双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电机驱动系统的可靠性和故障诊断领域，尤其是涉及双绕组永磁容错电机驱 动系统的开路故障诊断方法。

背景技术

随着多电、全电飞机及混合、纯电动汽车的发展，电机驱动系统迎来了新的发展机遇和 挑战，除了要求高功率密度和高效率外，同时还需具备高输出性能和高可靠性，这已成为电 机驱动系统的关键所在。20世纪90年代，永磁容错电机及其控制系统的出现，提高了系统 的安全可靠性，且已应用到航空领域。但是，由于电磁干扰，绝缘老化，接触不良等原因， 常会使驱动系统中的电机和功率变换器产生一些电气故障，这些电气故障可以归结为四种类 型：功率管断路故障、功率管短路故障、绕组断路故障和绕组短路故障。当电机驱动系统发 生故障后，电机非对称运行，输出转矩将出现脉动，产生较大的机械噪声，导致系统的整体 性能下降，尤其是输出功率大大降低，甚至不能正常工作，严重危害系统的安全，因此系统 故障时的容错控制能力就成为了一个非常突出的问题。然而，要研究系统故障时的容错控制 能力首先就要求能够对系统的故障进行准确地检测和定位，因此研究电机驱动系统的故障诊 断技术就尤其重要了。

相比于开路故障，短路故障已经存在许多比较成熟的诊断方案，而相比于短路故障，开 路故障发生后往往电机还能够继续运行，所以不易被发现，但其危害较大，因为在此情况下 其余IGBT将流过更大的电流，易发生过流故障；且电机电流中存在直流电流分量，会引起 转矩减小、发热、绝缘损坏等问题，如不及时处理开路故障，将会引发更大的事故。因此， 对电机驱动系统开路故障诊断方法的研究更加必要。归纳国内外学者在IGBT开路故障诊断 方法上所展开的研究，主要有专家系统法、电流检测法和电压检测法三种。

专家系统法基于经验积累，将可能发生的故障一一列出，归纳出规律并建立知识库，当 发生故障的时候只需要观测故障现象，查询知识库即可判断故障类型，难点在于难以穷尽所 有的故障现象并得到完备的故障知识库，而有些故障模态往往与系统正常运行时的某种状态 时非常相似，造成了难以准确匹配故障。电压检测法通过考察系统故障时电机相电压、电机 线电压或电机中性点电压与正常时的偏差来诊断故障。只需要四分之一基波周期便能检测出 故障，大大缩短了诊断时间，但是这种方法需要增加电压传感器，通用性差。

电流检测法最为常用，因为其系统的参数和控制策略是独立的，且不需要增加额外的传 感器，其中又派生出平均电流Park矢量法、单电流传感器法和电流斜率法等。平均电流Park 矢量法又是其中较好的一种方法，以Coimbra大学的A.J.MarquesCardoso教授发表的一系列 文章为代表。1998年，A.J.MarquesCardoso教授提出了用于变频器故障诊断的电流Park矢 量法，但该方法需要非常复杂的模式识别算法，不适合融入驱动控制器。随后，又提出了平 均电流Park矢量法，该方法在d-q坐标系下进行，能快速判断和确定哪只IGBT出现故障， 但其缺点在于对负载敏感，容易受负载和转速的突变而出现误判断。为了克服这些缺点，相 关学者又提出了归一化平均电流法、归一化平均电流绝对值法等，这些方法可以在一定程度 上提高故障诊断的鲁棒性，但存在计算过于复杂，且仍存在受负载和转速的突变而出现误判 断的潜在问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种双绕组永磁容错电机驱动系 统的开路故障诊断方法，使其简单易行，可靠性高，诊断时间短，可以避免负载突变等原因 引起的误诊断，能够有效地检测和定位双绕组永磁容错电机驱动系统中的开路故障。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将采集到的双绕组永磁容错电机驱动系统的两套绕组中各自的相电流，分别通 过低通滤波器进行滤波，然后将滤波后的电流值通过Clark变换处理得到α-β坐标系下各自 实际电流值；

