CN114325380B - 一种永磁同步电机驱动系统故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机驱动系统故障诊断方法，属于故障诊断技术领域。所述故障包括逆变器执行器故障和电流传感器微小故障。该方法包括建立混合逻辑动态模型、建立状态方程和建立增广系统并进行坐标变换、解耦成为两个子系统，分别对两个子系统建立新型自适应滑模观测器、做残差、给定自适应阈值、故障诊断。本发明采用的状态增广法对微小故障进行重构，使得微小故障更加容易检测，同时解耦成为两个子系统，可以分别考虑执行器故障和传感器故障；该方法采用的新型自适应滑模观测器先相较于传统滑模观测器减少了发生滑模运动的时间和抖振；该方法采用的自适应阈值提高了故障诊断的准确性、鲁棒性和抗干扰性。

Description

一种永磁同步电机驱动系统故障诊断方法

技术领域

本发明属于故障诊断领域，涉及永磁同步电机驱动系统故障诊断方法，尤其涉及永磁同步电机驱动系统逆变器执行器故障和电流传感器微小故障诊断方法。

背景技术

永磁同步电机的驱动系统是新能源电动汽车的重要组成部分，其安全性和可靠性直接影响电动汽车的正常使用。而逆变器的开关管即执行器与电流传感器是驱动系统的重要部件之一，很容易产生故障，从而导致整个驱动系统故障，造成严重的交通事故、人员伤亡和财产损失。

执行器故障主要分为两类：开路故障和短路故障。开关管的短路故障由保护电路保护，当系统发生短路故障时保护电路迅速断开，最终会将开关管短路故障转换为开路故障，鉴于短路故障时间短，会迅速转换为开路故障，故只考虑对两电平逆变器开关管开路故障进行诊断。

传感器故障主要分为两类：严重故障和精度故障。严重故障主要包括：电流传感器短路、断路、卡死故障等；而精度故障包括电流传感器微小、漂移、比例故障等。

目前针对驱动系统故障诊断的方法，主要有以下几种诊断方法：

1、基于特征提取技术的故障诊断方法。故障特征提取是故障诊断的核心环节，目前故障特征提取的典型方法主要包括状态观测器法、参数估计法、矢量分析法、频谱分析法、小波分析法、主元分析法、经验模态分解法。《基于滑模技术故障诊断和容错控制及应用于高速列车的研究》(张康康，南京航空航天大学，2018年12月)、《Sliding mode observerbased incipient sensor fault detection with application to high-speed railwaytraction device》(基于滑模观测器的传感器微小故障检测及其在高速铁路牵引装置中的应用，张康康，ISA TRANSACTIONS，2016年7月)提出了一种状态观测器的方法，该方法首先通过建立数学模型和观测器，将实际的系统输出与观测器的观测信息进行比较得到残差，之后基于适当的决策规则对残差分析以实现对故障的诊断。该方法需要建立被诊断对象的较为精确的数学模型，能应对逆变器单管开路故障的情形，并且诊断正确率较高，但是对于非线性系统来说，难点就在于数学模型难以建立。

2、基于数据驱动的诊断方法。这类方法的基本原理是利用机器学习、统计分析、信号分析方法，如直接从大量的在线操作的数据分析和处理过程，找出故障特征，进行故障诊断。相关论文及专利如《Data-Driven Incipient Fault Detection via CanonicalVariate Dissimilarity and Mixed Kernel Principal Component Analysis》(基于典型变量相异性和混合核主成分分析的数据驱动早期故障检测，吴平，IEEE TRANSACTIONS ONINDUSTRIAL INFORMATICS，2021年8月)、中国发明专利申请公开《一种用于高铁逆变器的微小故障诊断系统的设计方法》(CN 106959397 A)等，此类方法不需要知道系统精确的数学模型，但是需要知道准确的数据，另外针对采集的数据要选择合适的处理方法，不同处理方法会导致不同程度的偏差。

