永磁双凸极电机电流传感器和开关管故障诊断方法

本发明属于电机控制，具体涉及一种永磁双凸极电机电流传感器和开关管故障诊断方法。

背景技术：

1、开关管和霍尔电流传感器在永磁双凸极电机驱动系统中都是不可或缺的部分。然而，受高温、振动等因素影响，二者很容易发生故障，其中电流传感器故障表现为电流传感器输出电流为0，会使得电机相电流持续增加，可能会烧坏电机绕组；开关管故障包括开路故障和短路故障，短路故障发生迅速，容易烧坏同桥臂正常的开关管，故通常通过硬件电路将其转化为开路故障处理，开路故障会使得电机相电流为0，转矩脉动增加，因此有必要对电流传感器故障和开关管开路故障展开研究。

2、张义军等公开的“一种电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法”(中国，授权日：2021年12月14日，授权号：cn113447853b)专利中公开了通过改变电流传感器放置位置，并结合驱动信号实现开关管故障诊断。

3、陈薇谦等公开的“一种电励磁双凸极电机功率变换器开路故障诊断方法”(中国，授权日：2023年4月18日，授权号：cn115508742b)专利中公开了通过改变变换器拓扑结构，结合电流传感器的输出电流来实现开关管开路故障定位。

4、房文静等公开的“电励磁双凸极电机变换器功率管及绕组开路故障诊断方法”(中国，授权日：2023年3月24日，授权号：cn114487917b)专利中公开了通过添加一个电压传感器，根据故障前后电机绕组中性点对地电压的不同来实现开关管开路故障定位。

5、房文静等公开的“电励磁双凸极电机驱动系统中电流传感器的故障诊断方法”(中国，授权日：2023年6月30日，授权号：cn115754867b)专利中公开了通过结合一个电角度周期内的相电流变化特征来实现三个电流传感器故障定位。

6、张义军等公开的“一种双凸极电机电流传感器零偏故障诊断和容错控制方法”(中国，公开日：2023年8月22日，公开号：cn116633088a)专利中公开了通过采样换相点处的电流值来实现电流传感器故障诊断。

7、张义军等公开的“一种双凸极电机电流传感器信号丢失故障诊断方法”(中国，授权日：2023年4月18日，授权号：cn114859282b)专利中公开了通过故障前后转速增量的变化特征来实现电流传感器故障诊断。

8、然而，上述方法仅能实现电流传感器故障定位或者仅能实现开关管故障定位，并未将电流传感器故障和开关管故障包含在同一种方法中。实际上，电流传感器故障和开关管故障的表现均是电流为0，二者故障表现相同，若不加以区分，很容易引起误诊断。

技术实现思路

1、针对上述情况，本发明提供了一种永磁双凸极电机电流传感器和开关管故障诊断方法，将电流传感器故障和开关管故障包含在同一种方法中，以避免误诊断现象的发生。

2、为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种永磁双凸极电机电流传感器和开关管故障诊断方法，三相桥式变换器拓扑的电源正极穿过电流传感器一，并与变换器拓扑的各上桥臂开关管的集电极相连，各下桥臂开关管的发射极共同穿过电流传感器二，并与电源负极相连；各上桥臂开关管的发射极分别对应与各下桥臂开关管的集电极相连，六个二极管分别并联在对应开关管的两端；永磁双凸极电机的三相绕组一端呈y型连接，另一端分别连接在各上桥臂开关管的发射极上；

4、通过分析故障前后变换器拓扑中特定位置处电流传感器采样的电流值、开关管的驱动信号和电流变化率的变化特征，从而提取故障定位特征来实现电流传感器和开关管的故障诊断。

5、进一步的，通过分析故障前后变换器拓扑中特定位置处的电流值、驱动信号和电流变化率的变化特征；

6、设特定位置处电流传感器cs1和cs2分别采样的电流值为i1和i2，开关管tk的驱动信号为pk，其中k＝1,2,3,4,5,6；即变换器拓扑中的六个开关管分别为t1、t2、t3、t4、t5、t6。

7、进一步的，通过分析故障前后变换器拓扑中特定位置处的电流值、驱动信号和电流变化率的变化特征；

8、当系统正常工作时，具体分析如下：

9、将一个电角度周期分为三个区间，分别为：0°～120°区间、120°～240°区间和240°～360°区间；

10、当转子位于0°～120°区间时，开关管t4、t5工作，根据相电流波形可分为三个阶段：

11、第一个阶段是换相阶段，此时p4＝p5＝1、相电流ia<0、ib>0、ic<0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1<0、i2>0；

12、第二个阶段是斩波导通阶段，此时p4＝p5＝1、相电流ia<0、ib＝0、ic>0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1>0、i2>0，电流变化率为正；

13、第三个阶段是斩波关断阶段，此时p4＝p5＝0、相电流ia<0、ib＝0、ic>0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1<0、i2＝0，电流变化率为负。

14、当转子位于120°～240°区间时，开关管t1、t6工作，根据相电流波形可分为三个阶段：

15、第一个阶段是换相阶段，此时p1＝p6＝1、相电流ia<0、ib<0、ic>0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1<0、i2>0；

