CN111983451A - 一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法 - Google Patents

一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法。首先，采样无刷直流电机霍尔传感器信号H A 、H B 和H C ，利用工作区间判断器计算得到工作区间信号S n ；然后，采样无刷直流电机的a相电流值，进行系统运行状态的监测，根据a相采集的电流大小，产生故障标志信号F n ；最后，根据故障标志信号状态，判断逆变器是否发生开路故障，并得到故障开关管的位置信息，实现准确定位。本方法实现了无刷直流电机逆变器开路故障的在线诊断，以便于在搅拌器控制电路中逆变器发生开路故障时及时做出应对措施，进而降低无刷直流电机系统因逆变器开路故障而造成的损失。

Description

一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法，可应用于逆变器故障诊断。
背景技术
小型搅拌器具有重量轻、体积小、省力、高效率、多功能、携带方便、适应性强等特点，其核心是一种带有多片交互式搅拌叶的搅拌头以实现了三维高速立体搅拌。而无刷直流电机在结构上采用电子换相代替了传统有刷电机的电刷和换向器，具有结构简单，调速性能优越，功率密度高等优势，所以将其应用于搅拌器中，实现正反向搅拌，高低速搅拌等功能。由于电力电子器件的脆弱性及其控制的复杂性，逆变器是整个无刷直流电机控制系统中易发生故障的薄弱环节。电机运行时功率管开路故障将增加其他器件的使用压力，容易造成二次故障的发生。因此必须采取措施，及时诊断故障发生处，为容错控制及故障的排除提供依据。
目前，对于开关管故障诊断常用的神经网络算法容易陷入局部极小点的问题，而对于大多基于电流或电压检测的方法，需要增加大量硬件电路或使用复杂的信号提取电路和处理算法，实际应用价值不高。因此，提出一种基于相电流信号检测的单管开路故障用于搅拌器电机控制部分检测。首先，采样无刷直流电机霍尔传感器信号HA、HB和HC，计算得到当前工作区间信号Sn；然后，采样无刷直流电机的a相电流值，有动作信号D产生后，再次进行特定状态的监测，获取对应故障信号Fn；最后，判断逆变器是否发生开路故障，并得到故障开关管的位置信息。
发明内容
本发明针对现有无刷直流电机开路故障的诊断方法存在的问题，提出一种基于相电流检测的应用于搅拌器的无刷直流电机控制电路开路故障诊断方法，该方法不需要增加大量硬件电路或使用复杂的信号提取电路，并且信号处理算法简单，可以快速地检测出逆变器的单管开路故障，并实现准确定位。
为实现上述目的，本发明技术解决方案如下：
一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法，包括如下步骤：
步骤1：在每一个控制周期中，采样无刷直流电机霍尔传感器信号Ha、Hb和Hc，利用已定义的工作区间判断器计算得到工作区间信号Sn，其中n＝1～6；
步骤2：将当前工作区间信号保存，判断所寄存的工作区间信号是否为1或3，若不是，则继续刷新区间信号并检测电流；若是，采样当前无刷直流电机a相电流值，并计算当前故障标志信号Fn，再通过延时，采集满足当前信号与寄存信号和为7的相电流；再通过比较是否为常态电流得到此时故障标志信号Fn，其中n＝1～4；
步骤3：根据故障标志信号Fn，通过故障位置判断器，判断逆变器开关管故障位置；
步骤4：通过诊断结果输出器输出逆变器开路故障信息；
进一步地，所述步骤1中无刷直流电机工作区间信号Sn获取方法为：通过霍尔传感器获取电机位置信号Ha、Hb和Hc(或者电机转子位置角θ)，根据公式(1)获得电机工作区间信号Sn(或者根据公式(2)获得电机工作区间信号Sn)；
Figure BDA0002646591850000021
Figure BDA0002646591850000022
式中
Figure BDA0002646591850000023
表示H的反逻辑，当H＝0时，
Figure BDA0002646591850000024
当H＝1时，
Figure BDA0002646591850000025
进一步地，所述步骤2中故障标志信号Fn(n＝1～4)获取方法为：将当前工作区间信号Sn保存，采样当前无刷直流电机a相电流值，通过式(3)判断是否为可产生动作信号D＝1的非常态电流；若不是，则继续刷新区间信号并检测电流；若是，则计算当前故障信号Fn，并通过延时，采集满足式(4)时的a相电流信号，并同样计算此时故障标志信号Fn；其中，两次故障标志信号Fn(n＝1～4)通过式(5)判定；
Figure BDA0002646591850000026
n+n'＝7 (4)
Figure BDA0002646591850000031
