基于ESO-MLD的逆变器开路故障快速诊断系统及其诊断方法

技术领域

本发明属于基于模型的故障诊断技术领域，涉及一种基于ESO-MLD的逆变器开路故障快速诊断系统及其诊断方法。

背景技术

随着电力电子技术的快速发展，含逆变器的电机驱动系统广泛应用于电动汽车、新能源发电、航空等领域。电机驱动系统是由电机、传感器、控制器和逆变器组成，这几部分都有可能发生故障。据统计，34％的电力设备故障是由半导体和焊接故障导致的，而逆变器中至少80％的故障来自于半导体故障。逆变器故障会影响电机驱动系统的正常运行，进而造成经济损失。所以对逆变器开关管故障诊断方法的研究是非常有必要的。

逆变器故障主要分为短路故障和开路故障。逆变器开路故障是由开关管故障或驱动器故障引起的，而且驱动器栅极击穿也可导致IGBT开路故障。短路故障发生的持续时间很短，一般在电路中通过串联快速熔断器将短路故障转化为开路故障进行诊断。电机驱动系统存在外部干扰和不确定因素的问题，可能会导致逆变器出现故障的问题，在实际应用中，逆变器中单个和两个IGBT发生开路故障的情况较多，因此，对单个开关管和两个开关管的开路故障诊断变得极其重要。

当前对电机驱动系统中的逆变器开路故障诊断方法主要有以下几类：

1、基于平均电流Park矢量法的逆变器故障诊断方法，其检测算法过于复杂，不易实现且依赖于负载。2、一种归一化直流电流法，解决了故障诊断对负载的依赖性问题，但此方法在闭环系统中诊断效率较低。3、基于参考电流误差法的逆变器故障诊断方法，该方法利用参考电流与输出电流的差值来进行故障诊断，对负载变化具有一定鲁棒性，但不能用于开环系统。4、基于开关函数模型的逆变器故障诊断方法，但建模时没有考虑开关管的死区时间，容易造成误诊断，而且该方法诊断故障时需要高速光耦器或比较器，成本高。5、基于二阶滑模观测器与混合逻辑动态模型的无电压传感器逆变器开路故障诊断方法，该方法中滑模观测器的抖振现象较为严重。

发明内容

本发明公开了一种基于ESO-MLD的逆变器开路故障快速诊断系统及其诊断方法，解决由于电机驱动系统中未知干扰对逆变器开路故障诊断会产生影响的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

基于ESO-MLD的逆变器开路故障快速诊断系统，包括直流电源U

所述主逆变电路包含直流电源U

所述三相桥臂中IGBT开关功率管与快速熔断器串联的输入端并联后连接直流电源的正极，即T1和F1、T3和F3、T5和F5连接U

所述反向二极管D1的阴极连接IGBT开关功率管T1的输入端，反向二极管D3的阴极连接IGBT开关功率管T3的输入端，反向二极管D5的阴极连接IGBT开关功率管T5的输入端；反向二极管D2的阳极连接IGBT开关功率管T2的输出端，反向二极管D4的阳极连接IGBT开关功率管T4的输出端，反向二极管D6的阳极连接IGBT开关功率管T6的输出端；

所述绕组电阻、定子电感和反电动势顺序串联，分别连接T1、T3、T5的输出端并记为点a、点b、点c；反电动势计入公共点n，流入绕组电阻的电流分别记为i

上述诊断系统的诊断方法，包括如下步骤：

步骤一：将电机等效为电阻、电感和反电势串联组成的电路；建立含逆变器的电机驱动系统电机的连续模型；

步骤二：根据电路的约束关系和星型连接特点，对输出的相电压进行逻辑与运算，可得到逆变器正常工作时三相绕组相电压表达式

式u

步骤三：建立电机驱动系统逆变器的混合逻辑动态MLD模型，由步骤一和步骤二可得

步骤四：设计电压扩展观测器对输出的相电压进行实时估计，根据非线性不确定系统设计观测器，得到ESO-MLD模型为

扩展观测器的模型为：

其中fal(ε,α

步骤五：根据步骤三MLD模型输出的三相电压实际值U和电压扩展观测器观测的三相电压估计值产生的电压残差进行故障检测，利用电压残差包含的故障信息建立残差信息表进行故障定位。对单个开关管发生故障和两个开关管同时发生故障进行故障诊断。电压扩展观测器利用系统状态变量三相电流i和扰动量，以及利用电机的反馈信号电角度θ、角速度ω

