雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和故障診斷領(lǐng)域，尤其是涉及雙繞組永磁容錯(cuò) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著多電、全電飛機(jī)及混合、純電動(dòng)汽車的發(fā)展，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī) 遇和挑戰(zhàn)，除了要求高功率密度和高效率外，同時(shí)還需具備高輸出性能和高可靠性，這已成 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。20世紀(jì)90年代，永磁容錯(cuò)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，提高了 系統(tǒng)的安全可靠性，且已應(yīng)用到航空領(lǐng)域。但是，由于電磁干擾，絕緣老化，接觸不良等原 因，常會(huì)使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)和功率變換器產(chǎn)生一些電氣故障，這些電氣故障可以歸結(jié)為 四種類型：功率管斷路故障、功率管短路故障、繞組斷路故障和繞組短路故障。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)發(fā)生故障后，電機(jī)非對(duì)稱運(yùn)行，輸出轉(zhuǎn)矩將出現(xiàn)脈動(dòng)，產(chǎn)生較大的機(jī)械噪聲，導(dǎo)致系統(tǒng) 的整體性能下降，尤其是輸出功率大大降低，甚至不能正常工作，嚴(yán)重危害系統(tǒng)的安全，因 此系統(tǒng)故障時(shí)的容錯(cuò)控制能力就成為了一個(gè)非常突出的問(wèn)題。然而，要研究系統(tǒng)故障時(shí)的 容錯(cuò)控制能力首先就要求能夠?qū)ο到y(tǒng)的故障進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測(cè)和定位，因此研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)的故障診斷技術(shù)就尤其重要了。
[0003] 相比于開(kāi)路故障，短路故障已經(jīng)存在許多比較成熟的診斷方案，而相比于短路故 障，開(kāi)路故障發(fā)生后往往電機(jī)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，所以不易被發(fā)現(xiàn)，但其危害較大，因?yàn)樵诖?情況下其余IGBT將流過(guò)更大的電流，易發(fā)生過(guò)流故障；且電機(jī)電流中存在直流電流分量， 會(huì)引起轉(zhuǎn)矩減小、發(fā)熱、絕緣損壞等問(wèn)題，如不及時(shí)處理開(kāi)路故障，將會(huì)引發(fā)更大的事故。因 此，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)路故障診斷方法的研究更加必要。歸納國(guó)內(nèi)外學(xué)者在IGBT開(kāi)路故障 診斷方法上所展開(kāi)的研究，主要有專家系統(tǒng)法、電流檢測(cè)法和電壓檢測(cè)法三種。
[0004] 專家系統(tǒng)法基于經(jīng)驗(yàn)積累，將可能發(fā)生的故障一一列出，歸納出規(guī)律并建立知識(shí) 庫(kù)，當(dāng)發(fā)生故障的時(shí)候只需要觀測(cè)故障現(xiàn)象，查詢知識(shí)庫(kù)即可判斷故障類型，難點(diǎn)在于難以 窮盡所有的故障現(xiàn)象并得到完備的故障知識(shí)庫(kù)，而有些故障模態(tài)往往與系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的 某種狀態(tài)時(shí)非常相似，造成了難以準(zhǔn)確匹配故障。電壓檢測(cè)法通過(guò)考察系統(tǒng)故障時(shí)電機(jī)相 電壓、電機(jī)線電壓或電機(jī)中性點(diǎn)電壓與正常時(shí)的偏差來(lái)診斷故障。只需要四分之一基波周 期便能檢測(cè)出故障，大大縮短了診斷時(shí)間，但是這種方法需要增加電壓傳感器，通用性差。
[0005] 電流檢測(cè)法最為常用，因?yàn)槠湎到y(tǒng)的參數(shù)和控制策略是獨(dú)立的，且不需要增加額 外的傳感器，其中又派生出平均電流Park矢量法、單電流傳感器法和電流斜率法等。平均 電流Park矢量法又是其中較好的一種方法，以Coimbra大學(xué)的A. J. Marques Cardoso教授 發(fā)表的一系列文章為代表。1998年，A. J. Marques Cardoso教授提出了用于變頻器故障診 斷的電流Park矢量法，但該方法需要非常復(fù)雜的模式識(shí)別算法，不適合融入驅(qū)動(dòng)控制器。 隨后，又提出了平均電流Park矢量法，該方法在d-q坐標(biāo)系下進(jìn)行，能快速判斷和確定哪只 IGBT出現(xiàn)故障，但其缺點(diǎn)在于對(duì)負(fù)載敏感，容易受負(fù)載和轉(zhuǎn)速的突變而出現(xiàn)誤判斷。為了克 服這些缺點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者又提出了歸一化平均電流法、歸一化平均電流絕對(duì)值法等，這些方法 可以在一定程度上提高故障診斷的魯棒性，但存在計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，且仍存在受負(fù)載和轉(zhuǎn)速 的突變而出現(xiàn)誤判斷的潛在問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供一種雙繞組永磁容錯(cuò)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法，使其簡(jiǎn)單易行，可靠性高，診斷時(shí)間短，可以避免負(fù)載突 變等原因引起的誤診斷，能夠有效地檢測(cè)和定位雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的開(kāi)路故 障。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：
