CN113702766A - 一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，对于三相永磁同步电机，首先计算当前采样时刻定子电流的dq轴分量，利用模型预测控制得到下一采样时刻定子电流的dq轴预测值；接着计算出下一采样时刻定子电流的αβ轴预测值，并由αβ轴预测值得到预测电流矢量轨迹斜率，以此来判断故障相，再根据故障相电流的状态确定故障管的位置；最后根据故障管的位置确定主动短路的方式。本方法利用预测电流矢量轨迹斜率进行故障诊断，不需要额外的传感器，并且降低定子电流谐波导致的电流轨迹斜率波动，提高检测故障诊断的精度。在故障诊断的基础上进行电机主动短路控制，确保电机主动短路控制策略的有效实施，提高系统的安全性和可靠性。

Description

一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法

技术领域

本发明涉及一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，属于电机驱动及故障诊断领域。

背景技术

永磁同步电机对比其它类型电机具有效率高、转矩和功率密度大、恒功率调速范围宽等优点而被广泛采用于新能源汽车。根据电机控制器的安全目标，要求在电机控制器出现故障或者电机转速失控而引发整车失控时，关闭电机输出，使其转矩接近于零。工程上通常采用主动短路技术实现安全停车。主动短路技术有逆变器上管全开和逆变器下管全开两种方式。但当逆变器开关管发生开路故障时，主动短路控制策略不能有效实施，汽车仍会处于失控状态，存在巨大的安全隐患。

传统的电流矢量斜率开关管故障诊断方法易受到电流谐波的影响，无法实现精确的故障判断，虽然可以借助电流基波信号提取可以提高故障诊断的精度，但信号的提取需要调整各种参数，参数调整繁杂，增加了系统计算负担，不利于工程应用。

发明内容

技术问题：针对上述现有技术，提出了一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，能够通过较为简单的故障诊断方法，有效地判断故障管位置，并采取不同的主动短路方式，确保电机安全停转。

技术方案：一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，包括如下步骤：

步骤1：由电流传感器采集三相永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c，通过编码器获取电机电角度θ_e，并利用Clark/Park变换计算定子电流dq轴分量i_d和i_q；

步骤2：由SVPWM模块输出逆变器驱动信号获取当前采样时刻作用于电机的电压矢量U_out；

步骤3：由模型预测控制获得电压矢量U_out作用下的αβ轴预测电流值i_αp和i_βp；

步骤4：计算预测电流矢量轨迹斜率M，并根据M判断故障相；

步骤5：根据故障相电流的状态确定故障管的位置，并确定主动短路的方式，输出逆变器的驱动信号。

进一步的，步骤1中，由公式(1)获得电机电角速度ω_e，经公式(2)的Clark变换后得到定子电流αβ轴的分量i_α、i_β，再经公式(3)的Park变换后得到定子电流的dq轴分量i_d、i_q；

进一步的，步骤2中，由公式(4)计算得到电压矢量U_out；

其中，j为虚数单位，S_a、S_b、S_c为SVPWM模块输出的三相逆变器驱动信号，S_i＝[01]，i＝a，b，c，若S_i＝0，则该开关管关断，若S_i＝1，则该开关管导通；U_dc为直流母线电压。

进一步的，步骤3中，由如式(5)所示一阶欧拉公式和如式(6)所示的永磁同步电机定子电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q的状态方程得到如式(7)所示定子电流预测模型，再由式(8)计算电压矢量U_out的dq轴分量，将式(8)代入式(9)得电压矢量U_out作用下的dq轴预测电流值i_dp(k+1)和i_qp(k+1)，最后由式(10)得到αβ轴预测电流值i_αp(k+1)和i_βp(k+1)；

式中，i(k+1)为下一采样时刻定子电流的预测值，i(k)为当前采样时刻定子电流值，T_s为采样时间；

式中，u_d、u_q分别为定子电压矢量dq轴电压分量；L_d、L_q分别为dq轴电感分量；ω_e为电机电角速度；R为定子电阻；ψ_f为永磁体磁链；

式中，i_d(k)、i_q(k)分别为当前采样时刻的dq轴电流；i_d(k+1)、i_q(k+1)分别为下一采样时刻的dq轴电流预测值；u_d(k)、u_q(k)分别为当前时刻的定子电压矢量dq轴分量；

式中，U_outd(k)、U_outq(k)分别为当前采样时刻电压矢量U_out的d轴及q轴分量，Re(·)、Im(·)分别表示实部和虚部，i_αp(k+1)和i_βp(k+1)为下一次采样时刻的αβ轴预测电流值。

