CN113687271A - 基于母线电流的双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于母线电流的双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，涉及电机控制技术领域，该方法包括：获取直流母线电流绝对值和电机转子的位置信号；根据位置信号确定功率变换器的工作状态；若直流母线电流绝对值小于零电流阈值，且持续时间超过时间阈值，则确定功率变换器发生开路故障；依次关断当前工作状态中驱动信号为高电平的功率管，依次对比直流母线电流绝对值是否依旧小于零电流阈值；若否，则确定关断时的另一功率管发生开路；若两次对比结果均为是，则导通前一个工作状态中要驱动的功率管、结合下一个工作状态，观测直流母线电流变化来辅助定位故障位置。该方法故障诊断成本低、缩短了故障诊断时间，且不受转速、负载变化影响。

Description

基于母线电流的双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是基于母线电流的双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法。

背景技术

功率变换器是电励磁双凸极电机驱动系统中薄弱、故障率高的环节，对功率变换器的故障诊断是提高系统可靠性的关键。功率器件故障主要分为短路故障和开路故障，其中，开路故障会减少电机出力，产生转矩脉动，严重会引起二次故障；而短路故障响应速度比较快，通常会引发桥臂直通，一般都是通过硬件电路将其转化为开路故障来处理，因此功率变换器开路故障诊断是目前研究的热点。目前，已有不少学者针对开路故障展开研究。

夏一文等公开的“基于反电势电流的电励磁双凸极电机驱动电路单管开路故障诊断研究”(电工技术学报，2020年11月09日，第35卷，第23期，4888-4897页)论文中介绍了一种通过改变双凸极电机的控制方式，故障后切换到另外两种控制方式，对比切换前后相电流的不同来实现开路故障定位。该方法虽能实现单管开路故障定位，但所需诊断时间较长且没有减少故障诊断成本。

冯小宝等公开的“一种电励磁双凸极电机功率变换器及其方法”(公开日：2019年8月16日，公开号：CN110138306A)专利中公开了一种电励磁双凸极电机功率管单管开路故障检测方法，通过改变硬件连接结构，将电流传感器放置在下母线上，故障时辅助导通非工作相桥臂功率管来实现故障定位。该方法虽然只需要一个电流传感器，但受转速变化影响，只适用于低速运行下的故障诊断。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了基于母线电流的双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，本发明的技术方案如下：

基于母线电流的双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，双凸极电机的三相绕组采用星型连接，三相绕组分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组，功率变换器采用桥式驱动，包括直流电源、滤波电容、第一至第六功率管、第一至第六二极管和电流传感器；

第一至第六功率管的集电极分别和相应的第一至第六二极管的阴极相连、发射极分别和相应的第一至第六二极管的阳极相连；第一功率管的发射极连接第四功率管的集电极，且A相绕组接在两者之间，第三功率管的发射极连接第六功率管的集电极，且B相绕组接在两者之间，第五功率管的发射极连接第二功率管的集电极，且C相绕组接在两者之间；

直流电源并联在滤波电容两端，且电源正极分别连接第一二极管、第三二极管和第五二极管的阴极，电源负极分别连接第四二极管、第六二极管和第二二极管的阳极；电流传感器放置在直流母线上，用于检测直流母线电流；

开路故障诊断方法包括：

获取直流母线电流绝对值和电机转子的位置信号；

根据位置信号确定功率变换器的工作状态；

若直流母线电流绝对值小于零电流阈值，且持续时间超过时间阈值，则确定功率变换器发生开路故障，定义功率管发生故障所在工作状态为故障区间；其中，零电流阈值大于零，且小于电机空载时的电流绝对值；

