感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法，包括：通过矢量控制驱动系统中已有的电流传感器和速度传感器分别测出三相电流和转速；再通过坐标变换计算出转子磁链定向的同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流；将正常工作时的初始角代替故障时的初始角来重构a相电流相位角，将重构的电流相位角划分为六个阶段；将检测的d轴、q轴电流与给定的d轴、q轴电流进行比较，获得电流偏差Eid和Eiq；对偏差Eid进行连续累加求和，检测是否发生开路故障；对偏差Eiq进行连续累加求和，获得偏差的跳变阶段，根据故障诊断表定位故障功率管。本发明适用于矢量控制电机驱动系统中逆变器任意单管和任意两管开路故障的诊断。
【专利说明】感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于在线检测【技术领域】，更具体地，涉及一种感应电机矢量控制系统功率 管开路故障的在线检测方法。
【背景技术】
[0002] 以电压源逆变器为主体的电机驱动系统在航空航天、军事、工业等领域得到了广 泛应用，而整个系统中逆变器的功率器件是很容易发生故障的薄弱环节，其可靠性直接影 响到整个系统的正常工作。为了提高系统的可靠性，容错控制策略常被应用到功率变换单 元中，实时容错控制的前提是对功率器件中的故障进行实时有效的检测、定位和隔离。
[0003] 电压源逆变器应用的广泛性和脆弱性使得其故障检测具有更重要的意义。在众多 针对逆变器功率管开路故障检测的专利和文献中，其方法大致分为两类：一类是根据逆变 器后端负载电流来实现开路故障的检测，这类方法至少需要采样四分之一个电流周期的电 流波形，检测速度慢，而且不适用于采用电流闭环控制策略的系统中；另一类是检测逆变器 系统中某部分的电压值，并与理想中的电压相比较，根据电压误差获取功率管开路故障信 息，这类方法检测速度快，不受电流闭环策略影响，但需要额外的电压传感器，增加了硬件 成本和复杂度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种感应电机矢量控制系统功 率管开路故障的在线检测方法，能够实时检测出任意一个或两个功率管发生开路故障的情 况，并精确定位相应的故障功率管，而且还能检测和定位二次故障的功率管。本发明适用于 采用电流闭环矢量控制策略的系统中，且不需要额外的电压传感器，避免了额外的硬件成 本和复杂度。
[0005] 本发明提供一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法，包括以 下步骤：
[0006] 步骤1通过感应电机驱动系统中已有的电流传感器和速度传感器分别检测三相 电流和电机转速，根据所述三相电流将一个电流周期划分为6个阶段S1?S6,再通过坐标 转换计算出转子磁链定向的同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流；
[0007] 步骤2通过将正常工作时的初始角代替故障时的初始角来重构a相电流相位角， 并对所述6个阶段S1?S6的划分进行优化，得到优化后的6个阶段Stgl?Stg6 ;
[0008] 步骤3分别将所述d轴电流和所述q轴电流与给定的d轴电流和q轴电流进行比 较，获得电流偏差E id和Eiq ;
[0009] 步骤4对所述电流偏差Eid进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈 值K d，则将逻辑变量b〇〇lEid置1，如果在连续采样周期内检测到所述逻辑变量b 〇〇lEid为1， 则对所述逻辑变量boolEid连续为1的次数counterl进行计数，当所述计数counterl达到 或者超过计数阈值C0UNT1时，故障发生标志f lagFault发生跳变，则判断所述感应电机驱 动系统发生开路故障；
[0010] 步骤5对所述电流偏差Eiq进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈 值Mf逻辑变量b〇〇lEi(1置1，然后对所述逻辑变量b〇〇lE i(1为1的次数进行计数，根据所 述逻辑变量b〇〇lEi(1跳变为高时所述感应电机驱动系统所在的所述优化后的阶段，以及所 述逻辑变量b 〇〇lEi(1跳变为低时所述感应电机驱动系统所在的所述优化后的阶段判定开路 故障的功率管。
[0011] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0012] (1)成本低，本发明适用于采用矢量控制策略的系统中，不需要额外的电压传感 器。
[0013] (2)检测精度高，速度快，实时性好。本发明能够在线有效实时地检测出任意一个 或任意两个功率管开路故障和二次故障。
[0014] (3)鲁棒性好，抗干扰能力强。负载变化，速度变化等动态过程不会影响本发明的 诊断结果，且该方案对电机内部参数不敏感，抗噪声能力强。
