CN114236386B - 一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供有一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，一是通过设计新的电流传感器放置方式，并划分励磁区间，重新构建了各相电流的计算式，二是根据新的电流传感器放置方式提取故障特征值，并利用符号函数对故障特征值进行二进制数字化处理，然后利用二进制转十进制算法进一步将二进制故障特征值转换成十进制故障特征值，使得开关管不同故障状态之间的故障特征值区别更加显著化、更加适用于工程实际应用情况。本申请不改变不对称半桥拓扑结构，通用性强，不需获取经验性阈值，鲁棒性好，可在线诊断，响应速度快，既可以获得正常运行情况下的各相电流，也可以精确诊断开关管的开路或短路故障状态，具有较好的实用价值。

Description

一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法

技术领域

本申请属于开关磁阻电机故障诊断技术领域，具体涉及一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，尤其涉及一种基于相电流重构方案的开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法。

背景技术

开关磁阻电机调速系统以其高可靠性优点，在航空航天、电动汽车、飞轮储能等可靠性要求较高的场合具有广阔应用前景。但由于功率变换器中的开关管长时间工作在斩波状态且关断时刻容易遭受过流冲击，因而容易发生故障。功率变换器故障会引起不能正常换相、转矩脉动增加、噪声增大等问题，严重影响电机系统的正常运行。

功率变换器故障一般可以分为开关管短路故障和开关管开路故障。文献“Powertransistors’faultdiagnosis methodofSR S/G formore electric aircraftwith cross-Leg current analysis”,ChenHao,ChenHaobiao,Han Guoqiang,et al.IEEETransactions on Transportation Electrification,2020,6(4):1528-1536(“基于相桥臂交叉缠绕的航空航天用开关磁阻电动机和发电机功率变换器故障诊断方案”，《IEEE学报-运输电气化》，2020年第6卷第4期第1528-1536页)提出了一种基于相桥臂交叉缠绕的功率变换器故障诊断方案，主要通过改进电流传感器放置位置实现诊断。该方案计算简单，容易实现，然而所需故障特征量多，而且故障特征量以经验性数值为阈值，容易出现误诊断。另外，系统正常运行情况下，控制器需要实时获取相电流信息，以控制开关管开通或关断，然而传统的相电流检测方案需要较多的电流传感器，会增加系统的体积和成本，降低系统的可靠性。因此，许多学者致力于研究相电流重构策略,以减少电流传感器的使用数量。文献“A Universal Two-Sensor Current Detection Scheme for Current Control ofMultiphase Switched Reluctance Motors With Multiphase Excitation”,Chun Gan,Qingguo Sun,Jianhua Wu,et al.IEEE Transactions on Power Electronics,2019,34(2):1526-1539(“一种多相开关磁阻电机多相运行模式下通用性双电流传感器策略”，《IEEE学报-电力电子期刊》)提出了一种双电流传感器策略，该策略针对任何相数电机都仅需两个电流传感器即可得到正常运行的相电流，大大减少了电流传感器的数量，但是不具备故障诊断的能力，而且对励磁区间划分的子区间较多。

发明内容

鉴于上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，通过设计新的电流传感器放置方式，并划分励磁区间，重新构建了各相电流的计算式，通过采用符号函数对故障特征值进行数字化处理，结合开关管工作状态，建立开关管故障状态与故障特征值之间的关系，实现了既可以获得正常运行情况下的各相电流，也可以精确诊断开关管的开路或短路故障状态的功能。

本申请提供一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，所述功率变换器包括开关管、电流传感器，所述诊断方法包括以下步骤：

构建开关管故障状态二进制信息表；

获取所述励磁区间代码；

获取所述电流传感器的观测电流值；

将所述励磁区间代码、所述观测电流值输入所述故障特征值i_CSm的计算式，得到故障特征值i_CSm；

将故障特征值i_CSm输入符号函数，得到故障特征值

检测所述开关管的信号值，获得各相绕组的工作状态；

用故障特征值及各相绕组的工作状态对照所述开关管故障状态二进制信息表，得到开关管故障状态。

根据本申请的实施例，构建开关管故障状态二进制信息表包括以下步骤：

预设励磁区间及各励磁区间的代码；

选取故障特征；

建所述故障特征值i_CSm的计算式；

计算所述故障特征值i_CSm；

将故障特征值i_CSm输入符号函数，得到故障特征值

构建开关管故障状态与故障特征值的对应关系；

建立开关管故障状态二进制信息表。

根据本申请的实施例，所述开关磁阻电机的每个转子周期内平均划分3个所述励磁区间，即励磁区间I、励磁区间II、励磁区间III，且所述励磁区间I的代码R₁＝1，所述励磁区间II的代码R₂＝2，所述励磁区间III的代码R₃＝3。

具体的，所述开关磁阻电机为三相12/10极电机，其每个转子周期为36°，平均划分为3个励磁区间，即所述励磁区间I的范围0～12°，所述励磁区间II的范围12～24°，所述励磁区间III的范围24～36°。当各相绕组导通角θ≤12°时，各相绕组单独导通；当各相绕组导通角θ＞12°时，便存在两相同时导通的情况。在软斩波模式下，当0°<θ≤12°时，各相绕组处于励磁区间I内，此时A相绕组和C相绕组导通；当12°<θ≤24°时，各相绕组处于励磁区间II内，此时A相绕组和B相绕组导通；当24°<θ≤36°时，各相绕组处于励磁区间III内，此时B相绕组和C相绕组导通。设定Rn为励磁区间的代码，n＝1,2,3，在所述励磁区间I内R₁＝1，在所述励磁区间II内R₂＝2，在所述励磁区间III内R₃＝3。

