CN111830435A - 一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，通过对六相电流进行Park矢量变换得到两个正交子空间下的电流矢量，并计算一个周期内的电流矢量平均值，通过判断电流矢量模值平均值是否超过故障阈值实现功率管的开路故障检测，根据电流矢量实部、虚部平均值的正负极性实现故障功率管的定位。该方法无需增加额外的硬件设备，零序正交子空间电流矢量的利用保证了故障诊断方法对转速、负载突变的强鲁棒性，故障定位仅需根据定位变量的正负极性有效简化了运算，该方法能够同时实现永磁容错电机系统在正常、开路/短路故障容错运行时的功率管开路故障诊断，显著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。

Description

一种六相永磁容错电机系统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六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法。

背景技术

随着电力电子技术、自动控制技术和新永磁材料等技术的发展，永磁同步电机迅速发展，在航空航天、交通运输等领域得到了广泛的应用。然而传统三相永磁同步电机在电机出现故障后性能会急剧下降，从而造成重大事故。多相永磁容错电机以其高功率密度、高效率、高可靠性等优点在高可靠性应用领域具有广阔应用前景。多相永磁容错电机虽然具有故障容错能力，但故障发生后电机会处于正常运行状态。在故障发生后如果不能及时准确的检测故障，可能会导致电机进一步损坏甚至给整个系统带来更严重的危害。因此，故障诊断成为了多相永磁容错电机控制系统的关键环节之一。

永磁容错电机系统故障主要包括电机本体故障、逆变器故障以及传感器故障。其中逆变器故障是电机系统中最频繁发生的故障，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。其中功率开关管短路故障发生时间极短，难以通过软件方法检测，目前多通过硬件电路对功率开关管实现短路过流保护。功率开关管开路故障发生后电机往往可以继续运行，但如果不及时处理，可能会导致其它器件出现二次故障，最终引发更大的事故。

功率开关管的开路诊断方法主要包括基于模型的故障诊断法、智能诊断法以及信号检测法。基于模型的故障诊断法虽然具有检测时间短、无需额外硬件等优点，但该方法的性能高度依赖模型的精确性并且受电机参数变化影响较大。智能诊断法由于计算量大且复杂，因此难以集成到控制器中进行实时检测。基于信号检测的方法根据所测变量可以分为电压检测法及电流检测法。电压检测法由于需要额外的电压传感器，因此增加了系统的成本和复杂程度。电流检测法不仅无需增加额外的传感器设备，也与电机系统参数无关，因此电流检测法在电机故障检测领域有广泛的应用，其中包括电流Park矢量法、电流斜率法和单电流传感器法等。

然而目前提出的开路故障诊断方法大部分均是针对传统三相电机系统，虽然有少量针对多相永磁容错电机系统开路故障诊断的相关研究，但均是针对电机正常运行且各相绕组为正弦对称电流情况下的开路故障诊断。永磁容错电机在一次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，此时若发生二次功率开关管开路故障，传统的诊断方法无法实现容错运行时的故障诊断。因此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，实现多相永磁容错电机在正常运行以及开路/短路容错运行时的功率管开路故障诊断仍然是亟待解决的问题。

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六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，能够在不额外增加硬件电路情况下，避免转速突变或负载突变引起的误诊断，快速可靠的检测定位电机系统在正常运行及开路/短路容错运行时的功率管开路故障。

本发明提出的一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，该六相永磁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、DSP系统和FPGA系统；所述的六相永磁容错电机包括定子组件、转子组件、转轴、轴承、机壳、前后端盖和位置传感器，定子组件的六相绕组采用隔齿嵌放、分数槽集中单层绕组结构，转子组件的永磁体为十极表贴式结构；所述容错功率驱动器为六个相互独立的H桥逆变电路，每个H桥逆变电路包含四个功率管，每个H桥逆变电路对永磁容错电机的六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；其中，电流传感器检测永磁容错电机每相绕组的相电流，并以电压信号形式输出，再经过信号调理电路进行电平信号转换，输入到A/D转换电路，模拟信号被转换为数字信号并送入所述FPGA系统；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，从而满足轴角变换器的输入电压范围，还负责将轴角变换器产生的激磁信号功率放大，从而满足旋转变压器输入功率范围；轴角变换器负责产生激磁信号并送入信号调理电路，还负责将旋转变压器经信号调理电路转换后的电压信号进行解调和计算，从而得到位置和速度的数字信号，最终送入所述FPGA系统；

所述DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；其中，速度环控制器负责系统的速度环控制策略计算；容错控制器负责容错控制策略计算；故障诊断模块负责电流Park矢量变换、电流Park矢量平均值计算、开路故障检测以及故障定位；