综上所述，现有技术存在的问题包括：

1、针对可以建立准确数学模型的逆变器，基于特征提取技术的故障诊断方法相较于基于数据驱动的诊断方法具有明显优势；

2、微小故障不容易检测；

3、发生滑模运动时趋近速率慢且抖震大；

4、自适应阈值抗干扰性不强；

5、只考虑传感器故障没考虑执行器故障或者只考虑了执行器故障没考虑传感器故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机驱动系统故障诊断方法，解决上述现有技术中存在的问题。具体的，将原系统的状态方程和故障表示成增广形式，通过坐标变换，进行故障重构与解耦，使系统解耦成为分别含有执行器故障与电流传感器微小故障的两个子系统，让故障对系统的影响更直观的表现出来；利用解耦成为分别含有执行器故障与电流传感器微小故障的两个子系统，在考虑执行器故障的同时又考虑了传感器故障，使得考虑的故障诊断更加面；利用新型自适应滑模观测器的趋近律取代传统的等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律，通过合理的参数设计，可以更快的到达滑模面并减小滑模运动的抖振，从而达到更好的跟踪实际情况的效果；利用自适应阈值取代传统的常数阈值，减小故障诊断的时间，同时防止漏报或者误报，提高故障诊断的鲁棒性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种永磁同步电机驱动系统故障诊断方法，所述驱动系统故障包括逆变器执行器故障和电流传感器微小故障，所述驱动系统涉及的拓扑结构包括直流电源、三相两电平逆变器、永磁同步电机、电流传感器和控制模块，所述永磁同步电机包括三个相同的等效电阻，三个相同的等效电感和三相绕组反电动势；

所述三相两电平逆变器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并连，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由两个开关管串联组成，即逆变电路共包含6个开关管，该6个开关管组成三相两电平逆变器的执行器；将6个开关管记为V_kγ，γ表示开关管的序号，γ＝1，2；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2依次串联，开关管V_k1、开关管V_k2的连接点记为点

所述三个相同的等效电阻记为电阻R_k、三个相同的等效电感记为电感L_k、三相绕组反电动势记为反电动势e_k，k＝a，b，c，所述电阻R_k的一端与输出点

相连，另一端与电感L_k相连，电感L_k的另一端连接反电动势e_k的正极，反电动势e_k的负极接地；

所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端Γ_k，k＝a，b，c，检测端Γ_k连接在输出点

和电阻R_k之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接6个开关管V_kη；

所述诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将三相两电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

k＝a，b，c：

所述逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c，U_dc为直流侧电压；

所述k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，建立逆变器的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为三相输出电流i_a，i_b，i_c的导数，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，S_a为a相桥臂的开关函数，S_b为b相桥臂的开关函数，S_c为c相桥臂的开关函数，e_a为a相绕组的反电动势，e_b为b相绕组的反电动势，e_c为c相绕组的反电动势，G₁为扰动矩阵，η为逆变器的微小扰动信号；

步骤3，记电流传感器的微小故障为微小故障f_s，建立微小故障方程，其表达式如下：

其中，

为微小故障f_s的导数，A_f为Hurwitz矩阵，ξ表示微小故障激励信号；

步骤4，记驱动系统的逆变器执行器故障为执行器故障f_a，含有执行器故障f_a与微小故障f_s的逆变器系统动态方程的表达式为：

其中，D₁为执行器故障矩阵，C₁为输出矩阵，

F为电流传感器故障矩阵，y为系统输出；

步骤5，采用状态增广法对微小故障方程和包含执行器故障f_a与微小故障f_s的逆变器系统动态方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：

y＝CX

其中，x为增广系统状态变量，

为增广系统状态变量x的导数；u为增广系统输入，

e为增广系统反电动势，

A为增广系统状态矩阵，

B₁为增广系统输入矩阵，

B₂为增广系统反电动势矩阵，

D为增广系统执行器故障矩阵，

G为增广系统扰动矩阵，

E为增广系统电流传感器微小故障的激励矩阵，

C为增广系统输出矩阵，C＝[C₁ F]；

步骤6，给定一级状态变量z，一级状态变量z的表达式为：

其中，T为线性变换矩阵，

z₁，z₂为二级状态变量，

z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂为三级状态变量；将二级状态变量z₁，z₂的表达式代入