根据本申请的实施例，所述开关磁阻电机为三相电机，包括功率变换器、A相绕组、B相绕组、C相绕组，所述功率变换器包括直流母线电容c、二极管，所述开关管包括开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆，所述二极管包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆；所述直流母线电容c的正极分别与所述开关管S₁、所述开关管S₃、所述开关管S₅的一端以及所述二极管D₂、所述二极管D₄、所述二极管D₆的阴极连接并与外部直流电源Us的正极共联，所述直流母线电容c的负极分别与所述开关管S₂、所述开关管S₄、所述开关管S₆的一端以及所述二极管D₁、所述二极管D₃、所述二极管D₅的阳极连接并与所述外部直流电源U_s的负极共联；

所述电流传感器包括电流传感器CS₁、电流传感器CS₂、电流传感器CS₃、电流传感器CS₄；

所述开关管S₁的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₁后分别与所述二极管D₁的阴极和所述A相绕组的一端连接，所述A相绕组的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₃后通过导线A_D、导线As分别与所述二极管D₂的阳极、所述开关管S₂的另一端连接，所述导线A_D正向穿过所述电流传感器CS₁，所述导线As负向穿过所述电流传感器CS₁；

所述开关管S₃的另一端导线依次正向穿过所述电流传感器CS₁、所述电流传感器CS₂后分别与所述二极管D₃的阴极和所述B相绕组的一端连接，所述B相绕组的另一端导线依次正向穿过所述电流传感器CS₃、所述电流传感器CS₄后通过导线B_D、导线Bs分别与所述二极管D₄的阳极、所述开关管S₄的另一端连接，所述导线B_D依次正向穿过所述电流传感器CS₁和所述电流传感器CS₂，所述导线Bs依次负向穿过所述电流传感器CS₂和所述电流传感器CS₁；

所述开关管S₅的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₂后分别与所述二极管D₅的阴极和所述C相绕组的一端相连，所述C相绕组的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₄后通过导线C_D、导线Cs分别与所述二极管D₆的阳极、所述开关管S₆的另一端连接，所述导线C_D正向穿过所述电流传感器CS₂，所述导线Cs负向穿过所述电流传感器CS₂。

具体的，所述开关磁阻电机正常运行情况下，通常存在相邻两相同时导通的情况，此时存在两路导通的相电流同时流过电流传感器的情况。在软斩波模式下，各相绕组都有3种工作状态：励磁状态、续流状态和去磁状态。

根据电流传感器CS₁、电流传感器CS₂、电流传感器CS₃、电流传感器CS₄的放置方式，可以得出各励磁区间内所述电流传感器CS₁、所述电流传感器CS₂、所述电流传感器CS₃、所述电流传感器CS₄对应观测电流值i_CS1、观测电流值i_CS2、观测电流值i_CS3、观测电流值i_CS4的计算式，具体如下：

励磁区间I内，

i_CS1＝i_S1-i_S2+i_D2， (1)

i_CS2＝i_S5-i_S6+i_D6， (2)

i_CS3＝i_A， (3)

i_CS4＝i_C； (4)

励磁区间II内，

i_CS1＝(i_S1-i_S2+i_D2)+(i_S3-i_S4+i_D4)， (5)

i_CS2＝i_S3-i_S4+i_D4， (6)

i_CS3＝i_A+i_B， (7)

i_CS4＝i_B； (8)

励磁区间III内，

i_CS1＝i_S3-i_S4+i_D4， (9)

i_CS2＝(i_S3-i_S4+i_D4)+(i_S5-i_S6+i_D6)， (10)

i_CS3＝i_B， (11)

i_CS4＝i_B+i_C。 (12)

式中，i_S1、i_S2、i_S3、i_S4、i_S5、i_S6分别表示通过开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆的电流，i_D2、i_D4、i_D6分别表示通过二极管D₂、二极管D₄、二极管D₆的电流，i_A、i_B、i_C分别表示通过A相绕组、B相绕组、C相绕组的电流。

根据本申请的实施例，所述故障特征值i_CSm的计算式如下：

i_CSA＝(2-Rn)(3-Rn)i_CS1/2+(Rn-1)(3-Rn)(i_CS1-i_CS2) (22)

i_CSB＝(Rn-2)(Rn-1)i_CS1/2+(Rn-1)(3-Rn)(i_CS1-i_CS2) (23)

i_CSC＝(2-Rn)(3-Rn)i_CS2/2+(Rn-1)(2-Rn)(i_CS1-i_CS2)/2 (24)

式中，m＝A,B,C；Rn表示所在励磁区间的代码，n＝1,2,3；i_CS1表示电流传感器CS₁的观测电流值；i_CS2表示电流传感器CS₂的观测电流值。

具体的，在软斩波模式下，根据电流传感器CS₁、电流传感器CS₂、电流传感器CS₃、电流传感器CS₄的放置方式，可以看出所述电流传感器CS₁和所述电流传感器CS₂的观测电流值i_CS1和i_CS2与通过所述开关管的电流密切相关。取故障特征值i_CSm，m＝A,B,C，故可以通过构建所述故障特征值i_CSm与所述电流传感器CS₁和所述电流传感器CS₂的观测电流值i_CS1和i_CS2的关系式，诊断各开关管的故障状态。根据所述电流传感器放置方式，各励磁区间内故障特征值i_CSm的计算式具体如下：

励磁区间Ⅰ内，

i_CSA＝i_CS1， (13)

i_CSB＝0， (14)

i_CSC＝i_CS2， (15)

励磁区间Ⅱ内，

i_CSA＝i_CS1-i_CS2， (16)

i_CSB＝i_CS2， (17)

i_CSC＝0， (18)