依次关断故障区间中驱动信号为高电平的功率管，依次对比关断后的直流母线电流绝对值是否依旧小于零电流阈值；

若否，则确定关断时的另一功率管发生开路故障；

若两次对比结果均为是，则导通故障区间的前一个工作状态中要驱动的功率管、结合故障区间的下一个工作状态，观测直流母线电流绝对值的变化来辅助定位故障区间的故障位置。

其进一步的技术方案为，根据位置信号确定功率变换器的工作状态，包括：

根据转子所处的位置将一个电角度周期分为六个工作状态，包括：

工作状态一(0°-α)：位置信号G₁＝1，其余位置信号均为0，第一、第二功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₁＝P₂＝1时，第一、第二功率管导通，|i_dc|＝i_a＝-i_c，i_b＝0；当驱动信号P₁＝P₂＝0时，第一、第二功率管关断，|i_dc|＝i_a＝-i_c，i_b＝0；

工作状态二(α-120°)：位置信号G₂＝1，其余位置信号均为0，第二、第三功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₂＝P₃＝1时，第二、第三功率管导通，|i_dc|＝i_b＝-i_c，i_a＝0；当驱动信号P₂＝P₃＝0时，第二、第三功率管关断，|i_dc|＝i_b＝-i_c，i_a＝0；

工作状态三(120°-β)：位置信号G₃＝1，其余位置信号均为0，第三、第四功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₃＝P₄＝1时，第三、第四功率管导通，|i_dc|＝i_b＝-i_a，i_c＝0；当驱动信号P₃＝P₄＝0时，第三、第四功率管关断，|i_dc|＝i_b＝-i_a，i_c＝0；

工作状态四(β-240°)：位置信号G₄＝1，其余位置信号均为0，第四、第五功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₄＝P₅＝1时，第四、第五功率管导通，|i_dc|＝i_c＝-i_a，i_b＝0；当驱动信号P₄＝P₅＝0时，第四、第五功率管关断，|i_dc|＝i_c＝-i_a，i_b＝0；

工作状态五(240°-γ)：位置信号G₅＝1，其余位置信号均为0，第五、第六功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₅＝P₆＝1时，第五、第六功率管导通，|i_dc|＝i_c＝-i_b，i_a＝0；当驱动信号P₅＝P₆＝1时，第五、第六功率管关断，|i_dc|＝i_c＝-i_b，i_a＝0；

工作状态六(γ-360°)：位置信号G₆＝1，其余位置信号均为0，第六、第一功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₆＝P₁＝1时，第六、第一功率管导通，|i_dc|＝i_a＝-i_b，i_c＝0；当驱动信号P₆＝P₁＝1时，第六、第一功率管关断，|i_dc|＝i_a＝-i_b，i_c＝0；

其中，|i_dc|表示直流母线电流绝对值，i_a、i_b、i_c分别为三相电流，角度α、β和γ根据外接负载大小确定。

其进一步的技术方案为，导通故障区间的前一个工作状态中要驱动的功率管，观测直流母线电流绝对值的变化来辅助定位故障区间的故障位置，包括：

导通故障区间的前一个工作状态中要驱动的两个功率管，对比导通后的直流母线电流绝对值是否依旧小于零电流阈值；

若否，则确定故障区间要驱动的两个功率管中不与前一个工作状态中导通的两个功率管相交的一个功率管发生开路故障；

否则，表明故障区间要驱动的两个功率管中与前一个工作状态中导通的两个功率管相交的一个功率管发生开路故障，或者，故障区间要驱动的两个功率管均发生开路故障。

其进一步的技术方案为，结合故障区间的下一个工作状态，观测直流母线电流绝对值的变化来辅助定位故障区间的故障位置，包括：

若导通故障区间的前一个工作状态中要驱动的功率管后，直流母线电流绝对值依旧小于零电流阈值，则关断前一个工作状态中导通的两个功率管，待功率变换器运行至故障区间的下一个工作状态时，观测此时的直流母线电流绝对值是否依旧小于零电流阈值；

