电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法与流程

本发明属于在线检测
技术领域：
，更具体地，涉及一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法。
背景技术：
：目前，交流电机作为电能和机械能转换的装置，在航空航天、军事、工业、机车牵引系统及船舶等领域得到了广泛的应用，呈现完全取代直流电机的趋势。逆变器作为交流电机驱动系统中的核心部件，是驱动系统中最容易发生故障的薄弱环节，其中功率管由于高频开通、关断造成的开路故障尤为显著，直接影响电机驱动系统的正常运行。针对逆变器功率管的开路故障提出实时有效的检测、定位和隔离的方法，提供实时有效的信息给后续的容错控制策略，对提高电机驱动系统的可靠性具有重要的工程应用价值。现有技术中，关于逆变器功率管开路故障实时检测方法有三种：1、基于电机模型，设计观测器，若观测器的输出和实际系统输出的残差大于设定的阈值，则判断系统发生故障。这种方法很大程度依赖于电机参数，在实际运行中电机的参数是变化的不确定的，因此这种方法在工程应用中存在一定的不足；2、基于检测电压的方法，根据故障功率管电压畸变的特性，进行快速实时的检测和定位，这一类方法需要在硬件上添加相应的传感器以及检测电路，提高了监控系统的成本；3、基于检测电流的方法，根据逆变器输出的三相电流，分别在坐标系和坐标系中分析系统故障机理，进行快速实时的检测和定位，这类方法需要估算同步旋转角，估算误差会影响检测精度。技术实现要素：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法，其目的在于改善已有的功率管开路故障实时检测方法，提高检测速度，增强算法鲁棒性，降低检测成本。本发明提供一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法，包括以下步骤：步骤1、计算滑动窗口的宽度其中，Ts表示电流环的采样周期，n表示电机转速，p表示电机的极对数；步骤2、设计三相电流矢量，重构电流矢量的数据使得其同相位：首先，将一个周期内的采样点储存在矢量Ia,Ib,Ic中，其维数为L，在每一个电流采样瞬间k,电流矢量Ia,Ib,Ic抛弃最末的一个采样点Ia(1),Ib(1),Ic(1)，然后将剩余采样点在矢量中左移一位，同时将最新的采样点加入Ia,Ib,Ic,记为Ia(L),Ib(L),Ic(L)，实现数据实时在线更新；然后，在每一个电流采样瞬间，对电流矢量进行数据重构，如公式(1)所示：Da=IaDb=[Ib[1/3L:L],Ib[1:1/3L-1]]Dc=[Ic[2/3L:L],Ic[1:2/3/L-1]]\*MERGEFORMAT---(1)]]>式中，Ib(1/3L:L)代表一段电流采样点，从位置1/3L开始，以位置L结束。步骤3、故障特征量提取，设计两个特征量函数用于故障诊断与定位：故障特征量一：电流矢量平均值，如下公式(2)所示：Sm=Σi=1LDm(i)Lm=a,b,c\*MERGEFORMAT---(2)]]>故障特征量二：任意两相电流的相关系数，如下公式(3)所示：Xmm=Σi=1L|(Dm-Sm)(Dn-Sn)|(Σi=1L(Dm-Sm)2)(Σi=1L(Dn-Sn)2)(m,n=a,b,c;m≠n)\*MERGEFORMAT---(3).]]>步骤4、根据设计的故障特征量进行故障诊断，故障诊断包括故障检测与故障定位两个环节，当且仅当任意两相重构后的电流矢量相关性函数值近似相等且为1的时候，系统处于健康状态，无故障发生；系统检测出故障，给予故障报警；在系统检测出故障的情况下，根据任意两相重构后的电流矢量相关性函数值与电流矢量平均值定位故障类型，然后由所得的两个故障特征量检测并且定位故障功率管。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：本发明能够实时检测出任意三相驱动系统单管故障与同桥臂双管故障的开路故障的情况，并可以精确定位故障功率管。本发明适用于同步电机、异步电机电流闭环或者开环控制策略的系统，并对5相(多相)电机的驱动系统功率管开路故障的在线检测具有指导意义。(1)成本低，本发明适用于任何采用矢量控制策略的系统中，不需要额外的电压传感器；也适用于三相电机电流开环控制系统中逆变器功率管开路故障诊断；(2)检测精度高，速度快，实时性高。本发明能够实时准确的检测变频器中任意单管或者双管开路故障和二次故障；(3)鲁棒性好，抗干扰能力强。