[0008] 雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法，該方法包括以下步驟：
[0009] 步驟1 :將采集到的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的兩套繞組中各自的相電流， 分別通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，然后將濾波后的電流值通過(guò)Clark變換處理得到α-β坐 標(biāo)系下各自實(shí)際電流值；
[0010] 對(duì)各實(shí)際電流值通過(guò)Park矢量處理器進(jìn)行處理，最后將得到的電流基準(zhǔn)值和所 述各自相電流值輸入歸一化處理器中進(jìn)行歸一化處理；
[0011] 步驟2 :將歸一化后的電機(jī)相電流inN分別經(jīng)過(guò)平均值計(jì)算器和絕對(duì)值計(jì)算器進(jìn)行 處理；其后，對(duì)得到的平均電流值通過(guò)平均電流判斷故障準(zhǔn)則進(jìn)行故障預(yù)判斷，對(duì)得到的電 流絕對(duì)值進(jìn)行絕對(duì)值取平均處理器處理；再將電流絕對(duì)值的平均值和基準(zhǔn)值一同作為絕對(duì) 值的平均電流判斷故障的輸入值來(lái)進(jìn)行故障預(yù)判斷；
[0012] 步驟3 :最終，將得到的平均電流判斷故障準(zhǔn)則的結(jié)果和絕對(duì)值的平均電流判斷 故障準(zhǔn)則的結(jié)果一同送入開(kāi)路故障診斷與定位處理環(huán)節(jié)得到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體故障。
[0013] 該診斷方法提供一雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括雙繞組永磁容錯(cuò)電 機(jī)以及其驅(qū)動(dòng)電路；其中，所述的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)包括十二槽定子和十極表貼式永磁 體轉(zhuǎn)子，其定子中包含兩套相互獨(dú)立的對(duì)稱的三相集中式隔齒繞制的電樞繞組，所述電機(jī) 的驅(qū)動(dòng)電路為兩套三相全橋驅(qū)動(dòng)電路，分別對(duì)各套電樞繞組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0014] 在所述步驟1中，令電機(jī)兩套繞組α-β坐標(biāo)系下各自實(shí)際電流值為ial、 ia2、ie2，通過(guò)Park矢量處理器進(jìn)行處理得到處理后的電流基準(zhǔn)值111 I和Itl，再經(jīng)過(guò)歸一 化處理器處理得到歸一化后的電機(jī)相電流inN，其中ial、iM和i。 2、ie2分別為：
[0015]
[0016] 其中，in(n = a, b, c和X，y, z)為采集到的兩套繞組中各自的相電流值；
[0017] 歸一化后的電機(jī)相電流inN為：
[0018]
υ?Ν 丄uuiuoo乙 ? λ _/·?·? 〇/ υ ^
[0019] 在所述步驟2中，平均電流判斷故障準(zhǔn)則為：
[0020] 其中，In為平均電流判斷的故障診斷信號(hào)，I。為平均電流值判斷閥值，當(dāng)<i ηΝ> > I。時(shí)，I "為Η，表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的下功率管開(kāi)路故障；當(dāng)-I<i ηΝ> < I。時(shí)，I "為Μ，表示驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)的電機(jī)繞組開(kāi)路故障或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行正常；當(dāng)<inN> < -Ic時(shí)，I "為L(zhǎng)，表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 上功率管開(kāi)路故障；
[0021] 絕對(duì)值的平均電流判斷故障準(zhǔn)則為：
[0022]
[0023]
[0024] 其中，dn為正常情況與故障情況下的歸一化相電流絕對(duì)值的平均值的偏差值，ξ 為系統(tǒng)正常情況下，歸一化相電流絕對(duì)值的平均值，Dn為絕對(duì)值的平均電流判斷的故障診 斷信號(hào)，n = a, b, c ;ka、kp分別為絕對(duì)值的平均電流的判斷閥值，當(dāng)dn> k ρ時(shí)，D "為W，表 示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)繞組開(kāi)路故障；當(dāng)ka< dn< k e時(shí)，DnS P，表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單個(gè)功率管的 開(kāi)路故障；當(dāng)dn< k a時(shí)，D "為N，表示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行正常。
