基于中點(diǎn)電壓信號(hào)分析的逆變器功率管開(kāi)路故障診斷研究

郭立煒，周昇龍，安國(guó)慶，王雪嬌

（1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.中國(guó)北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

基于中點(diǎn)電壓信號(hào)分析的逆變器功率管開(kāi)路故障診斷研究

郭立煒1，周昇龍2，安國(guó)慶2，王雪嬌3

（1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.中國(guó)北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

利用電流信號(hào)作為逆變器故障信息的診斷方法易受到負(fù)載、噪聲等因素的影響，且診斷周期長(zhǎng)、通常需要一定的軟件算法、空載或輕載時(shí)易出現(xiàn)誤診斷。針對(duì)該問(wèn)題，提出對(duì)橋臂中點(diǎn)電壓信號(hào)與脈沖信號(hào)進(jìn)行相關(guān)邏輯分析的方法，從而實(shí)現(xiàn)逆變器功率管開(kāi)路故障的診斷，給出了功率管開(kāi)路故障輸出信號(hào)的邏輯表達(dá)式，以及相關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)方法。對(duì)逆變器功率管觸發(fā)脈沖信號(hào)的上升沿進(jìn)行延時(shí)，可有效地避免因功率管開(kāi)通和關(guān)斷延遲造成的誤診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效地診斷逆變器單相單功率管的開(kāi)路故障，診斷實(shí)時(shí)性強(qiáng)，硬件電路開(kāi)銷小，方法有效可行。

電機(jī)學(xué)；直流無(wú)刷電機(jī)；逆變器；功率管開(kāi)路

直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障的部位主要集中在電機(jī)本體、電子換向器、控制器以及位置傳感器等部位。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，功率變換器故障占整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的82.5%［1］，因此，有效防止逆變器故障是提高直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性的根本。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電流和電壓承載著逆變器的故障信息，經(jīng)過(guò)一系列理論分析與實(shí)驗(yàn)考證，電流診斷方法可直接利用系統(tǒng)中的電流傳感器，無(wú)需額外硬件，但其檢測(cè)周期通常在一個(gè)基波周期之上，并且容易受到噪聲、負(fù)載等因素的影響，且在空載或輕載情況下容易出現(xiàn)誤診斷。這是因?yàn)樵陂]環(huán)系統(tǒng)中，控制器的修正作用使得電流診斷方法明顯地局限在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中［2］。電壓信號(hào)的逆變器功率管開(kāi)路故障診斷方法能有效地縮短診斷時(shí)間并且在一定程度上避免電流的畸形對(duì)診斷結(jié)果的影響［3］。針對(duì)逆變器開(kāi)路故障，文獻(xiàn)［4］提出了基于逆變器電壓模型的診斷方法開(kāi)路故障時(shí)逆變器功率管的相電壓、線電壓或中性點(diǎn)電壓將與正常工況下的電壓有所不同，通過(guò)這些電壓的差別均可對(duì)逆變器進(jìn)行故障診斷，但由于功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間與死區(qū)時(shí)間的影響以及電機(jī)系統(tǒng)中噪聲的影響將有可能出現(xiàn)誤診斷，同時(shí)診斷時(shí)間也比較長(zhǎng)。文獻(xiàn)［5］利用調(diào)制后的相電壓與預(yù)設(shè)定的閾值電壓相比較，對(duì)比較輸出后的結(jié)果進(jìn)行積分運(yùn)算，積分輸出后再經(jīng)過(guò)另一個(gè)閾值比較器得到故障診斷的結(jié)果，這種方法有效地避免了誤差與噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)也在一定程度上縮短了診斷時(shí)間。文獻(xiàn)［6］采用雙重標(biāo)準(zhǔn)，即電壓標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，其中電壓標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用到了文獻(xiàn)［5］中的電壓閾值比較器，同理運(yùn)用相關(guān)的計(jì)數(shù)器即可實(shí)現(xiàn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的判定，利用閾值比較器使計(jì)數(shù)器清零或者禁止，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過(guò)設(shè)定的某一數(shù)值時(shí)即可認(rèn)為功率管發(fā)生了開(kāi)路故障。