[0015] (4)实现简单，本发明可以作为一个子程序模块嵌入控制程序中，不影响和修改控 制程序。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明适用的感应电机矢量控制驱动系统及其基本结构图；
[0017] 图2为本发明逆变器功率管输出周期性电流划分示意图；
[0018] 图3为本发明故障诊断流程图。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0020] 图1所示为本发明适用的感应电机矢量控制驱动系统及其基本结构图。驱动系统 由6个IGBT管（T1?T6)组成，每个IGBT管配置着一个续流二极管（D1?D6)。IGBT管 的输入侧是经过整流得到的直流电压Vd。（由两个端电压都为^的滤波电容串联而成），输 出端连接感应电机（頂)，功率管输出端a、b、c分别连接三相感应电机a、b、c端，驱动电路 的反馈环节由两个电流传感器和一个速度传感器构成，反馈信号进入矢量控制算法，输出 驱动功率管开通关断的门极信号。本发明实施例为研究对象为6个IGBT管的开路故障的 在线检测方法。
[0021] 图2所示为逆变器功率管输出周期性电流划分示意图。感应电机矢量控制驱动系 统中逆变器运行状态按照电机输出三相电流（ia、ib、ic)的极性关系分为六个阶段，定义 为S1?S6,按照功率管有效的工作状态，每个阶段60°，如图2所示。在S1?S6各个阶 段，有且仅有三个功率管产生关键作用，其余功率管的作用可以忽略。在本发明实施例中， 关键功率管的对应关系为 S1(T1，T3, T5)、S2(T1，T5, T6)、S3(T1，T2, T6)、S4(T2, T4, T6)、 55 (Τ2, Τ3, Τ4)、S6 (Τ3, Τ4, Τ5)。当功率管发生故障时，该功率管对应的阶段上的电流波形 会发生畸变，而其余的阶段上的电流波形则会保持正常（例如若Τ1单管故障，则S1、S2、S3 阶段的电流都会发生畸变，若ΤΙ、T2双管故障，则SI、S2、S3、S4、S5阶段的电流都会发生畸 变）。因此，只要识别电流发生畸变时系统所在的阶段和电流恢复正常时系统所在的阶段， 就可以实现故障功率管的诊断和定位。
[0022] 转子定向的同步坐标系下，d轴和q轴电流在稳态时保持不变，在动态调节过程中 会逐渐达到稳定值。然而，在系统发生故障时d轴和q轴电流会发生畸变，而且呈现周期性 变化，该周期与电流周期相同。因此，可以通过检测d轴和q轴电流的偏差大小来判断系统 当前是否处在故障状态。
[0023] 然而，当功率管发生故障时，三相电流发生畸变，无法通过三相电流的极性关系判 断系统所在阶段。由于某一相（例如a相）电流的相位角可以确定系统所在的阶段，因此通 过重构a相电流的理论相位角来确定系统所在的阶段，在本发明实施例中分别为S1(0°? 60。），S2(60。?120。），S3(120。?180。），S4(180。?240。），S5(240° ?300。）， 56 (300°?360° )，如图2所示，S1阶段对应a相电流0°?60°，S2阶段对应a相电流 60°?120°，以此类推。
[0024] 然而在实际工作过程中，由于控制器的调节作用，通过d轴和q轴电流的偏差来 判断系统所在的阶段存在误差，因此，对上述6个阶段的划分进行优化处理，分别将上述六 个阶段S1?S6沿着a相电流平移90°，得到新的阶段划分如图2所示，优化后的各阶段： Stgl(90° ?150° )，Stg2(150° ?210° )，Stg3(210° ?270° )，Stg4(270° ?330° )， Stg5(330°?30° )，Stg6(30°?90° )。最后通过故障诊断表，如表1所示，根据功率管 故障时系统的故障阶段的转换来判断故障功率管。
[0025] 另外，当同一桥臂的功率管发生故障时（例如图1中T1、T4同时发生开路故障）， 所有阶段都存在一个故障功率管，因此，增加额外变量来判断故障功率管，计算公式如下：
[0026] 〇"(/〇= , 2f，，(/i^ |\
[0027] 其中，Dn(k)的值表示η相（n = 1，2, 3分别对应a，b，c三相）的绝对值平均电流 与另外两相的比值，Dn值小，则表示η相电流的绝对值平均值比另外两相电流的绝对值平均 电流要小很多，即表示流经该相的电流很小；<i n(k)>、〈lijk) |>、<|im(k) |>分别表示平均 电流的估计值，通过一个长度为N的滑动窗口来计算：〈(,(〇> = 4 ? (乂乃，其中N = 60/ ^ j=k-N+J ?pTs，其中ω是电机运行速度；p是电机的极对数；1是控制器的采样周期；脚标l，m，n表 示三相（a, b，c)中的某一相，且1尹m尹n ;k表示采样瞬间。
[0028] 本发明故障诊断流程具体包括以下步骤：
[0029] 步骤1通过感应电机矢量控制驱动系统中已有的电流传感器（CT)和速度传感器 (PG)分别测出三相电流和电机转速；再通过坐标变换计算出转子磁链定向的同步旋转坐 标系下的两相电流（d轴电流和q轴电流）；