励磁区间Ⅲ内，

i_CSA＝0， (19)

i_CSB＝i_CS1， (20)

i_CSC＝i_CS2-i_CS1， (21)

可以看出，重构相电流后各励磁区间内各相绕组的故障特征值i_CSm的关系式与各相绕组所处的励磁区间直接相关，可在此基础上进一步构建所述故障特征值i_CSm与各励磁区间的代码Rn的关系式，建立所述开关管的运行状态与各励磁区间的代码Rn的联系。通过归纳法可以得到所述故障特征值i_CSm的计算式，具体如下：

i_CSA＝(2-Rn)(3-Rn)i_CS1/2+(Rn-1)(3-Rn)(i_CS1-i_CS2) (22)

i_CSB＝(Rn-2)(Rn-1)i_CS1/2+(Rn-1)(3-Rn)(i_CS1-i_CS2) (23)

i_CSC＝(2-Rn)(3-Rn)i_CS2/2+(Rn-1)(2-Rn)(i_CS1-i_CS2)/2 (24)

式中，m＝A,B,C；Rn表示所在励磁区间的代码，n＝1,2,3；i_CS1表示电流传感器CS₁的观测电流值；i_CS2表示电流传感器CS₂的观测电流值。

根据本申请的实施例，所述诊断方法还包括以下步骤：

将所述故障特征值转换为故障特征值P_m；

构建开关管故障状态与故障特征值P_m的对应关系；

建立开关管故障状态十进制信息表。

根据本申请的实施例，所述故障特征值转换为故障特征值P_m的计算式如下：

式中，分别为与m相绕组连接的开关管S_k和S_k+1的信号值，所述信号值为0或1，k＝1,3,5，m＝A,B,C。

具体的，将故障特征值转换为故障特征值P_m可以使故障特征值之间的区别更加显著，提高开关管不同故障之间的区别性，减少误诊断的几率，同时故障特征值P_m更加适用工程实际应用情况，提高可视化的区别性和判断性。

根据本申请的实施例，获得正常运行情况的相电流包括以下步骤：

获取所述励磁区间的代码；

获取所述电流传感器的观测电流值；

将所述励磁区间的代码、所述观测电流值输入相电流计算式，得到正常运行情况的相电流。

根据本申请的实施例，所述相电流计算式如下：

式中，i_A表示A相绕组相电流，i_B表示B相绕组相电流，i_C表示C相绕组相电流，Rn表示所在励磁区间的代码，n＝1,2,3；i_CS3表示所述电流传感器CS₃的观测电流值；i_CS4表示所述电流传感器CS₄的观测电流值。

具体的，在软斩波模式下，根据电流传感器CS₁、电流传感器CS₂、电流传感器CS₃、电流传感器CS₄的放置方式，可以得出重构相电流后各励磁区间内相电流i_A、i_B、i_C的计算式，具体如下：

励磁区间Ⅰ内，

i_A＝i_CS3， (27)

i_B＝0， (28)

i_C＝i_CS4， (29)

励磁区间Ⅱ内，

i_A＝i_CS3-i_CS4， (30)

i_B＝i_CS4， (31)

i_C＝0， (32)

励磁区间Ⅲ内，

i_A＝0， (33)

i_B＝i_CS3， (34)

i_C＝i_CS4-i_CS3。 (35)

可以看出，重构相电流后相电流i_A、i_B、i_C的计算式与各相绕组所处的励磁区间直接相关，可在此基础上进一步构建各相电流与励磁区间的代码Rn的关系式，建立正常运行情况下各相电流与励磁区间的代码Rn的联系。通过归纳法可以得到各相电流与励磁区间的代码Rn的关系式：

式中，i_A表示A相绕组相电流，i_B表示B相绕组相电流，i_C表示C相绕组相电流，Rn表示所在励磁区间的代码，n＝1,2,3；i_CS3表示所述电流传感器CS₃的观测电流值；i_CS4表示所述电流传感器CS₄的观测电流值。

根据本申请的实施例，各相绕组的工作状态包括励磁状态、续流状态、去磁状态；所述开关管S_k为斩波管；所述开关管S_k+1为位置管，表示m相绕组的工作状态，k＝1,3,5，m＝A,B,C；所述励磁状态为(1,1)，所述续流状态为(0,1)，所述去磁状态为(0,0)。

具体的，对于三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器，所述开关管S₁、所述开关管S₃、所述开关管S₅为斩波管；所述开关管S₂、所述开关管S₄、所述开关管S₆为位置管，分别为开关管S_k和开关管S_k+1的信号值，k＝1,3,5，所述信号值为0或1，/>表示各相绕组的工作状态，在所述开关磁阻电机正常运行情况下，各相绕组都有3种工作状态，即(1,1)励磁状态，(0,1)续流状态，(0,0)去磁状态。

综上，本申请公开有一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，基于上述方案产生的有益效果是，一是通过设计新的电流传感器放置方式，使得电流传感器可同时观测通过多个电器元件的电流，并划分励磁区间，重新构建了各相电流的计算式，二是根据新的电流传感器放置方式提取故障特征值，并利用符号函数对故障特征值进行二进制数字化处理，结合开关管驱动信号，建立了开关管故障状态与故障特征值之间的关系，然后利用二进制转十进制算法进一步将二进制故障特征值转换成十进制故障特征值，使得开关管不同故障状态之间的故障特征值区别更加显著化、更加适用于工程实际应用情况。本申请不改变不对称半桥拓扑结构，适用于多种桥式功率变换器拓扑，对开关磁阻电机的相数和转速没有限制要求，通用性强，受转速波动、负载变化和电流波动等因素影响较小，不需获取经验性阈值，鲁棒性好，可在线诊断，响应速度快，既可以获得正常运行情况下的各相电流，也可以精确诊断开关管的开路或短路故障状态，具有较好的实用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器电流传感器放置方式。