但以上方法的共同問(wèn)題在于只能確定出現(xiàn)開(kāi)路故障的橋臂，并不能定位到具體的開(kāi)關(guān)器件。針對(duì)以上情況，現(xiàn)利用故障狀態(tài)下功率器件承受的電壓信號(hào)的變化，將橋臂中點(diǎn)電壓和脈沖信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算來(lái)鎖定故障器件位置。

1 系統(tǒng)建模

逆變器與直流無(wú)刷電機(jī)的等效電路圖如圖1所示。

圖1 逆變器與直流無(wú)刷電機(jī)的等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of inverter and brushless DC motor

直流側(cè)電壓為udc，電機(jī)可以等效為電阻、電感和反電勢(shì)串聯(lián)，因此直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型可由式（1）來(lái)描述：

式中：uUN，uVN，uWN為三相電壓（V）；iU，iV，iW為三相繞組電流（A）；eU，eV，eW為三相反電勢(shì)（V）；R為繞組電阻（Ω）；L為定子電感（H）；

繞組中性點(diǎn)N對(duì)母線地G點(diǎn)的電壓為uNG，根據(jù)電路的拓?fù)浼s束和基爾霍夫定律，有：

因?yàn)橛校篿U＋iV＋iW＝0，且假設(shè)三相的反電勢(shì)平衡，即eU＋eV＋eW＝0，則可得uUN＋uVN＋uWN＝0。繞組中性點(diǎn)N對(duì)母線地G點(diǎn)的電壓為uNG：

經(jīng)過(guò)以上公式的整理可得負(fù)載各相的相電壓分別為

2 逆變器功率管開(kāi)路診斷原理

圖2為電壓源逆變器常用的橋式拓?fù)潆娐贰?/p>

圖2 逆變器橋式拓?fù)鋱DFig.2 Inverter bridge topology

功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由觸發(fā)脈沖信號(hào)來(lái)描述，U，V，W橋臂的脈沖信號(hào)分別為ugU，ugV，ugW，由于同一個(gè)橋臂上、下2個(gè)功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是互補(bǔ)的，因此當(dāng)橋臂脈沖信號(hào)為1時(shí)，就表示橋臂的上管開(kāi)通下管關(guān)斷；當(dāng)橋臂的觸發(fā)脈沖信號(hào)為0時(shí)，就表示此時(shí)橋臂的上管關(guān)斷下管開(kāi)通［7］。在此假設(shè)逆變器功率管是理想情況下的開(kāi)關(guān)器件并且不考慮功率管的開(kāi)關(guān)死區(qū)，正常工作時(shí)U，V，W相的下管電壓與觸發(fā)脈沖信號(hào)ugU，ugV，ugW之間的關(guān)系可以表示為

逆變器功率管的開(kāi)路故障是其最常見(jiàn)的故障模式，當(dāng)逆變器某一橋上的功率管發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，式（5）將不能用來(lái)描述功率管承受的正向電壓。因此，通過(guò)檢測(cè)逆變器功率管實(shí)際承受的電壓與式（5）理論分析得出的電壓是否一致，即可判斷逆變器功率管是否發(fā)生了故障。

3 基于中點(diǎn)電壓信號(hào)分析的診斷方法

3.1 功率管電壓信號(hào)分析

根據(jù)逆變器的模型，逆變器功率管承受的電壓可以由式（6）來(lái)描述。

當(dāng)逆變器某一橋臂上的功率管發(fā)生開(kāi)路故障且與該功率管并聯(lián)的二極管沒(méi)有續(xù)流時(shí)，式（6）就不能描述此時(shí)該器件的電壓，因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)功率管實(shí)際情況下承受的電壓即可判斷該器件是否發(fā)生了開(kāi)路故障。