[0030] 步骤2通过将正常工作时的a相电流初始角代替故障时的初始角来重构a相电流 相位角，并随时判定系统所处于经过优化后stgl?Stg6中的哪一个阶段，如图2所示；
[0031] 步骤3将d轴和q轴电流与给定的d轴和q轴电流相减，获得d轴和q轴的电流 偏差Eiq和Eiq ;
[0032] 步骤4对电流偏差Eid进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值 Kd，则将逻辑变量b〇〇lEid置1，如果在连续采样周期内检测到该逻辑变量b 〇〇lEid为1，则对 逻辑变量boolEid连续为1的次数counterl进行计数，当该计数counterl达到或者超过 计数阈值C0UNT1时，故障发生标志flagFault发生跳变（由0到1)，表明系统发生开路故 障；
[0033] 步骤5同时对电流偏差Eiq进行累加求和，如果累加的结果大于预设的阈值K,，将 逻辑变量b 〇〇lEi(1置1，然后对该逻辑变量b〇〇lEi(1为1的次数进行累加计数（计数的作用 是提高诊断的抗干扰能力），并记录逻辑变量b 〇〇lEi(1跳变为高时系统所在的阶段和跳变为 低时（电流偏差小于等于给定阈值时）系统所在的阶段，然后根据故障诊断表（如下表1 所示）确定开路故障功率管。
[0034] 图3所示为本发明步骤4与步骤5的详细流程图。
[0035] 为提高本发明的可靠性和对噪声的抗干扰能力，设计了一个累加计数的算法，上 述步骤4具体包括以下子步骤 ：
[0036] (4-1)对电流偏差Eid进行累加求和，如果累加的结果大于预设的阈值K d(-般取 d轴电流给定值的1/5到1/3)，则将逻辑变量13〇〇正1(1置1，判定这一个采样瞬间存在功率 管故障，否则将逻辑变量b 〇〇lEi(1置0,判定为健康状态；
[0037] (4-2)对该逻辑变量b〇〇lEid进行累加求和，如果在连续采样周期内检测到该逻辑 变量b 〇〇lEid为1，则对逻辑变量b〇〇lEid连续为1的次数进行计数，记为累加值counterl ;
[0038] (4-3)将上述累加值counterl与计数阈值C0UNT1 (C0UNT1取值一般在20左右， 取值太大时会影响其对故障灵敏度，取值太小又容易受到噪声干扰）进行比较，如果前者 大于等于后者，则表示系统存在故障。然后转入系统故障定位算法，给出允许查表的命令信 号，同时将故障发生标志flagFault置1，系统报错。
[0039] 如图3所示，上述步骤5具体包括以下子步骤：
[0040] (5-1)对电流偏差Eiq进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值 K,(一般取q轴电流限幅值的1/5到1/3)，判定为故障状态，对应逻辑变量b〇〇lEi(1置1，表 示这一个采样瞬间存在故障，否则对应逻辑变量b 〇〇lEi(1置0,判定为健康状态；
[0041] (5-2)当逻辑变量b〇〇lEid或者boolEi,为1的时候，系统进入故障定位的流程，对 该逻辑变量b 〇〇lEi(1为1的次数进行累加计数，并且将逻辑变量b〇〇lEi(1由0变为1或者由 1变为〇时定义为计数算法的边缘，判断采样时刻是否为边缘，是则执行步骤（5-4)，否则执 行步骤（5-3);
[0042] (5-3)如果没有发生开路故障，根据实时的d轴电流id、q轴电流i,，以及公式 & = arctanf，计算出Θ。，用计算出的Θ。就可以确定发生故障时系统所处的阶段（无故 Id 障时，计算出的Θ。就等于a相电流重构相位角）；
[0043] (5-4)当发生开路故障时，上述步骤计算（5-3)的初始角度Θ。将不再保持恒定， 同时电流矢量旋转角度也不再是在0°到360°内连续变化，此刻用该角度确定运行系统 所处阶段时会发生错误。为了避免这种错误发生，通过重构a相电流来确定计算初始角度 Θ。。由速度传感器计算出Θ = cot，最后根据所确定的初始角度和已经计算的Θ，按照公 式δ = Θ c+Θ求出角度δ。由d轴电流id、q轴电流iq与电流矢量is之间的关系（即 电流矢量i s的模的平方等于d轴电流id、q轴电流的平方和），计算出电流矢量is，再由 公式ia = |1| cos 5计算出a相电流ia，与理论上的a相电流进行对比，判断是否发生畸变。 无故障时，a相电流波形为正弦曲线，而故障后，a相电流不再为正弦波，而是一条不规则曲 线,称此种情形为畸变；
[0044] (5-5)计算畸变a相电流重构相位角，将上面计算的Θ。加上90°即可得到a相 电流重构相位角。若故障发生标志flagFault置1，则根据畸变的a相电流重构角查询故障 诊断表（表1)获得定位故障功率管，并且给出功率管的故障类型。
