感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法，包括：通过矢量控制驱动系统中已有的电流传感器和速度传感器分别测出三相电流和转速；再通过坐标变换计算出转子磁链定向的同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流；将正常工作时的初始角代替故障时的初始角来重构a相电流相位角，将重构的电流相位角划分为六个阶段；将检测的d轴、q轴电流与给定的d轴、q轴电流进行比较，获得电流偏差Eid和Eiq；对偏差Eid进行连续累加求和，检测是否发生开路故障；对偏差Eiq进行连续累加求和，获得偏差的跳变阶段，根据故障诊断表定位故障功率管。本发明专利技术适用于矢量控制电机驱动系统中逆变器任意单管和任意两管开路故障的诊断。

【技术实现步骤摘要】
感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法
本专利技术属于在线检测
，更具体地，涉及一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法。
技术介绍
以电压源逆变器为主体的电机驱动系统在航空航天、军事、工业等领域得到了广泛应用，而整个系统中逆变器的功率器件是很容易发生故障的薄弱环节，其可靠性直接影响到整个系统的正常工作。为了提高系统的可靠性，容错控制策略常被应用到功率变换单元中，实时容错控制的前提是对功率器件中的故障进行实时有效的检测、定位和隔离。电压源逆变器应用的广泛性和脆弱性使得其故障检测具有更重要的意义。在众多针对逆变器功率管开路故障检测的专利和文献中，其方法大致分为两类：一类是根据逆变器后端负载电流来实现开路故障的检测，这类方法至少需要采样四分之一个电流周期的电流波形，检测速度慢，而且不适用于采用电流闭环控制策略的系统中；另一类是检测逆变器系统中某部分的电压值，并与理想中的电压相比较，根据电压误差获取功率管开路故障信息，这类方法检测速度快，不受电流闭环策略影响，但需要额外的电压传感器，增加了硬件成本和复杂度。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法，能够实时检测出任意一个或两个功率管发生开路故障的情况，并精确定位相应的故障功率管，而且还能检测和定位二次故障的功率管。本专利技术适用于采用电流闭环矢量控制策略的系统中，且不需要额外的电压传感器，避免了额外的硬件成本和复杂度。本专利技术提供一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法，包括以下步骤：步骤1通过感应电机矢量控制系统中已有的电流传感器和速度传感器分别检测三相电流和电机转速，根据所述三相电流将一个电流周期划分为6个阶段S1～S6，再通过坐标转换计算出转子磁链定向的同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流；步骤2通过将正常工作时的初始角代替故障时的初始角来重构a相电流相位角，并对所述6个阶段S1～S6的划分进行优化，得到优化后的6个阶段Stg1～Stg6；步骤3分别将所述d轴电流和所述q轴电流与给定的d轴电流和q轴电流进行比较，获得电流偏差Eid和Eiq；步骤4对所述电流偏差Eid进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值Kd，则将逻辑变量boolEid置1，如果在连续采样周期内检测到所述逻辑变量boolEid为1，则对所述逻辑变量boolEid连续为1的次数进行计数得到计数counter1，当所述计数counter1达到或者超过计数阈值COUNT1时，故障发生标志flagFault发生跳变，则判断所述感应电机矢量控制系统发生开路故障；步骤5对所述电流偏差Eiq进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值Kq，将逻辑变量boolEiq置1，然后对所述逻辑变量boolEiq为1的次数进行计数，根据所述逻辑变量boolEiq跳变为高时所述感应电机矢量控制系统在所述优化后的6个阶段Stg1～Stg6中所处的位置，以及所述逻辑变量boolEiq跳变为低时所述感应电机矢量控制系统在所述优化后的6个阶段Stg1～Stg6中所处的位置判定开路故障的功率管。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)成本低，本专利技术适用于采用矢量控制策略的系统中，不需要额外的电压传感器。(2)检测精度高，速度快，实时性好。本专利技术能够在线有效实时地检测出任意一个或任意两个功率管开路故障和二次故障。(3)鲁棒性好，抗干扰能力强。负载变化，速度变化等动态过程不会影响本专利技术的诊断结果，且该方案对电机内部参数不敏感，抗噪声能力强。(4)实现简单，本专利技术可以作为一个子程序模块嵌入控制程序中，不影响和修改控制程序。