一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法技术方案

一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，通过对六相电流进行Park矢量变换得到两个正交子空间下的电流矢量，并计算一个周期内的电流矢量平均值，通过判断电流矢量模值平均值是否超过故障阈值实现功率管的开路故障检测，根据电流矢量实部、虚部平均值的正负极性实现故障功率管的定位。该方法无需增加额外的硬件设备，零序正交子空间电流矢量的利用保证了故障诊断方法对转速、负载突变的强鲁棒性，故障定位仅需根据定位变量的正负极性有效简化了运算，该方法能够同时实现永磁容错电机系统在正常、开路/短路故障容错运行时的功率管开路故障诊断，显著提高了永磁容错电机系统在发生一次及二次开路故障时的故障诊断能力。

【技术实现步骤摘要】
一种六相永磁容错电机系统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六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法。
技术介绍
随着电力电子技术、自动控制技术和新永磁材料等技术的发展，永磁同步电机迅速发展，在航空航天、交通运输等领域得到了广泛的应用。然而传统三相永磁同步电机在电机出现故障后性能会急剧下降，从而造成重大事故。多相永磁容错电机以其高功率密度、高效率、高可靠性等优点在高可靠性应用领域具有广阔应用前景。多相永磁容错电机虽然具有故障容错能力，但故障发生后电机会处于正常运行状态。在故障发生后如果不能及时准确的检测故障，可能会导致电机进一步损坏甚至给整个系统带来更严重的危害。因此，故障诊断成为了多相永磁容错电机控制系统的关键环节之一。永磁容错电机系统故障主要包括电机本体故障、逆变器故障以及传感器故障。其中逆变器故障是电机系统中最频繁发生的故障，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。其中功率开关管短路故障发生时间极短，难以通过软件方法检测，目前多通过硬件电路对功率开关管实现短路过流保护。功率开关管开路故障发生后电机往往可以继续运行，但如果不及时处理，可能会导致其它器件出现二次故障，最终引发更大的事故。功率开关管的开路诊断方法主要包括基于模型的故障诊断法、智能诊断法以及信号检测法。基于模型的故障诊断法虽然具有检测时间短、无需额外硬件等优点，但该方法的性能高度依赖模型的精确性并且受电机参数变化影响较大。智能诊断法由于计算量大且复杂，因此难以集成到控制器中进行实时检测。基于信号检测的方法根据所测变量可以分为电压检测法及电流检测法。电压检测法由于需要额外的电压传感器，因此增加了系统的成本和复杂程度。电流检测法不仅无需增加额外的传感器设备，也与电机系统参数无关，因此电流检测法在电机故障检测领域有广泛的应用，其中包括电流Park矢量法、电流斜率法和单电流传感器法等。然而目前提出的开路故障诊断方法大部分均是针对传统三相电机系统，虽然有少量针对多相永磁容错电机系统开路故障诊断的相关研究，但均是针对电机正常运行且各相绕组为正弦对称电流情况下的开路故障诊断。永磁容错电机在一次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，此时若发生二次功率开关管开路故障，传统的诊断方法无法实现容错运行时的故障诊断。因此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，实现多相永磁容错电机在正常运行以及开路/短路容错运行时的功率管开路故障诊断仍然是亟待解决的问题。
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六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，能够在不额外增加硬件电路情况下，避免转速突变或负载突变引起的误诊断，快速可靠的检测定位电机系统在正常运行及开路/短路容错运行时的功率管开路故障。本专利技术提出的一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，该六相永磁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、DSP系统和FPGA系统；所述的六相永磁容错电机包括定子组件、转子组件、转轴、轴承、机壳、前后端盖和位置传感器，定子组件的六相绕组采用隔齿嵌放、分数槽集中单层绕组结构，转子组件的永磁体为十极表贴式结构；所述容错功率驱动器为六个相互独立的H桥逆变电路，每个H桥逆变电路包含四个功率管，每个H桥逆变电路对永磁容错电机的六相绕组单独驱动供电，使各相绕组之间形成电气容错结构；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；其中，电流传感器检测永磁容错电机每相绕组的相电流，并以电压信号形式输出，再经过信号调理电路进行电平信号转换，输入到A/D转换电路，模拟信号被转换为数字信号并送入所述FPGA系统；旋转变压器负责将转子角位置信息变换成高频调制的一对电压信号，信号调理电路负责将旋转变压器输出的电压信号进行电平转换，从而满足轴角变换器的输入电压范围，还负责将轴角变换器产生的激磁信号功率放大，从而满足旋转变压器输入功率范围；轴角变换器负责产生激磁信号并送入信号调理电路，还负责将旋转变压器经信号调理电路转换后的电压信号进行解调和计算，从而得到位置和速度的数字信号，最终送入所述FPGA系统；所述DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；其中，速度环控制器负责系统的速度环控制策略计算；容错控制器负责容错控制策略计算；故障诊断模块负责电流Park矢量变换、电流Park矢量平均值计算、开路故障检测以及故障定位；所述FPGA系统包括电流环控制器、电流A/D采样控制模块、旋变控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；其中电流环控制器负责系统的电流环控制策略计算；电流A/D采样控制模块负责控制电流采样；旋变控制模块负责控制位置及速度采样；PWM生成模块负责PWM控制信号的输出；数据传输模块负责实现FPGA与DSP之间的并行通讯；该六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法包括以下步骤：步骤一：通过信号检测电路采集六相永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相电流，进行Park矢量变换，得到两个正交子空间下的电流Park矢量其中，对A、B、C、D、E、F六相电流进行Park矢量变换，变换公式为：式中IA，IB，IC，ID，IE，IF分别表示永磁容错电机A、B、C、D、E、F六相电流，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。两个正交子空间的电流Park矢量分别为：式中Imod1为矢量的模值，Imod2为矢量的模值。步骤二：计算两个电流Park矢量的实部、虚部及模值在一个电流周期内的平均值，将电流矢量的模值平均值与电流矢量的模值平均值作为故障诊断变量，将电流矢量的实部平均值虚部平均值以及电流矢量的实部平均值虚部平均值作为故障定位变量；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电流Park矢量的实部平均值虚部平均值分别为：矢量的模值平均值矢量的模值平均值分别为：步骤三：判断故障诊断变量是否均大于设定阈值若是，则判定开路故障发生，并转至步骤四进行故障定位；否则判定开路故障未发生，转至步骤一继续进行故障监测；其中，设置的故障阈值Ithres表达式为：其中故障相制动转矩TF可表示为：式中Te为电磁转矩，km为峰值反电势系数，ωe为电角速度，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：步骤四：记录故障诊断变量均超过阈值时四个故障定位变量的正负极性，查询开路故障功率管定位表，即可确定故障功率管的位置。所述步骤四中，当电机在正常本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，其中，六相永磁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、DSP系统和FPGA系统；/n所述的六相永磁容错电机包括定子组件、转子组件、转轴、轴承、机壳、前后端盖和位置传感器,定子组件的六相绕组采用隔齿嵌放、分数槽集中单层绕组结构，转子组件的永磁体为十极表贴式结构；/n所述容错功率驱动器为六个相互独立的H桥逆变电路，每个H桥逆变电路包含四个功率开关管，每个H桥逆变电路对永磁容错电机的六相绕组单独驱动供电，使各相绕组之间形成电气容错结构；/n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；其中，电流传感器检测永磁容错电机每相绕组的相电流，并以电压信号形式输出，再经过信号调理电路进行电平信号转换，输入到A/D转换电路，模拟信号被转换为数字信号并送入所述FPGA系统；旋转变压器负责将转子角位置信息变换成高频调制的一对电压信号，信号调理电路负责将旋转变压器输出的电压信号进行电平转换，从而满足轴角变换器的输入电压范围，还负责将轴角变换器产生的激磁信号功率放大，从而满足旋转变压器输入功率范围；轴角变换器负责产生激磁信号并送入信号调理电路，还负责将旋转变压器经信号调理电路转换后的电压信号进行解调和计算，从而得到位置和速度的数字信号，最终送入所述FPGA系统；/n所述DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；其中，速度环控制器负责系统的速度环控制策略计算；容错控制器负责容错控制策略计算；故障诊断模块负责电流Park矢量变换、电流Park矢量平均值计算、开路故障检测以及故障定位；/n所述FPGA系统包括电流环控制器、电流A/D采样控制模块、旋变控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；其中电流环控制器负责系统的电流环控制策略计算；电流A/D采样控制模块负责控制电流采样；旋变控制模块负责控制位置及速度采样；PWM生成模块负责PWM控制信号的输出；数据传输模块负责实现FPGA与DSP之间的并行通讯；/n其特征在于，该六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法包括以下步骤：/n步骤一：通过信号检测电路采集六相永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相电流，进行Park矢量变换，得到两个正交子空间下的电流Park矢量...