以U相為例，逆變器工作在正常情況下，上管脈沖信號(hào)ug1為1時(shí)上管電壓uV1為0，上管脈沖信號(hào)ug1為0時(shí)上管電壓uV1為udc，上、下兩管的脈沖信號(hào)互補(bǔ)，因此上、下管的電壓信號(hào)也是互補(bǔ)的，即U相上、下兩管不能同時(shí)導(dǎo)通［8］。當(dāng)功率管V1發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)將有以下兩種情況：一是故障發(fā)生在上管脈沖信號(hào)ug1為0時(shí)，上管ug1脈沖信號(hào)為0，此時(shí)無(wú)論是正常還是開(kāi)路故障，功率管V1的電壓都顯示為udc，但是當(dāng)脈沖信號(hào)從0變?yōu)?時(shí)，這時(shí)上管電壓信號(hào)應(yīng)為0，但是由于功率管V1發(fā)生了開(kāi)路故障，此時(shí)U相上管仍為udc，而正常工況下此時(shí)的U相上管電壓應(yīng)為0；二是故障發(fā)生在上管脈沖信號(hào)ug1為1時(shí)，此時(shí)根據(jù)上述分析U相上管功率管V1電壓為0，但由于功率管V1發(fā)生開(kāi)路故障，V1承受的電壓應(yīng)仍為udc。同理U相下管功率管V2發(fā)生故障后也有以上兩種情況，其診斷原理與上管診斷原理一致。

3.2 故障信號(hào)邏輯運(yùn)算分析

以U相橋臂為例，正常模式、V1開(kāi)路故障和V2開(kāi)路故障3種狀態(tài)下，器件正向電壓所示為逆變器的器件電壓時(shí)序圖如圖3和圖4所示。

圖3 正常模式下逆變器功率管的電壓時(shí)序圖Fig.3 Voltage sequence diagram of inverter switch running normal model

圖4 V1和V2開(kāi)路故障逆變器功率管的電壓時(shí)序圖Fig.4 Voltage sequence diagrams of inverter switch with V1and V2open circuit faulst

u′V1和u′V2分別為V1開(kāi)路故障后功率管V1和V2的電壓。正常模式與V1開(kāi)路故障時(shí)的器件電壓見(jiàn)表1。

表1 正常模式與V1開(kāi)路故障時(shí)的器件電壓Tab.1 Device voltage under normal model and V1open circuit fault

在脈沖信號(hào)ug1＝1，ug2＝0的情況下，即功率管V1的觸發(fā)脈沖信號(hào)為高電壓，但由于續(xù)流二極管的續(xù)流作用，此時(shí)電流不能通過(guò)功率管流入電機(jī)繞組，則功率管V1的電壓為udc，而功率管V2的電壓為0。這種情況下與正常狀況相比，V1開(kāi)路故障后的電壓與正常工況下的電壓不相等。同理，對(duì)于功率管V2的開(kāi)路故障也會(huì)有相同的結(jié)果。逆變器的開(kāi)路故障可以由輸出信號(hào)準(zhǔn)確快速地表示出來(lái)，開(kāi)路故障的輸出信號(hào)為功率管電壓與其脈沖信號(hào)的邏輯與非運(yùn)算關(guān)系，如式（7）表示。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

按照以上分析，直流無(wú)刷電機(jī)逆變器中有6個(gè)功率管，如果要得到每個(gè)器件的電壓信號(hào)，那么必須要具備6個(gè)相關(guān)的電壓型傳感器，這將使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，同時(shí)成本也會(huì)增加。因此為了縮短診斷時(shí)間，簡(jiǎn)化診斷電路，以下采用高速光耦間接采集橋臂中點(diǎn)電位。

U相中點(diǎn)電壓故障診斷硬件電路如圖5所示。

以U相為例，通過(guò)高速光耦采集了U相中點(diǎn)對(duì)地電壓的脈沖序列，該信號(hào)按式（7）中的邏輯與U相兩功率管的觸發(fā)脈沖參與運(yùn)算，得到了故障診斷信號(hào)。通過(guò)對(duì)以上故障信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)功率管開(kāi)路故障診斷。

圖5 電壓采集與診斷電路Fig.5 Voltage acquisition and circuit diagnosis

5 仿真結(jié)果分析

對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)逆變器一相單管開(kāi)路進(jìn)行故障診斷仿真。