[0045] 表1为本发明实施例的故障诊断表，错误标志为0时表示系统健康，错误标志为1 时表示功率管存在开路故障，错误阶段Stg5 - Stg2表示a相重构电流畸变从Stg5到Stg2， 附加诊断特征量D是针对同桥臂开路故障的，错误类型0?21是对开路故障的编号，最后 一项给出了错误类型对应的故障功率管。例如，第2行单管故障，则电流在Stg5、Stg6、Stgl 阶段发生畸变，无需附加特征量，故障报错类型为1，故障功率管为T1。第14行双管故障，则 电流在Stg5、Stg6、Stgl、Stg2、Stg3阶段发生畸变，无需附加特征量，故障报错类型为13， 故障功率管为ΤΙ、T2。第20行同桥臂双管故障，则电流在整个周期六个阶段都发生畸变， 这时候需要附加特征量Dp D2、D3，当Di < D2且Di < D3，则判定为ΤΙ、T4开路故障，故障报 错类型为19。
[0046]
【权利要求】
1. 一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法，其特征在于，包括： 步骤1通过感应电机驱动系统中已有的电流传感器和速度传感器分别检测三相电流 和电机转速，根据所述三相电流将一个电流周期划分为6个阶段S1?S6,再通过坐标转换 计算出转子磁链定向的同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流； 步骤2通过将正常工作时的初始角代替故障时的初始角来重构a相电流相位角，并对 所述6个阶段S1?S6的划分进行优化，得到优化后的6个阶段Stgl?Stg6 ; 步骤3分别将所述d轴电流和所述q轴电流与给定的d轴电流和q轴电流进行比较， 获得电流偏差Eid和Eiq ; 步骤4对所述电流偏差Eid进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值 Kd，则将逻辑变量b〇〇lEid置1，如果在连续采样周期内检测到所述逻辑变量b 〇〇lEid为1，则 对所述逻辑变量boolEid连续为1的次数counterl进行计数，当所述计数counterl达到或 者超过计数阈值C0UNT1时，故障发生标志flagFault发生跳变，则判断所述感应电机驱动 系统发生开路故障； 步骤5对所述电流偏差Eiq进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值 K,，将逻辑变量b〇〇lEi(1置1，然后对所述逻辑变量b〇〇lE i(1为1的次数进行计数，根据所述逻 辑变量b〇〇lEi(1跳变为高时所述感应电机驱动系统所在的所述优化后的阶段，以及所述逻 辑变量b 〇〇lEi(1跳变为低时所述感应电机驱动系统所在的所述优化后的阶段判定开路故障 的功率管。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中划分的所述6个阶段，每个 阶段均为60°。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，将所述6个阶段S1? S6中的每一个平移90°得到所述优化后的6个阶段Stgl?Stg6。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，当同一桥臂的功率管发生故障时，增加额外 变量来判断故障功率管，计算公式如下： "終〈_|〉+〈刚〉 其中，Dn(k)的值表示η相的绝对值平均电流与另外两相的比值，其中η = 1，2， 3分别对应a, b，c三相；<in(k)>、〈 | ijk) | >、〈 | im(k) | >分别表示平均电流的估计值， J k ￠(,(6)) = : Σ z,,(./_)，N = 60/c〇pTs, ω表示电机运行速度，p表示电机的极对数，Ts表示 ^ j=k-N+l 控制器的采样周期；1，m，η表示所述三相a, b，c中的某一相，且1尹m尹n ;k表示采样瞬 间。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤5中根据所述逻辑变量b〇〇lEi(1 发生跳变时所述感应电机驱动系统所在的所述优化后的阶段判定开路故障的功率管具体 为： 若a相电流不发生畸变，则判定没有功率管发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg5 - Stg2,则判定功率管T1发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stgl - Stg4,则判定功率管T2发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg3 - Stg6,则判定功率管T3发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg2 - Stg5,则判定功率管Τ4发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg4 - Stgl，则判定功率管T5发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg6 - Stg3,则判定功率管T6发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg4 - Stg2,则判定功率管ΤΙ、T5发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg5 - Stg3,则判定功率管ΤΙ、T6发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stgl - Stg5,则判定功率管T2、T4发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg6 - Stg4,则判定功率管T2、T6发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg2 - Stg6,则判定功率管T3、T4发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg3 - Stgl，则判定功率管T3、T5发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg5 - Stg4,则判定功率管ΤΙ、T2发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stgl - Stg6,则判定功率管T2、T3发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg3 - Stg2,则判定功率管ΤΙ、T3发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg2 - Stgl，则判定功率管T4、T5发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg4 - Stg3,则判定功率管T5、T6发生开路故障； 若所述a相电流发生畸变在Stg6 - Stg5,则判定功率管T4、T6发生开路故障； 若Di < D2且Di < D3，则判定功率管ΤΙ、T4发生开路故障； 若D2 < Di且D2 < D3，则判定功率管T2、T5发生开路故障； 若D3 < Di且D3 < D2，则判定功率管T3、T6发生开路故障。
6. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下子步骤： (4-1)对所述电流偏差Eid进行累加求和，如果累加的结果大于所述故障判定阈值K d， 则将所述逻辑变量b〇〇lEid置1，判定这一个采样瞬间存在功率管故障，否则将所述逻辑变 量b〇〇lEi(1置0,判定为健康状态； (4-2)对所述逻辑变量b〇〇lEid进行累加求和，如果在连续采样周期内检测到所述逻辑 变量boolEid为1，则对所述逻辑变量boolEid连续为1的次数counterl进行计数； (4-3)将所述计数counterl与所述计数阈值C0UNT1进行比较，当所述计数counterl 达到或者超过所述计数阈值C0UNT1时，将所述故障发生标志flagFault置1，表明所述感应 电机驱动系统发生开路故障。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下子步骤： (5-1)对所述电流偏差Eiq进行累加求和，如果累加的结果大于所述故障判定阈值K,， 判定为故障状态，所述逻辑变量b〇〇lEi(1置1，表示这一个采样瞬间存在故障，否则所述逻辑 变量b 〇〇lEi(1置0,判定为健康状态； (5-2)对所述逻辑变量b〇〇lEi(1为1的次数进行累加计数，将所述逻辑变量b〇〇lE i(1跳 变为高或者跳变为低时定义为计数算法的边缘，判断采样时刻是否为所述边缘，是则执行 步骤（5-4)，否则执行步骤（5-3); (5-3)根据实时的d轴电流id、q轴电流i,，利用公式轧=arctanh计算出初始角度 lei (5-4)通过重构a相电流来确定计算初始角度Θ。，由速度传感器计算出θ = cot,最 后根据所确定的初始角度Θ。和已经计算的Θ，按照公式δ = ec+θ求出角度δ，根据d 轴电流id、q轴电流与计算出电流矢量is，再由公式ia = is CC)Sd计算出a相电流ia，与 理论上的a相电流进行对比，判断是否发生畸变； (5-5)将计算的所述初始角度Θ。加上90°即可得到a相电流重构相位角，若所述故 障发生标志flagFault置1，则根据畸变的a相电流重构角确定发生故障时所述感应电机驱 动系统所在的所述优化后的阶段判定开路故障的功率管。
【文档编号】G01R31/02GK104122479SQ201410367826
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】赵金, 张江汉, 罗慧 申请人:华中科技大学