CN110441643B - 永磁同步电机控制***中逆变器功率管断路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机控制***中逆变器功率管断路故障诊断方法，该方法基于电压平衡方程设计了差动电流状态观测器，以实现对永磁同步电机理想差动电流的估计，并结合差动电流的测量值估计出电机差动电流的畸变量；而后根据故障导致的电机差动电流的畸变规律，设计出相应的故障检测及定位算法，从而实现对逆变器开关管断路故障的快速、准确在线故障诊断。该方法具有抗干扰能力强、鲁棒性强、检测速度快、检测正确率高等优点，此外，该方法还可适用于电机稳速和变速阶段，并且对于两种不同的调制方式均适用(空间电压脉宽调制方式或基于载波的脉宽调制方式)，因此该方法是一种通用的电压源型逆变器单开关管断路故障诊断方法。

Description

永磁同步电机控制***中逆变器功率管断路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机控制***中逆变器功率管断路故障诊断方法，用于在线实时检测逆变器中开关管断路故障，并能定位故障源。

背景技术

永磁同步电机因其具有调速范围宽、动态响应好、可控性强、功率因数高等优点，被广泛应用于工业、军事、航空航天等领域。而逆变器开关管断路故障是永磁同步电机控制***中的最常见的故障之一，它会大幅降低电机的控制性能，增加电机耗损功率，且在极端情况下可能导致灾难性事故。为了避免上述不利因素，需要研究逆变器开关管断路故障的诊断方法，以配合故障容错方法，从而保证电机驱动***在故障后仍能安全可靠地高性能运行。而现有的针对逆变器开关管断路的故障诊断方法有频谱分析法、小波变换法、开关函数法、平均电流Park矢量法等。其中频谱分析法、小波变换法需要经过大量的信号处理和分析运算，这导致其故障检测速度慢，算法效率低，不适用于在线故障诊断；开关函数法是通过检测功率管所承受电压来实现故障诊断，这需要引入额外的传感器，从而也引入了新的故障源；平均电流Park矢量法是通过将三相电流为对称正弦波为基础进行故障诊断，但工程实际中三相电流大多存在畸变，因此该方法存在抗干扰能力差、误检率高等缺点。因此，研究一种准确、普适、快速、抗干扰的逆变器开关管断路故障诊断方法具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在传统的逆变器开关管断路故障诊断方法中，要么需要增加额外的传感器而引入新的故障源，要么存在适用范围窄(无法适用于电机变速阶段)、检测速度慢、抗干扰能力差等问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：针对上述问题，设计了一种基于差动电流状态观测器的应用于三相永磁同步电机控制***的电压源型逆变器开关管断路在线故障诊断方法。首先基于电机的电压方程设计出差动电流状态观测器，以实现对电机差动电流畸变值(残差)的进行估计，同时可以消除共模干扰，并提高畸变量(残差)的信噪比。之后，为电流残差设计了低通滤波器，进一步提高了对残差的信噪比。接着，分析逆变器故障时电流残差的变化规律，并设计出基于模板匹配(最小距离原则)的故障检测和定位算法。为了降低故障诊断的误检率及漏检率，设计了自适应检测阈值。这种基于差动电流状态观测器的方法无需增加额外传感器，且具有检测正确率高、诊断速度快、算法效率高、抗干扰性能好、鲁棒性高等优点，并可应用于电机的变速阶段，是一种高性能的通用故障诊断方法。

设该方法包括以下步骤：

步骤一、数据预处理。该步骤一负责对三相电流、电机转速、转子角位置及电压指令信息进行处理，得到期望线电压(逆变器正常时，根据控制器输出的电压指令等效计算出的电机线电压的期望值(u_ab ^*、u_ac ^*、u_bc ^*)、差动反电势(三相反电动势两两之间的差值e_ab、e_ac、e_bc)及差动电流(三相电流两两之间的差值)。其中，期望线电压可通过电流控制器输出的电压指令(u_d ^*、u_q ^*)先经过Park逆变换得到三相电压指令(u_an ^*、u_bn ^*、u_cn ^*)，再经过限幅、差动计算求得；差动反电势e_ab、e_ac、e_bc可先利用电机转速、转子角位置及预先测量的电机反电动势波形函数求得三相反电动势，再经过差动计算求得；差动电流i₁₂₃(i₁₂₃＝[i₁,i₂,i₃]^T)则可直接对三相电流进行差动运算求得。

