CN111458638B - 永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断方法，该方法首先通过采集电流数据构成灰色预测模型的原始序列，利用灰色预测的数学模型来预测下一时刻的电流值，然后通过故障诊断器将预测数据与原始数据做差并与设置好的阈值进行比较，以此来判断是否故障并反馈故障信号，并计算从故障开始起T/2时的电流值和3T/4的电流值的和以判断故障类型。本发明可靠性高，不需要额外的传感器，可以快速准确地诊断永磁同步电机驱动***功率管开路故障，并判断故障位置。

Description

永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电机故障诊断领域，特别是涉及永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断方法。

背景技术

对于永磁同步电机驱动***经常会发生一些电气故障，一般可以归结为四种类型：功率管开路故障、功率管短路故障、绕组开路故障及绕组短路故障。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，研究故障诊断技术对于永磁同步电机驱动***的正常运行显得尤为重要。

目前，主要有专家***法、电流检测法和电压检测法三种。专家***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***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的问题。电压检测方法具有鲁棒性强、诊断速度快等优点，但其通用性差，并且增设电压传感器会导致***的成本和复杂度增加。考虑到***参数和控制策略的独立性，电流检测是目前最常见的开路故障诊断方法，它不需要额外增设的传感器。

现有的故障诊断技术大多数针对的是电机绕组故障，当功率管发生故障时电流往往不会立刻变为零，使故障更难以察觉，从而增加故障扩散到正常功率管的风险。并且在以往的永磁同步电机驱动***中，其依赖于计算一个或多个周期的电流来诊断故障，诊断不够快速，这也意味着电机将会在故障状态下运行更多的时间，增加了***的损耗以及风险。同时，它还存在传感器数量多、电气设备多等缺点，必然导致***设计变得更加复杂，而且诊断还不够智能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断方法，使其简单易行，可靠性高，诊断时间短，能够智能有效地检测和定位永磁同步电机驱动***功率管开路故障。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：将采集到的永磁电机ABC三相绕组电流i_A、i_B、i_C进行abc/dq坐标变换得到dq轴实际电流i_d和i_q，将采集到的实际转速ω_r和给定转速ω_r*进行PI调节后输出给定q轴电流i_q*，将给定q轴电流i_q*和q轴实际电流i_q进行PI调节后输出给定q轴电压V_q*，将给定d轴电流i_d*和d轴实际电流i_d进行PI调节后输出给定d轴电压V_d*，将给定q轴、d轴电压V_q*、V_d*通过dq/αβ坐标变换得到αβ轴参考电压V_α*、V_β*，将αβ轴参考电压V_α*、V_β*通过电压空间矢量脉宽调制后得到三相PWM波，逆变器接收电压空间矢量脉宽调制后的三相PWM波，并驱动永磁电机运行；

步骤2：监测在电机启动完成后任一相电流第一次达到极大值的时间t₁，以及第二次达到极大值的时间t₂，即可得到电流周期T＝t₂-t₁；

步骤3：按照等时间间隔分别对A、B、C三相电流进行采集，并储存若干位采集结果作为灰色预测模型的原始序列，记为

其中：

步骤4：将原始序列代入建立好的灰色预测模型，并依据模型来预测下一步或下几步的电流值，预测值记为

灰色预测模型如下所示：

其中α_A、α_B、α_C分别为A、B、C三相的发展灰度，反应预测的发展态势，μ_A、μ_B、μ_C分别为A、B、C三相控制系数，反应了数据变化的关系，且α_A、α_B、α_C与μ_A、μ_B、μ_C均可根据采集的电流数据进行求解；

