基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法技术方案

基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，通过对容错电机六相电流进行Park矢量变换，实时计算三个正交空间电流矢量在一个周期内的归一化平均值，通过比较电流矢量的模值归一化平均值与故障阈值来检测单功率管及双功率管开路故障，根据电流矢量实部、虚部归一化平均值的正负极性实现故障功率管的定位。本方法能够准确快速的实现永磁容错电机系统正常运行、开路/短路故障容错运行时的单功率管、双功率管开路故障诊断，在不同负载、转速工况下无需调整故障阈值，具有对转速突变、负载突变较强的鲁棒性，显著地提升了永磁容错电机系统的故障诊断能力、可靠性和容错运行性能，能有效满足机载电力作动器的高可靠性要求。

【技术实现步骤摘要】
基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法
本专利技术属于电机系统故障诊断
，具体涉及一种高可靠机载电力作动器用基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法。
技术介绍
近年来，随着电力电子技术、材料科学以及现代控制理论的快速发展，多电/全电飞机获得了技术上的重大突破，飞机伺服作动系统正逐渐由多能源形式作动系统向单一电力作动系统发展。电力作动系统的应用简化了飞机机载次能源系统结构，减轻了飞行器的重量，提高了飞行器的效率、可维护性及可靠性。机电作动器以其小型化、高效率、高功率密度及良好的动态性能等优点，成为未来飞机机载电力作动系统的主要发展方向。作为飞控系统的执行机构，机电作动器在很大程度上决定了飞控系统的性能及可靠性，因此机电作动器通常有较高的可靠性需求。电机系统作为电作动器的核心部件，其容错能力是提高机电作动器可靠性的关键因素，因此高可靠多相永磁容错电机系统成为机电作动器的重要发展方向。故障诊断作为永磁容错电机控制系统的关键环节之一，其性能直接影响着伺服系统的可靠性。永磁容错电机系统故障主要包括电机本体故障、传感器故障以及逆变器故障。电机系统中发生最频繁的故障是逆变器故障，且故障点主要集中在功率开关管。功率开关管故障主要分为开路故障和短路故障两类，其中短路故障目前多通过硬件电路实现短路过流保护。功率开关管开路故障发生后电机通常还能继续运行，但若不及时处理则会导致其它器件出现二次故障，因此功率开关管的开路故障诊断尤为重要。针对功率开关管的开路诊断方法已有大量相关研究，而目前所提出的方法均是基于电机正常运行且电机各相为正弦对称电流条件下的开路故障诊断。然而永磁容错电机在开路故障或短路故障容错运行时，剩余非故障相绕组为非对称非正弦电流，若发生功率开关管二次开路故障，传统的方法无法实现容错运行时的故障诊断。为了满足永磁容错电机系统的可靠性需求，提高故障诊断能力，开展永磁容错电机系统功率单功率管和双功率管开路故障诊断方法研究，具有重要的理论意义和工程价值。本专利技术申请所提出的基于归一化平均电流Park矢量法的正常及容错运行工况下单功率管及双功率管开路故障诊断方法，通过实时监测六相永磁容错电机电流Park矢量变换三个正交子空间中电流矢量的归一化平均模值实现开路故障检测，通过判断三个正交子空间中电流矢量实部虚部归一化平均值的正负极性实现故障功率开关管的定位，从而实现永磁容错电机系统正常和开路/短路故障容错运行时的单、双功率管的开路故障诊断。本专利技术故障诊断方法不依赖电机各相绕组对称运行，适用于永磁容错电机正常运行、开路故障容错运行和短路故障容错运行时的单、双功率管的开路故障诊断。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，能够在保持原系统硬件电路的条件下，快速可靠的实时诊断容错电机系统在正常运行、开路容错运行及短路容错运行时的单个功率管或两个功率管的开路故障，同时能有效避免因为电机转速突变或负载转矩突变引起的误诊断，鲁棒性强，且在不同负载、转速工况下无需调整故障判断阈值。所述容错电机系统包括六相永磁容错电机、容错功率驱动器、信号检测电路和容错控制器；所述的六相永磁容错电机包括5对极表贴式永磁体转子组件和12槽定子组件；所述容错功率驱动器由隔离驱动电路和逆变电路组成，其中逆变电路包含六个相互独立的H桥电路，每个H桥电路由第一～第四功率管T1a、T1b、T2a、T2b组成，T1a与T1b组成H桥正向桥臂，T2a与T2b组成H桥负向桥臂；所述信号检测电路由电流传感器、旋转变压器、轴角变换器、信号调理电路和A/D转换电路组成；所述容错控制器包括DSP系统和FPGA系统，DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；DSP系统负责系统的速度环计算、容错控制策略计算、电流Park矢量变换、Park矢量平均值计算、归一化计算，功率管开路故障检测及故障定位；FPGA系统包括电流环控制器、旋变控制模块、A/D采样控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；FPGA系统负责系统的电流环计算、电流A/D采样控制、电机转速和转子位置检测控制及PWM信号生成；该基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，其包括以下几个步骤：步骤1：将信号检测电路采集到的六相永磁容错电机A、B、C、D、E、F六相电流IA，IB，IC，ID，IE，IF，进行Park矢量变换，分别得到三个正交子空间下的电流Park矢量其中，对永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相反馈电流IA，IB，IC，ID，IE，IF进行如下Park矢量变换：式中Iα1、Iβ1分别为子空间中电流Park矢量的实部、虚部，Iα2、Iβ2分别为子空间中电流Park矢量的实部、虚部，Iα3、Iβ3分别为子空间中电流Park矢量的实部、虚部。为Park矢量变换的三个正交子空间，三个矢量分别为：其中Imod1为矢量的模值，Imod2为矢量的模值，Imod3为矢量的模值，表达式为：步骤2：计算三个电流Park矢量在一个电流周期内的平均值，分别得到矢量实部平均值虚部平均值模值平均值矢量实部平均值虚部平均值模值平均值矢量实部平均值虚部平均值模值平均值其中，在一个电流周期T内，电流Park矢量的实部平均值虚部平均值模值平均值电流Park矢量的实部平均值虚部平均值模值平均值电流Park矢量的实部平均值虚部平均值模值平均值分别为：步骤3：对电流Park矢量平均值进行归一化处理，将矢量模值归一化平均值矢量模值归一化平均值矢量模值归一化平均值作为故障诊断变量，将矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值以及矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值作为故障定位变量；其中，Park矢量归一化基准值可表示为：其中TF为故障相产生的制动转矩，可表示为：式中Te为电磁转矩，km为峰值反电势系数，x为电角度，SN为正常相绕组集合,SF为故障相绕组集合，电机绕组集合表示为：SN∪SF＝{A，B，C，D，E，F}(7)θei为第i相绕组初始电气角度，θej为第j相绕组初始电气角度，六相永磁容错电机初始电气角度的值属于以下集合：归一化处理后，矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值模值归一化平均值矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值模值归一化平均值矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值模值归一化平均值分别为：步骤4：判断故障诊断变量是否至少有两个变量大于设定阈值Ithres，若是，则判定开路故障发生，并转至步骤5进行故障定位，否则判定未发生开路故障，并返回步骤1继续进行监测；步骤5：记录判定开路故障发生时六个故障定位变量的正负极性，查询开路故障功率管定位表，即可确定故障功率开关管的位置。优选的，所述步骤4中，设置的故障阈值Ithres为：Ithres＝0.8(10)优选的，所述步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，所述容错电机系统包括六相永磁容错电机、容错功率驱动器、信号检测电路和容错控制器；所述的六相永磁容错电机包括5对极表贴式永磁体转子组件和12槽定子组件；所述容错功率驱动器由隔离驱动电路和逆变电路组成，其中逆变电路包含六个相互独立的H桥电路，每个H桥电路由第一功率管～第四功率管此四个功率管(T