[0025] 所述步驟3中，對(duì)故障診斷與定位處理的具體判斷依據(jù)為：
[0026] (1)當(dāng)03為P，D b為N，D。為N，I 3為L(zhǎng)時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)a相的上功率 管出現(xiàn)開(kāi)路故障；
[0027] (2)當(dāng)03為P，D b為N，D。為N，I 3為H時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)a相的下功率 管出現(xiàn)開(kāi)路故障；
[0028] (3)當(dāng)Da*W，IaSM時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的a相電機(jī)繞組開(kāi)路故障；
[0029] (4)當(dāng)03為N，D b為P，D。為N，I A L時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)b相的上功率 管出現(xiàn)開(kāi)路故障；
[0030] (5)當(dāng)03為N，D b為P，D。為N，I力H時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)b相的下功率 管出現(xiàn)開(kāi)路故障；
[0031] (6)當(dāng)Db為W，I^M時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的b相電機(jī)繞組開(kāi)路故障；
[0032] (7)當(dāng)03為N，D b為N，D。為P，I。為L(zhǎng)時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)c相的上功率 管出現(xiàn)開(kāi)路故障；
[0033] (8)當(dāng)03為N，D b為N，D。為P，I。為H時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)c相的下功率 管出現(xiàn)開(kāi)路故障；
[0034] (9)當(dāng)D。為W，I。為M時(shí)，表示診斷出的故障為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的c相電機(jī)繞組開(kāi)路故障。
[0035] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0036] 1、本發(fā)明提出的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法僅需使用原 有控制器所帶有的霍爾電流傳感器即可，并不需要額外的傳感器或其他設(shè)備，簡(jiǎn)單易行，可 靠性高。
[0037] 2、本發(fā)明提出的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法使用歸一化 相電流的平均值和其絕對(duì)值的平均值聯(lián)合進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，避免了常規(guī)故障診斷方法 由于負(fù)載突變等原因而易產(chǎn)生的誤判斷，具有更好的故障診斷的魯棒性。
[0038] 3、本發(fā)明提出的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法采用歸一化 平均電流和歸一化絕對(duì)值平均電流法相結(jié)合的思路，診斷速度更快。
[0039] 4、本發(fā)明提出的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法不需要進(jìn)行 反正切函數(shù)求相角和對(duì)角度求導(dǎo)，也不需要進(jìn)行兩次不同方法分別判斷來(lái)確定故障，運(yùn)算 更簡(jiǎn)便。
[0040] 本發(fā)明簡(jiǎn)單易行，可靠性高，診斷時(shí)間短，可避免負(fù)載突變等原因引起的誤診斷， 能有效地檢測(cè)和定位雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的開(kāi)路故障。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1為雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0042] 圖2為雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 本發(fā)明提供一種雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)路故障診斷方法，為使本發(fā)明 的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō) 明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0044] 如圖1所示，是本發(fā)明所述的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述的雙繞組永磁 容錯(cuò)電機(jī)是由12槽定子和10極表貼式永磁體轉(zhuǎn)子組成，其定子中包含兩套相互獨(dú)立的對(duì) 稱的三相集中式隔齒繞制的電樞繞組（繞組a、b、c和繞組x、y、z)，其由兩套三相全橋驅(qū)動(dòng) 電路分別