若否，则确定故障区间要驱动的两个功率管中不与下一个工作状态中导通的两个功率管相交的一个功率管发生开路故障；

否则，故障区间要驱动的两个功率管均发生开路故障。

本发明的有益技术效果是：

(1)减小了故障诊断成本，只需通过一个电流传感器获取直流母线电流，即可完成电机的控制及故障诊断；

(2)缩短了传统利用三相六拍实现故障诊断的时间，重载或中载下故障诊断时间为2个开关周期，轻载或空载故障诊断时间最长为1/3电角度周期；

(3)所提出的开路故障诊断方法不受转速、负载变化影响；

(4)所提出的开路故障诊断方法适用于无刷直流电机和永磁双凸极电机中。

附图说明

图1是本申请提供的功率变换器拓扑结构图。

图2是本申请提供的开路故障诊断方法的整体流程图。

图3是本申请提供的一个电角度周期下的电机电感曲线、功率管导通逻辑图、每个工作状态下直流母线电流绝对值与三相电流的关系图。

图4是本申请提供的故障诊断总体控制系统框图。

图5是本申请提供的故障发生在工作状态一时驱动信号与直流母线电流的对应关系图。

图6是本申请提供的关断第一功率管时驱动信号与直流母线电流的对应关系图。

图7是本申请提供的关断第一、第二功率管时驱动信号与直流母线电流的对应关系图。

图8是本申请提供的辅助导通第一、第六功率管时驱动信号与直流母线电流的对应关系图。

图9是本申请提供的运行到工作状态二时驱动信号与直流母线电流的对应关系图。

图10是本申请提供的故障发生在工作状态一时的开路故障诊断方法流程图。

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。

本实施例以电励磁双凸极电机的功率变换器为例进行详细说明，如图1所示，电励磁双凸极电机的三相绕组采用星型连接，三相绕组分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组，功率变换器采用桥式驱动，包括直流电源U_dc、滤波电容C₁、第一至第六功率管Q₁-Q₆、第一至第六二极管D₁-D₆和电流传感器。

第一至第六功率管Q₁-Q₆的集电极分别和相应的第一至第六二极管D₁-D₆的阴极相连、发射极分别和相应的第一至第六二极管D₁-D₆的阳极相连。

第一功率管Q₁的发射极连接第四功率管Q₄的集电极，且A相绕组接在两者之间，第三功率管Q₃的发射极连接第六功率管Q₆的集电极，且B相绕组接在两者之间，第五功率管Q₅的发射极连接第二功率管Q₂的集电极，且C相绕组接在两者之间。

直流电源U_dc并联在滤波电容C₁两端，且电源正极分别连接第一二极管D₁、第三二极管D₃和第五二极管D₅的阴极，电源负极分别连接第四二极管D₄、第六二极管D₆和第二二极管D₂的阳极。

电流传感器放置在直流母线上，用于检测直流母线电流。可选的，电流传感器具体放置在滤波电容C₁和第一二极管D₁之间的直流母线上，或者，电流传感器具体放置在滤波电容C₁和第四二极管D₄之间的直流母线上。

基于上述电励磁双凸极电机功率变换器，本申请提供了一种基于母线电流的开路故障诊断方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤1：获取直流母线电流绝对值|i_dc|和电机转子的位置信号G_{i(i＝1,2,3,4,5,6)}。

步骤2：根据位置信号G_i确定功率变换器的工作状态。

如图3所示，结合电机电感曲线，根据转子所处的位置将一个电角度周期分为六个工作状态，包括：

工作状态一(0°-α)：位置信号G₁＝1，其余位置信号均为0，第一、第二功率管Q₁Q₂斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₁＝P₂＝1时，第一、第二功率管Q₁Q₂导通，|i_dc|＝i_a＝-i_c，i_b＝0；当驱动信号P₁＝P₂＝0时，第一、第二功率管Q₁Q₂关断，|i_dc|＝i_a＝-i_c，i_b＝0。