将三级状态变量z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂的导数分别记为三级状态变量导数

二级状态变量z₁，z₂的导数分别记为二级状态变量导数

一级状态变量z的导数记为状态变量导数

则线性变换后的二级状态变量导数

与系统输出y的表达式分别如下：

其中，A₁，A₂，A₃，A₄为线性变换后的增广系统状态矩阵，

B₁₁，B₁₂为线性变换后的增广系统输入矩阵，

B₂₁，B₂₂为线性变换后的增广系统反电动势矩阵，

D₁₁为线性变换后的增广系统电流传感器故障矩阵，

G₁₁，G₂₂为线性变换后的增广系统扰动矩阵，

E₂₂为线性变换后的增广系统电流传感器微小故障的激励矩阵，

C₁₁，C₂₂为线性变换后的增广系统输出矩阵，

C₂₂＝[0 1]；

步骤7，将线性变换后的增广系统拆分成为两个子系统，具体的，记含有执行器故障的子系统为子系统1，子系统1的输出记为子系统1输出y₁，记含有电流传感器故障的子系统为子系统2，子系统2的输出记为子系统2输出y₂；

子系统1输出y₁的表达式为：

y₁＝C₁₁z₁

子系统2输出y₂的表达式为：

y₂＝C₂₂z₂

步骤8，将三级状态变量z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂的估计值分别记为三级状态变量估计值

将二级状态变量z₁，z₂的估计值分别记为二级状态变量估计值

将三级状态变量估计值

的导数记为三级状态变量估计值导数

将二级状态变量估计值

的导数记为二级状态变量估计值导数

子系统1输出y₁的估计值记为子系统1输出估计值

子系统2输出y₂的估计值记为子系统2输出估计值

构建子系统1的新型自适应滑模观测器，其表达式为：

构建子系统2的新型自适应滑模观测器，其表达式为：

其中，k₁为可调参数1，且k₁＞0，k₂为可调参数2，且k₂＞0，λ为可调参数3，且λ∈(0，1)，α为可调参数4，α＝5，p为可调参数5，p＝0.75，sign()为符号函数，s₁为滑模面，且

s₂为滑模面，且

步骤9，定义以下残差：

第一残差e₁，

第二残差e₂，

第三残差e₁₁，

第四残差e₁₂，

第五残差e₂₁，

第六残差e₂₂，

则第三残差e₁₁、第四残差e₁₂、第五残差e₂₁和第六残差e₂₂的导数

的表达式为：

步骤10，给定执行器故障诊断自适应阈值Th_a与电流传感器微小故障诊断自适应阈值Th_s；

步骤11，定义执行器故障检测特征量Z_a，

定义电流传感器微小故障检测特征量Z_s，

且令Z_a，Z_s等于1后则一直保持其值为1，并进行如下诊断：

若Z_a＝0，则认定逆变器的执行器未发生执行器故障；

若Z_a＝1，则认定逆变器的执行器发生执行器故障；

若Z_s＝0，则认定逆变器的电流传感器未发生微小故障；

若Z_s＝1，则认定逆变器的电流传感器发生了微小故障。

优选地，步骤1所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从三相两电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向三相两电平逆变器为负，定义逻辑变量δ_k，δ_k＝1表示k相电流为正，δ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kη的开关信号记为μ_kη，且用符号“-”表示逻辑非，μ_kη＝1表示开关管V_kη处于导通状态，μ_kη＝0表示开关管V_kη处于断开状态，则k相桥臂的开关函数S_k的表达式为：

优选地，步骤10所述执行器故障诊断自适应阈值Th_a与电流传感器微小故障诊断自适应阈值Th_s的表达式分别如下：

其中，t是时间变量，表示驱动系统运行的时间，e为自然对数函数的底数，σ是小于

的常数，e₁₁(0)表示第三残差e₁₁在t＝0时刻的初始值，e₂₂(0)表示第六残差e₂₂在t＝0时刻的初始值，τ是时间常数，d表示微分，∫表示一重积分号；||||为范数符号，

表示当电流传感器发生微小故障时所对应的微小故障激励信号ξ的值。

由于采用了上述故障诊断方法，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、采用了状态增广法和坐标变换对故障进行重构，使得微小故障可以具体的体现出来，更加容易检测；

2、采用的坐标变换法使系统解耦成为两个子系统，分别用来诊断执行器故障与电流传感器微小故障；

3、采用了新型自适应滑模观测器，解决了传统滑模观测器发生滑模运动时趋近速率慢和抖振大的问题；

4、设计新型的自适应阈值和残差比较做故障诊断，增加了抗干扰性，提高了故障检测的准确性和鲁棒性；

5、实现了对执行器故障和电流传感器微小故障诊断并检验了故障诊断结果的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种永磁同步电机驱动系统涉及的拓扑图；