步骤二、计算期望差动电流。该步骤二将步骤一中所求得的期望线电压、差动反电势及差动电流代入电机的差动电流观测器的状态方程中，求得理想差动电流

(在不考虑干扰、参数摄动及逆变器非线性等因素的前提下，电机的差动电流值)。

步骤三、残差计算及滤波。该步骤三将求得的差动电流及其期望值进行作差，求得差动电流残差，并利用低通滤波器进行滤波，得到r。

步骤四、残差特征提取。该步骤四计算残差向量r的模||r||及其单位方向向量r_n。

步骤五、故障检测及定位。该步骤五先将步骤四中所求得的残差向量的模值||r||与设定的故障检测阈值Th进行大小比较：若||r||>Th，则判定***故障，并计算r_n与各模板向量v_i(在不考虑参数摄动、及噪声干扰的情况下，逆变器T_i管断路时的残差方向向量)之间的距离d_i，根据最小距离原则判断逆变器中故障开关管所在位置；反之，则判定***正常。

通过这五个步骤，可以实现对逆变器的快速、准确的在线故障诊断。

进一步地，所设计的差动电流状态观测器的状态方程为：

其中，R_s为电机的相电阻，L为三相电感均值，M为各相间互感的均值；T为控制***的采样周期，k表示采样点时刻；i₁、i₂及i₃为电机的差动电流的测量值，可表示为[i₁,i₂,i₃]^T＝[i_a-i_b,i_a-i_c,i_b-i_c]^T；

及

分别是i₁、i₂及i₃的估计值，表示逆变器正常时电机的理想差动电流；F为观测器的状态反馈系数(常数)；u₁、u₂及u₃分别为电机的理想输入，由期望线电压(u_ab ^*、u_ac ^*、u_bc ^*)及差动反电动势(e_ab、e_ac、e_bc)组成，其值可表示为[u₁,u₂,u₃]^T＝[u_ab ^*-e_ab,u_ac ^*-e_ac,u_bc ^*-e_bc]^T；

输入项中期望相电压u_ab ^*、u_ac ^*及u_bc ^*可根据电机调制方式及控制器输出的指令确定：

对于SVPWM调制方式，期望线电压可表示为：

其中，U_dc为逆变器的直流母线电压；u_xn ^*、u_yn ^*(x、y为相名称，可取a、b、c)为a-b-c坐标系下的电压参考值，可由控制器输出的d-q坐标系下的电压参考值u_d ^*、u_q ^*经过Park逆变换求得：

其中，θ_e为电角度，其值等于电机极对数P与机械角位置θ的乘积，即θ_e＝Pθ；

而对于基于载波的PWM调制方式，可先根据d-q坐标系下的电压参考值u_d ^*、u_q ^*经过Park逆变换求得a-b-c坐标系下的相电压参考值u_an ^*、u_bn ^*及u_cn ^*，而后据此求得电机的端电压(即三相绕组的端点对电源中点的电压)参考值u_as ^*、u_bs ^*及u_cs ^*，接着经过限幅运算求得修正后的端电压参考值u_am ^*、u_bm ^*及u_cm ^*，最后再经过差动运算求得期望线电压u_ab ^*、u_ac ^*及u_bc ^*；

其中，端电压计算公式为：

式中，u_abcn ^*＝[u_an ^*,u_bn ^*,u_cn ^*]，max为求最大值函数，min为求最小值函数；

限幅运算公式为：

其中，z为相名称，可取a、b或c，u_z ^*电机z相绕组的端电压参考值；

差动运算表示为u_xy ^*＝u_xm ^*-u_ym ^*；

而电机的差动反电动势项e_xy为电机x相反电动势e_x与y相反电动势e_y之差，即e_xy＝e_x-e_y，而电机的反电动势可将实时所测得机械角度θ和机械角速度ω带入电机z相的反电动势波形函数e_z(θ,ω)中求得，所用到的反电动势波形函数是指事先通过实验测量所确定的反电动势与电机转角θ及角速度ω之间的函数关系。

进一步地，故障检测算法中采用设定的自适应故障检测阈值：

Th＝Th₀+m*||i₁₂₃||

其中，Th₀为固定阈值部分，用于避免随机误差带来的误检测；m*||i₁₂₃||为变阈值部分，用于避免规律性误差造成的误检及漏检，||i₁₂₃||为所测量的电机差动电流的模值，m为比例系数(常数)，取值范围在0到1之间。