附图说明图1为本专利技术适用的感应电机矢量控制系统及其基本结构图；图2为本专利技术逆变器功率管输出周期性电流划分示意图；图3为本专利技术故障诊断流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1所示为本专利技术适用的感应电机矢量控制系统及其基本结构图。该感应电机矢量控制系统包括滤波电容1，逆变器2，感应电机3，电流传感器4，速度传感器5，矢量控制系统6和门极驱动信号7；逆变器2与滤波电容1的直流母线电压输出端连接；感应电机3与逆变器2的三相电流输出端连接；电流传感器4与逆变器2的三相电流输出端连接，速度传感器5与感应电机3的转速输出端连接；矢量控制系统6与电流传感器4的输出端、速度传感器5的输出端连接，并输出门极驱动信号至逆变器2；逆变器2包括第一功率管T1、第二功率管T2、第三功率管T3、第四功率管T4、第五功率管T5、第六功率管T6，以及第一旁路二极管D1，第二旁路二极管D2，第三旁路二极管D3，第四旁路二极管D4，第五旁路二极管D5，第六旁路二极管D6；驱动系统由T1～T6共6个IGBT功率管组成，每个IGBT功率管配置一个旁路二极管(D1～D6)；所述第一功率管T1和第四功率管T4构成A相上下桥臂；所述第二功率管T2和第五功率管T5构成B相上下桥臂；所述第三功率管T3和第六功率管T6构成C相上下桥臂；驱动系统由6个IGBT功率管(T1～T6)组成，每个IGBT功率管配置着一个续流二极管(D1～D6)。IGBT功率管的输入侧是经过整流得到的直流电压Vdc(由两个端电压都为的滤波电容串联而成),输出端连接感应电机(IM)，功率管输出端a、b、c分别连接三相感应电机a、b、c端，驱动电路的反馈环节由两个电流传感器和一个速度传感器构成，反馈信号进入矢量控制算法，输出驱动功率管开通关断的门极信号。本专利技术实施例为研究对象为6个IGBT功率管的开路故障的在线检测方法。图2所示为逆变器功率管输出周期性电流划分示意图。感应电机矢量控制系统中逆变器运行状态按照电机输出三相电流(ia、ib、ic)的极性关系分为六个阶段，定义为S1～S6，按照功率管有效的工作状态，每个阶段60°，如图2所示。在S1～S6各个阶段，有且仅有三个功率管产生关键作用，其余功率管的作用可以忽略。在本专利技术实施例中，关键功率管的对应关系为S1(T1,T3,T5)、S2(T1,T5,T6)、S3(T1,T2,T6)、S4(T2,T4,T6)、S5(T2,T3,T4)、S6(T3,T4,T5)。当功率管发生故障时，该功率管对应的阶段上的电流波形会发生畸变，而其余的阶段上的电流波形则会保持正常(例如若T1单管故障，则S1、S2、S3阶段的电流都会发生畸变，若T1、T2双管故障，则S1、S2、S3、S4、S5阶段的电流都会发生畸变)。因此，只要识别电流发生畸变时系统所在的阶段和电流恢复正常时系统所在的阶段，就可以实现故障功率管的诊断和定位。转子定向的同步坐标系下，d轴和q轴电流在稳态时保持不变，在动态调节过程中会逐渐达到稳定值。然而，在系统发生故障时d轴和q轴电流会发生畸变，而且呈现周期性变化，该周期与电流周期相同。因此，可以通过检测d轴和q轴电流的偏差大小来判断系统当前是否处在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法，其特征在于，包括：步骤1通过感应电机驱动系统中已有的电流传感器和速度传感器分别检测三相电流和电机转速，根据所述三相电流将一个电流周期划分为6个阶段S1～S6，再通过坐标转换计算出转子磁链定向的同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流；步骤2通过将正常工作时的初始角代替故障时的初始角来重构a相电流相位角，并对所述6个阶段S1～S6的划分进行优化，得到优化后的6个阶段Stg1～Stg6；步骤3分别将所述d轴电流和所述q轴电流与给定的d轴电流和q轴电流进行比较，获得电流偏差Eid和Eiq；步骤4对所述电流偏差Eid进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值Kd，则将逻辑变量boolEid置1，如果在连续采样周期内检测到所述逻辑变量boolEid为1，则对所述逻辑变量boolEid连续为1的次数counter1进行计数，当所述计数counter1达到或者超过计数阈值COUNT1时，故障发生标志flagFault发生跳变，则判断所述感应电机驱动系统发生开路故障；步骤5对所述电流偏差Eiq进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值Kq，将逻辑变量boolEiq置1，然后对所述逻辑变量boolEiq为1的次数进行计数，根据所述逻辑变量boolEiq跳变为高时所述感应电机驱动系统所在的所述优化后的阶段，以及所述逻辑变量boolEiq跳变为低时所述感应电机驱动系统所在的所述优化后的阶段判定开路故障的功率管。...