图2是本发明永磁同步电机驱动系统故障诊断方法的示意图；

图3是本发明永磁同步电机驱动系统故障诊断方法的流程图；

图4是本发明实施例中在执行器故障发生前后的三级状态变量z₁₁及其观测值

的仿真波形图；

图5是本发明实施例中第三残差e₁₁和执行器诊断自适应阈值Th_a的仿真波形图；

图6是本发明实施例中执行器故障检测特征量Z_a的仿真波形图；

图7是本发明实施例中在微小故障发生前后的三级状态变量z₂₂及其观测值

的仿真波形图；

图8是本发明实施例中第六残差e₂₂和电流传感器微小故障诊断自适应阈值Th_s的仿真波形图；

图9是本发明实施例中电流传感器微小故障检测特征量Z_s的仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的及技术方案进行清晰、完整的阐述。

图1是本发明例中的该方法所述永磁同步电机驱动系统涉及的拓扑图。由图可见，所述驱动系统涉及的拓扑结构包括直流电源、三相两电平逆变器、永磁同步电机、电流传感器和控制模块，所述永磁同步电机包括三个相同的等效电阻，三个相同的等效电感和三相绕组反电动势。

所述三相两电平逆变器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并连，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由两个开关管串联组成，即逆变电路共包含6个开关管，该6个开关管组成三相两电平逆变器的执行器；将6个开关管记为V_kγ，γ表示开关管的序号，γ＝1，2；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2依次串联，开关管V_k1、开关管V_k2的连接点记为点

所述三个相同的等效电阻记为电阻R_k、三个相同的等效电感记为电感L_k、三相绕组反电动势记为反电动势e_k，k＝a，b，c，所述电阻R_k的一端与输出点

相连，另一端与电感L_k相连，电感L_k的另一端连接反电动势e_k的正极，反电动势e_k的负极接地。

所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端Γ_k，k＝a，b，c，检测端Γ_k连接在输出点

和电阻R_k之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接6个开关管V_kη。

在图1中，PMSM为永磁同步电机。

图2是本发明永磁同步电机驱动系统故障诊断方法的示意图。图3是本发明永磁同步电机驱动系统故障诊断方法的流程图。由图2-图3可见，所述驱动系统故障包括逆变器执行器故障和电流传感器微小故障，所述诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将三相两电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

k＝a，b，c；

所述逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c，U_dc为直流侧电压；

所述k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

在本实施例中，直流侧电压U_dc＝311V。

所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从三相两电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向三相两电平逆变器为负，定义逻辑变量δ_k，δ_k＝1表示k相电流为正，δ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kη的开关信号记为μ_kη，且用符号“-”表示逻辑非，μ_kη＝1表示开关管V_kη处于导通状态，μ_kη＝0表示开关管V_kη处于断开状态，则k相桥臂的开关函数S_k的表达式为：

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，建立逆变器的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为三相输出电流i_a，i_b，i_c的导数，R为电阻Ra的电阻值，L为电感L_a的电感值，S_a为a相桥臂的开关函数，S_b为b相桥臂的开关函数，S_c为c相桥臂的开关函数，e_a为a相绕组的反电动势，e_b为b相绕组的反电动势，e_c为c相绕组的反电动势，G₁为扰动矩阵，η为逆变器的微小扰动信号。

在本实施例中，

步骤3，记电流传感器的微小故障为微小故障f_s，建立微小故障方程，其表达式如下：

其中，

为微小故障f_s的导数，A_f为Hurwitz矩阵，ξ表示微小故障激励信号。

在本实施例中，

A_f＝-1000。其中，t是时间变量，表示驱动系统运行的时间。

步骤4，记驱动系统的逆变器执行器故障为执行器故障f_a，含有执行器故障f_a与微小故障f_s的逆变器系统动态方程的表达式为：

其中，D₁为执行器故障矩阵，C₁为输出矩阵，

F为电流传感器故障矩阵，y为系统输出。

在本实施例中，

步骤5，采用状态增广法对微小故障方程和包含执行器故障f_a与微小故障f_s的逆变器系统动态方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：

y＝CX

其中，x为增广系统状态变量，

为增广系统状态变量x的导数；u为增广系统输入，

e为增广系统反电动势，

A为增广系统状态矩阵，

B₁为增广系统输入矩阵，

B₂为增广系统反电动势矩阵，

D为增广系统执行器故障矩阵，

G为增广系统扰动矩阵，

E为增广系统电流传感器微小故障的激励矩阵，

C为增广系统输出矩阵，C＝[C₁ F]。

步骤6，给定一级状态变量z，一级状态变量z的表达式为：

其中，T为线性变换矩阵，

z₁，z₂为二级状态变量，

z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂为三级状态变量；将二级状态变量z₁，z₂的表达式代入