图2为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器的观测电流测量方式。

图3为本申请实施例两相同时导通情况下相电流、导通角和开关管驱动信号间的关系图。

图4为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器A相绕组励磁状态电流导通方向。

图5为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器A相绕组续流状态电流导通方向。

图6为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器A相绕组去磁状态电流导通方向。

图7为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器开关管故障诊断流程图。

图8为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器故障特征值与电流传感器的观测电流值、励磁区间的代码之间的关系图。

图9为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器A相绕组开关管信号与故障特征值i_CSA、故障特征值故障特征值P_A之间的关系图。

图10为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器B相绕组开关管信号与故障特征值i_CSB、故障特征值故障特征值P_B之间的关系图。

图11为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器C相绕组开关管信号与故障特征值i_CSC、故障特征值故障特征值P_C之间的关系图。

如图12所示为三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器电流传感器的观测电流值、励磁区间的代码之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示的一种三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器，所述开关磁阻电机为三相开关磁阻电机，包括功率变换器、A相绕组、B相绕组、C相绕组，所述功率变换器为不对称半桥功率变换器，包括直流母线电容c、若干开关管、若干二极管，若干电流传感器，所述诊断方法包括以下步骤：

(1)建立开关管故障状态信息表

预设励磁区间及各励磁区间的代码Rn，n＝1,2,3；

所述开关磁阻电机为三相12/10极电机，其每个转子周期为36°，平均划分为3个励磁区间，即励磁区间I的范围0～12°，励磁区间II的范围12～24°，励磁区间III的范围24～36°，所述励磁区间I的代码为R₁＝1、所述励磁区间II的代码为R₂＝2、所述励磁区间III的代码为R₃＝3。当各相绕组导通角θ≤12°时，各相绕组单独导通；当各相绕组导通角θ＞12°时，即存在两相同时导通的情况。如图3所示为软斩波模式下，两相同时导通情况下相电流、导通角和开关管驱动信号间的关系图，当0°<θ≤12°时，各相绕组处于励磁区间I内，此时A相绕组和C相绕组导通；当12°<θ≤24°时，各相绕组处于励磁区间II内，此时A相绕组和B相绕组导通；当24°<θ≤36°时，各相绕组处于励磁区间III内，此时B相绕组和C相绕组导通。设定Rn为励磁区间的代码，n＝1,2,3，在所述励磁区间I内R₁＝1，在所述励磁区间II内R₂＝2，在所述励磁区间III内R₃＝3。

所述开关磁阻电机转子所处角度θ可通过光耦传感器或编码器进行实时检测获得，而且A相绕组、B相绕组、C相绕组开通的角度分别为0°、12°和24°，因此通过检测角度θ便可以确定所述开关磁阻电机转子所处的励磁区间，从而确定励磁区间的代码Rn：

当0°<θ≤12°时，所述开关磁阻电机转子处于励磁区间I，对应励磁区间I的代码R₁＝1；

当12°<θ≤24°时，所述开关磁阻电机转子处于励磁区间II，对应励磁区间II的代码R₂＝2；

当24°<θ≤36°时，所述开关磁阻电机转子处于励磁区间III，对应励磁区间III的代码R₃＝3。

选取故障特征，构建所述故障特征值i_CSm的计算式；

如图1所示的三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器电流传感器放置方式，所述开关管包括开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆；所述二极管包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆；所述直流母线电容c的正极分别与所述开关管S₁、开关管S₃、开关管S₅的一端以及所述二极管D₂、二极管D₄、二极管D₆的阴极连接并与外部直流电源Us的正极共联，所述直流母线电容c的负极分别与所述开关管S₂、开关管S₄、开关管S₆的一端以及所述二极管D₁、二极管D₃、二极管D₅的阳极连接并与所述外部直流电源U_s的负极共联；

所述电流传感器包括电流传感器CS₁、电流传感器CS₂、电流传感器CS₃、电流传感器CS₄；

所述开关管S₁的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₁后分别与所述二极管D₁的阴极和所述A相绕组的一端连接，所述A相绕组的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₃后通过导线A_D、导线As分别与所述二极管D₂的阳极、所述开关管S₂的另一端连接，所述导线A_D正向穿过所述电流传感器CS₁，所述导线As负向穿过所述电流传感器CS₁；

所述开关管S₃的另一端导线依次正向穿过所述电流传感器CS₁、所述电流传感器CS₂后分别与所述二极管D₃的阴极和所述B相绕组的一端连接，所述B相绕组的另一端导线依次正向穿过所述电流传感器CS₃、所述电流传感器CS₄后通过导线B_D、导线Bs分别与所述二极管D₄的阳极、所述开关管S₄的另一端连接，所述导线B_D依次正向穿过所述电流传感器CS₁和所述电流传感器CS₂，所述导线Bs依次负向穿过所述电流传感器CS₂和所述电流传感器CS₁；

所述开关管S₅的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₂后分别与所述二极管D₅的阴极和所述C相绕组的一端连接，所述C相绕组的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₄后通过导线C_D、导线Cs分别与所述二极管D₆的阳极、所述开关管S₆的另一端连接，所述导线C_D正向穿过所述电流传感器CS₂，所述导线Cs负向穿过所述电流传感器CS₂。

