CN115508742A - 一种电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电励磁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：分别引出上下桥臂的功率管总线与二极管总线，与滤波电容和第一桥臂之间的直流母线共五个位置作为电流传感器的可能安装位置；获取三个工作区间下功率管的驱动信号与相电流的关系；对于每个工作区间，从可能安装位置中寻找非斩波阶段和斩波阶段均满足电机相电流闭环控制要求的两个电流传感器的组合安装位置；从组合安装位置中寻找满足在各个开路故障情况下，该位置的两个电流传感器对应有不同相电流检测组合状态，结合斩波功率管的驱动信号，从而实现开路故障的定位；该方法仅需两个电流传感器即可实现功率变换器开路故障诊断，减少了硬件成本。

Description

一种电励磁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，尤其是一种电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法。

背景技术

电励磁双凸极电机(DSEM)是在开关磁阻电机的基础上发展而来的一种新型电机，具有结构简单、励磁可调、可靠性高等优点。随着电励磁双凸极电机在航空等领域的广泛应用，对电机驱动系统可靠性的要求日益提高。电励磁双凸极电机驱动系统包括电机本体、功率变换器和控制电路等，其中功率变换器是其中更易发生故障的环节。发生故障后，电机工作在不平衡状态，降低了电机驱动系统的可靠性。因此，对功率变换器进行故障诊断是提高整个系统可靠性的关键之一。按故障类型划分，功率变换器的功率器件故障可分为开路故障和短路故障。其中短路故障危害较为严重，会使母线过流，进而烧毁其他器件，通常采用快速熔断器将短路故障转变为开路故障处理，因此对功率变换器的故障诊断多集中在开路故障，对其进行研究具有重要意义。

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)论文中介绍了一种在故障后通过改变驱动控制方式从而实现故障诊断，该方法虽然没有增加硬件成本，但是仅能实现单管开路故障定位，无法定位双管开路故障。

史立伟等公开的“一种四相电励磁双凸极电机及其开路故障诊断方法”(公开号：CN104579099A，公开日：2015年4月29日)专利中公开了一种四相电励磁双凸极电机单管开路故障检测方法，通过检测两个通道中性点电压差来实现故障定位。该方法需要一个额外的电压传感器，且不能实现双管开路故障定位。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种电励磁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：

一种电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，包括如下步骤：

对于桥式功率变换器拓扑结构，分别引出上下桥臂的功率管总线与二极管总线，与滤波电容和第一桥臂之间的直流母线共五个位置作为电流传感器的可能安装位置；其中，上下桥臂的功率管总线为上桥臂功率管或下桥臂功率管的连接公共端接到直流母线上的线路，上下桥臂的二极管总线为上桥臂二极管或下桥臂二极管的连接公共端接到直流母线上的线路；

结合电机电感曲线，根据转子所处位置将一个电角度周期划分为三个工作区间，并获取每个工作区间下功率管的驱动信号与相电流的关系；

对于每个工作区间，从可能安装位置中寻找在正常工作情况下的非斩波阶段和斩波阶段均满足电机相电流闭环控制要求的两个电流传感器的组合安装位置；

对于每个工作区间，从组合安装位置中寻找满足在各个开路故障情况下，该位置的两个电流传感器对应有不同的相电流检测组合状态，结合斩波功率管的驱动信号，从而实现功率管的开路故障定位；其中开路故障情况包括单管开路故障和双管开路故障。

其进一步的技术方案为，对于桥式功率变换器拓扑结构，第一和第二功率管在第一桥臂上，第三和第四功率管在第二桥臂上，第五和第六功率管在第三桥臂上，且第一、第三、第五功率管分别为第一、第二、第三桥臂的上桥臂功率管，第二、第四、第六功率管分别为第一、第二、第三桥臂的下桥臂功率管；第一桥臂中点连接A相绕组，第二桥臂中点连接B相绕组，第三桥臂中点连接C相绕组；设定每个工作区间下功率管的驱动信号与相电流的关系，包括，设功率变换器采用斩上桥臂功率管控制：