将三级状态变量z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂的导数分别记为三级状态变量导数

二级状态变量z₁，z₂的导数分别记为二级状态变量导数

一级状态变量z的导数记为状态变量导数

则线性变换后的二级状态变量导数

与系统输出y的表达式分别如下：

其中，A₁，A₂，A₃，A₄为线性变换后的增广系统状态矩阵，

B₁₁，B₁₂为线性变换后的增广系统输入矩阵，

B₂₁，B₂₂为线性变换后的增广系统反电动势矩阵，

D₁₁为线性变换后的增广系统电流传感器故障矩阵，

G₁₁，G₂₂为线性变换后的增广系统扰动矩阵，

E₂₂为线性变换后的增广系统电流传感器微小故障的激励矩阵，

C₁₁，C₂₂为线性变换后的增广系统输出矩阵，

C₂₂＝[0 1]。

步骤7，将线性变换后的增广系统拆分成为两个子系统，具体的，记含有执行器故障的子系统为子系统1，子系统1的输出记为子系统1输出y₁，记含有电流传感器故障的子系统为子系统2，子系统2的输出记为子系统2输出y₂。

子系统1输出y₁的表达式为：

y₁＝C₁₁z₁

子系统2输出y₂的表达式为：

y₂＝C₂₂z₂

步骤8，将三级状态变量z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂的估计值分别记为三级状态变量估计值

将二级状态变量z₁，z₂的估计值分别记为二级状态变量估计值

将三级状态变量估计值

的导数记为三级状态变量估计值导数

将二级状态变量估计值

的导数记为二级状态变量估计值导数

子系统1输出y₁的估计值记为子系统1输出估计值

子系统2输出y2的估计值记为子系统2输出估计值

构建子系统1的新型自适应滑模观测器，其表达式为：

构建子系统2的新型自适应滑模观测器，其表达式为：

其中，k₁为可调参数1，且k₁＞0，k₂为可调参数2，且k₂＞0，λ为可调参数3，且λ∈(0，1)，α为可调参数4，α＝5，p为可调参数5，p＝0.75，sign()为符号函数，s₁为滑模面，且

s₂为滑模面，且

在本实施例中，取k₁＝5，k₂＝1，λ＝0.25。

步骤9，定义以下残差：

第一残差e₁，

第二残差e₂，

第三残差e₁₁，

第四残差e₁₂，

第五残差e₂₁，

第六残差e₂₂，

则第三残差e₁₁、第四残差e₁₂、第五残差e₂₁和第六残差e₂₂的导数

的表达式为：

步骤10，给定执行器故障诊断自适应阈值Th_a与电流传感器微小故障诊断自适应阈值Th_s，表达式分别如下：

其中，t是时间变量，表示驱动系统运行的时间，e为自然对数函数的底数，σ是小于

的常数，e₁₁(0)表示第三残差e₁₁在t＝0时刻的初始值，e₂₂(0)表示第六残差e₂₂在t＝0时刻的初始值，τ是时间常数，d表示微分，∫表示一重积分号；||||为范数符号，