其中，
Figure BDA0002646591850000032
表示D的反逻辑；“|”表示或运算；n’为刷新后的区间信号。
进一步地，所述步骤3中获取开关管单管故障位置定位信号的方法为：将已获得的故障标志信号，根据式(6)进行位置定位：如果F2＝F3＝1，VT1开路故障；如果F1＝1、F4＝1，VT2开路故障；如果F1＝0、F4＝1，VT3开路故障；如果F2＝1、F3＝0，VT4开路故障；如果F1＝1、F4＝0，VT5开路故障；如果F2＝0、F3＝1，VT6开路故障。其中，Gn(n＝1～6)为n管故障位置定位信号，即Gn＝1，则n管开路。
Figure BDA0002646591850000033
进一步地，所述步骤4通过诊断结果输出器输出逆变器开路故障信息，具体为：将逆变器开路故障信息写入相应的标志变量或通过显示屏或数码管显示出来，然后将Fn清零，并更新；此步骤电机每旋转360度电角度执行一次。
相对于现有技术，本发明有益效果为：
本发明是基于相电压检测的用于搅拌器的无刷直流电机控制电路开关管开路故障的诊断方法，该方法不需要增加大量硬件电路或使用复杂的信号提取电路，并且信号处理算法简单，通过相邻两个运行状态下电流故障信号经逻辑综合，定位出发生开路故障的功率管号，能迅速对故障的开关管进行定位，进而降低因开关管开路故障而对系统造成损害。
附图说明
图1为一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法控制框图；
图2为无刷直流电机控制示意图；
图3为逆变器正常运行时对应电流波形；
图4为T1开路故障时对应电流波形；
图5为T3开路故障时对应电流波形。
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和图2所示，一种基于搅拌器的无刷直流电机的单管开路故障诊断方法，包括如下步骤：
步骤1：在每一个控制周期中，采样无刷直流电机霍尔传感器信号Ha、Hb和Hc，利用工作区间判断器计算得到工作区间信号Sn，其中n＝1～6；具体为：
通过霍尔传感器获取电机位置信号Ha、Hb和Hc(或者电机转子位置角θ)，根据公式(1)获得电机工作区间信号Sn(或者根据公式(2)获得电机工作区间信号Sn)；
Figure BDA0002646591850000041
Figure BDA0002646591850000042
式中
Figure BDA0002646591850000043
表示H的反逻辑，当H＝0时，
Figure BDA0002646591850000044
当H＝1时，
Figure BDA0002646591850000045
步骤2：将当前工作区间信号保存，判断所寄存的工作区间信号是否为1或3，若不是，则继续刷新区间信号并检测电流；若是，采样当前无刷直流电机a相电流值，并计算当前故障信号Fn，再通过延时，采集满足当前信号与寄存信号和为7的相电流；再通过比较是否为常态电流得到此时故障标志信号Fn，其中n＝1～4；具体为：
将当前工作区间信号Sn保存，采样当前无刷直流电机a相电流值，通过式(3)判断是否为可产生动作信号D＝1的非常态电流；若不是，则继续刷新区间信号并检测电流；若是，则计算当前故障信号Fn，并通过延时，采集满足式(4)时的a相电流信号，并同样计算此时故障标志信号Fn。其中，两次故障标志信号Fn(n＝1～4)通过式(5)判定；
Figure BDA0002646591850000051
n+n'＝7 (4)
Figure BDA0002646591850000052
其中，
Figure BDA0002646591850000053
表示D的反逻辑；“|”表示或运算；n’为刷新后的区间信号。
步骤3：根据故障标志信号Fn，通过故障位置判断器，判断逆变器开关管故障位置；具体为：
将已获得的故障标志信号，根据式(6)进行位置定位：如果F2＝F3＝1，VT1开路故障；如果F1＝1、F4＝1，VT2开路故障；如果F1＝0、F4＝1，VT3开路故障；如果F2＝1、F3＝0，VT4开路故障；如果F1＝1、F4＝0，VT5开路故障；如果F2＝0、F3＝1，VT6开路故障。其中，Gn(n＝1～6)为n管故障位置定位信号，即Gn＝1，则n管开路。
Figure BDA0002646591850000054
步骤4：通过诊断结果输出器输出逆变器开路故障信息；具体为：
将逆变器开路故障信息写入相应的标志变量或通过显示屏或数码管显示出来。然后将Fn清零，并更新；此步骤电机每旋转360度电角度执行一次。