区间1：此区间对应电角度0-120°；在非斩波阶段，P₁＝P₆＝1时，第一功率管和第六功率管导通，对应电流回路为：U_dc—T₁—A相绕组—C相绕组—T₆；在斩波阶段，P₁＝0、P₆＝1，第一功率管关断、第六功率管导通，对应电流回路为：A相绕组—C相绕组—T₆—U_dc—D₂，两阶段i_a＝-i_c，i_b＝0；

区间2：此区间对应电角度120-240°；在非斩波阶段，P₃＝P₂＝1时，第三功率管和第二功率管导通，对应电流回路为：U_dc—T₃—B相绕组—A相绕组—T₂；在斩波阶段，P₃＝0、P₂＝1，第三功率管关断、第二功率管导通，对应电流回路为：B相绕组—A相绕组—T₂—U_dc—D₄，两阶段i_b＝-i_a，i_c＝0；

区间3：此区间对应电角度240-360°；在非斩波阶段，P₅＝P₄＝1时，第五功率管和第四功率管导通，对应电流回路为：U_dc—T₅—C相绕组—B相绕组—T₄；在斩波阶段，P₅＝0、P₄＝1，第五功率管关断、第四功率管导通，对应电流回路为：C相绕组—B相绕组—T₄—U_dc—D₆，两阶段i_c＝-i_b，i_a＝0；

其中，i_p(p＝a,b,c)代表相电流，U_dc为直流电源，T_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}为第j个功率管，P_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}为第j个功率管的驱动信号，D_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}为与第j个功率管对应连接的第j个二极管。

其进一步的技术方案为，对于每个工作区间，从可能安装位置中寻找在正常工作情况下的非斩波阶段和斩波阶段均满足电机相电流闭环控制要求的两个电流传感器的组合安装位置，包括：

选用两个电流传感器，其安装位置选择条件需满足：根据每个区间的非斩波和斩波阶段的电流回路，在不同阶段的电流回路中至少安装有一个电流传感器获取相电流信息，以完成相电流闭环控制；则从五个可能安装位置中，选取满足上述条件的两个可能安装位置进行组合得到两个电流传感器的组合安装位置。

其进一步的技术方案为，该方法包括：

对于每个工作区间，从组合安装位置中寻找满足在各个工作情况下，该位置的两个电流传感器对应有不同的相电流检测组合状态，结合斩波功率管的驱动信号，从而实现开路故障的定位；

其中，工作情况包括开路故障情况和正常工作情况，开路故障情况包括单管开路故障和双管开路故障，正常工作情况包括非斩波阶段。

其进一步的技术方案为，对于每个工作区间，结合斩波功率管的驱动信号，从而实现功率管的开路故障定位，包括：

当斩波功率管发生单管开路故障时，电路工作情况与正常工作情况下的斩波阶段的电流回路相同，此时两者的相电流检测状态相同；引入斩波功率管的驱动信号作为故障特征，当功率变换器工作在斩波阶段时，斩波功率管的驱动信号为低电平；当斩波功率管发生单管开路故障时，斩波功率管的驱动信号保持为高电平，实现了斩波功率管的单管开路故障和正常工作时斩波阶段的相电流检测状态的区分，从而定位出当前开路故障。

本发明的有益技术效果是：

本申请仅基于两个电流传感器就能实现电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断，在传统桥式功率变换器的基础上，通过改变电流传感器的安装位置，在满足系统转速电流双闭环控制基础上，寻找能实现电机驱动系统中功率变换器开路故障诊断的电流传感器组合，并结合斩波功率管的驱动信号，从而实现开路故障的定位，与采用三个电流传感器分别放置在相绕组上的故障诊断方法相比，所提方法减少了所需电流传感器的数量，即减少了硬件成本；所提方法还可以用于开关磁阻电机和永磁双凸极电机的开路故障诊断，具有广阔的应用前景。