圖6為正常運(yùn)行時(shí)逆變器U相的上管觸發(fā)脈沖信號(hào)。

當(dāng)逆變器工作在正常情況下，U相上管的脈沖信號(hào)為高時(shí)V1管導(dǎo)通，此時(shí)V1管電壓為0；當(dāng)脈沖信號(hào)為低時(shí)V1管關(guān)斷，此時(shí)V1管電壓為高電平，如圖7所示。

由于逆變器正常運(yùn)行時(shí)U相上管的脈沖信號(hào)與對(duì)應(yīng)的功率管電壓信號(hào)高、低電壓互補(bǔ)，理論上分析應(yīng)得U相上管電壓信號(hào)與脈沖信號(hào)進(jìn)行邏輯與非關(guān)系運(yùn)算后結(jié)果應(yīng)為1。然而由于功率管并不是理想的開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程存在延遲，即每當(dāng)V1管電壓為高電平結(jié)束后，其電壓不會(huì)立即變?yōu)榈碗妷海抢^續(xù)保持一段極短時(shí)間的高電壓即在健康狀態(tài)下功率管V1開(kāi)通過(guò)程中出現(xiàn)窄脈沖，而此時(shí)觸發(fā)脈沖信號(hào)也為高，在進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，其運(yùn)算結(jié)果不恒為1，導(dǎo)致誤診斷的發(fā)生，如圖8所示。

圖6 逆變器正常運(yùn)行時(shí)U相上管的脈沖信號(hào)Fig.6 U phase pulse signal when inverter running normal

圖7 逆變器正常運(yùn)行時(shí)U相上管的電壓信號(hào)Fig.7 U phase voltage signal when inverter running normal

圖8 V1管誤診斷Fig.8 Diagnose faults of switch V1

為了消除誤診斷，先將觸發(fā)脈沖信號(hào)ug1進(jìn)行一定時(shí)間的延時(shí)，而脈沖信號(hào)ug1和ug2的發(fā)生既要考慮到逆變器功率管的開(kāi)通延時(shí)情況又要考慮到逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生到功率管門(mén)極間隔離的延時(shí)情況［9］。因此需要對(duì)脈沖信號(hào)ug1和ug2的上升沿進(jìn)行延時(shí)：

式中：t1，t2為脈沖信號(hào)ug1和ug2上升延時(shí)時(shí)間；ton，toff為IGBT開(kāi)通和關(guān)斷延時(shí)時(shí)間；tdelay為開(kāi)關(guān)信號(hào)產(chǎn)生到IGBT柵極之間的信號(hào)延遲時(shí)間；tmin為開(kāi)關(guān)信號(hào)最窄脈沖時(shí)間［10］。

由于功率管并不是理想的開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)其脈沖信號(hào)為1且功率管處于斷路故障時(shí)，其電壓既不會(huì)為0也不會(huì)為1，而是出現(xiàn)一系列的振動(dòng)現(xiàn)象［15－17］，因此測(cè)得的V1管開(kāi)路故障時(shí)的電壓信號(hào)如圖10所示。

圖9 V1管電壓信號(hào)與脈沖信號(hào)的邏輯運(yùn)算結(jié)果Fig.9 Boolean calculation results of switch V1voltage signal and pulse single

圖10 V1管開(kāi)路故障時(shí)的電壓信號(hào)Fig.10 Voltage signal of switch V1with open circuit fault

圖11 V1開(kāi)路故障時(shí)電壓信號(hào)與脈沖信號(hào)的邏輯運(yùn)算結(jié)果Fig.11 Boolean calculation results of voltage signal and pulse signal with switch V1open circuit fault

經(jīng)過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)ug1和ug2的上升沿進(jìn)行延時(shí)，將測(cè)得的V1管開(kāi)路故障電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為邏輯電平后與脈沖信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到V1管開(kāi)路故障時(shí)電壓信號(hào)與觸發(fā)脈沖信號(hào)的邏輯運(yùn)算結(jié)果，如圖11所示。

系統(tǒng)中采用高速光耦，診斷光耦處的二極管選用快恢復(fù)型［18］。從圖11可以看出此時(shí)電壓信號(hào)與脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后得到的為高、低電平相交替的方波波形，與正常運(yùn)行狀態(tài)下邏輯運(yùn)算恒為1的波形有所不同，從而有效、快速地診斷出直流無(wú)刷電機(jī)逆變器一相單管的開(kāi)路故障［19－21］。