在所述开关磁阻电机正常运行情况下，通常存在相邻两相同时导通的情况，此时存在两相导通的相电流同时流过电流传感器的情况。在如图3所示软斩波模式下，每个绕组都有3种工作状态，即励磁状态、续流状态和去磁状态，因此每个区间内都有6种工作状态。根据电流传感器CS₁、电流传感器CS₂、电流传感器CS₃、电流传感器CS₄的放置方式，所述电流传感器CS₁、所述电流传感器CS₂、所述电流传感器CS₃、所述电流传感器CS₄对应观测电流值i_CS1、观测电流值i_CS2、观测电流值i_CS3、观测电流值i_CS4的测量方式如图2所示，可以得出各励磁区间内所述电流传感器CS₁、所述电流传感器CS₂、所述电流传感器CS₃、所述电流传感器CS₄对应观测电流值i_CS1、观测电流值i_CS2、观测电流值i_CS3、观测电流值i_CS4的计算式，具体如下：

励磁区间I内，

i_CS1＝i_S1-i_S2+i_D2 (1)

i_CS2＝i_S5-i_S6+i_D6 (2)

i_CS3＝i_A (3)

i_CS4＝i_C (4)

励磁区间II内，

i_CS1＝(i_S1-i_S2+i_D2)+(i_S3-i_S4+i_D4) (5)

i_CS2＝i_S3-i_S4+i_D4 (6)

i_CS3＝i_A+i_B (7)

i_CS4＝i_B (8)

励磁区间III内，

i_CS1＝i_S3-i_S4+i_D4 (9)

i_CS2＝(i_S3-i_S4+i_D4)+(i_S5-i_S6+i_D6) (10)

i_CS3＝i_B (11)

i_CS4＝i_B+i_C (12)

式中，i_S1、i_S2、i_S3、i_S4、i_S5、i_S6分别表示通过开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆的电流，i_D2、i_D4、i_D6分别表示通过二极管D₂、二极管D₄、二极管D₆的电流，i_A、i_B、i_C分别表示通过A相绕组、B相绕组、C相绕组的电流。

故障特征值i_CSm，m＝A,B,C，i_CSA、i_CSB、i_CSC分别对应A相绕组、B相绕组、C相绕组的故障特征值。

通过分析计算式(1)～(12)可以看出所述电流传感器CS₁和所述电流传感器CS₂的观测电流值i_CS1和i_CS2与通过所述开关管S_k的电流i_Sk密切相关(k＝1,2,3,4,5,6)，故可以通过构建故障特征值i_CSm与所述观测电流值i_CS1和i_CS2的关系式，建立所述开关管S_k的运行状态与故障特征值之间的联系，从而诊断开关管S_k的故障状态。根据图1所示的三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器电流传感器放置方式，图2所示的三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器的观测电流测量方式及图3所示的两相同时导通情况下相电流、导通角和开关管驱动信号间的关系图，通过分析建立各励磁区间内所述故障特征值i_CSm与所述观测电流值i_CS1和i_CS2的关系式，具体如下：

励磁区间Ⅰ内，

i_CSA＝i_CS1 (13)

i_CSB＝0 (14)

i_CSC＝i_CS2 (15)

励磁区间Ⅱ内，

i_CSA＝i_CS1-i_CS2 (16)

i_CSB＝i_CS2 (17)

i_CSC＝0 (18)

励磁区间Ⅲ内，

i_CSA＝0 (19)

i_CSB＝i_CS1 (20)

i_CSC＝i_CS2-i_CS1 (21)

通过分析计算式(13)～(21)可以看出，按照如图1所示的所述电流传感器CS₁、所述电流传感器CS₂、所述电流传感器CS₃、所述电流传感器CS₄的放置方式，重构相电流后各励磁区间内各相绕组的故障特征值i_CSm的关系式与各相绕组所处的励磁区间直接相关，可在此基础上进一步构建所述故障特征值i_CSm与各励磁区间的代码Rn的关系式，建立所述开关管的运行状态与各励磁区间的代码Rn的联系。通过归纳法可以得到所述故障特征参数i_CSm的计算式，具体如下：

i_CSA＝(2-Rn)(3-Rn)i_CS1/2+(Rn-1)(3-Rn)(i_CS1-i_CS2) (22)

i_CSB＝(Rn-2)(Rn-1)i_CS1/2+(Rn-1)(3-Rn)(i_CS1-i_CS2) (23)

i_CSC＝(2-Rn)(3-Rn)i_CS2/2+(Rn-1)(2-Rn)(i_CS1-i_CS2)/2 (24)

式中，Rn表示所在励磁区间的代码，n＝1,2,3；i_CS1表示电流传感器CS₁的观测电流值；i_CS2表示电流传感器CS₂的观测电流值。

获取所述电流传感器的观测电流值，计算所述故障特征值i_CSm；

根据计算式(1)、(2)、(5)、(6)、(9)、(10)可知，计算所述故障特征值i_CSA、i_CSB、i_CSC需要获取电流i_S1、i_S2、i_S3、i_S4、i_S5、i_S6、i_D2、i_D4、i_D6。

如图1所示的三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器，所述开关管S₁、所述开关管S₃、所述开关管S₅为斩波管；所述开关管S₂、所述开关管S₄、所述开关管S₆为位置管，分别为开关管S_k和开关管S_k+1的信号值，k＝1,3,5，所述信号值为0或1，/>表示各相绕组的工作状态，在所述开关磁阻电机正常运行情况下，各相绕组都有3种工作状态，即(1,1)励磁状态，(0,1)续流状态，(0,0)去磁状态。如图4所示为A相绕组在(1,1)励磁状态时电流导通方向，如图5为A相绕组在(0,1)续流状态时电流导通方向，如图6为A相绕组在(0,0)去磁状态时电流导通方向，在此状态下电流会逐步减小到0。