进一步地，所设计的故障定位依据最小距离原则进行模板匹配以实现故障定位，该方法包含以下步骤：

第一步，根据所求得的残差向量r求得其单位方向向量：

其中r_n为残差向量r的单位方向向量，||r||为r的模值；

第二步，分别计算残差方向向量r_n与六个故障模板向量v_i之间的距离d_i，i＝1,2,…,6；其中模板向量为：

距离计算公式为：d_i＝||r_n-v_i||，i＝1,2,…,6；

第三步，求得d_i中的最小值d_j，并将其与固定阈值d₀进行比较，根据比较结果判定***的所处模式：当d_j<d₀时，判定逆变器中的开关管T_j发生断路故障，即令故障定位变量Loc＝j；否则，继续等待，即不改变故障定位变量Loc的值。

本发明的原理是：逆变器开关管的断路故障会导致逆变器的输出电压发生定向畸变，进而导致电流的定向畸变，且畸变方向与故障位置有关。因此，可根据电流畸变特性，来设计故障检测和定位。本发明利用电机的电流状态方程来估算电机的理想差动电流，并将其与差动电流的测量值进行作差，求得差动电流的畸变量(残差)；提取残差的特征，并与故障时残差的理想特征进行匹配，根据匹配结果进行故障检测及定位。以下为该发明的设计原理细节：

(1)分析开关管断路故障下逆变器输出电压的畸变规律。

以A相绕组对应桥臂故障前后的输出电压畸变情况为例。逆变器正常时，该桥臂输出的端电压u_a完全受PWM门信号(S₁S₂，这两个门信号相反)所控制，而当该桥臂中某开关管断路后，故障开关管将处于恒截止状态，而不受门信号的影响，从而导致整个桥臂的输出端电压不完全受PWM门信号S₁S₂所控制。下面以该桥臂的上开关管T₁断路为例，并分两种情况(S₁S₂＝01及S₁S₂＝10)分析故障前后逆变器输出的A相端电压u_a的畸变规律。

当S₁S₂＝01时，无论T₁是否断路，A相桥臂均处于上止下通的状态(上半桥臂截止而下半桥臂导通)，其电流流向如附图1所示。电流流经二极管或三极管与电源负端相连，使得电机输出的A相端电压u_a被近似钳位于0V。这表明当S₁S₂＝01时，该桥臂的输出端电压在故障前后均约为0V，且而不存在电压畸变。

当S₁S₂＝10时，若无故障，A相桥臂均处于下止上通的状态，该桥臂输出的A相端电压u_a将被近似钳位于直流母线电压U_dc；

而在T₁断路时，T₁因断路而呈现截止状态，T₂受S₂的控制而呈现截止状态。此时，A相绕组的电流i_a只能通过二极管D₁或D₂进行续流(如附图2所示)。当i_a<0时，电流i_a通过二极管D1进行续流，此时A相绕组的端电压u_a≈U_dc；而当i_a>0时，电流i_a只能通过二极管D2进行续流，此时A相绕组的端电压u_a≈0。

因此：当S₁S₂＝10且i_a<0时，A相绕组的端电压u_a在故障前后均约等于U_dc，不存在电压畸变；当S₁S₂＝10且i_a>0时，A相绕组的端电压u_a在故障前约等于U_dc，而故障后则近似畸变为0V。由于电流过零时间很短，几乎不会影响后续的故障检测速度，因此电流过零时的电压畸变情况在此不予与分析。

综上所述，并结合状态空间平均法可知，在每个PWM周期内，T₁断路故障导致的A相绕组平均端电压

产生的畸变量

取决于A相电流的方向：

式中，

为A相绕组的平均端电压畸变量，

为正常逆变器A相绕组平均端电压。

在电机运行过程中，

几乎恒成立，因此T₁管发生断路故障后，当且仅当i_a>0时，逆变器A相绕组对应桥臂输出平均端电压将会下降。

同理，逆变器中其他开关管发生断路故障所导致的端电压畸变的方向可以得出：当逆变器各桥臂的单个上开关管(T₁、T₃或T₅)发生断路故障后，当且仅当对应相电流为正(i_a>0、i_b>0或i_c>0)时，故障桥臂输出的端电压的畸变量(

或

)为负；当逆变器各桥臂的单个下开关管(T₂、T₄或T₆)发生断路故障后，当且仅当对应相电流为负(i_a<0、i_b<0或i_c<0)时，故障桥臂输出的端电压的畸变量(