步骤5：根据永磁同步电机的实际运行参数设置故障判断的阈值r’，将下一时刻的电流预测数据

与实际采样的电流值i_A、i_B、i_C进行比较，如果其中一相的预测值与实际值之差的绝对值超过阈值r’，以A相为例既为

则判断为该相某功率管出现开路故障，反馈故障信号并记故障出现时间为t₀；若差值小于等于阈值，以A相为例既为

则说明没有故障发生；

步骤6：监测故障发生后二分之一个周期以及四分之三个周期时的电流值，并对它们进行求和计算，即监测t₁＝t₀+T/2时刻的电流值i₁和t₂＝t₀+3T/4时刻的电流值i₂，并计算i_t＝i₁+i₂，若该值大于0，则诊断为该相驱动桥下桥臂功率管发生开路故障，同理，若计算得该值小于0，则可以判断为该相驱动桥上桥臂功率管发生故障。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明可靠性高，不容易发生误判断，不需要额外的传感器，通用性强，能够智能有效地检测和定位永磁同步电机驱动***功率管开路故障。诊断速度快，不需要依赖计算一个周期甚至多个周期的电流来诊断故障，仅在若干个采样值之内即可判断故障，并且在四分之三个周期内即可定位故障，大大减少了故障运行对电机造成的损害。此外，还可以判断单个或多个功率管开路故障，并可以准确的定位故障功率管。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断策略框图；

图2为本发明灰色预测功率管开路故障诊断原理图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：将采集到的永磁电机ABC三相绕组电流i_A、i_B、i_C进行abc/dq坐标变换得到dq轴实际电流i_d和i_q，将采集到的实际转速ω_r和给定转速ω_r*进行PI调节后输出给定q轴电流i_q*，将给定q轴电流i_q*和q轴实际电流i_q进行PI调节后输出给定q轴电压V_q*，将给定d轴电流i_d*和d轴实际电流i_d进行PI调节后输出给定d轴电压V_d*，将给定q轴、d轴电压V_q*、V_d*通过dq/αβ坐标变换得到αβ轴参考电压V_α*、V_β*，将αβ轴参考电压V_α*、V_β*通过电压空间矢量脉宽调制后得到三相PWM波，逆变器接收电压空间矢量脉宽调制后的三相PWM波，并驱动永磁电机运行；

步骤2：监测在电机启动完成后任一相电流第一次达到极大值的时间t₁，以及第二次达到极大值的时间t₂，即可得到电流周期T＝t₂-t₁；

步骤3：按照等时间间隔分别对A、B、C三相电流进行采集，并储存若干位采集结果作为灰色预测模型的原始序列，记为

其中：

步骤4：将原始序列代入建立好的灰色预测模型，并依据模型来预测下一步或下几步的电流值，预测值记为

灰色预测模型如下所示：

其中α_A、α_B、α_C分别为A、B、C三相的发展灰度，反应预测的发展态势，μ_A、μ_B、μ_C分别为A、B、C三相控制系数，反应了数据变化的关系，且α_A、α_B、α_C与μ_A、μ_B、μ_C均可根据采集的电流数据进行求解；

步骤5：根据永磁同步电机的实际运行参数设置故障判断的阈值r’，将下一时刻的电流预测数据

与实际采样的电流值i_A、i_B、i_C进行比较，如果其中一相的预测值与实际值之差的绝对值超过阈值r’，以A相为例既为

则判断为该相某功率管出现开路故障，反馈故障信号并记故障出现时间为t₀；若差值小于等于阈值，以A相为例既为

则说明没有故障发生；

步骤6：监测故障发生后二分之一个周期以及四分之三个周期时的电流值，并对它们进行求和计算，即监测t₁＝t₀+T/2时刻的电流值i₁和t₂＝t₀+3T/4时刻的电流值i₂，并计算i_t＝i₁+i₂，若该值大于0，则诊断为该相驱动桥下桥臂功率管发生开路故障，同理，若计算得该值小于0，则可以判断为该相驱动桥上桥臂功率管发生故障。