所述FPGA系统包括电流环控制器、电流A/D采样控制模块、旋变控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；其中电流环控制器负责系统的电流环控制策略计算；电流A/D采样控制模块负责控制电流采样；旋变控制模块负责控制位置及速度采样；PWM生成模块负责PWM控制信号的输出；数据传输模块负责实现FPGA与DSP之间的并行通讯；

该六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法包括以下步骤：

步骤一：通过信号检测电路采集六相永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相电流，进行Park矢量变换，得到两个正交子空间下的电流Park矢量

其中，对A、B、C、D、E、F六相电流进行Park矢量变换，变换公式为：

式中I_A，I_B，I_C，I_D，I_E，I_F分别表示永磁容错电机A、B、C、D、E、F六相电流，I_α1，I_β1分别为子空间

中电流Park矢量

的实部、虚部，I_α2，I_β2分别为子空间

中电流Park矢量

的实部、虚部。两个正交子空间的电流Park矢量

分别为：

式中I_mod1为矢量

的模值，I_mod2为矢量

的模值。

步骤二：计算两个电流Park矢量

的实部、虚部及模值在一个电流周期内的平均值，将电流矢量

的模值平均值

与电流矢量

的模值平均值

作为故障诊断变量，将电流矢量

的实部平均值

虚部平均值

以及电流矢量

的实部平均值

虚部平均值

作为故障定位变量；

其中，在一个电流周期T内，电流Park矢量

的实部平均值

虚部平均值

电流Park矢量

的实部平均值

虚部平均值

分别为：

矢量

的模值平均值

矢量

的模值平均值

分别为：

步骤三：判断故障诊断变量

是否均大于设定阈值

若是，则判定开路故障发生，并转至步骤四进行故障定位；否则判定开路故障未发生，转至步骤一继续进行故障监测；

其中，设置的故障阈值I_thres表达式为：

其中故障相制动转矩T_F可表示为：

式中T_e为电磁转矩，k_m为峰值反电势系数，ω_e为电角速度，S_N为正常相绕组集合，S_F为故障相绕组集合，电机绕组集合表示为：

S_N∪S_F＝{A，B，C，D，E，F} (7)

θ_ei为第i相绕组初始电气角度，θ_ej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：

步骤四：记录故障诊断变量

均超过阈值时四个故障定位变量

的正负极性，查询开路故障功率管定位表，即可确定故障功率管的位置。

所述步骤四中，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S₁与S₄组成，负向桥臂由S₂与S₃组成，故障相电流在一个周期T内的积分可以表示为：

式中i∈S_F，S_F为故障相绕组集合，ω_e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可以表示为：

式中j∈S_F1，S_F1为一次开路故障相绕组集合，k∈S_F2，S_F2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，共计12种单管开路故障，步骤四中所述的开路故障功率管定位表为：

本发明的有益技术效果在于：

1)、本发明提出的六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法仅需利用控制系统原有的相电流检测信息，无需在驱动控制器中额外增加硬件设备，简化了系统复杂程度。

2)、本发明提出的六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法采用六相电机两个正交子空间中平均电流Park矢量模值同时作为故障诊断变量，避免了在转速突变、负载突变时产生误诊断，具有较强的鲁棒性。

3)、本发明提出的六相永磁容错电机系统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。

4)、本发明提出的六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法不仅能在永磁容错电机正常运行时实现功率管的开路故障诊断，而且能在永磁容错电机开路、短路故障容错运行时实现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整体结构组成示意图。

图2为本发明中DSP系统和FPGA系统的功能分配示意图。

图3为本发明中六相H桥架构容错功率驱动电路的结构示意图。

图4位本发明中DSP系统中故障诊断模块组成框图。

图5为本发明提供的一种六相永磁容错电机系统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

本发明提供的一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，为了更为具体地描述本发明，下面结合附图1-5详细说明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整体结构组成示意图，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定子组件、转子组件、转轴、轴承、机壳、前后端盖和位置传感器，定子组件的六相绕组采用隔齿嵌放、分数槽集中单层绕组结构，转子组件的永磁体为十极表贴式结构。