工作状态二(α-120°)：位置信号G₂＝1，其余位置信号均为0，第二、第三功率管Q₂Q₃斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₂＝P₃＝1时，第二、第三功率管Q₂Q₃导通，|i_dc|＝i_b＝-i_c，i_a＝0；当驱动信号P₂＝P₃＝0时，第二、第三功率管Q₂Q₃关断，|i_dc|＝i_b＝-i_c，i_a＝0。

工作状态三(120°-β)：位置信号G₃＝1，其余位置信号均为0，第三、第四功率管Q₃Q₄斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₃＝P₄＝1时，第三、第四功率管Q₃Q₄导通，|i_dc|＝i_b＝-i_a，i_c＝0；当驱动信号P₃＝P₄＝0时，第三、第四功率管Q₃Q₄关断，|i_dc|＝i_b＝-i_a，i_c＝0。

工作状态四(β-240°)：位置信号G₄＝1，其余位置信号均为0，第四、第五功率管Q₄Q₅斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₄＝P₅＝1时，第四、第五功率管Q₄Q₅导通，|i_dc|＝i_c＝-i_a，i_b＝0；当驱动信号P₄＝P₅＝0时，第四、第五功率管Q₄Q₅关断，|i_dc|＝i_c＝-i_a，i_b＝0。

工作状态五(240°-γ)：位置信号G₅＝1，其余位置信号均为0，第五、第六功率管Q₅Q₆斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₅＝P₆＝1时，第五、第六功率管Q₅Q₆导通，|i_dc|＝i_c＝-i_b，i_a＝0；当驱动信号P₅＝P₆＝1时，第五、第六功率管Q₅Q₆关断，|i_dc|＝i_c＝-i_b，i_a＝0。

工作状态六(γ-360°)：位置信号G₆＝1，其余位置信号均为0，第六、第一功率管Q₆Q₁斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₆＝P₁＝1时，第六、第一功率管Q₆Q₁导通，|i_dc|＝i_a＝-i_b，i_c＝0；当驱动信号P₆＝P₁＝1时，第六、第一功率管Q₆Q₁关断，|i_dc|＝i_a＝-i_b，i_c＝0。

其中，i_a、i_b、i_c分别为三相电流，角度α、β和γ根据外接负载大小确定。

步骤3：将直流母线电流绝对值|i_dc|作为电流环的反馈值，实现电机在每个工作状态的稳定运行，如图4所示。

本实施例以故障发生在工作状态一为例分析说明如何实现具体故障定位，定义功率管发生故障所在工作状态一为故障区间。在稳定运行过程中，若直流母线电流绝对值|i_dc|小于零电流阈值a，且持续时间超过时间阈值δ，则确定功率变换器发生开路故障，如图5阴影部分所示，进入步骤4。其中，考虑实验噪声以及电流传感器测量误差等影响，设置零电流阈值a大于零，为了防止漏诊断，零电流阈值a还小于电机空载时的电流绝对值。

步骤4：先关断故障区间中驱动信号为高电平的第一功率管Q₁，观测关断后的直流母线电流绝对值|i_dc|是否依旧小于零电流阈值a。

若否，也即|i_dc|＞a，则确定第二功率管Q₂发生开路故障，诊断结束，如图6阴影部分所示。若|i_dc|＜a，则再关断故障区间中驱动信号为高电平的第二功率管Q₂，观测关断后的直流母线电流绝对值|i_dc|是否依旧小于零电流阈值a。