16、第二个阶段是斩波导通阶段，此时p1＝p6＝1、相电流ia>0、ib<0、ic＝0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1>0、i2>0，电流变化率为正；

17、第三个阶段是斩波关断阶段，此时p1＝p6＝1、相电流ia>0、ib<0、ic＝0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1<0、i2＝0，电流变化率为负。

18、当转子位于240°～360°区间时，开关管t2、t3工作，根据相电流波形可分为三个阶段：

19、第一个阶段是换相阶段，此时p2＝p3＝1、相电流ia>0、ib<0、ic<0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1<0、i2>0；

20、第二个阶段是斩波导通阶段，此时p2＝p3＝1、相电流ia＝0、ib>0、ic<0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1>0、i2>0，电流变化率为正；

21、第三个阶段是斩波关断阶段，此时p2＝p3＝1、相电流ia＝0、ib>0、ic<0，结合基尔霍夫电流定律可得，此时i1<0、i2＝0，电流变化率为负。

22、进一步的，所述的通过分析故障前后变换器拓扑中特定位置处的电流值、驱动信号和电流变化率的变化特征。

23、当系统发生故障时，具体分析如下：

24、将一个电角度周期分为三个区间，分别为：0°～120°区间、120°～240°区间和240°～360°区间。

25、当故障发生在0°～120°区间时，若是上管t5开路，此时p4＝p5＝1，形成续流回路：c相绕组→a相绕组→下管t4→二极管d2，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2>0，电流变化率为负；

26、若是下管t4开路，此时p4＝p5＝1，形成续流回路：c相绕组→a相绕组→二极管d1→上管t5，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2＝0，电流变化率为负；

27、若是双管t4、t5开路，此时p4＝p5＝1，形成续流回路：c相绕组→a相绕组→二极管d1→母线电压udc→二极管d2，结合基尔霍夫电流定律可得，i1<0、i2＝0，电流变化率为负；

28、若是电流传感器cs1故障，此时p4＝p5＝1，形成续流回路：母线电压udc→上管t5→c相绕组→a相绕组→下管t4，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2>0，电流变化率为正；

29、若是电流传感器cs2故障，当p4＝p5＝1时，形成续流回路：母线电压udc→上管t5→c相绕组→a相绕组→下管t4，结合基尔霍夫电流定律可得，i1>0、i2＝0，电流变化率为正；

30、当故障发生在120°～240°区间时，若是上管t1开路，此时p1＝p6＝1，形成续流回路：a相绕组→b相绕组→下管t6→二极管d4，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2>0，电流变化率为负；

31、若是下管t6开路，此时p1＝p6＝1，形成续流回路：a相绕组→b相绕组→二极管d3→上管t1，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2＝0，电流变化率为负；

32、若是双管t1、t6开路，此时p1＝p6＝1，形成续流回路：a相绕组→b相绕组→二极管d3→母线电压udc→二极管d4，结合基尔霍夫电流定律可得，i1<0、i2＝0，电流变化率为负；

33、若是电流传感器cs1故障，此时p1＝p6＝1，形成续流回路：母线电压udc→上管t1→a相绕组→b相绕组→下管t6，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2>0，电流变化率为正；

34、若是电流传感器cs2故障，当p1＝p6＝1时，形成续流回路：母线电压udc→上管t1→a相绕组→b相绕组→下管t6，结合基尔霍夫电流定律可得，i1>0、i2＝0，电流变化率为正；

35、当故障发生在240°～360°区间时，若是上管t3开路，此时p2＝p3＝1，形成续流回路：b相绕组→c相绕组→下管t2→二极管d6，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2>0，电流变化率为负；

36、若是下管t2开路，此时p2＝p3＝1，形成续流回路：b相绕组→c相绕组→二极管d5→上管t3，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2＝0，电流变化率为负；

37、若是双管t2、t3开路，此时p2＝p3＝1，形成续流回路：b相绕组→c相绕组→二极管d5→母线电压udc→二极管d6，结合基尔霍夫电流定律可得，i1<0、i2＝0，电流变化率为负；

38、若是电流传感器cs1故障，此时p2＝p3＝1，形成续流回路：母线电压udc→上管t3→b相绕组→c相绕组→下管t2，结合基尔霍夫电流定律可得，i1＝0、i2>0，电流变化率为正；

39、若是电流传感器cs2故障，当p2＝p3＝1时，形成续流回路：母线电压udc→上管t3→b相绕组→c相绕组→下管t2，结合基尔霍夫电流定律可得，i1>0、i2＝0，电流变化率为正。

40、本发明还包括能够使其正常使用的其它组件，均为本领域的常规手段，另外，本发明中未加限定的装置或组件，如：三相桥式逆变器拓扑、双凸极电机、电流传感器等，均采用本领域的现有技术。

41、本发明的有益效果如下：

42、本发明提供的永磁双凸极电机电流传感器和开关管故障诊断方法，该方法的输入仅为电流传感器采样的电流值、电流变化率的正负和开关管的驱动信号，输出为故障位置；该方法无需增加诊断成本，即可实现电流传感器和开关管故障诊断，避免了误诊断现象的发生。