各相的相电压残差：Δu

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

进一步的，步骤一中所述将电机等效为绕组电阻、定子电感和反电势串联组成的电路，建立了含逆变器的电机驱动系统数学模型：

其中，R、L为逆变器主电路每相上的绕组电阻和定子电感。u

进一步的，步骤二中所述采用SPWM调制方式，根据星型连接的特点，线电压有效值是相电压有效的倍数，可得数学模型矩阵形式：

其中，u

进一步的，步骤三中所述逆变器的混合逻辑动态模型由步骤一和步骤二可得；

其中，令

则步骤三中模型可简写为

进一步的，步骤四中所述当逆变器的开关管处于正常工作状态时，逆变器的混合逻辑动态模型和电压扩展观测器的输出均为正常电压值，且二者在数值上大致相等，即残差近似为零，也就是开关管没有发生开路故障；当逆变器的单个开关管或两个开关管发生开路故障时，根据逆变器混合逻辑动态模型输出的三相电压实际值U和电压扩展观测器观测的三相电压估计值产生的电压残差进行故障检测，利用电压残差包含的故障信息建立残差信息表进行故障定位。

进一步的，步骤五中所述根据所述故障模型分析发生开路故障时的特征信息，包括：

根据所述单个开关管发生开路故障，根据电流流向路径以及MLD模型可得无故障时输出的相电压和单个开关管发生开路故障时的各相相电压的残差电压，根据电压残差的正负即可判断是哪相开关管发生了开路故障；

根据所述两个开关管发生开路故障，根据电流流向路径以及MLD模型可得无故障时输出的相电压和两个开关管发生开路故障时的相电压的残差电压，通过三相电压残差之间的关系对故障相进行定位；同理，该方法也可对点a、b相的开关管发生开路故障进行处理，得到a、b相在不同故障情况下的电压残差。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明考虑到建模过程中开关信号的死区时间，避免了错误诊断。

2.本发明设计了一种电压扩展观测器，避免了其他硬件路或传感器的引入增加故障率的问题。

3.本发明实现了直接基于三相输出相电压的特征对IGBT开关管故障的精准检测及诊断，大大降低了计算程度和故障诊断的复杂程度。

附图说明

图1是本发明应用的含逆变器的电机驱动系统的拓扑图；

图2是本发明基于ESO-MLD的逆变器开路故障诊断策略框图；

图3是本发明正常情况下电压扩展观测器和实际系统输出的三相电压波形图；

图4是本发明正常情况下开关管工作状态信号波形图；

图5是本发明单个开关管开路故障的电压扩展观测器观测的和实际系统输出的三相电压波形图；

图6是本发明单个开关管开路故障的三相电压残差波形图；

图7是本发明单个开关管开路故障的开关管工作状态信号波形图；

图8是本发明两个开关管开路故障的电压扩展观测器观测的和实际系统输出的三相电压波形图；

图9是本发明两个开关管开路故障的三相电压残差波形图；

图10是本发明两个开关管开路故障的开关管工作状态信号波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明将扩展观测器(Extended State Observer,ESO)和混合逻辑动态模型(Mixed Logic Dynamic,MLD)结合，提出一种基于ESO-MLD的逆变器开路故障快速诊断方法，可对单管故障和同相双管故障精确定位。

图1是本发明应用中的含逆变器的电机驱动系统的拓扑图。由图2可知，该诊断方法涉及的逆变器的电机驱动系统拓扑结构包含直流电源U

主逆变电路包含直流电源U

电源U

反向二极管由符号D1～D6表示，快速熔断器由符号F1～F6表示；所述3个同样的绕组电阻、定子电感和反电动势统一记为R、L、e；

三相桥臂中IGBT与快速熔断器串联的输入端并联后连接直流电源的正极，即T1和F1、T3和F3、T5和F5连接U

反向二极管D1的阴极连接开关功率管T1的输入端，D3的阴极连接开关功率管T3的输入端，D5的阴极连接开关功率管T5的输入端；D2的阳极连接开关功率管T2的输出端，D4的阳极连接开关功率管T4的输出端，D6的阳极连接开关功率管T6的输出端；

