CN111856275A - 适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法 - Google Patents

适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法，在参考坐标系下分别基于基波电流和谐波电流两组构造了故障诊断变量，通过对各类开路故障下所构造变量的故障特征分析，设计了滑动平均等辅助计算，从而定义了故障指数。针对故障指数在开路故障下的特征值表现，设计了一种特征值检测与计数法相结合的阈值判定方法。最后，设计了一组故障诊断标志，通过核对诊断标志的值，结合故障诊断表可得到多相电机驱动器多重开路故障诊断结果。本发明能够检测出驱动器多重开关管开路故障；具有强鲁棒特性，即使在突变负载或突变转速条件下也不会产生误报警信号；所有计算均不涉及非线性运算，兼容于处理能力不高的低端数字处理器，对处理器运算能力要求不高。

Description

适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及电机驱动技术领域，尤其涉及一种适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法。
背景技术
随着功率变换技术的不断发展，电机系统的相数由传统三相系统进一步拓展到多相系统。相较于三相系统，多相系统在低压大功率领域的突出表现使其在航空航天、舰船推进以及高速动车组电力牵引系统等多个重要场合被应用。但是，无论是三相系统还是多相系统，均具有电力电子产品存在的脆弱性短板，具体表征在某一部件的损坏会使整个系统性能急剧下降甚至无法工作。因此，在现代电机驱动器设计时，容错能力往往会成为一项重要指标。而除了基于智能算法的被动容错策略，所有的主动容错策略均需要对应的故障诊断策略以产生故障切换信号，将电机由故障运行状态转换到容错运行状态。
对于驱动器开关管开路故障，诊断方法主要由三类：基于信号分析类、基于模型分析类以及基于数据库分析类。基于数据库分析类需要大量的数据样本和复杂的数据分析能力，不适用于工业化嵌入式产品。基于模型分析类对控制对象的具体参数十分敏感，且计算量往往很大，对处理器运算能力有一定要求。而对于多相电机驱动器而言，基于信号分析的开路故障诊断算法大多由三相电机驱动器故障诊断算法扩展而来，处理变量变多，计算变复杂，且效果不再明显。此外，由于多相电机驱动器相数增多，出现的开路故障种类变多。因此，多重开路故障在线诊断问题有待解决与优化。
发明内容
技术问题：
本发明要解决的技术问题是多相电机驱动器多重开路故障检测与定位。
技术方案：
为解决上述技术问题，本发明公开了一种适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法：重新定义一组诊断变量描述多相电机中基波与谐波电流关系，并基于所定义诊断指数在开关管开路故障状态下的特征值，设定了特征值检测与计数法相结合的判定方法，从而实现在线实时多重开路故障诊断。
该方法具体包括电流采样与坐标变换、故障诊断变量定义、诊断指数定义、阈值判定方法和故障标志定义，其具体实现步骤如下：
步骤1)诊断变量计算
采样得到电机相电流信号，并对其进行坐标变换得到静止参考坐标系下基波电流(iα1,iβ1)与谐波电流(iα3,iβ3,…,iαk,iβk)：
Figure BDA0002570742070000021
其中，a,b,…,n表示电机相，N为电机相数，δ＝2π/N为相角差，k＝N-2，ia,ib,…,in为电机相电流信号。
分别定义基波诊断变量和谐波诊断变量，其中基波诊断变量为上式中静止参考坐标系下基波电流的线性组合，谐波诊断变量为上式中所有谐波电流的线性组合。两个线性组合系数为上式逆变换中对应变量的系数。
a,b,…,n相的基波诊断变量为：
Figure BDA0002570742070000022
a,b,…,n相的谐波诊断变量为：
Figure BDA0002570742070000023
其中，
Figure BDA0002570742070000024
Figure BDA0002570742070000031
步骤2)诊断变量预处理及诊断指数定义
先对基波诊断变量进行取绝对值，再进行滑动平均值计算，得到t相的