对各实际电流值通过Park矢量处理器进行处理，最后将得到的电流基准值和所述各自相 电流值输入归一化处理器中进行归一化处理；

步骤2：将归一化后的电机相电流i_nN分别经过平均值计算器和绝对值计算器进行处理； 其后，对得到的平均电流值通过平均电流判断故障准则进行故障预判断，对得到的电流绝对 值进行绝对值取平均处理器处理；再将电流绝对值的平均值和基准值一同作为绝对值的平均 电流判断故障的输入值来进行故障预判断；

步骤3：最终，将得到的平均电流判断故障准则的结果和绝对值的平均电流判断故障准 则的结果一同送入开路故障诊断与定位处理环节得到电驱动系统的具体故障。

该诊断方法提供一双绕组永磁容错电机驱动系统，该系统包括双绕组永磁容错电机以及 其驱动电路；其中，所述的双绕组永磁容错电机包括十二槽定子和十极表贴式永磁体转子， 其定子中包含两套相互独立的对称的三相集中式隔齿绕制的电枢绕组，所述电机的驱动电路 为两套三相全桥驱动电路，分别对各套电枢绕组进行驱动。

在所述步骤1中，令电机两套绕组α-β坐标系下各自实际电流值为i_α1、i_β1和i_α2、i_β2， 通过Park矢量处理器进行处理得到处理后的电流基准值和再经过归一化处理器处 理得到归一化后的电机相电流i_nN，其中i_α1、i_β1和i_α2、i_β2分别为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha 1}\\ i_{\beta 1}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha 2}\\ i_{\beta 2}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\\ i_z\end{array}\right);$

其中，i_n(n＝a,b,c和x,y,z)为采集到的两套绕组中各自的相电流值；

归一化后的电机相电流i_nN为：

$i_{nN}=\{\begin{array}{cc}\frac{i_n}{\left|{\bar{i}}_{s1}\right|}=\frac{i_n}{\sqrt{i_{\alpha 1}^2+i_{\beta 1}^2}},& n=a,b,c\\ \frac{i_n}{\left|{\bar{i}}_{s2}\right|}=\frac{i_n}{\sqrt{i_{\alpha 2}^2+i_{\beta 2}^2}},& n=x,y,z\end{array}.$

在所述步骤2中，平均电流判断故障准则为：$I_n=\left(\begin{array}{ccc}H& if& <i_{nN}>>I_0\\ M& if& -I_0\le <i_{nN}>\le I_0\\ L& if& <i_{nN}><-I_0\end{array}\right)$

其中，I_n为平均电流判断的故障诊断信号，I₀为平均电流值判断阀值，当<i_nN>＞I₀时，I_n为H，表示驱动系统的下功率管开路故障；当-I₀≤<i_nN>≤I₀时，I_n为M，表示驱动系统的电 机绕组开路故障或驱动系统运行正常；当<i_nN>＜-I₀时，I_n为L，表示驱动系统的上功率管开 路故障；

绝对值的平均电流判断故障准则为：

d_n＝ξ-<|i_nN|>

$D_n=\left(\begin{array}{ccc}W& if& d_n\ge k_{\beta }\\ P& if& k_{\alpha }<d_n<k_{\beta }\\ N& if& d_n\le k_{\alpha }\end{array}\right);$

其中，d_n为正常情况与故障情况下的归一化相电流绝对值的平均值的偏差值，ξ为系统 正常情况下，归一化相电流绝对值的平均值，D_n为绝对值的平均电流判断的故障诊断信号， n＝a,b,c；k_α、k_β分别为绝对值的平均电流的判断阀值，当d_n≥k_β时，D_n为W，表示驱动系统 的电机绕组开路故障；当k_α＜d_n＜k_β时，D_n为P，表示驱动系统单个功率管的开路故障；当 d_n≤k_α时，D_n为N，表示驱动系统运行正常。