或

)为正。在闭环控制的作用下，故障后的三相电流仍呈现周期性(周期为电机的电角周期)，因而电流的正负随电角度周期变化，这导致电压的畸变方向也随电角度周期变化。

(2)设计差动电流状态观测器。

逆变器的输出电压畸变将导致电机相电流畸变，而为了实现对电流畸变的估计，可利用状态观测器实现对理想电流的观测，并与电机实测电流进行作差，从而估计出电流的畸变量。其中利用电机的三相电压平衡方程可设计出电流状态观测器：

其中i_a ^*、i_b ^*及i_c ^*为逆变器正常时，在忽略干扰及逆变器的非线性的情况下，电机的理想三相电流值；u_an ^*、u_bn ^*及u_cn ^*为期望的三相电压参考值(可通过电流控制器的输出u_d ^*、u_q ^*经过Park逆变换确定)，e_a、e_b、e_c为电机三相反电动势。p为求导算子(对时间求导)，R_s为电机相电阻，L为电机三相绕组自感的均值，M为绕组间互感的均值。

然后，根据电机的电压平衡方程可知，电机中性点电压u_n为三相端电压的均值。因此任何一个端电压发生畸变都将导致电压u_n畸变，从而导致电机的三相电压均发生畸变，最终导致三相电流畸变。可见，这种基于三相电流状态观测器的方法难以实现定位。为了解决这个问题，我们基于广义奉献观测器的思想(单一故障下，仅有一个状态不受故障影响，而其他状态均受影响)，对电流观测器进行差动处理，得到差动电流状态观测器：

式中，i_ab ^*、i_ac ^*及i_bc ^*为差动电流的期望值，且[i_ab ^*,i_ac ^*,i_bc ^*]＝[i_a ^*-i_b ^*,i_a ^*-i_c ^*,i_b ^*-i_c ^*]；u_ab ^*、u_ac ^*及u_bc ^*为期望线电压，且[u_ab ^*,u_ac ^*,u_bc ^*]＝[u_a ^*-u_b ^*,u_a ^*-u_c ^*,u_b ^*-u_c ^*]；e_ab,、e_ac及e_bc为差动反电动势，且[e_ab,e_ac,e_bc]＝[e_a-e_b,e_a-e_c,e_b-e_c]。分析可知，一个端电压发生畸变将导致两个相关联的线电压发生畸变，而不相关的线电压则保持不变。因此，这种设计有利于简化后续的故障定位算法。

将该观测器进行离散化可得：

式中，

及

为电机理想差动电流，u₁、u₂及u₃为电机的差动输出，且[u₁,u₂,u₃]＝[u_ab ^*-e_ab,u_ac ^*-e_ac,u_bc ^*-e_bc]，k代表第k个采样时刻，T为采样周期(通常为PWM周期)。

在观测器状态方程输入项中，期望相电压u_ab ^*、u_ac ^*及u_bc ^*可根据电机调制方式及控制器输出的指令经过park逆变换、限幅和差动计算确定。

Park逆变换公式为：

其中，u_an ^*、u_bn ^*及u_cn ^*为a-b-c坐标系下的相电压参考值，u_d ^*、u_q ^*为电流控制器的输出，即d-q坐标系下的电压参考值,θ_e为电角度，其值等于电机极对数P与机械角位置θ及的乘积，即θ_e＝Pθ。

限幅及差动计算：限幅及差动计算是指根据逆变器的饱和特性，对三相电压指令进行修正，再经过差动计算求得期望线电压的过程。

其中，对于SVPWM调制方式，期望线电压可表示为：

式中，U_dc为逆变器的直流母线电压；x、y为相名称，可取a、b、c，u_xn ^*、u_yn ^*为a-b-c坐标系下的相电压参考值。

而对于基于载波的PWM调制方式，应先根据三相相电压参考值求得电机的三相端电压参考值u_as ^*、u_bs ^*及u_cs ^*，接着经过限幅运算求得修正后的端电压参考值u_am ^*、u_bm ^*及u_cm ^*，最后再经过差动运算求得期望线电压u_ab ^*、u_ac ^*及u_bc ^*。

其中，端电压计算公式为：

式中，u_abcn ^*＝[u_an ^*,u_bn ^*,u_cn ^*],max为求最大值函数，min为求最小值函数。

限幅运算公式为：

其中，z为相名称，可取a、b或c，u_z ^*电机z相绕组的端电压参考值。

差动运算表示为u_xy ^*＝u_xm ^*-u_ym ^*。

而电机的差动反电动势项e_xy为电机x相反电动势e_x与y相反电动势e_y之差，即e_xy＝e_x-e_y。而电机的反电动势可将实时测得的电角度θ_e和电角速度ω_e带入电机z相的反电动势波形函数e_z(θ_e,ω_e)中求得。所用到的反电动势波形函数是指事先通过实验测量所确定的反电动势与电机转角θ及角速度ω之间的函数关系。

