一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于在线检测技术领域，更具体地，设及一种电机驱动系统中逆变器功率 管开路故障实时检测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，交流电机作为电能和机械能转换的装置，在航空航天、军事、工业、机车牵引 系统及船舶等领域得到了广泛的应用，呈现完全取代直流电机的趋势。逆变器作为交流电 机驱动系统中的核屯、部件，是驱动系统中最容易发生故障的薄弱环节，其中功率管由于高 频开通、关断造成的开路故障尤为显著，直接影响电机驱动系统的正常运行。针对逆变器功 率管的开路故障提出实时有效的检测、定位和隔离的方法，提供实时有效的信息给后续的 容错控制策略，对提高电机驱动系统的可靠性具有重要的工程应用价值。
[0003] 当前已出版的文献中，关于逆变器功率管开路故障实时检测方法有=种；1、基于 电机模型，设计观测器，若观测器的输出和实际系统输出的残差大于设定的阔值，则判断系 统发生故障。该种方法很大程度依赖于电机参数，在实际运行中电机的参数是变化的不确 定的，因此该种方法在工程应用中存在一定的不足；2、基于检测电压的方法，根据故障功率 管电压崎变的特性，进行快速实时的检测和定位，该一类方法需要在硬件上添加相应的传 感器W及检测电路，提高了监控系统的成本；3、基于检测电流的方法，根据逆变器输出的= 相电流，分别在a-0坐标系和d-q坐标系中分析系统故障机理，进行快速实时的检测和定 位，该类方法需要估算同步旋转角，估算误差会影响检测精度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供一种电机驱动系统中逆变器功 率管开路故障实时检测方法，其目的在于改善已有的功率管开路故障实时检测方法，提高 检测速度，增强算法鲁椿性，降低检测成本。本发明能够实时检测出任意一个或者两个功率 管发生的开路故障的情况，并可W精确定位故障功率管。本发明适用于同步电机、异步电机 电流闭环或者开环控制策略的系统，并对5相（多相）电机的驱动系统功率管开路故障的 在线检测具有指导意义。
[0005] 本发明提供一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法，包括W下 步骤：
[0006] 步骤1计算滑动窗口的宽度
其中，T表示电网的供电周期，T康 示电流环的采样周期，n表示电机转子转速，P表示电机的极对数；
[0007] 步骤2实时计算=相电流对应的等位点函数的函数值及其相应的残差，所述等位 点函数为：
[0010] 其中，i。似表示离散系统采样时刻k的电流值；K。表示一个接近0的阔值；a、b、 c表示逆变器=相输出电流；
[0011] 所述等位点函数的残差为：
[0012]
[0013] 步骤3根据逆变器S相的残差砖是否相等W判断故障是否发生；
[0014] 步骤4根据等位点函数的取值及其对应残差的取值与相应阔值的比较结果实现 对故障功率管的定位。
[0015] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，具有W下有益效 果：
[0016] (1)成本低，本发明适用于任何采用矢量控制策略的系统中，不需要额外的电压传 感器；也适用于=相电机电流开环控制系统中逆变器功率管开路故障诊断；
[0017] (2)检测精度高，速度快，实时性高。本发明能够实时准确的检测变频器中任意单 管或者双管开路故障和二次故障；
[001引 （3)鲁椿性好，抗干扰能力强。电机启动、变速、突加或者突减负载等动态过程不 会对本发明的故障诊断结果产生消极影响；且该方案对电机内部参数不敏感，抗噪声能力 强；
[0019] (4)实现简单，本发明可W作为一个子程序嵌入到控制程序中，不影响也无需修改 控制程序。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明逆变器的拓扑结构；
[0021] 图2为本发明电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明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W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0023]图1所示为本发明中电机驱动系统=相电压源逆变器的拓扑结构，忽略功率管 (IGBT)的非线性工作曲线，在健康或者故障状态下，6个功率管T1~T6全部或者部分在拓 扑结构上存在对称性，其中Ud是直流侧电压，C1、C2是直流链电容，D1、D2、D3、D4、D5、D6分 别为各功率管附带的二极管，i。、ib、i。为=相输出电流。
[0024]图2所示为本发明电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法的流程 图，利用滑动窗口实时计算，具体包括w下步骤：
[0025] 步骤1根据滑动窗口计算公式求取滑动窗口的宽度以其具体的计算公式为
其中，T表示电网的供电周期，L表示电流环的采样周期，n表示电机转子 转速，P表示电机的极对数，滑动窗口的宽度L在数值上等于供电周期内的电流采样次数。
[0026] 步骤2实时计算=相电流对应的等位点函数的函数值及其相应的残差。
[0027] 在如图1所示的离散控制系统中，采用周期是L。逆变器输出的电流是周期性的 且周期为T。该里，假设A和B是逆变器拓扑结构中任意两个点，k时刻经过该两个点的电 流为ig化)、ib化)，电流的周期为Ta、町，且Ta=Te=T。若存在如下所示的函数：
[002引
[0029] 如果A、B两个点的描述函数存在如下关系：
[0030] 也化+1)I=怕化+1)I似
[0031] 则A、B被定义为等位点，f被定义为等位点函数。若化+1) =fe化+1)，则A和 B正对称，描述符号为;若fA化+1) =-fe化+1)，则A和B反对称，描述符号为
[0032] 本发明主要研究的是逆变器功率管任意单管开路故障和任意双管故障，其中，根 据故障下拓扑结构的相似性，将故障分成四大类：单管故障（FAULT_1)，同桥臂双管故障 (FAULT_2)，同在上管或者同在下管双管故障（FAULT_3)，分别在上下管但不同桥臂双管故 障（FAULT_4)。该四类故障逆变器功率管拓扑结构的对称性如表1所述。
[0033] 下表1是提出的等位点与对应功率管健康、故障状态的映射表。例如，在故障类型 为FAULT_1，若Nb、N。为等位点，且为正对称，则故障功率管为T1或者T2。
[0034]
[0035] 表 1
[0036] 在本发明实施例中，为了分析拓扑结构的对称性，定义了2个等位点函数P"(k)和 F。化)，如下所示：
[0039]其中，i。似表示离散系统采样时刻k的电流值；K。表示一个接近0的阔值；a、b、c表示逆变器=相输出电流。公式（3)描