【技术特征摘要】
1.一种六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法，其中，六相永磁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、DSP系统和FPGA系统；
所述的六相永磁容错电机包括定子组件、转子组件、转轴、轴承、机壳、前后端盖和位置传感器,定子组件的六相绕组采用隔齿嵌放、分数槽集中单层绕组结构，转子组件的永磁体为十极表贴式结构；
所述容错功率驱动器为六个相互独立的H桥逆变电路，每个H桥逆变电路包含四个功率开关管，每个H桥逆变电路对永磁容错电机的六相绕组单独驱动供电，使各相绕组之间形成电气容错结构；
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；其中，电流传感器检测永磁容错电机每相绕组的相电流，并以电压信号形式输出，再经过信号调理电路进行电平信号转换，输入到A/D转换电路，模拟信号被转换为数字信号并送入所述FPGA系统；旋转变压器负责将转子角位置信息变换成高频调制的一对电压信号，信号调理电路负责将旋转变压器输出的电压信号进行电平转换，从而满足轴角变换器的输入电压范围，还负责将轴角变换器产生的激磁信号功率放大，从而满足旋转变压器输入功率范围；轴角变换器负责产生激磁信号并送入信号调理电路，还负责将旋转变压器经信号调理电路转换后的电压信号进行解调和计算，从而得到位置和速度的数字信号，最终送入所述FPGA系统；
所述DSP系统包括速度环控制器、容错控制器以及故障诊断模块；其中，速度环控制器负责系统的速度环控制策略计算；容错控制器负责容错控制策略计算；故障诊断模块负责电流Park矢量变换、电流Park矢量平均值计算、开路故障检测以及故障定位；
所述FPGA系统包括电流环控制器、电流A/D采样控制模块、旋变控制模块、PWM生成模块和数据传输模块；其中电流环控制器负责系统的电流环控制策略计算；电流A/D采样控制模块负责控制电流采样；旋变控制模块负责控制位置及速度采样；PWM生成模块负责PWM控制信号的输出；数据传输模块负责实现FPGA与DSP之间的并行通讯；
其特征在于，该六相永磁容错电机系统功率管开路故障诊断方法包括以下步骤：
步骤一：通过信号检测电路采集六相永磁容错电机的A、B、C、D、E、F六相电流，进行Park矢量变换，得到两个正交子空间下的电流Park矢量
其中，对A、B、C、D、E、F六相电流进行Park矢量变换，变换公式为：



式中IA，IB，IC，ID，IE，IF分别表示永磁容错电机A、B、C、D、E、F六相电流，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；两个正交子空间的...

【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