此外，为了提高观测器的鲁棒性和抗干扰能力，可对观测器进行闭环：

式中F为反馈系数。在工程实际中，可根据观测器的稳定性、残差的收敛速度等方面来确定闭环极点的位置，并根据极点位置确定F的取值。

(3)残差计算及滤波。

定义差动电流的实测值i与估计值

的差值为差动电流残差r，即

为了提高残差的信噪比，需要对残差进行滤波。考虑到残差主要是由随机误差及规律性误差导致。前者多表现为高频噪声，其频率大多不低于脉宽调制频率f_PWM；后者主要由模型参数误差及故障所导致，且其频率一般不高于5倍的电角频率f_e。因此，可利用低通滤波器对残差进行滤波，且滤波器的截止频率应设置于5ω_e～f_PWM之间。为了简化算法，可采用一阶模拟低通滤波器，并利用双线性变换进行离散化：

式中，T为控制***的采样周期(也是PWM周期)，τ为该一阶低通滤波器的上升时间，为了尽可能消除高频干扰并保留有用信息，τ可设置为：

其中，P为电机的极对数，ω_r为电机的额定转速。

(4)残差定向分析。

对于该观测器而言，残差主要是由模型参数不准确和逆变器故障导致的。对于闭环观测器而言，前者带来的残差较小。因此在当开关管发生故障时，可以仅考虑逆变器故障所带来的残差：

对上式进行z变换可以求得电压畸变

到残差r_i之间的传递函数：

可以看出，无论i取何值，对应的传递函数均为相同的一阶惯性环节。因此残差r可以快速地反映出电压畸变Δu的大小及方向。结合开关管断路故障下的逆变器输出电压的畸变规律和残差的状态方程可以得出，单个开关管断路故障所导致残差的具有定向性，其方向向量如下表所示：

(5)故障检测及定位算法。

本发明中所述故障故障检测及定位算法仅针对逆变器单个开关管断路故障而言，即认为各故障不同时发生，且不存在开关管断路故障之外的其它故障。

通过残差分析可知：当逆变器正常时，残差幅值很小，且方向不定；当逆变器单个开关断路后，残差幅值迅速增大，且残差定向。可根据此规律设计故障检测及定位算法。

故障检测算法：计算残差幅值||r||，并将其作为检测指标，与检测阈值Th进行比较，根据比较结果判断***是否故障。若||r||>Th，则判定逆变器出现故障，即令故障标志变量H＝1，反之则认为***健康(H＝0)。***健康时，由于随机误差和规律性误差的存在，残差幅值仍不为零。随机误差导致的残差仍为随机误差，其大小可通过统计方法进行估算；而规律性误差主要是由模型参数误差导致的，分析可知它所引起的残差的幅值与电流幅值近似成正比。综上所述，可将检测阈值设成自适应阈值：

Th＝Th₀+m*||i₁₂₃||

式中，Th₀为常数，主要针对随机误差而设计；m为比例系数，||i₁₂₃||为所测量的电机差动电流向量i₁₂₃的模值，m·||i₁₂₃||这一项主要针对规律性误差而设计。可通过以下方法设定参数Th₀及m的取值：

Th₀：在额定负载下，驱动电机在额定转速下运转，并利用统计方法估算出随机残差的标准差σ。设置Th₀＝(6～12)·σ。

m：将观测器的参数按最极端情况偏离电机标定参数(电阻减小30％，电感增大50％，磁链增大30％)，并在额定负载下驱使电机在额定转速下运转。从0开始增大m的取值，直至恰好不发生误检测，记录此时m的取值m₀。设置m＝(1.5～2.5)·m₀。

故障定位算法：当检测到***出现故障后，该算法先分别计算残差方向向量r_n与六个故障模板向量v_i之间的距离d_i，取d_i中的最小值d_j与固定阈值d₀(可设置于5°～10°之间)进行比较。若d_j<d₀，则判定逆变器的断路故障源为T_j，即令故障定位变量Loc＝j，否则，继续等待(不改变故障定位变量的值)。