若否，也即|i_dc|＞a，则确定第一功率管Q₁发生开路故障，诊断结束，如图7阴影部分所示。若|i_dc|＜a，则进入步骤5进行进一步诊断。

可选的，也可以先关断第二功率管Q₂、再关断第一功率管Q₁，则开路功率管相应调换，没有关断顺序的区分。

步骤5：导通工作状态六中要驱动的功率管，观测直流母线电流绝对值|i_dc|的变化来辅助定位故障区间中的故障位置。

导通工作状态六中要驱动的第六、第一功率管Q₆Q₁，观测导通后的直流母线电流绝对值|i_dc|是否依旧小于零电流阈值a。

若否，也即|i_dc|＞a，则确定故障区间中要驱动的第一、第二功率管Q₁Q₂中不与工作状态六下导通的第六、第一功率管Q₆Q₁相交的第二功率管Q₂发生开路故障，诊断结束，如图8阴影部分所示。

若|i_dc|＜a，表明故障区间中要驱动的第一、第二功率管Q₁Q₂中与工作状态六下导通的第六、第一功率管Q₆Q₁相交的第一功率管Q₁发生开路故障，或者，第一、第二功率管Q₁Q₂均发生开路故障，进入步骤6进行进一步区分。

步骤6：结合工作状态二，观测直流母线电流绝对值|i_dc|的变化来辅助定位故障区间中的故障位置，包括：

关断工作状态六中导通的第六、第一功率管Q₆Q₁，待功率变换器运行至工作状态二时，也即G₂＝1，观测此时的直流母线电流绝对值|i_dc|是否依旧小于零电流阈值a。

若否，也即|i_dc|＞a，则确定故障区间中要驱动的第一、第二功率管Q₁Q₂中不与工作状态六下导通的第二、第三功率管Q₂Q₃相交的功率管Q₁发生开路故障，诊断结束，如图9-(1)阴影部分所示。

若|i_dc|＜a，则故障区间中要驱动的第一、第二功率管Q₁Q₂均发生开路故障，诊断结束，如图9-(2)阴影部分所示。

其他工作区间发生故障的诊断方法与工作状态一的诊断方法类似，在此不进行赘述，工作状态一的故障诊断流程如图10所示。

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 (4)

1.基于母线电流的双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，其特征在于，双凸极电机的三相绕组采用星型连接，所述三相绕组分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组，功率变换器采用桥式驱动，包括直流电源、滤波电容、第一至第六功率管、第一至第六二极管和电流传感器；

所述第一至第六功率管的集电极分别和相应的第一至第六二极管的阴极相连、发射极分别和相应的第一至第六二极管的阳极相连；第一功率管的发射极连接第四功率管的集电极，且所述A相绕组接在两者之间，第三功率管的发射极连接第六功率管的集电极，且所述B相绕组接在两者之间，第五功率管的发射极连接第二功率管的集电极，且所述C相绕组接在两者之间；

所述直流电源并联在所述滤波电容两端，且电源正极分别连接第一二极管、第三二极管和第五二极管的阴极，电源负极分别连接第四二极管、第六二极管和第二二极管的阳极；所述电流传感器放置在直流母线上，用于检测直流母线电流；

开路故障诊断方法包括：

获取直流母线电流绝对值和电机转子的位置信号；

根据所述位置信号确定所述功率变换器的工作状态；

若所述直流母线电流绝对值小于零电流阈值，且持续时间超过时间阈值，则确定所述功率变换器发生开路故障，定义功率管发生故障所在工作状态为故障区间；其中，所述零电流阈值大于零，且小于电机空载时的电流绝对值；

依次关断所述故障区间中驱动信号为高电平的功率管，依次对比关断后的直流母线电流绝对值是否依旧小于所述零电流阈值；

若否，则确定关断时的另一功率管发生开路故障；

若两次对比结果均为是，则导通所述故障区间的前一个工作状态中要驱动的功率管、结合所述故障区间的下一个工作状态，观测所述直流母线电流绝对值的变化来辅助定位所述故障区间的故障位置。