图2灰色预测模型搭建过程，在本例中保存等间隔电流采样的数据连续8位，具体步骤为：

步骤1：对某一相电流进行采样，并将等时间间隔的n＝8个采样数据记为：

X⁽⁰⁾＝{x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),…,x⁽⁰⁾(n)}

步骤2：对X⁽⁰⁾进行依次累加生成一阶累加生成序列X⁽¹⁾：

X⁽¹⁾＝{x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),…,x⁽¹⁾(n)}

其中x⁽¹⁾为

x⁽¹⁾(1)＝x⁽⁰⁾(1)

x⁽¹⁾(2)＝x⁽¹⁾(1)+x⁽⁰⁾(2)

x⁽¹⁾(3)＝x⁽¹⁾(2)+x⁽⁰⁾(3)

x⁽¹⁾(n)＝x⁽¹⁾(n-1)+x⁽⁰⁾(n)

令Z⁽¹⁾为X⁽¹⁾的邻均值等权数列

Z⁽¹⁾＝{z⁽¹⁾(2),z⁽¹⁾(3),…,z⁽¹⁾(n)}

其中

因为原始序列内的数据均为实际检测的电流值，所以数列X⁽⁰⁾满足光滑性检验的要求，可对X⁽¹⁾建立GM(1,1)模型。

步骤3：建立白化微分方程：

其中α为发展灰度，反应预测的发展态势，μ为内生成控制系数，反应了数据变化的关系，设：

则令：

可以对

进行求解，其中，

Y_n＝[x⁽⁰⁾(2) x⁽⁰⁾(3) … x⁽⁰⁾(n)]^T

步骤4：将获得的

代入白化微分方程中，求解方程得到灰色GM(1,1)预测模型：

将上式进行累减还原即可得到预测数据：

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.永磁同步电机驱动***功率管开路故障诊断方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：将采集到的永磁电机ABC三相绕组电流i_A、i_B、i_C进行abc/dq坐标变换得到dq轴实际电流i_d和i_q，将采集到的实际转速ω_r和给定转速ω_r*进行PI调节后输出给定q轴电流i_q*，将给定q轴电流i_q*和q轴实际电流i_q进行PI调节后输出给定q轴电压V_q*，将给定d轴电流i_d*和d轴实际电流i_d进行PI调节后输出给定d轴电压V_d*，将给定q轴、d轴电压V_q*、V_d*通过dq/αβ坐标变换得到αβ轴参考电压V_α*、V_β*，将αβ轴参考电压V_α*、V_β*通过电压空间矢量脉宽调制后得到三相PWM波，逆变器接收电压空间矢量脉宽调制后的三相PWM波，并驱动永磁电机运行；

步骤2：监测在电机启动完成后任一相电流第一次达到极大值的时间t₁，以及第二次达到极大值的时间t₂，即可得到电流周期T＝t₂-t₁；

步骤3：按照等时间间隔分别对A、B、C三相电流进行采集，并储存若干位采集结果作为灰色预测模型的原始序列，记为

其中：

步骤4：将原始序列代入建立好的灰色预测模型，并依据模型来预测下一步的电流值，预测值记为

灰色预测模型如下所示：

其中α_A、α_B、α_C分别为A、B、C三相的发展灰度，反应预测的发展态势，μ_A、μ_B、μ_C分别为A、B、C三相控制系数，反应了数据变化的关系，且α_A、α_B、α_C与μ_A、μ_B、μ_C均可根据采集的电流数据进行求解；

步骤5：根据永磁同步电机的实际运行参数设置故障判断的阈值r’，将下一时刻的电流预测数据

与实际采样的电流值i_A、i_B、i_C进行比较，如果其中一相的预测值与实际值之差的绝对值超过阈值r’，以A相为例即为

则判断为该相某功率管出现开路故障，反馈故障信号并记故障出现时间为t₀；若差值小于等于阈值，以A相为例既为

则说明没有故障发生；

步骤6：监测故障发生后二分之一个周期以及四分之三个周期时的电流值，并对它们进行求和计算，即监测t₀+T/2时刻的电流值i₁和t₀+3T/4时刻的电流值i₂，并计算i_t＝i₁+i₂，若该值大于0，则诊断为该相驱动桥下桥臂功率管发生开路故障，同理，若计算得该值小于0，则可以判断为该相驱动桥上桥臂功率管发生故障。

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