6 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合以上的理論分析并且證明了基于中點(diǎn)電壓信號(hào)分析方法的有效性和可行性，該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)上升沿的延時(shí)，避免了因功率管開(kāi)通、關(guān)斷延遲而造成的在健康狀態(tài)下誤診斷情況的發(fā)生；

2）使用高速光耦間接測(cè)量每個(gè)逆變器橋臂中點(diǎn)的電壓，將采集到的電壓轉(zhuǎn)化為邏輯電平，通過(guò)邏輯門(mén)的與非運(yùn)算，能有效、快速地定位到具體功率管的故障；

3）省略了以往有關(guān)電壓的測(cè)量和比較環(huán)節(jié)，利用脈沖信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行邏輯運(yùn)算的方法診斷電路簡(jiǎn)潔且成本低；

4）有效克服了噪聲影響并獨(dú)立于負(fù)載，適用于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)中，診斷周期在一個(gè)周期之內(nèi)。

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系統(tǒng)融典型機(jī)電一體化設(shè)備機(jī)械部件裝調(diào)、電氣控制電路裝調(diào)、氣動(dòng)系統(tǒng)裝調(diào)、PLC編程、觸摸屏編程、工業(yè)機(jī)器人編程、數(shù)控機(jī)床編程、自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試于一體，涵蓋了PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝、驅(qū)動(dòng)調(diào)速、氣動(dòng)控制、傳感檢測(cè)、系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。同時(shí)從選材、造型及功能等多方面貼合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，著重體現(xiàn)真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)應(yīng)用。設(shè)備的各個(gè)模塊可分別逐次運(yùn)行，可以由淺入深，漸進(jìn)全面地掌握各項(xiàng)自動(dòng)控制技術(shù)。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用、訓(xùn)練和培訓(xùn)，幫助學(xué)習(xí)者更好地理解和掌握工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線。

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Diagnosis of inverter switch open circuit faults based on neutral point voltage signal analysis

GUO Liwei1，ZHOU Shenglong2，AN Guoqing2，WANG Xuejiao3
（1.School of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；2.School of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；3.CNR Tangshan Railway Vehicle Company Limited，Tangshan，Hebei 063000，China）

Using the current signal to diagnose inverter faults information is apt to be affected by the load，noise and other factors；besides，it requires long diagnosis period with special algorithms and the diagnosis result is easily to be incorrect with noload or light-load.Focusing on this issue，the logical analysis method is proposed for correlation logical analysis of leg neutralpoint voltage and pulse signal to realize the diagnosis of the open circuit faults of inverter switches.The logical expressions of output signals of inverter power tube open-circuit faults is put forward and interrelated hardware circuit design is also elaborated.Delaying the rising edge of inverter power tube＇s pulse signal can effectively avoid the diagnosis error caused by the power tube＇s switching on/off.The experiment results show that the method can effectively diagnose the open-circuit faults of singlephase single power tube inverter in real-time and the hardware circuit cost is low，which shows it is effective and feasible.

motor learning；brushless DC motor；inverter；power tube open-circuit

TM346

A

1008-1542（2015）01-0045-07

10.7535/hbkd.2015yx01010

2014-09-17；

2014-10-25；責(zé)任編輯：陳書(shū)欣

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金（QN2014205）；河北科技大學(xué)五大平臺(tái)開(kāi)放基金（TY34）

郭立煒（1956—），男，黑龍江克山人，教授，博士，主要從事電機(jī)故障診斷方面的研究。

E-mail：guoliwei＠hebust.edu.cn

郭立煒，周昇龍，安國(guó)慶，等.基于中點(diǎn)電壓信號(hào)分析的逆變器功率管開(kāi)路故障診斷研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（1）：45-51.

GUO Liwei，ZHOU Shenglong，AN Guoqing，et al.Diagnosis of inverter switch open circuit faults based on neutral point voltage signal analysis［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（1）：45-51.