Figure BDA0002570742070000032
对谐波诊断变量进行滑动平均值计算，得到t相的
Figure BDA0002570742070000033
t＝a,b,…,n。Tσ为滑动平均周期，该参数的值与基波相电流周期成比例，可根据实际应用情况调节。
将经过预处理后的谐波诊断变量与预处理后的基波诊断变量的比值定义为故障诊断指数：
t相的故障诊断指数
Figure BDA0002570742070000034
步骤3)特征值判定
上述故障诊断指数同时考虑了基波电流和谐波电流，基于坐标逆变换，分别构建基波电流有关的基波诊断变量和谐波电流有关的谐波诊断变量来描述多相电机驱动器基波电流与谐波电流之间的关系。据此定义故障诊断指数使其在开关管发生开路故障时等于特征值±1。
在上述故障诊断指数定义下，当开关管发生开路故障时，故障诊断指数将会等于特征值(上管故障时，等于-1；下管故障时等于+1)。当某相故障诊断指数等于特征值则该相对应计数器加一，否则计数器清零。当计数值超过计数器阈值时，该相对应的开关管标志位(上开关管标志位Fu-t,下开关管标志位Fl-t)加1，否则保持不变。
计数器阈值采用标幺化设计：thrc＝c0*n0/n,其中c0为额定转速下的计数器阈值，n0为额定转速，n为实时转速。该定义下，计数器阈值可根据电机转速不同变化。
步骤4)，定义相故障标志变量Ft＝Fu-t+2*Fl-t，依据以下规则得到故障诊断结果；
当Fu-t与Fl-t均等于0时，则Fn等于0，其表征t相健康；
当Fu-t为1、而Fl-t等于0时，则Fn等于1，其表征t相上开关管发生开路故障；
当Fu-t为0、而Fl-t等于1时，则Fn等于2，其表征t相下开关管发生开路故障；
当Fu-t为1、并且Fl-t等于1时，则Fn等于3，其表征t相上开关管与下开关管均发生开路故障。
步骤5)，重复步骤1)至步骤4)，实现在线多相电机驱动器多重开路故障诊断。
进一步，所述多相电机为任意一种相数为奇数的多相电机。
进一步，所述电机驱动器在健康状态下的控制策略可以为矢量控制或直接转矩控制策略在内的任意一种控制策略。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明中定义的故障诊断指下，当驱动器处在健康状态下，谐波电流被约束为零，基波电流不为零，因此，健康状态下故障指数始终近似为零，即使在负载突变或是转速突变状态下，都不会产生误报警，拥有很强的鲁棒特性；
2、本发明的故障标志变量与驱动器相数(电机相数)相对应，相与相之间故障状态下的特征值相互不影响，因此，多重开路故障诊断结果由模块化核对各个相故障标志变量结果综合给出，十分简单，便于扩展至更多相数驱动器中应用；
3、本发明所有计算均不涉及非线性运算。在一个循环周期内，大多为加减运算，仅含有少量的乘除运算。可应用于数据处理能力不高的处理器；
4、本发明中涉及的计数器阈值设定为标幺化设计，可根据实时转速实时相应变化，适用于变频场合应用。
附图说明
图1是本发明的应用拓扑图；
图2是本发明的多重开路故障诊断算法流程图；
图3是本发明的不同故障基下基波诊断变量和谐波诊断变量变化图，其中，(a)是上开关管故障下基波诊断变量与谐波诊断变量变换图；(b)是下开关管故障下基波诊断变量与谐波诊断变量变换图，(c)是上开关管与下开关管同时故障下基波诊断变量与谐波诊断变量变换图；
图4是本发明的计数器阈值设定示意图；
图5是本发明的实验例开路故障测试结果图，其中，(a)是单管故障(A相下管)的实验波形；(b)是同相双管(A相上管和下管)的实验波形，(c)是不同相双管故障(A相上管和B相上管)的实验波形，(d)是三管故障(A相上管和C相上管和下管)的实验波形，(e)是四管故障(A相上管和下管以及C相上管和下管)的实验波形；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明适用于多相电机驱动器开路故障诊断，以驱动器同一相上下开关管为一单元基，综合各相诊断结果得到驱动器多重开路故障在线实时诊断结果。通过电流传感器采集驱动器相电流，采集结果经过坐标变换得到静止参考坐标系下基波电流与各频率段的谐波电流。将基波电流与谐波电流输入故障诊断算法，得到故障诊断报告。根据诊断报告切除故障相从而使电机转换到容错运行状态运行。