在各工作状态及所述开关管正常运行情况下，经过计算式(22)～(24)计算，各相绕组的故障特征值i_CSm具体情况如表1所示。

将故障特征值i_CSm输入符号函数，得到故障特征值

计算所述故障特征值i_CSm的符号函数如下：

式中，m＝A,B,C。

采用符号函数(25)对表1中的故障特征值i_CSm进行计算，将故障特征值i_CSm转换成二进制数字，即故障特征值得到在各工作状态及所述开关管正常运行情况下，各相绕组故障特征值/>具体情况如表1所示。

构建开关管故障状态与故障特征值的对应关系，建立开关管故障状态二进制信息表；

与A相绕组连接的开关管S₁、开关管S₂的二进制故障诊断规则如下：

在各工作状态下，如开关管S₁出现短路故障，经过计算式(22)和(25)计算，A相绕组的故障特征值i_CSA及数字化故障特征值的具体情况如表1所示，可以看出在(0,1)续流状态时，所述数字化故障特征值/>与所述开关管S₁正常运行情况下的所述数字化故障特征值/>不同，而在(1,1)励磁状态，(0,0)去磁状态下，所述数字化故障特征值/>前后没有发生变化，故可以选定在(0,1)续流状态时，如数字化故障特征值/>则可以诊断出所述开关管S₁出现短路故障。

在各工作状态下，如开关管S₁出现开路故障，经过计算式(22)和(25)计算，A相绕组的故障特征值i_CSA及数字化故障特征值的具体情况如表1所示，可以看出在(1,1)励磁状态时，所述数字化故障特征值/>与所述开关管S₁正常运行情况下的所述数字化故障特征值/>不同，而在(0,1)续流状态，(0,0)去磁状态下，所述数字化故障特征值/>前后没有发生变化，故可以选定在(1,1)励磁状态时，如数字化故障特征值/>则可以诊断出所述开关管S₁出现开路故障。

在各工作状态下，如开关管S₂出现短路故障，经过计算式(22)和(25)计算，A相绕组的故障特征值i_CSA及数字化故障特征值的具体情况如表1所示，可以看出在(0,0)去磁状态时，所述数字化故障特征值/>与所述开关管S₂正常运行情况下的所述数字化故障特征值/>不同，而在(1,1)励磁状态，(0,1)续流状态下，所述数字化故障特征值/>前后没有发生变化，故可以选定在(0,0)续流状态时，如数字化故障特征值/>则可以诊断出所述开关管S₂出现短路故障。

在各工作状态下，如开关管S₂出现开路故障，经过计算式(22)和(25)计算，A相绕组的故障特征值i_CSA及数字化故障特征值的具体情况如表1所示，可以看出在(1,1)励磁状态时，所述数字化故障特征值/>与所述开关管S₂正常运行情况下的所述数字化故障特征值/>不同，且在(0,1)续流状态时，所述数字化故障特征值/>与所述开关管S₂正常运行情况下的所述数字化故障特征值/>不同，而在(0,0)去磁状态下，所述数字化故障特征值/>前后没有发生变化，但是考虑到实际应用，开路故障出现后(0,1)续流状态出现的概率很小，故既可以选定在(1,1)励磁状态时，如数字化故障特征值/>则可以诊断出所述开关管S₂出现开路故障，或也可以选定在(1,1)励磁状态和在(0,1)续流状态时，如数字化故障特征值/>则可以诊断出所述开关管S₂出现开路故障。

同理可以推测并制定出分别与B相绕组、C相绕组连接的开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆的故障诊断规则，建立开关管故障状态二进制信息表，如表1所示。

表1

进一步的，所述诊断方法还包括以下步骤：

将所述故障特征值用计算式(26)转换为故障特征值P_m，构建开关管故障状态与故障特征值P_m的对应关系，并建立开关管故障状态十进制信息表，如表2所示。故障特征值/>转换为故障特征值P_m的计算式如下：

其中，分别为与m相绕组连接的开关管S_k和S_k+1的信号值，所述信号值为0或1，k＝1,3,5，m＝A,B,C。

在二进制故障诊断规则的基础上，与A相绕组连接的开关管S₁、开关管S₂的十进制故障诊断规则如下：

在各工作状态下，若检测到P_A等于2，则确定所述开关管S₁发生短路故障；

在各工作状态下，若检测到P_A等于5，则确定所述开关管S₁发生开路故障；

在各工作状态下，若检测到P_A等于-1，则确定所述开关管S₂发生短路故障；

在各工作状态下，若检测到P_A等于7或3，则确定所述开关管S₂发生开路故障。

表2

同理可以推测并制定出与B相绕组、C相绕组连接的开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆的十进制故障诊断规则，建立开关管故障状态十进制信息表，如表2所示。利用二进制转十进制算法，综合利用开关管驱动信号，将故障特征值转换为故障特征值P_m，可以使开关管不同故障状态之间的故障特征更加显著，提高开关管不同故障之间的区别性，减少误诊断的几率，同时故障特征值P_m更加适用工程实际应用情况，提高可视化的区别性和判断性。

进一步的，根据如图1所示为三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器电流传感器放置方式，在如图3所示的软斩波模式下，分析计算式(3)、(4)、(7)、(8)、(11)、(12)，可以得到重构相电流后正常运行情况下各励磁区间内相电流i_A、i_B、i_C的计算式，具体如下：

励磁区间Ⅰ内，

i_A＝i_CS3 (27)

i_B＝0 (28)

i_C＝i_CS4 (29)

励磁区间Ⅱ内，

i_A＝i_CS3-i_CS4 (30)

i_B＝i_CS4 (31)

i_C＝0 (32)

励磁区间Ⅲ内，

i_A＝0 (33)

i_B＝i_CS3 (34)

i_C＝i_CS4-i_CS3 (35)