表示当电流传感器发生微小故障时所对应的微小故障激励信号ξ的值。

步骤11，定义执行器故障检测特征量Z_a，

定义电流传感器微小故障检测特征量Z_s，

且令Z_a，Z_s等于1后则一直保持其值为1，并进行如下诊断：

若Z_a＝0，则认定逆变器的执行器未发生执行器故障；

若Z_a＝1，则认定逆变器的执行器发生执行器故障；

若Z_s＝0，则认定逆变器的电流传感器未发生微小故障；

若Z_s＝1，则认定逆变器的电流传感器发生了微小故障。

至此，诊断结束。

为了佐证本发明的有益效果，对本发明进行了仿真。

图4是本发明实施例中在执行器故障发生前后的三级状态变量z₁₁及其观测值

的仿真波形图。由该图可见，执行器故障在0.15秒发生前后z₁₁及其

的变化。

图5是本发明实施例中第三残差e₁₁和执行器诊断自适应阈值Th_a的仿真波形图。由该图可见，执行器故障发生0.15秒时e₁₁突然变大超过Th_a。

图6是本发明实施例中执行器故障检测特征量Z_a的仿真波形图，由该图可见，Z_a在0.15秒时由0变为1，可以判断执行器发生开路故障。

图7是本发明实施例中在微小故障发生前后的三级状态变量z22及其观测值

的仿真波形图，由该图可见，执行器故障在0.15秒发生前后z₂₂及其

的变化。

图8是本发明实施例中第六残差e₂₂和电流传感器微小故障诊断自适应阈值Th_s的仿真波形图。由该图可见，微小故障发生0.15秒时e₂₂突然变大超过Th_s。

图9是本发明实施例中电流传感器微小故障检测特征量Z_s的仿真波形图，由该图可见，Z_s在0.15秒时由0变为1，可以判断电流传感器发生微小故障。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机驱动系统故障诊断方法，所述驱动系统故障包括逆变器执行器故障和电流传感器微小故障，所述驱动系统涉及的拓扑结构包括直流电源、三相两电平逆变器、永磁同步电机、电流传感器和控制模块，所述永磁同步电机包括三个相同的等效电阻，三个相同的等效电感和三相绕组反电动势；

所述三相两电平逆变器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流电源并连，将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由两个开关管串联组成，即逆变电路共包含6个开关管，该6个开关管组成三相两电平逆变器的执行器；将6个开关管记为V_kγ，γ表示开关管的序号，γ＝1，2；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V_k1、开关管V_k2依次串联，开关管V_k1、开关管V_k2的连接点记为点

所述三个相同的等效电阻记为电阻R_k、三个相同的等效电感记为电感L_k、三相绕组反电动势记为反电动势e_k，k＝a，b，c，所述电阻R_k的一端与输出点

相连，另一端与电感L_k相连，电感L_k的另一端连接反电动势e_k的正极，反电动势e_k的负极接地；

所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端Γ_k，k＝a，b，c，检测端Γ_k连接在输出点

和电阻R_k之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接6个开关管V_kη；

其特征在于，所述诊断方法包括以下步骤：

步骤1，将三相两电平逆变器记为逆变器，建立逆变器的混合逻辑动态模型，并计算k相相电压U_k的估计值

k＝a，b，c；

所述逆变器的混合逻辑动态模型的表达式为：

其中，

为k相端电压的估计值，S_k为k相桥臂的开关函数，k＝a，b，c，U_dc为直流侧电压；

所述k相相电压U_k的估计值

的表达式为：

步骤2，采样逆变器的三相输出电流i_a，i_b，i_c，建立逆变器的电流状态方程，其表达式为：

其中，

为三相输出电流i_a，i_b，i_c的导数，R为电阻R_a的电阻值，L为电感L_a的电感值，S_a为a相桥臂的开关函数，S_b为b相桥臂的开关函数，S_c为c相桥臂的开关函数，e_a为a相绕组的反电动势，e_b为b相绕组的反电动势，e_c为c相绕组的反电动势，G₁为扰动矩阵，η为逆变器的微小扰动信号；

步骤3，记电流传感器的微小故障为微小故障f_s，建立微小故障方程，其表达式如下：

其中，

为微小故障f_s的导数，A_f为Hurwitz矩阵，ξ表示微小故障激励信号；

步骤4，记驱动系统的逆变器执行器故障为执行器故障f_a，含有执行器故障f_a与微小故障f_s的逆变器系统动态方程的表达式为：

其中，D₁为执行器故障矩阵，C₁为输出矩阵，

F为电流传感器故障矩阵，y为系统输出；

步骤5，采用状态增广法对微小故障方程和包含执行器故障f_a与微小故障f_s的逆变器系统动态方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：

y＝CX

其中，x为增广系统状态变量，

为增广系统状态变量x的导数；u为增广系统输入，

e为增广系统反电动势，

A为增广系统状态矩阵，

B₁为增广系统输入矩阵，

B₂为增广系统反电动势矩阵，

D为增广系统执行器故障矩阵，

G为增广系统扰动矩阵，

E为增广系统电流传感器微小故障的激励矩阵，

C为增广系统输出矩阵，C＝[C₁ F]；

步骤6，给定一级状态变量z，一级状态变量z的表达式为：

其中，T为线性变换矩阵，

z₁，z₂为二级状态变量，

z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂为三级状态变量；将二级状态变量z₁，z₂的表达式代入