【技术特征摘要】
1.基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法，所述容错电机系统包括六相永磁容错电机、容错功率驱动器、信号检测电路和容错控制器；所述的六相永磁容错电机包括5对极表贴式永磁体转子组件和12槽定子组件；所述容错功率驱动器由隔离驱动电路和逆变电路组成，其中逆变电路包含六个相互独立的H桥电路，每个H桥电路由第一功率管～第四功率管此四个功率管(T1a、T1b、T2a、T2b)组成；所述信号检测电路由电流传感器、旋转变压器、轴角变换器、信号调理电路和A/D转换电路组成；所述容错控制器包括DSP系统和FPGA系统，DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；DSP系统负责系统的速度环计算、容错控制策略计算、电流Park矢量变换、Park矢量平均值计算、归一化计算，功率管开路故障检测及故障定位；FPGA系统包括电流环控制器、旋变控制模块、A/D采样控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；FPGA系统负责系统的电流环计算、电流A/D采样控制、电机转速和转子位置检测控制及PWM信号生成；
其特征在于，该基于Park矢量法的容错电机系统多功率管开路故障诊断方法包括以下步骤：
步骤1：将信号检测电路采集到的六相永磁容错电机A、B、C、D、E、F六相电流IA，IB，IC，ID，IE，IF，进行Park矢量变换，分别得到三个正交子空间下的电流Park矢量
其中对永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相反馈电流IA，IB，IC，ID，IE，IF进行Park矢量变换：



式中Iα1、Iβ1分别为子空间中电流Park矢量的实部、虚部，Iα2、Iβ2分别为子空间中电流Park矢量的实部、虚部，Iα3、Iβ3分别为子空间中电流Park矢量的实部、虚部；为Park矢量变换的三个正交子空间，三个矢量分别为：



其中Imod1为矢量的模值，Imod2为矢量的模值，Imod3为矢量的模值，表达式为：



步骤2：计算三个电流Park矢量在一个电流周期内的平均值，分别得到矢量实部平均值虚部平均值模值平均值矢量实部平均值虚部平均值模值平均值矢量实部平均值虚部平均值模值平均值
其中在一个电流周期T内，电流Park矢量的实部平均值虚部平均值模值平均值电流Park矢量的实部平均值虚部平均值模值平均值电流Park矢量的实部平均值虚部平均值模值平均值分别为：



步骤3：对电流Park矢量平均值进行归一化处理，将矢量模值归一化平均值矢量模值归一化平均值矢量模值归一化平均值作为故障诊断变量，将矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值以及矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值作为故障定位变量；
其中归一化电流幅值可表示为：



其中TF为故障相产生的制动转矩，可表示为：



式中Te为电磁转矩，km为峰值反电势系数，x为电角度，SN为正常相绕组集合,SF为故障相绕组集合，电机绕组集合表示为：
SN∪SF＝{A,d,C,D,E,F}#(7)
θei为第k相绕组初始电气角度，θej为第j相绕组初始电气角度，六相永磁容错电机初始电气角度的值属于以下集合：



归一化处理后，矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值模值归一化平均值矢量实部归一化平均值虚部归一化平均值模值归一化平均值矢量实部归一化平均值虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐金全，郭嗣，郭宏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11