电机启动、变速、突加或者突减负载等动态过程不会对本发明的故障诊断结果产生消极影响；且该方案对电机内部参数不敏感，抗噪声能力强；(4)实现简单，本发明可以作为一个子程序嵌入到控制程序中，不影响也无需修改控制程序。附图说明图1为本发明电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法中的逆变器的拓扑结构。图2为本发明电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法的流程图。具体实施方式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。图1所示为本发明中带故障诊断模块的电机驱动系统三相电压源逆变器的拓扑结构，忽略功率管(IGBT)的非线性工作曲线，在健康或者故障状态下，6个功率管T1～T6全部或者部分在拓扑结构上存在对称性，其中Ud是直流侧电压，C1、C2是直流链电容，D1、D2、D3、D4、D5、D6分别为各功率管附带的二极管，ia、ib、ic为三相输出电流。传统的控制模块包括矢量控制系统与PWM驱动信号，新增加的故障诊断模块包括数据重构、相关性函数以及故障诊断。图2所示为本发明具体的实施流程图，包含如下步骤：步骤1、根据滑动窗口计算公式求取滑动窗口的宽度L，其具体的计算公式为其中，T表示电网的供电周期，Ts表示电流环的采样周期，n表示电机转子转速，p表示电机的极对数，滑动窗口的宽度L在数值上等于供电周期内的电流采样次数。步骤2、设计三相电流矢量，重构三相电流矢量数据。设计三相电流矢量，重构电流矢量的数据使得其同相位。首先，将一个周期内的采样点储存在矢量Ia,Ib,Ic中，其维数为L，在每一个电流采样瞬间k,电流矢量Ia,Ib,Ic抛弃最末的一个采样点Ia(1),Ib(1),Ic(1)，然后将剩余采样点在矢量中左移一位，同时将最新的采样点加入Ia,Ib,Ic,记为Ia(L),Ib(L),Ic(L)，实现数据实时在线更新。然后，在每一个电流采样瞬间，对电流矢量进行数据重构，如公式(1)所示。Da=IaDb=[Ib[1/3L:L],Ib[1:1/3L-1]]Dc=[Ic[2/3L:L],Ic[1:2/3/L-1]]\*MERGEFORMAT---(1)]]>式中，Ib(1/3L:L)代表一段电流采样点，从位置1/3L开始，以位置L结束。步骤3、故障特征量提取：这里设计两个特征量函数用于故障诊断与定位，故障特征量一：电流矢量平均值，如下公式(2)所示：Sm=Σi=1LDm(i)Lm=a,b,c\*MERGEFORMAT---(2)]]>故障特征量二：任意两相电流的相关系数，如下公式(3)所示：Xmm=Σi=1L|(Dm-Sm)(Dn-Sn)|(Σi=1L(Dm-Sm)2)(Σi=1L(Dn-Sn)2)(m,n=a,b,c;m≠n)\*MERGEFORMAT---(3)]]>步骤4、根据设计的故障特征量进行故障诊断，如表1所示，故障诊断包括故障检测与故障定位两个环节。当且仅当任意两相重构后的电流矢量相关性函数值近似相等且为1的时候，系统处于健康状态，无故障发生。否则，系统检测出故障，给予故障报警。在系统检测出故障的情况下，根据任意两相重构后的电流矢量相关性函数值与电流矢量平均值定位故障类型。如表1所示。若B相与C相的相关性函数Xbc≈1，且另外两个相关性函数Xab＝1,Xac＝1,Xab≈Xac，则故障发生在A相，若A相电流平均值Sa＜0，则故障定位为T1管，若A相电流平均值Sa＞0，则故障定位为T2管，若A相电流平均值Sa＝0，则故障定位为T1T2管。表1本发明能够实时检测出任意三相驱动系统单管故障与同桥臂双管故障的开路故障的情况，并可以精确定位故障功率管。本发明适用于同步电机、异步电机电流闭环或者开环控制策略的系统，并对5相(多相)电机的驱动系统功率管开路故障的在线检测具有指导意义。本发明适用于任何采用矢量控制策略的系统中，不需要额外的电压传感器；也适用于三相电机电流开环控制系统中逆变器功率管开路故障诊断；检测精度高，速度快，实时性高。本发明能够实时准确的检测变频器中任意单管或者双管开路故障和二次故障，鲁棒性好，抗干扰能力强。电机启动、变速、突加或者突减负载等动态过程不会对本发明的故障诊断结果产生消极影响；且该方案对电机内部参数不敏感，抗噪声能力强；实现简单，本发明可以作为一个子程序嵌入到控制程序中，不影响也无需修改控制程序。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3