将三级状态变量z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂的导数分别记为三级状态变量导数

二级状态变量z₁，z₂的导数分别记为二级状态变量导数

一级状态变量z的导数记为状态变量导数

则线性变换后的二级状态变量导数

与系统输出y的表达式分别如下：

其中，A₁，A₂，A₃，A₄为线性变换后的增广系统状态矩阵，

B₁₁，B₁₂为线性变换后的增广系统输入矩阵，

B₂₁，B₂₂为线性变换后的增广系统反电动势矩阵，

D₁₁为线性变换后的增广系统电流传感器故障矩阵，

C₁₁，G₂₂为线性变换后的增广系统扰动矩阵，

E₂₂为线性变换后的增广系统电流传感器微小故障的激励矩阵，

C₁₁，C₂₂为线性变换后的增广系统输出矩阵，

C₂₂＝[0 1]；

步骤7，将线性变换后的增广系统拆分成为两个子系统，具体的，记含有执行器故障的子系统为子系统1，子系统1的输出记为子系统1输出y₁，记含有电流传感器故障的子系统为子系统2，子系统2的输出记为子系统2输出y₂；

子系统1输出y₁的表达式为：

y₁＝C₁₁z₁

子系统2输出y₂的表达式为：

y₂＝C₂₂z₂

步骤8，将三级状态变量z₁₁，z₁₂，z₂₁，z₂₂的估计值分别记为三级状态变量估计值

将二级状态变量z₁，z₂的估计值分别记为二级状态变量估计值

将三级状态变量估计值

的导数记为三级状态变量估计值导数

将二级状态变量估计值

的导数记为二级状态变量估计值导数

子系统1输出y₁的估计值记为子系统1输出估计值

子系统2输出y₂的估计值记为子系统2输出估计值

构建子系统1的新型自适应滑模观测器，其表达式为：

构建子系统2的新型自适应滑模观测器，其表达式为：

其中，k₁为可调参数1，且k₁＞0，k₂为可调参数2，且k₂＞0，λ为可调参数3，且λ∈(0，1)，α为可调参数4，α＝5，p为可调参数5，p＝0.75，sign()为符号函数，s₁为滑模面，且

s₂为滑模面，且

步骤9，定义以下残差：

第一残差e₁，

第二残差e₂，

第三残差e₁₁，

第四残差e₁₂，

第五残差e₂₁，

第六残差e₂₂，

则第三残差e₁₁、第四残差e₁₂、第五残差e₂₁和第六残差e₂₂的导数

的表达式为：

步骤10，给定执行器故障诊断自适应阈值Th_a与电流传感器微小故障诊断自适应阈值Th_s；

步骤11，定义执行器故障检测特征量Z_a，

定义电流传感器微小故障检测特征量Z_s，

且令Z_a，Z_s等于1后则一直保持其值为1，并进行如下诊断：

若Z_a＝0，则认定逆变器的执行器未发生执行器故障；

若Z_a＝1，则认定逆变器的执行器发生执行器故障；

若Z_s＝0，则认定逆变器的电流传感器未发生微小故障；

若Z_s＝1，则认定逆变器的电流传感器发生了微小故障。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动系统故障诊断方法，其特征在于，步骤1所述k相桥臂的开关函数S_k按照以下方式确定：

规定电流从三相两电平逆变器流向电感L_k为正，电流从电感L_k流向三相两电平逆变器为负，定义逻辑变量δ_k，δ_k＝1表示k相电流为正，δ_k＝0表示k相电流为负；

将开关管V_kη的开关信号记为μ_kη，且用符号“-”表示逻辑非，μ_kη＝1表示开关管V_kη处于导通状态，μ_kη＝0表示开关管V_kη处于断开状态，则k相桥臂的开关函数S_k的表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动系统故障诊断方法，其特征在于，步骤10所述执行器故障诊断自适应阈值Th_a与电流传感器微小故障诊断自适应阈值Th_s的表达式分别如下：

其中，t是时间变量，表示驱动系统运行的时间，e为自然对数函数的底数，σ是小于

的常数，e₁₁(0)表示第三残差e₁₁在t＝0时刻的初始值，e₂₂(0)表示第六残差e₂₂在t＝0时刻的初始值，τ是时间常数，d表示微分，∫表示一重积分号；||||为范数符号，

表示当电流传感器发生微小故障时所对应的微小故障激励信号ξ的值。

Images