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是本申请提供的电机电感曲线和相应相电流波形。

图3是本申请提供的区间1内各工作情况电路图，其中：(a)为非斩波阶段电路图，(b)为斩波阶段电路图。

图4是本申请提供的区间1内单管及双管开路故障后的电路工作图，其中：(a)为上管开路故障后的电路工作图，(b)为下管开路故障后的电路工作图，(c)为双管开路故障后的电路工作图。

图5是本申请提供的开路故障诊断方法的整体流程图。

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。

本申请提供了一种电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，具体包括如下步骤：

步骤1：对于桥式功率变换器拓扑结构，分别引出上下桥臂的功率管总线与二极管总线，与滤波电容C₁和第一桥臂之间的直流母线共五个位置作为电流传感器的可能安装位置。

如图1所示，本申请提供的桥式功率变换器拓扑结构，包括采用星型连接的三相绕组以及第一、第二、第三桥臂。第一功率管T₁和第二功率管T₂在第一桥臂上，第三功率管T₃和第四功率管T₄在第二桥臂上，第五功率管T₅和第六功率管T₆在第三桥臂上，且第一功率管T₁、第三功率管T₃、第五功率管T₅分别为第一、第二、第三桥臂的上桥臂功率管，第二功率管T₂、第四功率管T₄、第六功率管T₆分别为第一、第二、第三桥臂的下桥臂功率管。每个功率管T_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}两端并联对应的二极管D_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}，第一桥臂中点(即T₁与T₂的相连端)连接A相绕组，第二桥臂中点(即T₃与T₄的相连端)连接B相绕组，第三桥臂中点(即T₅与T₆的相连端)连接C相绕组。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二二极管D₂、第四二极管D₄和第六二极管D₆的阳极。

则上下桥臂的功率管总线为上桥臂功率管或下桥臂功率管的连接公共端接到直流母线上的线路，上下桥臂的二极管总线为上桥臂二极管或下桥臂二极管的连接公共端接到直流母线上的线路，如图1所示，其中圆圈代表电流传感器的可能安装位置：S_DC、S_TH、S_DH、S_TL、S_DL。

步骤2：如图2所示，结合电机电感曲线，根据转子所处位置将一个电角度周期划分为三个工作区间，分别定义为区间1、区间2和区间3，其中i_p(p＝a,b,c)代表相电流。设P_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}为功率管的驱动信号，以功率变换器采用斩上桥臂功率管控制为例，每个工作区间下P_j与相电流的关系如下：

区间1：此区间对应电角度0-120°。在非斩波阶段，P₁＝P₆＝1时，第一功率管T₁和第六功率管T₆导通，对应电流回路为：U_dc—T₁—A相绕组—C相绕组—T₆。在斩波阶段，P₁＝0、P₆＝1，第一功率管T₁关断、第六功率管T₆导通，对应电流回路为：A相绕组—C相绕组—T₆—U_dc—D₂，两阶段i_a＝-i_c，i_b＝0。

区间2：此区间对应电角度120-240°。在非斩波阶段，P₃＝P₂＝1时，第三功率管T₃和第二功率管T₂导通，对应电流回路为：U_dc—T₃—B相绕组—A相绕组—T₂。在斩波阶段，P₃＝0、P₂＝1，第三功率管T₃关断、第二功率管T₂导通，对应电流回路为：B相绕组—A相绕组—T₂—U_dc—D₄，两阶段i_b＝-i_a，i_c＝0。

区间3：此区间对应电角度240-360°。在非斩波阶段，P₅＝P₄＝1时，第五功率管T₅和第四功率管T₄导通，对应电流回路为：U_dc—T₅—C相绕组—B相绕组—T₄；在斩波阶段，P₅＝0、P₄＝1，第五功率管T₅关断、第四功率管T₄导通，对应电流回路为：C相绕组—B相绕组—T₄—U_dc—D₆，两阶段i_c＝-i_b，i_a＝0。