2.根据权利要求1所述的开路故障诊断方法，其特征在于，所述根据所述位置信号确定所述功率变换器的工作状态，包括：

根据转子所处的位置将一个电角度周期分为六个工作状态，包括：

工作状态一(0°-α)：位置信号G₁＝1，其余位置信号均为0，第一、第二功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₁＝P₂＝1时，所述第一、第二功率管导通，|i_dc|＝i_a＝-i_c，i_b＝0；当驱动信号P₁＝P₂＝0时，所述第一、第二功率管关断，|i_dc|＝i_a＝-i_c，i_b＝0；

工作状态二(α-120°)：位置信号G₂＝1，其余位置信号均为0，第二、第三功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₂＝P₃＝1时，所述第二、第三功率管导通，|i_dc|＝i_b＝-i_c，i_a＝0；当驱动信号P₂＝P₃＝0时，所述第二、第三功率管关断，|i_dc|＝i_b＝-i_c，i_a＝0；

工作状态三(120°-β)：位置信号G₃＝1，其余位置信号均为0，第三、第四功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₃＝P₄＝1时，所述第三、第四功率管导通，|i_dc|＝i_b＝-i_a，i_c＝0；当驱动信号P₃＝P₄＝0时，所述第三、第四功率管关断，|i_dc|＝i_b＝-i_a，i_c＝0；

工作状态四(β-240°)：位置信号G₄＝1，其余位置信号均为0，第四、第五功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₄＝P₅＝1时，所述第四、第五功率管导通，|i_dc|＝i_c＝-i_a，i_b＝0；当驱动信号P₄＝P₅＝0时，所述第四、第五功率管关断，|i_dc|＝i_c＝-i_a，i_b＝0；

工作状态五(240°-γ)：位置信号G₅＝1，其余位置信号均为0，第五、第六功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₅＝P₆＝1时，所述第五、第六功率管导通，|i_dc|＝i_c＝-i_b，i_a＝0；当驱动信号P₅＝P₆＝1时，所述第五、第六功率管关断，|i_dc|＝i_c＝-i_b，i_a＝0；

工作状态六(γ-360°)：位置信号G₆＝1，其余位置信号均为0，第六、第一功率管斩波，其余功率管关闭；当驱动信号P₆＝P₁＝1时，所述第六、第一功率管导通，|i_dc|＝i_a＝-i_b，i_c＝0；当驱动信号P₆＝P₁＝1时，所述第六、第一功率管关断，|i_dc|＝i_a＝-i_b，i_c＝0；

其中，|i_dc|表示所述直流母线电流绝对值，i_a、i_b、i_c分别为三相电流，角度α、β和γ根据外接负载大小确定。

3.根据权利要求2所述的开路故障诊断方法，其特征在于，导通所述故障区间的前一个工作状态中要驱动的功率管，观测所述直流母线电流绝对值的变化来辅助定位所述故障区间的故障位置，包括：

导通所述故障区间的前一个工作状态中要驱动的两个功率管，对比导通后的直流母线电流绝对值是否依旧小于所述零电流阈值；

若否，则确定故障区间要驱动的两个功率管中不与前一个工作状态中导通的两个功率管相交的一个功率管发生开路故障；

否则，表明故障区间要驱动的两个功率管中与前一个工作状态中导通的两个功率管相交的一个功率管发生开路故障，或者，故障区间要驱动的两个功率管均发生开路故障。

4.根据权利要求2所述的开路故障诊断方法，其特征在于，结合所述故障区间的下一个工作状态，观测所述直流母线电流绝对值的变化来辅助定位所述故障区间的故障位置，包括：

若导通所述故障区间的前一个工作状态中要驱动的功率管后，所述直流母线电流绝对值依旧小于所述零电流阈值，则关断前一个工作状态中导通的两个功率管，待所述功率变换器运行至所述故障区间的下一个工作状态时，观测此时的直流母线电流绝对值是否依旧小于所述零电流阈值；

若否，则确定故障区间要驱动的两个功率管中不与下一个工作状态中导通的两个功率管相交的一个功率管发生开路故障；

否则，故障区间要驱动的两个功率管均发生开路故障。

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