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，所述的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。隔离驱动电路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信号进行功率放大。H桥逆变电路对永磁容错电机的六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；其中，电流传感器检测永磁容错电机每相绕组的相电流，并以电压信号形式输出，再经过信号调理电路进行电平信号转换，输入到A/D转换电路，模拟信号被转换为数字信号并送入所述FPGA系统，选用LEM公司的电压型霍尔电流传感器LTS 15-NP，响应速度快，精度高，抗干扰能力强，线性度好，温度漂移影响小；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，从而满足轴角变换器的输入电压范围，还负责将轴角变换器产生的激磁信号功率放大，从而满足旋转变压器输入功率范围，旋转变压器选用日本多摩川公司的内置无刷型旋变TS2620N21F11，其电气误差最大为±10弧分，最大转速测量范围为0～10000r/min，其结构简单、体积较小，且具有较高的精度；轴角变换器负责产生激磁信号并送入信号调理电路，还负责将旋转变压器经信号调理电路转换后的电压信号进行解调和计算，从而得到位置和速度的数字信号，最终送入所述FPGA系统，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，转换精度为±2.5′，最大跟踪速率为187500rpm。信号调理电路由运算放大器和电阻、电容组成，作用是对电流传感器得到的信号进行滤波和电平转换处理。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发出的速度指令完成速度环控制的计算，得到电磁转矩的给定指令；同时根据采集的六相电流反馈值，经故障诊断模块实时检测功率管开路故障，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，通过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；然后根据电流的给定指令和电流反馈值，完成电流环控制的计算，求解出各相给定电压；最后根据各相给定电压及电机故障状态通过PWM生成模块输出PWM控制信号。PWM控制信号经隔离驱动电路进行功率放大后发送至六相容错功率驱动器，控制功率管的开通和关断，进而完成对六相永磁容错电机的控制，实现系统在故障后电机电磁转矩的平稳输出，保证系统的可靠运行。

图2所示为本发明中DSP系统和FPGA系统的功能分配示意图。

所述DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；其中，速度环控制器根据上位机的速度指令和FPGA输入的转速反馈值，进行系统的速度环控制策略计算；故障诊断模块根据FPGA输入的六相电流反馈值，通过故障诊断模块检测功率开关管开路故障，获取系统的实时故障状态。容错控制器根据电磁转矩给定值和FPGA输入的转子位置信息以及实时故障状态，完成容错控制策略的计算，得到电机非故障绕组的电流给定值，并将该指令传送至FPGA。DSP系统选用高性能32位浮点DSP TMS320F28335，主频150MHz，具有一个单精度浮点运算单元，256K×16FLASH，34K×16SARAM，8K×16启动ROM。

所述FPGA系统包括电流环控制器、电流A/D采样控制模块、旋变控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；其中电流环控制器根据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；电流A/D采样控制模块负责控制电流采样；旋变控制模块负责控制电机位置及速度采样；PWM生成模块根据各相给定电压及电机故障状态输出六相功率开关管的PWM控制信号；数据传输模块负责实现FPGA与DSP之间的并行通讯。FPGA芯片选用美国ALTERA公司Cyclone II系列FPGA EP2C35F484，主频高达100MHz，具有33216个逻辑单元，35个乘法器，322个可配置I/O引脚。

如图3所示，所述的六相H桥架构容错功率驱动器由六个H桥结构的驱动电路组成，六相永磁容错电机的每一相绕组由一个H桥驱动电路独立驱动供电，每个H桥逆变电路包含四个功率开关管。图3中绕组A、B、C、D、E、F为永磁容错电机的六相独立绕组，S₁、S₂、S₃、S₄为容错电机A相绕组对应的H桥逆变电路中的功率开关管。其中功率器件采用美国IXYS公司的N沟道增强型MOSFET IXTP90N075T2，耐压75V，最大电流90A，导通电阻小于10mΩ，具有体积小、损耗低、功率密度高等优点。栅极隔离驱动芯片选用了ADI公司的隔离式高精度半桥驱动器ADuM7234，采用磁隔离技术进行高、低压侧的隔离，隔离性能好，高频运行最高至1MHz，抗干扰能力强，耐温高，体积小。

图4所示为本发明中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、开路故障检测模块和故障定位模块。Park矢量变换模块对采样得到的六相电流I_A，I_B，I_C，I_D，I_E，I_F进行Park矢量变换，输出两个正交子空间中的电流Park矢量

Park矢量平均值计算模块对电流Park矢量

进行一个电流周期内的平均值计算，输出电流Park矢量

的实部平均值

虚部平均值

模值平均值

电流Park矢量

的实部平均值

虚部平均值

模值平均值

开路故障检测模块通过比较变量

与阈值I_thres，输出故障发生信号；故障定位模块根据故障发生信号、

的正负极性和故障定位表，输出故障诊断结果。

图5所示为本发明提供的一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

S1：六相电流Park矢量变换。

将采样所得六相永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相电流I_A，I_B，I_C，I_D，I_E，I_F进行Park矢量变换：

得到两个正交子空间下的电流Park矢量

分别为：

S2：Park矢量平均值计算。

计算两个电流Park矢量

在一个周期T内的平均值，电流Park矢量

的实部平均值

虚部平均值

电流Park矢量

的实部平均值

虚部平均值

分别为：

电流Park矢量

的模值平均值

的模值平均值

分别为：

且

与

为故障诊断变量，

为故障定位变量。

S3：判断故障诊断变量

是否均大于设定阈值I_thres。

若

与

均大于设定阈值I_thres，则判定开路故障发生，并转至S4进行故障定位；否则判定开路故障未发生，转至S1继续进行故障监测；

S4：查询开路故障功率管定位表，确定故障功率开关管的位置。

记录故障诊断变量

均超过阈值时四个故障定位变量

的正负极性，查询开路故障功率管定位表，确定故障功率开关管的位置。例如当检测到

时，表示电机B相H桥逆变电路的S₁功率管或S₄功率管出现了开路故障。六相永磁容错电机系统对应12种单管开路故障定位表为：

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 (3)