进一步的，步骤4中，由式(11)将自然坐标系下三相电流i_a、i_b、i_c按照功率不变条件转换到静止坐标系下的i_α0、i_β0；

其中三相电流i_a，i_b，i_c之和为0；

预测电流矢量轨迹斜率M：

式中，i_αp(k)和i_βp(k)为当前采样时刻的αβ轴电流预测值，i_αp(k+1)和i_βp(k+1)为下一次采样时刻的αβ轴预测电流值；

由式(11)和(12)可知，当开关管正常工作时，电流矢量轨迹为圆，斜率M为一个变化值；当某一相开关管发生开路故障时，该相电流在半个电周期里为0，则M为一固定值；当A相的VT1或VT2故障时，在半个电流周期里i_a＝0，则M＝0；当B相的VT3或VT4故障时，在半个电流周期里i_b＝0，则

当C相的VT5或VT6故障时，在半个电流周期里i_c＝0，则

根据M的值来判断故障相；其中，VT1、VT2为三相逆变器A相上下桥臂的开关管，VT3、VT4为三相逆变器B相上下桥臂的开关管，VT5、VT6为三相逆变器C相上下桥臂的开关管。

进一步的，步骤5中，当M＝0时，检测A相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT2故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT1故障；当

时，检测B相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT4故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT3故障；当

时，检测C相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT6故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT5故障；当诊断出VT1或VT3或VT5故障时，则采取逆变器各桥臂上管全关断，下管全导通的主动短路方式，即逆变器驱动信号为S_a＝S_b＝S_c＝0；当诊断出VT2或VT4或VT6故障时，则采取逆变器各桥臂上管全导通，下管全关断的主动短路方式，即逆变器驱动信号为S_a＝S_b＝S_c＝1。

有益效果：1)根据预测电流矢量斜率判断故障相，能够提高故障诊断的精度，避免复杂的电流基波提取过程；

2)根据预测电流矢量斜率判断故障相，计算简单，诊断精度高，并且不需要增加额外的传感器，降低了对硬件系统的要求；

3)通过较为简单的故障诊断方法，确定主动短路方式，确保电机安全停转，提高了电机控制的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法的控制框图，图中，4-反Park坐标转换模块、5-SVPWM模块、6-矢量计算模块、7-模型预测控制模块、8-预测电流矢量轨迹斜率模块、9-主动短路模块、10-Park变换模块、11-Clark变换模块；

图2为本发明一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法的三相电压源逆变器拓扑图；

图3为本发明一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法的电流矢量轨迹图，(a)传统电流矢量轨迹，(b)预测电流矢量轨迹；

图4为本发明一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法的逆变器上桥臂开关管故障情况下的三相电流波形，(a)传统主动短路方式，(b)基于故障诊断的主动短路；

图5为本发明一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法的逆变器下桥臂开关管故障情况下的三相电流波形，(a)传统主动短路方式，(b)基于故障诊断的主动短路。

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所示，一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，包括如下步骤：

步骤1：由电流传感器采集三相永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c，通过编码器获取电机电角度θ_e，并利用Clark/Park变换模块11/10计算当前采样时刻定子电流dq轴分量i_d和i_q。

具体的，由公式(1)获得电机电角速度ω_e，经公式(2)的Clark变换后得到定子电流αβ轴的分量i_α、i_β，再经公式(3)的Park变换后得到定子电流的dq轴分量i_d、i_q；

步骤2：由SVPWM模块5输出逆变器驱动信号当前采样时刻作用于电机的电压矢量U_out。

具体的，由矢量计算模块6公式(4)计算得到电压矢量U_out；

其中，j为虚数单位，S_a、S_b、S_c为SVPWM模块输出的三相逆变器驱动信号，S_i＝[01]，i＝a，b，c，若S_i＝0，则该开关管关断，若S_i＝1，则该开关管导通；U_dc为直流母线电压。

步骤3：由模型预测控制模块7获得电压矢量U_out作用下的αβ轴预测电流值i_αp和i_βp。

具体的，由如式(5)所示一阶欧拉公式和如式(6)所示的永磁同步电机定子电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q的状态方程得到如式(7)所示定子电流预测模型，再由式(8)计算电压矢量U_out的dq轴分量，将式(8)代入式(9)得电压矢量U_out作用下的dq轴预测电流值i_dp(k+1)和i_qp(k+1)，最后由式(10)得到αβ轴预测电流值i_αp(k+1)和i_βp(k+1)；