【技术特征摘要】
1.一种感应电机矢量控制系统功率管开路故障的在线检测方法，其特征在于，包括：步骤1通过感应电机矢量控制系统中已有的电流传感器和速度传感器分别检测三相电流和电机转速，根据所述三相电流将一个电流周期划分为6个阶段S1～S6，再通过坐标转换计算出转子磁链定向的同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流；步骤2通过将正常工作时的初始角代替故障时的初始角来重构a相电流相位角，并对所述6个阶段S1～S6的划分进行优化，得到优化后的6个阶段Stg1～Stg6；步骤3分别将所述d轴电流和所述q轴电流与给定的d轴电流和q轴电流进行比较，获得电流偏差Eid和Eiq；步骤4对所述电流偏差Eid进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值Kd,则将逻辑变量boolEid置1，如果在连续采样周期内检测到所述逻辑变量boolEid为1，则对所述逻辑变量boolEid连续为1的次数进行计数得到计数counter1，当所述计数counter1达到或者超过计数阈值COUNT1时，故障发生标志flagFault发生跳变，则判断所述感应电机矢量控制系统发生开路故障；步骤5对所述电流偏差Eiq进行累加求和，如果累加的结果大于预设的故障判定阈值Kq，将逻辑变量boolEiq置1，然后对所述逻辑变量boolEiq为1的次数进行计数，根据所述逻辑变量boolEiq跳变为高时所述感应电机矢量控制系统在所述优化后的6个阶段Stg1～Stg6中所处的位置，以及所述逻辑变量boolEiq跳变为低时所述感应电机矢量控制系统在所述优化后的6个阶段Stg1～Stg6中所处的位置判定开路故障的功率管。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中划分的所述6个阶段，每个阶段均为60°。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，将所述6个阶段S1～S6中的每一个平移90°得到所述优化后的6个阶段Stg1～Stg6。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当同一桥臂的功率管发生故障时，增加额外变量来判断故障功率管，计算公式如下：其中，Dn(k)的值表示n相的绝对值平均电流与另外两相的绝对值平均电流的比值，其中n＝1,2,3分别对应a,b,c三相；<|in(k)|>、<|il(k)|>、<|im(k)|>分别表示绝对值平均电流的估计值，N＝60/ωpTs,ω表示电机运行速度，p表示电机的极对数，Ts表示控制器的采样周期；l,m,n表示所述a,b,c三相中的某一相，且l≠m≠n；k表示采样瞬间。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法涉及的感应电机矢量控制系统包括滤波电容(1)，逆变器(2)，感应电机(3)，电流传感器(4)，速度传感器(5)，矢量控制系统(6)和门极驱动信号(7)；逆变器(2)与滤波电容(1)的直流母线电压输出端连接；感应电机(3)与逆变器(2)的三相电流输出端连接；电流传感器(4)与逆变器(2)的三相电流输出端连接，速度传感器(5)与感应电机(3)的转速输出端连接；矢量控制系统(6)与电流传感器(4)的输出端、速度传感器(5)的输出端连接，并输出门极驱动信号至逆变器(2)；逆变器(2)包括第一功率管T1、第二功率管T2、第三功率管T3、第四功率管T4、第五功率管T5、第六功率管T6，以及第一旁路二极管D1，第二旁路二极管D2，第三旁路二极管D3，第四旁路二极管D4，第五旁路二极管D5，第六旁路二极管D6；所述第一功率管T1和第四功率管T4构成A相上下桥臂；所述第二功率管T2和第五功率管T5构成B相上下桥臂；所述第三功率管T3和第六功率管T6构成C相上下桥臂；所述步骤5中根据所述逻辑变量boolEiq发生跳变时所述感应电机矢量控制系统在所述优化后的6个阶段Stg1～Stg6中所处的位置判定开路故障的功率管具体为：若a相电流不发生畸变，则判定没有功率管发生开路故障；若所述a相电流发生畸变在Stg5→Stg2，则判定第一功率管T1发生开路故障；若所述a相电流发生畸变在Stg1→Stg4，则判定第二功...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金，张江汉，罗慧，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42