分析计算式(27)～(35)，可以看出在各励磁区间内相电流i_A、i_B、i_C与各相绕组所处的励磁区间直接相关，故可在此基础上进一步构建各相电流与励磁区间的代码Rn的关系式，建立正常运行情况下各相电流与励磁区间的代码Rn的联系。通过归纳法可以得到相电流i_A、i_B、i_C与励磁区间代码Rn的关系式：

式中，i_CS3表示所述电流传感器CS₃的观测电流值；i_CS4表示所述电流传感器CS₄的观测电流值。

利用计算式(36)～(38)便可实时获得正常运行情况下完整的相电流信息。

(2)判断开关管故障状态

如图7所示为本实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器开关管故障诊断流程图。

所述开关磁阻电机为三相12/10极电机发生故障报警，如图8所示为三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器故障特征值与电流传感器的观测电流值、励磁区间的代码之间的关系图。

在时间t＝0.242s时，获取所述开关磁阻电机转子的角度θ＝8.4°，判断与所述角度对应的励磁区间为励磁区间I，确定所述励磁区间I的代码R₁＝1；

通过检测装置实时获取电流传感器CS₁的观测电流值i_CS1，电流传感器CS₂的观测电流值i_CS2。

将所述励磁区间代码R₁及观测电流值i_CS1、i_CS2输入所述故障特征参数的计算式(22)～(24)，并根据图8所示的三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器故障特征值与电流传感器的观测电流值、励磁区间的代码之间的关系图，可得到具体的各相故障特征值：

i_CSA＝i_CS1＝-3.14A；

i_CSB＝0；

i_CSC＝i_CS2＝1.3A；

将以上故障特征值i_CSm输入符号函数(25)，得到数字化故障特征值

检测所述开关管的信号值，获得当前开关管工作状态

如图9所示为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器A相绕组开关管信号与故障特征值i_CSA、故障特征值故障特征值P_A之间的关系图，如图10所示为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器B相绕组开关管信号与故障特征值i_CSB、故障特征值/>故障特征值P_B之间的关系图，如图11所示为本申请实施例三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器C相绕组开关管信号与故障特征值i_CSC、故障特征值/>故障特征值P_C之间的关系图，在时间t＝0.242s时，检测到开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆的信号值分别为1、1、0、0、0、0，当前各相绕组的工作状态为A相绕组处于励磁状态(1,1)、B相绕组处于去磁状态(0,0)、C相绕组处于去磁状态(0,0)。

用故障特征值及各相绕组的工作状态对照所述开关管故障状态二进制信息表，得到开关管故障状态。

根据如表1的三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器开关管故障状态二进制信息表，在情况下A相绕组处于励磁状态、B相绕组处于去磁状态、C相绕组处于去磁状态，经过对照，可以得出开关管S₁出现开路故障。

在A相绕组处于励磁状态(1,1)、B相绕组处于去磁状态(0,0)、C相绕组处于去磁状态(0,0)下，将输入计算式(26)后，得到

P_A＝1×2²+1×2¹-1×2⁰＝5；

P_B＝0×2²+0×2¹+0×2⁰＝0；

P_C＝0×2²+0×2¹+1×2⁰＝1。

根据如表2所示的三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器开关管故障状态十进制信息表，在P_A＝5，P_B＝0，P_C＝1，A相绕组处于励磁状态(1,1)、B相绕组处于去磁状态(0,0)、C相绕组处于去磁状态(0,0)下，经过对照，可以得出开关管S₁出现开路故障。

(3)获得正常运行情况的相电流

所述开关磁阻电机为三相12/10极电机正常运行情况下，如图12所示为三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器电流传感器观测电流值、励磁区间代码之间的关系图，在所述三相开关磁阻电机运行在t＝0.243s时刻，获取所述开关磁阻电机转子的角度θ＝14.3°，判断与所述角度对应的励磁区间为励磁区间II，确定所述励磁区间I的代码R₂＝2；

通过电流传感器CS₃和电流传感器CS₄实时获得观测电流值i_CS3和i_CS4；

将所述励磁区间II的代码R₂＝2及观测电流值i_CS3和i_CS4输入计算式(36)～(38)，并根据如图12所示为三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器电流传感器观测电流值、励磁区间代码之间的关系图，可得到该时刻的相电流：

i_A＝i_CS3-i_CS4＝5.59-2.5＝3.09A；

i_B＝i_CS4＝2.5A；

i_C＝0A。

此时A相绕组的相电流为3.09A，B相绕组的相电流为2.5A，C相绕组的相电流为0A。故重构相电流计算方案后，正常运行情况下，通过获取当前所处励磁区间的代码和观测电流值i_CS3和i_CS4即可实时获得各相电流值。

综合以上技术方案，本申请公开有一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，一是通过设计新的电流传感器放置方式，使得电流传感器可同时观测通过多个电器元件的电流，并划分励磁区间，重新构建了各相电流的计算式，二是根据新的电流传感器放置方式提取故障特征值，并利用符号函数对故障特征值进行二进制数字化处理，结合开关管工作状态，建立了开关管故障状态与故障特征值之间的关系，然后利用二进制转十进制算法进一步将二进制故障特征值转换成十进制故障特征值，使得开关管不同故障状态之间的故障特征值区别更加显著化、更加适用于工程实际应用情况。本申请不改变不对称半桥拓扑结构，适用于多种功率变换器拓扑，对开关磁阻电机的相数和转速没有限制要求，通用性强，受转速波动、负载变化和电流波动等因素影响较小，不需获取经验性阈值，鲁棒性好，可在线诊断，响应速度快，既可以获得正常运行情况下的各相电流，也可以精确诊断开关管的开路或短路故障状态，具有较好的实用价值。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (5)