如图2所示，本发明公开了一种适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法：重新定义一组诊断变量描述多相电机中基波与谐波电流关系，并基于所定义诊断指数在开关管开路故障状态下的特征值，设定了特征值检测与计数法相结合的判定方法，从而实现在线实时多重开路故障诊断。
该方法具体包括电流采样与坐标变换、故障诊断变量定义、诊断指数定义、阈值判定方法和故障标志定义，其具体实现步骤如下(以五相电机为例)：
步骤1)诊断变量计算
采样得到电机相电流信号(it,t＝a,b,c,d,e)，并对其进行坐标变换得到静止参考坐标系下基波电流(iα1,iβ1)与谐波电流(iα3,iβ3,iα5,iβ5…)：其中δ＝2π/5为相角差,k＝5-2＝3。
Figure BDA0002570742070000051
分别定义基波诊断变量和谐波诊断变量，其中基波诊断变量为上式中静止参考坐标系下基波电流的线性组合，谐波诊断变量为上式中所有谐波电流的线性组合。组合系数为上式逆变换中对应变量的系数：
Figure BDA0002570742070000052
a,b,c,d,e相的谐波诊断变量为：
Figure BDA0002570742070000053
a,b,c,d,e相的谐波诊断变量为：
Figure BDA0002570742070000061
步骤2)诊断变量预处理及诊断指数定义
先对基波诊断变量进行取绝对值，再进行滑动平均值计算，得到t相的
Figure BDA0002570742070000062
对谐波诊断变量进行滑动平均值计算，得到t相的
Figure BDA0002570742070000063
t＝a,b,…,n。Tσ为滑动平均周期，该参数的值与基波相电流周期成比例，可根据实际应用情况调节。
将经过预处理后的谐波诊断变量与预处理后的基波诊断变量的比值定义为故障诊断指数：
t相的故障诊断指数
Figure BDA0002570742070000064
步骤3)特征值判定
在上述故障诊断指数定义下，当开关管发生开路故障时，故障诊断指数将会等于特征值(上管故障时，等于-1；下管故障时等于+1)。当某相故障诊断指数等于特征值则该相对应计数器加一，否则计数器清零。当计数值超过计数器阈值时，该相对应的开关管标志位(上开关管标志位Fu-t,下开关管标志位Fl-t)加1，否则保持不变。
计数器阈值采用标幺化设计：thrc＝c0*n0/n,其中c0为额定转速下的计数器阈值，n0为额定转速，n为实时转速。该定义下，计数器阈值可根据电机转速不同变化。
步骤4)，定义相故障标志变量为Ft＝Fu-t+2*Fl-t。
检查相故障标志变量的值与查询如表1所示的故障诊断表得到故障诊断结果。
表1故障诊断表
Figure BDA0002570742070000065
Figure BDA0002570742070000071
步骤5)，重复步骤1)至步骤4)，实现在线多相电机驱动器多重开路故障诊断。
图3显示了故障基下基波诊断变量与谐波诊断变量变换图。对于同一相上下开关管来说，下开关管故障时相电流仅含有正半周。当相电流为零时，基波诊断变量与谐波诊断变量互为相反数，且谐波诊断变量为正值，如图3中(a)所示；上开关管故障时相电流仅含有负半周。当相电流为零时，基波诊断变量与谐波诊断变量互为相反数，且谐波诊断变量为负值，如图3中(b)所示；当上下开关管均故障时，诊断变量表现为上管故障与下管故障的叠加，如图3中(c)所示。
图4显示了计数器阈值设定示意图。计数器阈值设定为标幺化设计,其中c0为额定转速下的计数器阈值，n0为额定转速，nr为实时转速。在该种标幺化定义下，计数器阈值可根据实时转速实时上下移动，保证不同转速下阈值判定都能有效工作，适用于变频场合应用。
图5显示了本发明在五相电机驱动器多重开关管故障诊断的应用实验例。其中(a)为单管故障(A相下管)的实验波形；(b)为同相双管(A相上管和下管)的实验波形；(c)为不同相双管故障(A相上管和B相上管)的实验波形；(d)为三管故障(A相上管和C相上管和下管)的实验波形；(e)为四管故障(A相上管和下管以及C相上管和下管)的实验波形；此外，(d)中实验数据来自于20％额定转速测试结果，验证了本发明在低转速条件下的有效性；(e)中实验数据来自于20％额定负载转矩测试结果，验证了本发明在轻载条件下的有效性。