其中模板向量为：

距离计算公式为：d_i＝||r_n-v_i||，i＝1,2,…,6。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明所设计的在线故障诊断算法可依靠永磁同步电机控制***已获取的信息(转速、角位置、三相电流、电压指令)运行，无需额外传感器即可实现逆变器开关管的在线故障诊断。

2.本发明不要求三相电流为正弦电流，因此在电机调速阶段及恒速阶段均适用。

3.本发明所设计的观测器为闭环观测器，因此具有较强的抗干扰性和鲁棒性。

4.本发明所采用的故障检测指标为差动电流残差的模值，它能迅速对故障做出响应，因此该检测算法的故障检测速度快。

5.本发明设计了自适应故障阈值进行故障检测，大大降低了算法的误检率，从而提高了算法检测结果的正确率。

附图说明

图1为当逆变器中T₁断路且S₁S₂＝01时的A相电流流向示意图；

图2为当逆变器中T₂断路且S₁S₂＝10时的A相电流流向示意图；

图3为本发明所涉及的永磁同步电机控制***结构示意图(用以说明故障诊断算法的输入信息来源)；

图4为本发明所设计的故障诊断算法的框图；

图5为整个***的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

图4为本发明的结构图，其中，1代表坐标逆变换模块，2代表电压指令修正模块，3代表反电动势计算模块，4代表差动电流观测器模块，5代表电流差动运算模块，6代表低通滤波模块，7代表残差幅值及方向计算模块，8代表故障检测及定位模块。这八个模块联合运作，

本发明的算法流程图如图5所示，其中每个步骤均对应于图4中的一个或多个模块：

***启动后，整个算法开始：

①赋初值。该步骤对算法中所涉及的所有变量进行初始赋值(均幅值为零)。其中故障标志变量H赋值为零代表***健康，故障定位变量Loc赋值为零代表定位尚不确定。

②采集电机***数据i_abc、u_dq ^*、θ及ω。这些数据可按图3所示进行采集。其中i_abc(电机的三相电流，i_abc＝[i_a,i_b,i_c]^T)、θ及ω为电机控制***的反馈信息，可通过控制***原有的传感器及AD转换器实现数据的采集；而u_dq ^*为电流控制器的输出(u_dq ^*＝[u_d ^*,u_q ^*]^T)，且为d-q坐标系下的电压指令，可直接调用。

③数据预处理。该步骤由图4中的坐标逆变换模块1、电压指令修正模块2、反电动势计算模块3及电流差动运算模块5这四个模块组成。这四个模块的功能及具体算法如下：

坐标逆变换模块1：该坐标逆变换模块负责将d-q坐标系下的电压指令u_dq ^*转化为a-b-c坐标系下的电压指令u_abcn ^*，其核心算法为：

电压指令修正模块2：该电压指令修正模块根据逆变器的饱和特性对坐标逆变换模块1输出的三相电压指令进行修正，求得修正的线电压期望值u_xym ^*。其核心算法随调制方式的不同而不同：

对于SVPWM调制方式，线电压期望值u_xym ^*的计算式为：

其中，U_dc为逆变器的直流母线电压，x、y为不同的相名称，且(x,y)可取(a,b)、(a,c)及(b,c)这三组值，u_xn ^*、u_yn ^*为坐标逆变换模块1输出的a-b-c坐标系下的电压参考值。

对于基于载波的PWM调制方式，可应先根据三相相电压参考值u_abcn ^*求得电机的三相端电压参考值u_as ^*、u_bs ^*及u_cs ^*，接着经过限幅运算求得修正后的端电压参考值u_am ^*、u_bm ^*及u_cm ^*，最后再经过差动运算求得期望线电压u_abm ^*、u_acm ^*及u_bcm ^*。

其中，端电压计算公式为：

式中，u_abcn*＝[u_an ^*,u_bn ^*,u_cn ^*],max为求最大值函数，min为求最小值函数。

限幅运算公式为：

其中，z为相名称，可取a、b或c，u_z ^*电机z相绕组的端电压参考值。

差动运算为：u_xym ^*＝u_xm ^*-u_ym ^*。

反电动势计算模块3：该反电动势计算模块将电机转速ω及转角θ代入预先测得的反电动势波形函数e(ω,θ)中，求得电机三相反电动势e_abc。

电流差动运算模块5：该电流差动运算模块计算根据三相电流i_abc计算差动电流i₁₂₃，其算法为：

[i₁,i₂,i₃]^T＝[i₁-i₂,i₁-i₃,i₂-i₃]^T

④计算期望差动电流

该步骤对应图4的差动电流观测器模块4，其核心算法为：

其中参数F的选取原则在发明原理已经阐述，再次不再赘述。

⑤残差计算及滤波。该步骤主要对应图4中的低通滤波模块6，负责将步骤③、④中所求的差动电流及其期望值作差，求得残差r₁₂₃，再利用数字低通滤波器对所求得的残差各分量进行滤波，从而增加后续故障诊断算法的抗干扰能力。其中低通滤波器的脉冲传递函数为：