所述步骤3中，对故障诊断与定位处理的具体判断依据为：

(1)当D_a为P，D_b为N，D_c为N，I_a为L时，表示诊断出的故障为驱动a相的上功率管 出现开路故障；

(2)当D_a为P，D_b为N，D_c为N，I_a为H时，表示诊断出的故障为驱动a相的下功率管 出现开路故障；

(3)当D_a为W，I_a为M时，表示诊断出的故障为驱动系统的a相电机绕组开路故障；

(4)当D_a为N，D_b为P，D_c为N，I_b为L时，表示诊断出的故障为驱动b相的上功率管 出现开路故障；

(5)当D_a为N，D_b为P，D_c为N，I_b为H时，表示诊断出的故障为驱动b相的下功率管 出现开路故障；

(6)当D_b为W，I_b为M时，表示诊断出的故障为驱动系统的b相电机绕组开路故障；

(7)当D_a为N，D_b为N，D_c为P，I_c为L时，表示诊断出的故障为驱动c相的上功率管 出现开路故障；

(8)当D_a为N，D_b为N，D_c为P，I_c为H时，表示诊断出的故障为驱动c相的下功率管 出现开路故障；

(9)当D_c为W，I_c为M时，表示诊断出的故障为驱动系统的c相电机绕组开路故障。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出的双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法仅需使用原有控制 器所带有的霍尔电流传感器即可，并不需要额外的传感器或其他设备，简单易行，可靠性高。

2、本发明提出的双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法使用归一化相电流 的平均值和其绝对值的平均值联合进行故障检测和定位，避免了常规故障诊断方法由于负载 突变等原因而易产生的误判断，具有更好的故障诊断的鲁棒性。

3、本发明提出的双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法采用归一化平均电 流和归一化绝对值平均电流法相结合的思路，诊断速度更快。

4、本发明提出的双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法不需要进行反正切 函数求相角和对角度求导，也不需要进行两次不同方法分别判断来确定故障，运算更简便。

本发明简单易行，可靠性高，诊断时间短，可避免负载突变等原因引起的误诊断，能有 效地检测和定位双绕组永磁容错电机驱动系统中的开路故障。

附图说明

图1为双绕组永磁容错电机驱动系统的拓扑结构；

图2为双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法的原理框图。

具体实施方式

本发明提供一种双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法，为使本发明的目的， 技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理 解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明所述的双绕组永磁容错电机驱动系统，所述的双绕组永磁容错电 机是由12槽定子和10极表贴式永磁体转子组成，其定子中包含两套相互独立的对称的三相 集中式隔齿绕制的电枢绕组(绕组a、b、c和绕组x、y、z)，其由两套三相全桥驱动电路分 别进行驱动，外部直流母线端为270V供电。图1中，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆为驱动绕组a、b、 c的三相全桥驱动电路中的功率开关管，绕组a、b、c和绕组x、y、z为容错电机的两套独 立绕组，load为驱动系统的负载。

如图2所示，是本发明所述的双绕组永磁容错电机驱动系统开路故障诊断方法的具体实 施方式，其具体实施步骤为：

步骤1：将采集到的双绕组永磁容错电机驱动系统的两套绕组(绕组a、b、c和绕组x、y、 z)中各自的相电流i_n(n＝a,b,c和x,y,z)分别通过低通滤波器进行滤波，然后将滤波后 的电流值通过Clark变换处理得到α-β坐标系下各自实际电流值i_α1、i_β1和i_α2、i_β2，再将i_α1、 i_β1和i_α2、i_β2通过Park矢量处理器进行处理得到处理后的电流基准值和再经过归 一化处理器处理得到归一化后的电机相电流i_nN，其中i_α1、i_β1和i_α2、i_β2分别为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha 1}\\ i_{\beta 1}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha 2}\\ i_{\beta 2}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\\ i_z\end{array}\right)$

将i_α1、i_β1和i_α2、i_β2通过Park矢量处理器进行处理得到处理后的电流基准值和

$\left(\begin{array}{c}\left|\overline{i_{s1}}\right|=\sqrt{i_{\alpha 1}^2+i_{\beta 1}^2}\\ \left|\overline{i_{s2}}\right|=\sqrt{i_{\alpha 2}^2+i_{\beta 2}^2}\end{array}\right)$

将采集到的双绕组永磁容错电机两套绕组(绕组a、b、c和绕组x、y、z)中各自的相电流 i_a、i_b、i_c和i_x、i_y、i_z分别与电流基准值和经过归一化处理器处理得到归一化后的 电机相电流i_nN：