式中，i(k+1)为下一采样时刻定子电流的预测值，i(k)为当前采样时刻定子电流值，T_s为采样时间；

式中，u_d、u_q分别为定子电压矢量电机d、q轴电压分量；L_d、L_q分别为d、q轴电感分量；ω_e为电角速度；R为定子电阻；ψ_f为永磁体磁链；

式中，i_d(k)、i_q(k)分别为当前采样时刻的dq轴电流；i_d(k+1)、i_q(k+1)分别为下一采样时刻的dq轴电流预测值；u_d(k)、u_q(k)分别为当前时刻的定子电压矢量dq轴分量。

式中，U_outd(k)、U_outq(k)分别为当前采样时刻电压矢量U_out的d轴及q轴分量，Re(·)、Im(·)分别表示实部和虚部，i_αp(k+1)和i_βp(k+1)为下一次采样时刻的αβ轴预测电流值。

步骤4：计算预测电流矢量轨迹斜率M，并根据M判断故障相。

具体的，由式(11)将自然坐标系下三相电流i_a、i_b、i_c按照功率不变条件转换到静止坐标系下i_α0、i_β0；

其中三相电流i_a，i_b，i_c之和为0。

预测电流矢量轨迹斜率模块8进行斜率预测：

式中，i_αp(k+1)和i_βp(k+1)为当下一次采样时刻的αβ轴预测电流值，i_αp(k)和i_βp(k)为当前采样时刻的αβ轴预测电流值。

由式(11)和(12)可知，当开关管正常工作时，电流矢量轨迹为圆，其斜率M为一个变化值；当某一相开关管发生开路故障时，该相电流在半个电周期里为0，则M为一固定值；当A相的VT1或VT2故障时，在半个电流周期里i_a＝0，由式(12)可知，M＝0；当B相的VT3或VT4故障时，在半个电流周期里i_b＝0，由式(12)可知，

当C相的VT5或VT6故障时，在半个电流周期里i_c＝0，由式(12)可知，

根据M的值即可判断故障相。如图2所示，VT1、VT2为三相逆变器A相上下桥臂的开关管，VT3、VT4为三相逆变器B相上下桥臂的开关管，VT5、VT6为三相逆变器C相上下桥臂的开关管。

步骤5：根据故障相电流的状态确定故障管的位置，并确定主动短路的方式，输出逆变器的驱动信号。

具体的，当M＝0时，检测A相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT2故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT1故障；当

时，检测B相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT4故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT3故障；当

时，检测C相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT6故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT5故障。当诊断出VT1或VT3或VT5故障时，主动短路模块9则采取逆变器各桥臂上管全关断，下管全导通的主动短路方式，即逆变器驱动信号为S_a＝S_b＝S_c＝0；当诊断出VT2或VT4或VT6故障时，主动短路模块9则采取逆变器各桥臂上管全导通，下管全关断的主动短路方式，即逆变器驱动信号为S_a＝S_b＝S_c＝1。

在直流母线电压500V，负载转矩5N·m，电机转速500r/min条件下实施本发明的一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法。图3的(a)是αβ坐标系下传统电流矢量轨迹图，图3的(b)是αβ坐标系下预测电流矢量轨迹图。对比可以看出，传统电流矢量轨迹受电流谐波的影响较大，而预测电流矢量轨迹更多地反映了电流基波的变化过程，提高了故障诊断的准确率。图4为上桥臂开关管故障情况下的电机三相电流波形。图4的(a)为传统主动短路方式下的三相电流波形，从图中可以看出故障情况下，在采用传统主动短路控制策略后，三相电流仍存在较大的畸变，相电流幅值增大，未能有效切出故障状态，易对电机造成损坏，未能实现电机平稳控制。图4的(b)为基于故障诊断的主动短路方式下的三相电流波形，从图中可以看出故障情况下，在采用基于故障诊断的主动短路控制策略后，三相电流正弦度高，相电流幅值减小且保持平稳，能够切出故障状态并实现电机平稳控制。图5为下桥臂开关管故障情况下的电机三相电流波形。图5的(a)为传统主动短路方式下的电机三相电流波形，图5的(b)为基于故障诊断的主动短路方式下的电机三相电流波形，对比图5的(a)和图5的(b)可以看出，在下管故障时，基于故障诊断的主动短路同样能切出故障状态并实现电机平稳控制。

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)

1.一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：由电流传感器采集三相永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c，通过编码器获取电机电角度θ_e，并利用Clark/Park变换计算定子电流dq轴分量i_d和i_q；