其中，T为控制***的采样周期(也是PWM调制周期)，τ为该一阶低通滤波器的上升时间，为了尽可能消除高频干扰并保留有用信息，τ可设置为：

其中，P为电机的极对数，ω_r为电机的额定转速。

⑥计算残差的模值||r||及方向r_n。该步骤对应于图4中的残差模值及方向计算模块7，其算法为：

⑦计算自适应阈值Th。该步骤在图4中的故障检测及定位模块8中完成。该步骤的算法为：

Th＝Th₀+m*||i₁₂₃||

式中，Th₀及m为常系数，其取值原则见本发明的发明内容部分。

⑧故障检测。该步骤在图4中的故障检测及定位模块8中完成，负责将步骤⑥所求得的残差模值||r||与步骤⑦所求得的自适应阈值Th进行大小比较，并根据比较结果判定***是否故障：若||r||>Th，则判定***故障(令故障标志变量H＝1)，并进行后续的故障定位；反之，则认为***无故障(令故障标志变量H＝0)，输出H、Loc，并结束本次循环。

⑨计算最小距离及所在位置。该步骤在图4中的故障检测及定位模块8中完成，可分为两步完成：先分别计算残差方向向量r_n与六个模板向量v_i之间的距离，再求取这六个距离中的最小值及其所在位置。核心算法如下：

d_i＝||r_n-v_i||，d_j＝min(d_i)，i＝1,2,……,6。

其中，模板向量为：

⑩故障定位。该步骤在图4中的故障检测及定位模块8中完成，负责将步骤⑨中求得的最小距离d_j与所设定的阈值d₀(一般设置于5°～10°之间)进行比大小比较，并根据比较结果定位故障源：若d_j<d₀，则判定逆变器开关管T_j出现断路故障(令Loc＝j)；反之，则保持之前的故障定位结果(Loc＝Loc)。该步骤完成后结束本次循环。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机控制***中逆变器功率管断路故障诊断方法，其特征在于：该方法应用于三相永磁同步电机控制***，在不增加传感器的前提下，利用永磁同步电机控制***中可获取、检测的三相电流、电机转速、转子角位置及电压指令信息，实现对逆变器的快速、准确的在线故障诊断，该方法包含如下步骤：

步骤一、数据预处理；该步骤一负责对获取的三相电流、电机转速、转子角位置及电压指令信息进行处理，得到期望线电压u_ab ^*、u_ac ^*、u_bc ^*、差动反电势e_ab、e_ac、e_bc及差动电流i₁₂₃，其中，期望线电压u_ab ^*、u_ac ^*、u_bc ^*可通过电流控制器输出的电压指令u_d ^*、u_q ^*先经过Park逆变换得到三相电压指令u_an ^*、u_bn ^*、u_cn ^*，再经过限幅、差动计算求得；差动反电势e_ab、e_ac、e_bc为三相反电动势两两之间的差值，可先利用电机转速、转子角位置及预先测量的电机反电动势波形函数求得三相反电动势，再经过差动计算求得；差动电流i₁₂₃＝[i₁,i₂,i₃]^T，则可直接对三相电流i_abc＝[i_a,i_b,i_c]^T进行差动运算求得；

步骤二、计算期望差动电流；该步骤二将步骤一中所求得的期望线电压、差动反电势及差动电流代入电机的差动电流观测器的状态方程中，求得理想差动电流

理想差动电流是在不考虑故障、干扰、参数摄动及逆变器除饱和特性外的非线性因素的前提下，电机的差动电流值；

步骤三、残差计算及滤波；该步骤三将求得的差动电流及其期望值进行作差，求得差动电流残差，并利用低通滤波器进行滤波，得到r；

步骤四、残差特征提取；该步骤四计算残差向量r的模||r||及其单位方向向量r_n；

步骤五、故障检测及定位；该步骤五先将步骤四中所求得的残差向量的模值||r||与设定的自适应故障检测阈值Th进行大小比较：若||r||>Th，则判定***故障，并计算r_n与各模板向量v_i之间的距离d_i，并根据最小距离原则判断逆变器中故障开关管所在位置；反之，则判定***正常；其中各模板向量v_i是在不考虑参数摄动、噪声干扰的情况下，逆变器功率管T_i断路时的残差方向向量；

