CN113325334B - 一种三相永磁同步电机驱动系统的开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相永磁同步电机驱动系统的开路故障诊断方法，涉及电机控制领域，该方法通过分析和总结电机电流在不同开关管开路故障状态下的变化规律，提出了一种故障类型检测和故障定位的诊断模式；首先根据三相定子故障电流计算一个基波周期内归一化后的d轴、q轴的电流故障量均值作为故障检测特征值，该特征值不仅可以实现系统状态监测，也可以进行故障类型判断；然后，利用归一化后的α轴、β轴的电流故障量平均值以及α轴、β轴电流故障量的相位角来定位该故障类型下的故障开关管，所提方法可有效诊断21种开关管的故障状态。

Description

一种三相永磁同步电机驱动系统的开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其是一种三相永磁同步电机驱动系统的开路故障诊断方法。

背景技术

永磁同步电机因其高转矩/功率密度比和高效率等优点，在工业中得到了广泛的应用。以当前的技术而言，在电机驱动时容易出现不同类型的故障，如定子故障、转子故障、机械故障、传感器故障以及电力电子器件故障等，而电力电子器件故障在电机驱动方面是最容易发生的故障。电力电子器件的故障主要分为短路故障和开路故障，前者破坏性大，因此需要立即关闭驱动器，而后者不一定会停止系统，并可能在很长一段时间内不被检测到，但这种故障会导致扭矩脉动和机械振动，可能会导致其他器件的过载或二次故障。因此及时准确的诊断出故障点对系统高可靠性具有重要意义。

发明内容

本发明人针对三相永磁同步电机驱动系统的单个或多个开关管开路故障，提出了一种快速准确且稳定性好的开路故障诊断方法。

本发明的技术方案如下：

一种三相永磁同步电机驱动系统的开路故障诊断方法，包括如下步骤：

A：故障检测

(1)利用三相定子故障电流计算剩余相电流；

(2)经过Park变换得到d轴、q轴的电流故障量；

(3)归一化均值处理得到故障检测特征值；

(4)与故障分类阈值进行比较，判断是否发生开路故障并确定开路故障类型。

B：故障定位

(1)三相定子故障电流经过Clark变换得到两相静止坐标系下的α轴、β轴的电流故障量；

(2)进行归一化均值处理得到α轴、β轴的电流故障量平均值，与故障定位阈值进行比较确定电流极性作为总故障定位特征值；

(3)计算α轴、β轴电流故障量的相位角作为故障定位辅助特征值；

(4)结合总故障定位特征值和故障定位辅助特征值从开路故障类型中定位故障开关管。

本发明的有益技术效果是：

(1)本申请不需要额外增加传感器，是非侵入性的，仅依靠采集电机输出的三相定子故障电流即可完成三相永磁同步电机驱动系统中逆变器开关管单个或者多个故障的诊断过程；

(2)考虑到驱动系统的负载扰动和抗干扰性，设计的故障检测特征值以及α轴、β轴的电流故障量均采用归一化平均值的方式，对负载扰动以及外界干扰具有一定的鲁棒性；

(3)经过实验验证，本申请的诊断时间均在一个基波周期以内，将故障定位表和故障定位辅助特征值结合，能够准确、快速的定位到具体的故障开关管。

附图说明

图1是本申请提供的三相两电平电压源型逆变器供电的永磁同步电机驱动系统。

图2是本申请提供的开路故障诊断方法的示意图。

图3是本申请提供的开路故障诊断方法的流程图。

图4是本申请提供的第I类开路故障的检测波形。

图5是本申请提供的第II类开路故障的检测波形。

图6是本申请提供的第III类开路故障的检测波形。

图7是本申请提供的第IV类开路故障的检测波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明将三相永磁同步电机作为研究对象，其驱动系统的具体驱动电路连接方式如图1所示，该电路为本领域的常规电路，在此不做详细介绍。因此三相永磁同步电机的驱动系统发生单个或两个开关管开路故障一共有21种不同的故障状态，根据驱动系统中逆变器开关管T1-T6的位置和数量，将21种故障状态分为四类：