以上只是对本发明的优选实施方式进行了描述。对该技术领域的普通技术人员来说，根据以上实施方式可以很容易地联想到其它的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述实施方式，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员在本发明技术的方案范围内进行的通常变化和替换，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法，其特征在于，具体实现步骤如下：
步骤1)采样得到电机相电流信号，并对其进行坐标变换得到静止参考坐标系下基波电流(iα1,iβ1)与谐波电流(iα3,iβ3,…,iαk,iβk)：
Figure FDA0002570742060000011
其中，a,b,…,n表示电机相，N为电机相数，δ＝2π/N为相角差，k＝N-2，ia,ib,…,in为电机相电流信号；
a,b,…,n相的基波诊断变量为：
Figure FDA0002570742060000012
a,b,…,n相的谐波诊断变量为：
Figure FDA0002570742060000013
其中，
Figure FDA0002570742060000014
步骤2)先对基波诊断变量进行取绝对值，再进行滑动平均值计算，得到t相的
Figure FDA0002570742060000015
对谐波诊断变量进行滑动平均值计算，得到t相的
Figure FDA0002570742060000016
t相的故障诊断指数
Figure FDA0002570742060000017
Tσ为滑动平均周期，t＝a,b,…,n；
步骤3)若某相的故障诊断指数等于特征值，则该相对应的计数器加1，否则该相对应的计数器清零；当计数器的计数值超过计数器阈值时，该相对应的开关管标志位加1，否则该相对应的开关管标志位保持不变；其中，某相的上开关管故障时特征值等于-1，下开关管故障时特征值等于+1；开关管标志位包括上开关管标志位Fu-t和下开关管标志位Fl-t；
步骤4)，根据相故障标志变量Ft＝Fu-t+2*Fl-t，依据以下规则得到故障诊断结果；
当Fu-t与Fl-t均等于0时，则Fn等于0，其表征t相健康；
当Fu-t为1、而Fl-t等于0时，则Fn等于1，其表征t相上开关管发生开路故障；
当Fu-t为0、而Fl-t等于1时，则Fn等于2，其表征t相下开关管发生开路故障；
当Fu-t为1、并且Fl-t等于1时，则Fn等于3，其表征t相上开关管与下开关管均发生开路故障；
步骤5)，重复步骤1)至步骤4)，实现多相电机驱动器的多重开路故障诊断。
2.根据权利要求1所述的适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法，其特征在于：所述多相电机为任意一种相数为奇数的多相电机。
3.根据权利要求1所述的适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法，其特征在于：所述驱动器健康状态下的控制策略包括直接转矩控制和矢量控制。
4.根据权利要求1所述的适用于多相电机驱动器的多重开路故障诊断方法，其特征在于：计数器阈值采用标幺化设计：thrc＝c0*n0/nr，其中c0为额定转速下的计数器阈值，n0为额定转速，nr为实时转速。
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Application publication date: 20201030

Assignee: JIANGSU LEILI MOTOR Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2023980036428

Denomination of invention: A Multiple Open Circuit Fault Diagnosis Method for Multiphase Motor Drivers

Granted publication date: 20210528

License type: Exclusive License

Record date: 20230609