为了验证采用本发明所述的方法进行基于搅拌器的无刷直流电机控制电路晶闸管单管开路故障的诊断和定位的效果，对本发明所述的方法进行了仿真。无刷直流电机控制电路晶闸管单管开路故障未发生故障时，对应a相相电流波形如图3所示，此时根据霍尔位置信号，可得到对应的S1(T5、T2导通)、S2(T5、T4导通)、S3(T1、T4导通)、S4(T1、T6导通)、S5(T3、T6导通)、S6(T3、T2导通)的6个状态信号；逆变器T1故障时，对应a相相电流波形如图4所示，当S3状态已被寄存，故障标志信号F2置1，通过延时，检测到S4状态时，故障标志信号F3置1，通过故障检测器得出G1＝1，即开关管T1发生开路故障；逆变器T3故障时，对应a相相电流波形如图5所示，当S6状态已被寄存，故障标志信号F4置1，通过延时，检测到S1状态时，故障标志信号F1置0，通过故障检测器得出G3＝1，即开关管T3发生开路故障；同时可以看出，当发生单管开路故障时，电流峰值变大，可见进行故障诊断的必要性。
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 (6)

1.一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在每一个控制周期中，采样无刷直流电机霍尔传感器信号Ha、Hb和Hc，利用已定义的工作区间判断器计算得到工作区间信号Sn，其中n＝1～6；
步骤2：将当前工作区间信号保存，判断所寄存的工作区间信号是否为1或3，若不是，则继续刷新区间信号并检测电流；若是，采样当前无刷直流电机a相电流值，并计算当前故障标志信号Fn，再通过延时，采集满足当前信号与寄存信号和为7的相电流；再通过比较是否为常态电流得到此时故障标志信号Fn，其中n＝1～4；
步骤3：根据故障标志信号Fn，通过故障位置判断器，判断逆变器开关管故障位置；
步骤4：通过诊断结果输出器输出逆变器开路故障信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1中无刷直流电机工作区间信号Sn获取方法为：通过霍尔传感器获取电机位置信号Ha、Hb和Hc，根据公式(1)获得电机工作区间信号Sn；
Figure FDA0002646591840000011
Figure FDA0002646591840000012
式中
Figure FDA0002646591840000013
表示H的反逻辑，当H＝0时，
Figure FDA0002646591840000014
当H＝1时，
Figure FDA0002646591840000015
3.根据权利要求1所述的一种基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1中无刷直流电机工作区间信号Sn获取方法为：通过霍尔传感器获取电机转子位置角θ，根据公式(2)获得电机工作区间信号Sn；
Figure FDA0002646591840000016
4.根据权利要求1或2或3所述的基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤2中故障标志信号Fn获取方法为：将当前工作区间信号Sn保存，采样当前无刷直流电机a相电流值，通过式(3)判断是否为可产生动作信号D＝1的非常态电流；若不是，则继续刷新区间信号并检测电流；若是，则计算当前故障信号Fn，并通过延时，采集满足式(4)时的a相电流信号，并同样计算此时故障标志信号Fn，其中，两次故障标志信号Fn通过式(5)判定；
Figure FDA0002646591840000021
n+n'＝7 (4)
Figure FDA0002646591840000022
其中，
Figure FDA0002646591840000023
表示D的反逻辑；“|”表示或运算；n’为刷新后的区间信号。
5.根据权利要求4所述的基于搅拌器的无刷直流电机开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤3中获取开关管单管故障位置定位信号的方法为：将已获得的故障标志信号，根据式(6)进行位置定位：如果F2＝F3＝1，VT1开路故障；如果F1＝1、F4＝1，VT2开路故障；如果F1＝0、F4＝1，VT3开路故障；如果F2＝1、F3＝0，VT4开路故障；如果F1＝1、F4＝0，VT5开路故障；如果F2＝0、F3＝1，VT6开路故障；
Figure FDA0002646591840000024
其中，Gn，n＝1～6，为n管故障位置定位信号，即Gn＝1，则n管开路。
6.根据权利要求5所述的基于相电流检测的无刷直流电机开路故障诊断方法，其特征在于：所述步骤4通过诊断结果输出器输出逆变器开路故障信息，具体为：
将逆变器开路故障信息写入相应的标志变量或通过显示屏或数码管显示出来，然后将Fn清零，并更新；此步骤电机每旋转360度电角度执行一次。
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