第I类：单个开关管发生开路故障，共有6种状态；

第II类：不同桥臂的两个开关管发生开路故障，且一个位于上桥臂、一个位于下桥臂，共有6种状态；

第III类：不同桥臂的两个开关管发生开路故障，均位于上桥臂或下桥臂，共有6种状态；

第IV类：同一桥臂的两个开关管发生开路故障，共有3种状态。

如何定位出上述21种故障状态，本申请公开了一种三相永磁同步电机驱动系统的开路故障诊断方法，结合图2、图3所示，包括如下步骤：

步骤1：根据三相定子故障电流计算一个基波周期内归一化后的d轴、q轴的电流故障量均值作为故障检测特征值。

步骤11：利用三相定子故障电流计算剩余相电流。

剩余相电流的表达式为：

其中，

分别为采集到的三相定子故障电流；i_a、i_b、i_c为三相静止参考系中的三相定子正常电流。

假设永磁同步电机的定子绕组在空间中均匀对称分布，则三相定子正常电流的表达式为：

其中，I_m为定子电流幅值，ω_e为电机转子电磁角速度。

步骤12：剩余相电流经过Park变换得到d轴、q轴的电流故障量。

d轴、q轴的电流故障量表达式为：

其中，Δi_d为d轴的电流故障量，Δi_q为q轴的电流故障量；Δi_a、Δi_b、Δi_c为剩余相电流，

步骤13：对d轴、q轴的电流故障量进行归一化均值处理得到故障检测特征值。

故障检测特征值的表达式为：

步骤2：将故障检测特征值与故障分类阈值进行比较，确定驱动系统的开路故障类型。

步骤21：根据故障检测特征值的计算方法，也即公式(1)-(5)结合经验值计算出不同开路故障下的故障分类阈值，分别记为0.41I_m、0.57I_m、0.87I_m和1.45I_m，如表1所示。

表1

步骤22：按照步骤1计算出k时刻下的故障检测特征值，记为

若

则驱动系统没有发生开路故障；

若

则驱动系统处于第I类开路故障；

若

则驱动系统处于第II类开路故障；

若

则驱动系统处于第III类开路故障；

若

则驱动系统处于第IV类开路故障。

步骤3：获取归一化后的α轴、β轴的电流故障量平均值。

步骤31：三相定子故障电流经过Clark变换得到两相静止坐标系下的α轴、β轴的电流故障量，表达式为：

步骤32：对α轴、β轴的电流故障量进行归一化均值处理得到α轴、β轴的电流故障量平均值，表达式为：

步骤4：将α轴、β轴的电流故障量平均值与故障定位阈值进行比较，根据比较结果从开路故障类型中定位故障开关管。

步骤41：将α轴的电流故障量平均值与故障定位阈值的比较结果记为第一故障定位特征值，表达式为：

将β轴的电流故障量平均值与故障定位阈值的比较结果记为第二故障定位特征值，表达式为：

其中，H为故障定位阈值。

根据公式(6)-(9)可以计算得到21种开路故障状态下的

电流极性，为了简单起见，将两个故障定位特征值统一表示为一个总故障定位特征值，记为F_l，表示为：F_l＝3F_l1+F_l2。

步骤42：将21种开路故障状态的第一故障定位特征值、第二故障定位特征值、总故障定位特征值，与四类开路故障汇总成故障定位表，如表2所示。

表2

步骤43：计算k时刻下的总故障定位特征值，从故障定位表2中查找相同值，从而定位故障开关管。

当执行步骤2确定驱动系统处于第IV类开路故障时，k时刻下的总故障定位特征值为零，则用步骤44替换步骤43。

步骤44：计算α轴、β轴电流故障量的相位角作为故障定位辅助特征值，表达式为：

根据公式(10)计算第IV类开路故障中3种开路故障状态的相应故障定位辅助特征值，如表3所示。

表3

计算k时刻下的故障定位辅助特征值并与表3中的故障定位辅助特征值进行对比，从而定位故障开关管。

需要说明的是，步骤1和步骤3可以同步进行，没有先后顺序区分。

采用上述诊断方法进行实验验证诊断效果：

(1)以单个开关管T5开路为例(属于第I类开路故障)，得到该故障下的C相定子故障电流

如图4所示。当T5发生开路故障时，只有下桥臂的开关管导通，因此C相电流只剩负半周期波形。故障发生时，特征量F_d和F_l发生改变，通过计算可以得到具体的故障编号，根据故障编号可以定位故障开关管。

(2)以T2和T3开路为例(属于第II类开路故障)，得到该故障下的A相定子故障电流

以及特征量F_d、F_l，故障电流波形以及诊断结果如图5所示。同样可以得到具体故障编号，根据故障编号定位故障开关管。

(3)以开关管T2和T4开路为例(属于第III类开路故障)，得到该故障下的A相定子故障电流

以及特征量F_d、F_l，故障电流波形以及诊断结果如图6所示。与第I、II类情况类似，同样可以得到具体故障编号，根据故障编号定位故障开关管。

(4)以同一桥臂两个开关管T3和T4开路为例(属于第IV类开路故障)，得到该故障下的B相定子故障电流

以及特征量F_d、F_l，故障电流波形以及诊断结果如图7所示。但与第I、II、III类情况不同的是，驱动系统单相开路的情况下，总故障定位特征值为零，电流极性无法用来定位故障发生位置，因此，选择电流矢量相位角用于辅助定位，以识别同一相的两个开关管开路故障情况。与表3的值进行对比，通过得到的故障定位辅助特征值就可以准确定位具体发生故障的故障开关管。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相永磁同步电机驱动系统的开路故障诊断方法，其特征在于，所述开路故障诊断方法包括：