步骤3：对于每个工作区间，从可能安装位置中寻找在正常工作情况下的非斩波阶段和斩波阶段均满足电机相电流闭环控制要求的两个电流传感器的组合安装位置。

选用两个电流传感器，其安装位置选择条件需满足：根据每个区间的非斩波和斩波阶段的电流回路，在不同阶段的电路回路中至少安装有一个电流传感器获取相电流信息，以完成相电流闭环控制。则从五个可能安装位置中，选取满足上述条件的两个可能安装位置进行组合得到两个电流传感器的组合安装位置。

步骤4：对于每个工作区间，从组合安装位置中寻找满足在各个工作情况下，该位置的两个电流传感器对应有不同的相电流检测组合状态，结合斩波功率管的驱动信号，从而实现功率管的开路故障定位。

其中，工作情况包括开路故障情况和正常工作情况，开路故障情况包括单管开路故障和双管开路故障，正常工作情况包括非斩波阶段和斩波阶段，但不考虑斩波阶段的相电流检测组合状态，理由如下。

当斩波功率管发生单管开路故障时，电路工作情况与正常工作情况下的斩波阶段的电流回路相同，此时两者的相电流检测状态相同。因此本申请引入了斩波功率管的驱动信号作为故障特征，当功率变换器工作在斩波阶段时，斩波功率管的驱动信号为低电平；当斩波功率管发生单管开路故障时，斩波功率管的驱动信号保持为高电平，实现了斩波功率管的单管开路故障和正常工作时斩波阶段的相电流检测状态的区分，从而定位出当前开路故障。

由于三个区间内的工作情况十分类似，因此下面以区间1为例进行详细分析，采用斩上管控制，则区间1内两种正常工作情况的电路如图3所示。针对上述步骤3，根据图3(a)非斩波阶段电路与图3(b)上管斩波阶段电路，分析可知在这两种工作情况下，电流传感器在S_TL上均有相电流流过，因此仅需要在S_TL位置放置一个电流传感器即可获取相电流信息，完成电流闭环控制。若考虑用两个安装在不同位置的电流传感器，获取这种组合的方法与上述一致，取决于在非斩波阶段及斩波阶段时电流传感器能否检测到相应的相电流信息。结合图3分析可知，五个可能安装位置中存在5种组合形式，包括：一个电流传感器位于滤波电容和第一桥臂之间的直流母线S_DC上，另一电流传感器位于下桥臂的功率管总线S_TL上；或，一个电流传感器位于滤波电容和第一桥臂之间的直流母线S_DC上，另一电流传感器位于下桥臂的二极管总线S_DL上；或，一个电流传感器位于上桥臂的功率管总线S_TH上，另一电流传感器位于下桥臂的功率管总线S_TL上；或，一个电流传感器位于上桥臂的功率管总线S_TH上，另一电流传感器位于下桥臂的二极管总线S_DL上；或，一个电流传感器位于下桥臂的功率管总线S_TL上，另一电流传感器位于下桥臂的二极管总线S_DL上；或，一个电流传感器位于上桥臂的二极管总线S_DH上，另一电流传感器位于下桥臂的功率管总线S_TL上。由于S_TL位置的电流传感器单独就能实现相电流检测，因此为了满足两两组合形式，在最后一种组合形式中，为S_TL位置配对了S_DH位置，具体的组合方式如表1所示。