1.一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，所述功率变换器包括开关管、电流传感器，其特征在于，所述开关磁阻电机为三相电机，包括功率变换器、A相绕组、B相绕组、C相绕组，所述功率变换器包括直流母线电容c、二极管，所述开关管包括开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆，所述二极管包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆；所述直流母线电容c的正极分别与所述开关管S₁、所述开关管S₃、所述开关管S₅的一端以及所述二极管D₂、所述二极管D₄、所述二极管D₆的阴极连接并与外部直流电源Us的正极共联，所述直流母线电容c的负极分别与所述开关管S₂、所述开关管S₄、所述开关管S₆的一端以及所述二极管D₁、所述二极管D₃、所述二极管D₅的阳极连接并与所述外部直流电源U_s的负极共联；

所述电流传感器包括电流传感器CS₁、电流传感器CS₂、电流传感器CS₃、电流传感器CS₄；

所述开关管S₁的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₁后分别与所述二极管D₁的阴极和所述A相绕组的一端连接，所述A相绕组的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₃后通过导线A_D、导线As分别与所述二极管D₂的阳极、所述开关管S₂的另一端连接，所述导线A_D正向穿过所述电流传感器CS₁，所述导线As负向穿过所述电流传感器CS₁；

所述开关管S₃的另一端导线依次正向穿过所述电流传感器CS₁、所述电流传感器CS₂后分别与所述二极管D₃的阴极和所述B相绕组的一端连接，所述B相绕组的另一端导线依次正向穿过所述电流传感器CS₃、所述电流传感器CS₄后通过导线B_D、导线Bs分别与所述二极管D₄的阳极、所述开关管S₄的另一端连接，所述导线B_D依次正向穿过所述电流传感器CS₁和所述电流传感器CS₂，所述导线Bs依次负向穿过所述电流传感器CS₂和所述电流传感器CS₁；

所述开关管S₅的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₂后分别与所述二极管D₅的阴极和所述C相绕组的一端连接，所述C相绕组的另一端导线正向穿过所述电流传感器CS₄后通过导线C_D、导线Cs分别与所述二极管D₆的阳极、所述开关管S₆的另一端连接，所述导线C_D正向穿过所述电流传感器CS₂，所述导线Cs负向穿过所述电流传感器CS₂；

所述诊断方法包括以下步骤：

构建开关管故障状态二进制信息表；

获取励磁区间代码；

获取所述电流传感器的观测电流值；

将所述励磁区间代码、所述观测电流值输入故障特征值i_CSm的计算式，得到故障特征值i_CSm；所述故障特征值i_CSm的计算式如下：

i_CSA＝(2-Rn)(3-Rn)i_CS1/2+(Rn-1)(3-Rn)(i_CS1-i_CS2) (22)

i_CSB＝(Rn-2)(Rn-1)i_CS1/2+(Rn-1)(3-Rn)(i_CS1-i_CS2) (23)

i_CSC＝(2-Rn)(3-Rn)i_CS2/2+(Rn-1)(2-Rn)(i_CS1-i_CS2)/2 (24)

式中，m＝A,B,C；Rn表示所在励磁区间的代码，n＝1,2,3；i_CS1表示电流传感器CS₁的观测电流值；i_CS2表示电流传感器CS₂的观测电流值；

将故障特征值i_CSm输入符号函数，得到故障特征值所述符号函数如下：

式中，m＝A,B,C；

检测所述开关管的信号值，获得各相绕组的工作状态；

用故障特征值及各相绕组的工作状态对照所述开关管故障状态二进制信息表，得到开关管故障状态；

其中，构建开关管故障状态二进制信息表包括以下步骤：

预设励磁区间及各励磁区间的代码；

选取故障特征；

构建所述故障特征值i_CSm的计算式；

计算所述故障特征值i_CSm；

将故障特征值i_CSm输入符号函数，得到故障特征值

构建开关管故障状态与故障特征值的对应关系；

建立开关管故障状态二进制信息表。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，其特征在于，所述开关磁阻电机的每个转子周期内平均划分3个所述励磁区间，即励磁区间I、励磁区间II、励磁区间III，且所述励磁区间I的代码R₁＝1，所述励磁区间II的代码R₂＝2，所述励磁区间III的代码R₃＝3。

3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，其特征在于，所述诊断方法还包括以下步骤：

将所述故障特征值转换为故障特征值P_m；所述故障特征值/>转换为故障特征值P_m的计算式如下：

式中，分别为与m相绕组连接的开关管S_k和S_k+1的信号值，所述信号值为0或1，k＝1,3,5，m＝A,B,C；

构建开关管故障状态与故障特征值P_m的对应关系；

建立开关管故障状态十进制信息表。

4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，其特征在于，获得正常运行情况的相电流包括以下步骤：

获取励磁区间代码；

获取电流传感器的观测电流值；

将所述励磁区间代码、所述观测电流值输入相电流计算式，得到正常运行情况的相电流；所述相电流计算式如下：

式中，i_A表示A相绕组相电流，i_B表示B相绕组相电流，i_C表示C相绕组相电流，Rn表示所在励磁区间的代码，n＝1,2,3；i_CS3表示所述电流传感器CS₃的观测电流值；i_CS4表示所述电流传感器CS₄的观测电流值。

5.根据权利要求3所述的一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，其特征在于，各相绕组的工作状态包括励磁状态、续流状态、去磁状态；所述开关管S_k为斩波管；所述开关管S_k+1为位置管，表示m相绕组的工作状态；所述励磁状态为(1,1)，所述续流状态为(0,1)，所述去磁状态为(0,0)。