绕组电阻、定子电感和反电动势顺序串联，分别连接T1、T3、T5的输出端并记为点a、点b、点c；反电动势计入公共点n，流入绕组电阻的电流分别记为i

本发明实施的有关电气参数设置如下：逆变器直流侧电压U

图2是本发明基于ESO-MLD的逆变器开路故障诊断策略框图，由此图可知，本发明的故障诊断方法步骤如下：

步骤一：将电机等效为电阻、电感和反电势串联组成的电路。建立含逆变器的电机驱动系统电机的连续模型。

步骤二：根据电路的约束关系和星型连接特点，对输出的相电压进行逻辑与运算，可得到逆变器正常工作时三相绕组相电压表达式

式u

步骤三：建立电机驱动系统逆变器的混合逻辑动态MLD模型，由步骤一和步骤二可得

步骤四：设计电压扩展观测器对输出的相电压进行实时估计，根据非线性不确定系统设计观测器，得到ESO-MLD模型为

扩展观测器的模型为：

其中fal(ε,α

步骤五：根据步骤三MLD模型输出的三相电压实际值U和电压扩展观测器观测的三相电压估计值产生的电压残差进行故障检测，利用电压残差包含的故障信息建立残差信息表进行故障定位。对单个开关管发生故障和两个开关管同时发生故障进行故障诊断。电压扩展观测器利用系统状态变量三相电流i和扰动量，以及利用电机的反馈信号电角度θ、角速度ω

各相的相电压残差：Δu

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

各相的相电压残差：

图3是本发明逆变器正常工作状态下，电压扩展观测器观测的和实际系统输出的三相电压波形图，由此图可知，ESO观测器观测的电压值和实际系统的每相的相电压基本吻合，说明跟踪效果好，误差很小。

图4是本发明正常工作状态下，开关管工作状态信号波形图，由该图可知，逆变器中开关管开路故障诊断实现以后，可以简单明确的显示开关管的故障信息，在仿真模型中利用单位阶跃信号来指示故障开关器件。当逆变电路无故障时，故障指示器上的数值均为1；

图5是本发明逆变器单管故障下，电压扩展观测器观测的和实际系统输出的三相电压波形图，在t＝0.3s时移除T5管的驱动信号，即T5管发生开路故障.

图6是本发明逆变器单管故障下，单个开关管开路故障的三相电压残差波形图，由该图可知，此时c相电压残差正向迅速增加，a、b两相的电压残差负向增加并且二者的增加趋势大致相同，在数值关系上c相的电压残差大致是a、b两相的电压残差的2倍，所以根据电压残差信息表可以判断是c相的T5管发生了开路故障；

图7是本发明单管故障状态下，开关管工作状态信号波形图，由此图可知，在t＝0.3s时，T5的单位阶跃信号由正常状态的1变为了0，证明是c相的T5发生了故障。

图8是本发明逆变器双管故障下，电压扩展观测器观测的和实际系统输出的三相电压波形图，在t＝0.3s时同时移除T5和T6管的驱动信号，即T5和T6管同时发生开路故障。

图9是本发明逆变器单管故障下，两个开关管开路故障的三相电压残差波形图，由该图可知，此时c相的电压残差先正向迅速增加，a、b两相的电压残差负向增加并且二者的增加趋势大致相同，在数值关系上c相的电压残差大致是a、b两相的电压残差的2倍，根据电压残差信息表可先诊断出T5管发生开路故障。然后c相的电压残差负向迅速增加，a、b两相的电压残差正向增加并且二者的增加趋势大致相同，在数值关系上c相的电压残差大致是a、b两相的电压残差的2倍，同样根据表4诊断出T6管发生开路故障。

图10是本发明双管故障状态下，开关管工作状态信号波形图，由此图可知，在开关管工作状态信号波形图上可直观地看到在0.3s时T5和T6管同时发生了开路故障。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。