表1不同安装位置的电流传感器组合

针对上述步骤4，由步骤3可知，仅需要在S_TL位置放置一个电流传感器即可完成电流闭环控制，因此优先考虑是否能够用S_TL实现功率变换器中功率管开路故障诊断。功率变换器发生三种功率管开路故障后的电路工作情况如图4所示。根据图4(a)可知，当第一功率管T₁出现开路故障时，相电流通过第二二极管D₂续流，S_TL上有相电流流过。此时电路的工作情况与正常工作状态下的斩波阶段相同，这是因为两种情况下T₁均不导通，因此仅用S_TL测得电流作为故障特征，会发生误诊断。虽然T₁均不导通，但是导致T₁不导通的原因不同。在正常工况下，由于电流闭环作用，T₁会不断的开通和关断；而在T₁开路故障后，电路进入续流状态，电流下降，当电流低于给定值后，驱动为高，但由于T₁开路，电流无法上升，故P₁会保持为高电平。因此引入P₁作为故障特征即可实现斩波功率管的开路故障诊断。根据图4(b)可知，当第六功率管T₆出现开路故障时，相电流通过第五二极管D₅续流，S_TL上没有相电流流过；根据图4(c)可知，当发生双管T₁、T₆开路故障时，相电流通过第二二极管D₂、第五二极管D₅续流，S_TL上没有相电流流过。经过上述分析可得：第六功率管T₆开路故障与双管T₁、T₆开路故障虽然电路的工作情况不同，但是故障特征相同，因此仅用一个电流传感器无法实现功率变换器的功率管开路故障诊断。

下面考虑由步骤3得到的6种电流传感器组合能否实现功率变换器功率管开路故障诊断，本申请以S_TH与S_TL这一组合为例进行分析。根据图4(a)可知，当第一功率管T₁出现开路故障时，相电流通过第二二极管D₂续流，S_TH上没有相电流流过，S_TL上有相电流流过，此时电路的工作情况与正常工作状态下斩波阶段的闭环控制电路的工作情况相同。与上文类似，可以通过新增P₁为故障特征量实现上管开路故障定位。根据图4(b)可知，当下管T₆出现开路故障时，相电流通过第五二极管D₅续流，S_TH上有相电流流过，S_TL上没有相电流流过。根据图4(c)可知，当双管T₁、T₆出现开路故障时，相电流通过第二二极管D₂、第五二极管D₅续流，S_TH、S_TL上均没有相电流流过。因此下管开路与双管开路根据S_TH与S_TL上获取的电流信息即可实现故障诊断。根据上述分析，可以得到如表2所示的故障定位表，其中“1”代表某工况下电流传感器上有相电流流经，“0”代表没有。同理，对剩余5种组合形式分别列表可知，S_TH与S_DL、S_DH与S_TL这两种组合无法实现四种不同的相电流检测状态，则在表1中进行标注，最终根据每个区间的表1、2即可实现功率变换器的开路故障诊断，整个开路故障诊断方法的流程图如图5所示。

表2故障定位表

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 (5)

1.一种电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，其特征在于，所述方法包括：

对于桥式功率变换器拓扑结构，分别引出上下桥臂的功率管总线与二极管总线，与滤波电容和第一桥臂之间的直流母线共五个位置作为电流传感器的可能安装位置；其中，上下桥臂的功率管总线为上桥臂功率管或下桥臂功率管的连接公共端接到所述直流母线上的线路，上下桥臂的二极管总线为上桥臂二极管或下桥臂二极管的连接公共端接到所述直流母线上的线路；

结合电机电感曲线，根据转子所处位置将一个电角度周期划分为三个工作区间，并获取每个工作区间下功率管的驱动信号与相电流的关系；

对于每个工作区间，从可能安装位置中寻找在正常工作情况下的非斩波阶段和斩波阶段均满足电机相电流闭环控制要求的两个电流传感器的组合安装位置；

对于每个工作区间，从组合安装位置中寻找满足在各个开路故障情况下，该位置的两个电流传感器对应有不同的相电流检测组合状态，结合斩波功率管的驱动信号，从而实现功率管的开路故障定位；其中开路故障情况包括单管开路故障和双管开路故障。