通过这五个步骤，可以实现对逆变器的快速、准确的在线故障诊断；

所设计的差动电流状态观测器的状态方程为：

其中，R_s为电机的相电阻，L为三相电感均值，M为各相间互感的均值；T为控制***的采样周期，k表示采样点时刻；i₁、i₂及i₃为电机的差动电流的测量值，可表示为[i₁,i₂,i₃]^T＝[i_a-i_b,i_a-i_c,i_b-i_c]^T；

及

分别是i₁、i₂及i₃的估计值，表示逆变器正常时电机的理想差动电流；F为观测器的状态反馈系数；u₁、u₂及u₃分别为电机的理想输入，由期望线电压u_ab ^*、u_ac ^*、u_bc ^*及差动反电动势e_ab、e_ac、e_bc组成，其值可表示为[u₁,u₂,u₃]^T＝[u_ab ^*-e_ab,u_ac ^*-e_ac,u_bc ^*-e_bc]^T；

观测器输入项中的期望线电压 u_ab ^*、u_ac ^*及u_bc ^*可根据电机调制方式及控制器输出的指令确定：

对于SVPWM调制方式，期望线电压可表示为：

其中，U_dc为逆变器的直流母线电压；u_xn ^*、u_yn ^*为a-b-c坐标系下的电压参考值，可由控制器输出的d-q坐标系下的电压参考值u_d ^*、u_q ^*经过Park逆变换求得：

其中，θ_e为电角度，其值等于电机极对数P与机械角位置θ的乘积，即θ_e＝Pθ；

而对于基于载波的PWM调制方式，可先根据d-q坐标系下的电压参考值u_d ^*、u_q ^*经过Park逆变换求得a-b-c坐标系下的相电压参考值u_an ^*、u_bn ^*及u_cn ^*，而后据此求得电机的端电压参考值u_as ^*、u_bs ^*及u_cs ^*，接着经过限幅运算求得修正后的端电压参考值u_am ^*、u_bm ^*及u_cm ^*，最后再经过差动运算求得期望线电压u_ab ^*、u_ac ^*及u_bc ^*；

其中，端电压计算公式为：

式中，u_abcn ^*＝[u_an ^*,u_bn ^*,u_cn ^*]，max为求最大值函数，min为求最小值函数；

限幅运算公式为：

其中，z为相名称，可取a、b或c，u_z ^*电机z相绕组的端电压参考值；

差动运算表示为u_xy ^*＝u_xm ^*-u_ym ^*；

而电机的差动反电动势项e_xy为电机x相反电动势e_x与y相反电动势e_y之差，即e_xy＝e_x-e_y，而电机的反电动势可将实时测得的机械角度θ和机械角速度ω带入电机z相的反电动势波形函数e_z(θ,ω)中求得，所用到的反电动势波形函数是指事先通过实验测量所确定的反电动势与电机转角θ及角速度ω之间的函数关系。

2.根据权利要求1所述的故障诊断方法，其特征在于：故障检测算法中采用设定的自适应故障检测阈值：

Th＝Th₀+m*||i₁₂₃||

其中，Th₀为固定阈值部分，用于避免随机误差带来的误检测；m*||i₁₂₃||为变阈值部分，用于避免规律性误差造成的误检及漏检，||i₁₂₃||为所测量的电机差动电流的模值，m为比例系数，取值范围在0到1之间。

3.根据权利要求1所述的故障诊断方法，其特征在于：所设计的故障定位依据最小距离原则进行模板匹配以实现故障定位，该方法包含以下步骤：

第一步，根据所求得的残差向量r求得其单位方向向量：

其中r_n为残差向量r的单位方向向量，||r||为r的模值；

第二步，分别计算残差方向向量r_n与六个故障模板向量v_i之间的距离d_i，i＝1,2,…,6；

其中模板向量为：

距离计算公式为：d_i＝||r_n-v_i||，i＝1,2,…,6；

第三步，求得d_i中的最小值d_j，并将其与固定阈值d₀进行比较，根据比较结果判定***的所处模式：当d_j<d₀时，判定逆变器中的开关管T_j发生断路故障，即令故障定位变量Loc＝j；否则，继续等待，即不改变故障定位变量Loc的值。

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