (7)
θei为第i相绕组初始电气角度，θej为第j相绕组初始电气角度，六相永磁容错电机初始电气角度的值属于以下集合：
Figure FDA0003004064400000042
归一化处理后，矢量
Figure FDA0003004064400000043
实部归一化平均值
Figure FDA0003004064400000044
虚部归一化平均值
Figure FDA0003004064400000045
模值归一化平均值
Figure FDA0003004064400000046
矢量
Figure FDA0003004064400000047
实部归一化平均值
Figure FDA0003004064400000048
虚部归一化平均值
Figure FDA0003004064400000049
模值归一化平均值
Figure FDA00030040644000000410
矢量
Figure FDA00030040644000000411
实部归一化平均值
Figure FDA00030040644000000412
虚部归一化平均值
Figure FDA00030040644000000413
模值归一化平均值
Figure FDA00030040644000000414
分别为：
Figure FDA0003004064400000051
步骤4：判断故障诊断变量
Figure FDA0003004064400000052
是否至少有两个变量大于设定阈值Ithres，若是，则判定开路故障发生，并转至步骤5进行故障定位，否则判定未发生开路故障，并返回步骤1继续进行监测；
步骤5：记录判定开路故障发生时六个故障定位变量
Figure FDA0003004064400000053
Figure FDA0003004064400000054
的正负极性，查询开路故障功率管定位表，即确定故障功率开关管的位置。
2.根据权利要求1所述的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其特征在于，步骤4中设置的故障阈值Ithres为：
Ithres＝0.8 (10)。
3.根据权利要求1或2所述的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其特征在于：
当电机在正常运行过程时发生单管开路故障后，非故障相电流平均值为零；而故障相电流在半个周期内变为零，根据故障管位于正向桥臂或负向桥臂，其中正向桥臂由T1a与T1b组成，负向桥臂由T2a与T2b组成，故障相电流在一个周期T内的积分表示为：
Figure FDA0003004064400000061
式中i∈SF，SF为故障相绕组集合，ωe为电角速度；
当电机在开路故障容错或短路故障运行时，若发生了二次功率管开路故障，非故障相电流的平均值仍保持为零；根据故障管位于正向桥臂或负向桥臂，故障相电流在一个周期内的积分表示为：
Figure FDA0003004064400000062
式中j∈SF1，SF1为一次开路故障相绕组集合，k∈SF2，SF2为二次开路故障相绕组集合；
对于采用六相H全桥驱动架构的永磁容错电机系统，根据不同故障相之间的排列组合，有12种单管开路故障，60种双管开路故障，步骤5中所述的开路故障功率管定位表为：
Figure FDA0003004064400000063
Figure FDA0003004064400000071
Figure FDA0003004064400000081
4.根据权利要求1或2所述的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其特征在于，所述永磁容错电机处于正常运行，开路故障容错运行及短路故障容错运行的工况。
5.根据权利要求1或2所述的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其特征在于，该诊断方法既可以检测定位单管开路故障，也可以检测定位双管同时开路故障。
6.根据权利要求1或2所述的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其特征在于，所述的DSP系统采用浮点型高速DSP为TMS320F28335,采用高性能的静态CMOS技术，指令周期为6.67ns，主频达150MHz，拥有一个单精度浮点运算单元，最多支持18通道PWM输出，支持CAN、UART、SPI和I2C通讯接口。
7.根据权利要求1或2所述的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其特征在于，所述FPGA系统由FPGA芯片及其外围电路组成，所述FPGA芯片采用EP2C35F484,主频高达100MHz，具有33216个逻辑单元，片内集成了35个乘法器，可提供最多332个可用I/O端口，并且支持多种电平标准，工作时钟频率最高可达400MHZ。
8.根据权利要求1或2所述的基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其特征在于，所述的容错功率驱动器中的MOSFET器件采用IXTP90N075T2，最大电压电流分别可达75V和90A，导通电阻10mΩ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113395034B (zh) * 2021-06-23 2022-11-22 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 一种五相电机容错控制归一化方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101867343A (zh) * 2010-07-05 2010-10-20 南京大桥机器有限公司 交流永磁同步电机伺服系统
CN105158627A (zh) * 2015-08-25 2015-12-16 南京航空航天大学 双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法
CN107957527A (zh) * 2017-12-07 2018-04-24 哈尔滨工业大学 一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法
CN109870639A (zh) * 2019-03-04 2019-06-11 合肥工业大学 一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106208871B (zh) * 2016-07-26 2018-12-14 江苏大学 五相永磁体内嵌式容错直线电机不相邻两相短路容错矢量控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101867343A (zh) * 2010-07-05 2010-10-20 南京大桥机器有限公司 交流永磁同步电机伺服系统
CN105158627A (zh) * 2015-08-25 2015-12-16 南京航空航天大学 双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法
CN107957527A (zh) * 2017-12-07 2018-04-24 哈尔滨工业大学 一种基于单电流传感器技术的逆变器功率管故障诊断方法
CN109870639A (zh) * 2019-03-04 2019-06-11 合肥工业大学 一种开绕组电驱动变流系统开关管开路故障诊断方法

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