2.根据权利要求1所述的电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，对于桥式功率变换器拓扑结构，第一和第二功率管在第一桥臂上，第三和第四功率管在第二桥臂上，第五和第六功率管在第三桥臂上，且第一、第三、第五功率管分别为第一、第二、第三桥臂的上桥臂功率管，第二、第四、第六功率管分别为第一、第二、第三桥臂的下桥臂功率管；第一桥臂中点连接A相绕组，第二桥臂中点连接B相绕组，第三桥臂中点连接C相绕组；其特征在于，所述设定每个工作区间下功率管的驱动信号与相电流的关系，包括，设功率变换器采用斩上桥臂功率管控制：

区间1：此区间对应电角度0-120°；在非斩波阶段，P₁＝P₆＝1时，第一功率管和第六功率管导通，对应电流回路为：U_dc—T₁—A相绕组—C相绕组—T₆；在斩波阶段，P₁＝0、P₆＝1，第一功率管关断、第六功率管导通，对应电流回路为：A相绕组—C相绕组—T₆—U_dc—D₂，两阶段i_a＝-i_c，i_b＝0；

区间2：此区间对应电角度120-240°；在非斩波阶段，P₃＝P₂＝1时，第三功率管和第二功率管导通，对应电流回路为：U_dc—T₃—B相绕组—A相绕组—T₂；在斩波阶段，P₃＝0、P₂＝1，第三功率管关断、第二功率管导通，对应电流回路为：B相绕组—A相绕组—T₂—U_dc—D₄，两阶段i_b＝-i_a，i_c＝0；

区间3：此区间对应电角度240-360°；在非斩波阶段，P₅＝P₄＝1时，第五功率管和第四功率管导通，对应电流回路为：U_dc—T₅—C相绕组—B相绕组—T₄；在斩波阶段，P₅＝0、P₄＝1，第五功率管关断、第四功率管导通，对应电流回路为：C相绕组—B相绕组—T₄—U_dc—D₆，两阶段i_c＝-i_b，i_a＝0；

其中，i_p(p＝a,b,c)代表相电流，U_dc为直流电源，T_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}为第j个功率管，P_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}为第j个功率管的驱动信号，D_{j(j＝1,2,3,4,5,6)}为与第j个功率管对应连接的第j个二极管。

3.根据权利要求2所述的电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，其特征在于，所述对于每个工作区间，从可能安装位置中寻找在正常工作情况下的非斩波阶段和斩波阶段均满足电机相电流闭环控制要求的两个电流传感器的组合安装位置，包括：

选用两个电流传感器，其安装位置选择条件需满足：根据每个区间的非斩波和斩波阶段的电流回路，在不同阶段的电流回路中至少安装有一个电流传感器获取相电流信息，以完成相电流闭环控制；则从五个可能安装位置中，选取满足上述条件的两个可能安装位置进行组合得到两个电流传感器的组合安装位置。

4.根据权利要求1-3任一所述的电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，其特征在于，所述方法包括：

对于每个工作区间，从组合安装位置中寻找满足在各个工作情况下，该位置的两个电流传感器对应有不同的相电流检测组合状态，结合斩波功率管的驱动信号，从而实现开路故障的定位；

其中，工作情况包括开路故障情况和正常工作情况，所述开路故障情况包括单管开路故障和双管开路故障，所述正常工作情况包括非斩波阶段。

5.根据权利要求4所述的电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法，其特征在于，所述对于每个工作区间，结合斩波功率管的驱动信号，从而实现功率管的开路故障定位，包括：

当斩波功率管发生单管开路故障时，电路工作情况与正常工作情况下的斩波阶段的电流回路相同，此时两者的相电流检测状态相同；引入斩波功率管的驱动信号作为故障特征，当功率变换器工作在斩波阶段时，所述斩波功率管的驱动信号为低电平；当斩波功率管发生单管开路故障时，所述斩波功率管的驱动信号保持为高电平，实现了斩波功率管的单管开路故障和正常工作时斩波阶段的相电流检测状态的区分，从而定位出当前开路故障。

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