根据驱动系统中逆变器开关管的位置和数量，将开路故障分为四类：

第I类：单个开关管发生开路故障，共有6种状态；

第II类：不同桥臂的两个开关管发生开路故障，且一个位于上桥臂、一个位于下桥臂，共有6种状态；

第III类：不同桥臂的两个开关管发生开路故障，均位于上桥臂或下桥臂，共有6种状态；

第IV类：同一桥臂的两个开关管发生开路故障，共有3种状态；

根据三相定子故障电流计算一个基波周期内经过Park变换归一化后的d轴、q轴的电流故障量均值作为故障检测特征值；

将所述故障检测特征值与故障分类阈值进行比较，确定驱动系统的开路故障类型；

获取经过Clark变换归一化后的α轴、β轴的电流故障量平均值并与故障定位阈值进行比较，根据比较结果从所述开路故障类型中定位故障开关管，包括：

将α轴的电流故障量平均值与故障定位阈值的比较结果记为第一故障定位特征值，表达式为：

将β轴的电流故障量平均值与故障定位阈值的比较结果记为第二故障定位特征值，表达式为：

其中，I_α、I_β为α轴、β轴的电流故障量平均值，H为所述故障定位阈值；

设总故障定位特征值的表达式为：F_l＝3F_l1+F_l2；

计算21种开路故障状态的相应总故障定位特征值，与四类开路故障汇总成故障定位表；

计算k时刻下的总故障定位特征值，从所述故障定位表中查找相同值，从而定位故障开关管。

2.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述根据三相定子故障电流计算一个基波周期内归一化后的d轴、q轴的电流故障量均值作为故障检测特征值，包括：

利用所述三相定子故障电流计算剩余相电流；

所述剩余相电流经过Park变换得到d轴、q轴的电流故障量；

对所述d轴、q轴的电流故障量进行归一化均值处理得到故障检测特征值。

3.根据权利要求2所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述剩余相电流的表达式为：

其中，

分别为采集到的三相定子故障电流；i_a、i_b、i_c为三相静止参考系中的三相定子正常电流，假设永磁同步电机的定子绕组在空间中均匀对称分布，所述三相定子正常电流的表达式为：

其中，I_m为定子电流幅值，ω_e为电机转子电磁角速度。

4.根据权利要求2所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述故障检测特征值的表达式为：

其中，ω_e为电机转子电磁角速度；Δi_d为d轴的电流故障量，Δi_q为q轴的电流故障量，表达式为：

其中，Δi_a、Δi_b、Δi_c为剩余相电流，

5.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述α轴、β轴的电流故障量平均值的表达式为：

其中，ω_e为电机转子电磁角速度；

分别为α轴、β轴的电流故障量，表达式为：

其中，

分别为采集到的三相定子故障电流。

6.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述将所述故障检测特征值与故障分类阈值进行比较，确定驱动系统的开路故障类型，包括：

根据所述故障检测特征值的计算方法计算出不同开路故障下的故障分类阈值，分别记为0.41I_m、0.57I_m、0.87I_m和1.45I_m；

若

则所述驱动系统没有发生开路故障；

若

则所述驱动系统处于第I类开路故障；

若

则所述驱动系统处于第II类开路故障；

若

则所述驱动系统处于第III类开路故障；

若

则所述驱动系统处于第IV类开路故障；

其中，I_m为定子电流幅值，

为k时刻下的故障检测特征值。

7.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于，当所述驱动系统处于第IV类开路故障时，所述k时刻下的总故障定位特征值为零，所述开路故障诊断方法还包括：

所述三相定子故障电流经过Clark变换得到两相静止坐标系下的α轴、β轴的电流故障量；

计算所述α轴、β轴电流故障量的相位角作为故障定位辅助特征值，表达式为：

其中，

分别为α轴、β轴的电流故障量；

计算第IV类开路故障中3种开路故障状态的相应故障定位辅助特征值；

计算k时刻下的故障定位辅助特征值并与3种开路故障状态的故障定位辅助特征值进行对比，从而定位故障开关管。

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