1.一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，其中，六相永磁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、DSP系统和FPGA系统；

所述的六相永磁容错电机包括定子组件、转子组件、转轴、轴承、机壳、前后端盖和位置传感器,定子组件的六相绕组采用隔齿嵌放、分数槽集中单层绕组结构，转子组件的永磁体为十极表贴式结构；

所述容错功率驱动器为六个相互独立的H桥逆变电路，每个H桥逆变电路包含四个功率开关管，每个H桥逆变电路对永磁容错电机的六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；其中，电流传感器检测永磁容错电机每相绕组的相电流，并以电压信号形式输出，再经过信号调理电路进行电平信号转换，输入到A/D转换电路，模拟信号被转换为数字信号并送入所述FPGA系统；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，从而满足轴角变换器的输入电压范围，还负责将轴角变换器产生的激磁信号功率放大，从而满足旋转变压器输入功率范围；轴角变换器负责产生激磁信号并送入信号调理电路，还负责将旋转变压器经信号调理电路转换后的电压信号进行解调和计算，从而得到位置和速度的数字信号，最终送入所述FPGA系统；

所述DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；其中，速度环控制器负责系统的速度环控制策略计算；容错控制器负责容错控制策略计算；故障诊断模块负责电流Park矢量变换、电流Park矢量平均值计算、开路故障检测以及故障定位；

所述FPGA系统包括电流环控制器、电流A/D采样控制模块、旋变控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；其中电流环控制器负责系统的电流环控制策略计算；电流A/D采样控制模块负责控制电流采样；旋变控制模块负责控制位置及速度采样；PWM生成模块负责PWM控制信号的输出；数据传输模块负责实现FPGA与DSP之间的并行通讯；

其特征在于，该六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法包括以下步骤：

步骤一：通过信号检测电路采集六相永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相电流，进行Park矢量变换，得到两个正交子空间下的电流Park矢量

其中，对A、B、C、D、E、F六相电流进行Park矢量变换，变换公式为：

式中I_A，I_B，I_C，I_D，I_E，I_F分别表示永磁容错电机A、B、C、D、E、F六相电流，I_α1，I_β1分别为子空间

中电流Park矢量

的实部、虚部，I_α2，I_β2分别为子空间

中电流Park矢量

的实部、虚部；两个正交子空间的电流Park矢量

分别为：

式中I_mod1为矢量

的模值，I_mod2为矢量

的模值；

步骤二：计算两个电流Park矢量

的实部、虚部及模值在一个电流周期内的平均值，将电流矢量

的模值平均值

与电流矢量

的模值平均值

作为故障诊断变量，将电流矢量

的实部平均值

虚部平均值

以及电流矢量

的实部平均值

虚部平均值

作为故障定位变量；

其中在一个电流周期T内，电流Park矢量

的实部平均值

虚部平均值

电流Park矢量

的实部平均值

虚部平均值

分别为：

矢量

的模值平均值

矢量

的模值平均值

分别为：

步骤三：判断故障诊断变量

是否均大于设定阈值I_thres，若是，则判定开路故障发生，并转至步骤四进行故障定位；否则判定开路故障未发生，转至步骤一继续进行故障监测；

其中设置的故障阈值I_thres表达式为：

其中故障相制动转矩T_F可表示为：

式中T_e为电磁转矩，k_m为峰值反电势系数，ω_e为电角速度，S_N为正常相绕组集合，S_F为故障相绕组集合，电机绕组集合表示为：

S_N∪S_F＝{A，B，C，D，E，F}#(7)

θ_ei为第i相绕组初始电气角度，θ_ej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：

步骤四：记录故障诊断变量

均超过阈值时四个故障定位变量

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。

2.根据权利要求1所述的六相永磁容错电机系统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，其中正向桥臂由第一功率管S₁与第四功率管S₄组成，负向桥臂由第二功率管S₂与第三功率管S₃组成，故障相电流在一个周期T内的积分可以表示为：

式中i∈S_F，S_F为故障相绕组集合，ω_e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可以表示为：

式中j∈S_F1，S_F1为一次开路故障相绕组集合，k∈S_F2，S_F2为二次开路故障相绕组集合。

3.根据权利要求1、2所述的六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，其特征在于，对于采用六相H全桥驱动架构的永磁容错电机系统，共计12种单管开路故障，步骤四中所述的开路故障功率管定位表为：

。

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