$i_{nN}=\left(\begin{array}{cc}\frac{i_n}{\left|{\bar{i}}_{s1}\right|}=\frac{i_n}{\sqrt{i_{\alpha 1}^2+i_{\beta 1}^2}},& n=a,b,c\\ \frac{i_n}{\left|{\bar{i}}_{s2}\right|}=\frac{i_n}{\sqrt{i_{\alpha 2}^2+i_{\beta 2}^2}},& n=x,y,z\end{array}\right)$

步骤2：将归一化后的电机相电流i_nN分别经过平均值计算器和绝对值计算器进行处理得 到平均电流值<i_nN>和电流绝对值|i_nN|，再将计算得到的平均电流值<i_nN>送入平均电流判断故 障准则进行故障预判断，然后将计算得到的电流绝对值|i_nN|进行绝对值取平均处理器处理得 到电流绝对值的平均值<|i_nN|>，再将<|i_nN|>和基准值ξ一同送入绝对值的平均电流判断故障准 则进行故障预判断，其中平均电流判断故障准则为：

$I_n=\left(\begin{array}{ccc}H& if& <i_{nN}>>I_0\\ M& if& -I_0\le <i_{nN}>\le I_0\\ L& if& <i_{nN}><-I_0\end{array}\right)$

其中，I_n为平均电流判断的故障诊断信号，I₀＝0.23为平均电流值判断阀值，当<i_nN>＞I₀时， I_n为H，表示驱动系统的下功率管开路故障；当-I₀≤<i_nN>≤I₀时，I_n为M，表示驱动系统的电 机绕组开路故障(等效为同一桥臂的上、下功率管同时开路的故障)或驱动系统运行正常； 当<i_nN>＜-I₀时，I_n为L，表示驱动系统的上功率管开路故障；

绝对值的平均电流判断故障准则为：

d_n＝ξ-<|i_nN|>

$D_n=\left(\begin{array}{ccc}W& if& d_n\ge k_{\beta }\\ P& if& k_{\alpha }<d_n<k_{\beta }\\ N& if& d_n\le k_{\alpha }\end{array}\right)$

其中，d_n为正常情况与故障情况下的归一化相电流绝对值的平均值的偏差值，ξ≈0.5198为 系统正常情况下，归一化相电流绝对值的平均值，D_n为绝对值的平均电流判断的故障诊断信 号，k_α＝0.1、k_β＝0.3分别为绝对值的平均电流的判断阀值，当d_n≥k_β时，D_n为W，表示驱动 系统的电机绕组开路故障(等效为同一桥臂的上、下功率管同时开路的故障)；当k_α＜d_n＜k_β时，D_n为P，表示驱动系统单个功率管的开路故障；当d_n≤k_α时，D_n为N，表示驱动系统运 行正常；

步骤3：将得到的平均电流判断故障准则和绝对值的平均电流判断故障准则一同送入开 路故障诊断与定位处理得到电驱动系统的具体故障，其具体的故障诊断与定位判据为：(1) 当D_a为P，D_b为N，D_c为N，I_a为L时，表示诊断出的故障为驱动a相的上功率管(功率管T₁) 出现开路故障；(2)当D_a为P，D_b为N，D_c为N，I_a为H时，表示诊断出的故障为驱动a相的 下功率管(功率管T₂)出现开路故障；(3)当D_a为W，I_a为M时，表示诊断出的故障为驱动 系统的a相电机绕组开路故障；(4)当D_a为N，D_b为P，D_c为N，I_b为L时，表示诊断出的故 障为驱动b相的上功率管(功率管T₃)出现开路故障；(5)当D_a为N，D_b为P，D_c为N，I_b为 H时，表示诊断出的故障为驱动b相的下功率管(功率管T₄)出现开路故障；(6)当D_b为W， I_b为M时，表示诊断出的故障为驱动系统的b相电机绕组开路故障；(7)当D_a为N，D_b为N， D_c为P，I_c为L时，表示诊断出的故障为驱动c相的上功率管(功率管T₅)出现开路故障；(8) 当D_a为N，D_b为N，D_c为P，I_c为H时，表示诊断出的故障为驱动c相的下功率管(功率管T₆) 出现开路故障；(9)当D_c为W，I_c为M时，表示诊断出的故障为驱动系统的c相电机绕组开 路故障。

以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照 本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。