步骤2：由SVPWM模块输出逆变器驱动信号获取当前采样时刻作用于电机的电压矢量U_out；

步骤3：由模型预测控制获得电压矢量U_out作用下的αβ轴预测电流值i_αp和i_βp；

步骤4：计算预测电流矢量轨迹斜率M，并根据M判断故障相；

步骤5：根据故障相电流的状态确定故障管的位置，并确定主动短路的方式，输出逆变器的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，其特征在于，步骤1中，由公式(1)获得电机电角速度ω_e，经公式(2)的Clark变换后得到定子电流αβ轴的分量i_α、i_β，再经公式(3)的Park变换后得到定子电流的dq轴分量i_d、i_q；

3.根据权利要求1所述的一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，其特征在于，步骤2中，由公式(4)计算得到电压矢量U_out；

其中，j为虚数单位，S_a、S_b、S_c为SVPWM模块输出的三相逆变器驱动信号，S_i＝[01]，i＝a，b，c，若S_i＝0，则该开关管关断，若S_i＝1，则该开关管导通；U_dc为直流母线电压。

4.根据权利要求1所述的一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，其特征在于，步骤3中，由如式(5)所示一阶欧拉公式和如式(6)所示的永磁同步电机定子电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q的状态方程得到如式(7)所示定子电流预测模型，再由式(8)计算电压矢量U_out的dq轴分量，将式(8)代入式(9)得电压矢量U_out作用下的dq轴预测电流值i_dp(k+1)和i_qp(k+1)，最后由式(10)得到αβ轴预测电流值i_αp(k+1)和i_βp(k+1)；

式中，i(k+1)为下一采样时刻定子电流的预测值，i(k)为当前采样时刻定子电流值，T_s为采样时间；

式中，u_d、u_q分别为定子电压矢量dq轴电压分量；L_d、L_q分别为dq轴电感分量；ω_e为电机电角速度；R为定子电阻；ψ_f为永磁体磁链；

式中，i_d(k)、i_q(k)分别为当前采样时刻的dq轴电流；i_d(k+1)、i_q(k+1)分别为下一采样时刻的dq轴电流预测值；u_d(k)、u_q(k)分别为当前时刻的定子电压矢量dq轴分量；

式中，U_outd(k)、U_outq(k)分别为当前采样时刻电压矢量U_out的d轴及q轴分量，Re(·)、Im(·)分别表示实部和虚部，i_αp(k+1)和i_βp(k+1)为下一次采样时刻的αβ轴预测电流值。

5.根据权利要求1所述的一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，其特征在于，步骤4中，由式(11)将自然坐标系下三相电流i_a、i_b、i_c按照功率不变条件转换到静止坐标系下的i_α0、i_β0；

其中三相电流i_a，i_b，i_c之和为0；

预测电流矢量轨迹斜率M：

式中，i_αp(k)和i_βp(k)为当前采样时刻的αβ轴电流预测值，i_αp(k+1)和i_βp(k+1)为下一次采样时刻的αβ轴预测电流值；

由式(11)和(12)可知，当开关管正常工作时，电流矢量轨迹为圆，斜率M为一个变化值；当某一相开关管发生开路故障时，该相电流在半个电周期里为0，则M为一固定值；当A相的VT1或VT2故障时，在半个电流周期里i_a＝0，则M＝0；当B相的VT3或VT4故障时，在半个电流周期里i_b＝0，则

当C相的VT5或VT6故障时，在半个电流周期里i_c＝0，则

根据M的值来判断故障相；其中，VT1、VT2为三相逆变器A相上下桥臂的开关管，VT3、VT4为三相逆变器B相上下桥臂的开关管，VT5、VT6为三相逆变器C相上下桥臂的开关管。

6.根据权利要求5所述的一种基于开关管故障诊断的电机主动短路方法，其特征在于，步骤5中，当M＝0时，检测A相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT2故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT1故障；当

时，检测B相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT4故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT3故障；当

时，检测C相相电流，当一个电流周期内电相流大于0时，则VT6故障，当一个电流周期内电相流小于0时，则VT5故障；当诊断出VT1或VT3或VT5故障时，则采取逆变器各桥臂上管全关断，下管全导通的主动短路方式，即逆变器驱动信号为S_a＝S_b＝S_c＝0；当诊断出VT2或VT4或VT6故障时，则采取逆变器各桥臂上管全导通，下管全关断的主动短路方式，即逆变器驱动信号为S_a＝S_b＝S_c＝1。

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