基于狀態(tài)反解的開關磁阻電機功率變換器故障診斷

劉勇智，聶愷，王熔基，管振水

(1.空軍工程大學航空工程學院，陜西西安，710038；2.空軍工程大學研究生院，陜西西安，710038；3.93705部隊，河北遵化，064200)

開關磁阻電機(switched reluctance motor,SRM)作為一種新型電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固，系統(tǒng)運行效率高[1-2]，魯棒性好且具有一定容錯能力的優(yōu)勢[3-4]。以SRM 為核心的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)在電動汽車、航空航天以及家電領域都具有較好的經(jīng)濟指標和運行特征，在電氣傳動領域占據(jù)越來越重要的地位[5-7]。

由于SRM 常在高溫和高振動等惡劣環(huán)境下工作，可能發(fā)生多種故障[8-9]。對于安全關鍵系統(tǒng)，若得不到及時處理，則微小的故障也可能導致重大的人員和財產(chǎn)損失[10]。因此，為提高系統(tǒng)可靠性，電機的控制系統(tǒng)應具備在發(fā)生某些故障后仍能使電機正常運行的容錯控制能力。為此，系統(tǒng)首先應具備良好的故障診斷功能，對故障進行精準的識別定位[11]。

功率變換器是SRM 調(diào)速系統(tǒng)中可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)[12]，功率開關管在過電流、過電壓以及由高頻開關導致的過熱狀態(tài)下極易發(fā)生故障。因此，研究功率變換器的故障診斷對提高SRM 調(diào)速系統(tǒng)可靠性具有重要意義。目前，針對功率變換器的故障診斷方法主要分為電流頻譜分析[13-14]、電流分析[15-17]、驅(qū)動信號輔助[12,18-20]和帶故障診斷功能的電流重構(gòu)方法[21-22]等。楊文浩等[13]提出一種將k-鄰近算法和極限學習機相結(jié)合的自適應滑窗診斷方法，但該方法應用于在線診斷時難以保證實時性要求；甘醇等[14]以故障前后相電流小波包節(jié)點能量離散度為故障特征來判斷故障類型，并準確定位短路故障位置，但方案對雙管同時短路和上管單獨短路2 種不同的故障沒有區(qū)分性；RO 等[15]對四相電流進行坐標轉(zhuǎn)換，通過d-q軸電流分布樣式即可診斷多種故障，故障特征明顯，但該方案對雙管同時短路沒有區(qū)分性且只適用于偶數(shù)相電機；YANG等[17]提出了一種混合邏輯判斷模型，由三相電流和驅(qū)動信號作為模型的輸入，理論上可以由模型輸出值和實際值之間的殘差實現(xiàn)短路故障診斷，但需增加1個電流傳感器且僅能對短路故障進行診斷；CHEN 等[12，19]通過配置額外電流傳感器，使得檢測電流在各種故障情況下的輸出不同，將輸電流出與位置信號配合，實現(xiàn)對故障的混合邏輯判斷。但是此方案診斷范圍有限；XU 等[18]利用各橋臂中性點電壓隨各相繞組工作狀態(tài)切換而不斷變化的規(guī)律，以中性點電壓符號與驅(qū)動信號之間的邏輯關系為故障特征，實現(xiàn)了在不添加額外的電流或電壓傳感器的情況下，對變換器中的功率開關管的故障診斷；CHEN 等[20]將3 個電流傳感器進行重新排布，提取到鮮明的短路和開路故障特征，進而利用驅(qū)動信號輔助，建立了故障特征的數(shù)學模型和故障字典，但該方案在多相同時短路故障下易發(fā)生誤判；PENG等[21]提出了一種全新的電流傳感器配置方式，通過在相電流重疊區(qū)改變PWM 的施加周期和數(shù)模轉(zhuǎn)換的時機，僅需2 個傳感器即可實現(xiàn)對四相SRM的控制以及故障診斷，但僅可適用于VPWM 控制；HAN 等[22]使用虛擬電流傳感器實現(xiàn)了雙傳感器對短路故障下三相電流的檢測，但其以勵磁狀態(tài)下的電流斜率為故障特征，容易在負載突變和不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生誤判。

綜上所述，在保證診斷方法具備良好的實時性和準確性的前提下，為進一步提高診斷范圍，本文作者以不對稱半橋式(asymmetric bridge,ASB)功率變換器為研究對象，提出了一種基于狀態(tài)反解的診斷方法。與常見診斷方法相比，該方案不受系統(tǒng)控制方式和電機相數(shù)限制，具有更寬的診斷范圍和更好的準確性且不會給控制器造成過大的運算負擔。此外，該方案的創(chuàng)新之處在于其可以直接在線獲取功率開關管的真實開關狀態(tài)，因此其在其他需要電流反饋的電力電子系統(tǒng)的故障診斷領域中也具有一定的參考價值，具有較好的可擴展性。

1 ASB功率變換器及其故障模式

1.1 ASB功率變換器

三相ASB 功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見：各相橋臂由2 個功率開關管和2 個續(xù)流二極管組成，電流傳感器直接測量繞組電流，相間運行相互獨立。每相的2個開關管可組成4種開關狀態(tài)，對應了各相的4種不同工作狀態(tài)，以A相為例，4 種電流路徑如圖2(a)～(d)所示，分別為勵磁、下續(xù)流、上續(xù)流和退磁狀態(tài)，為方便敘述，將4種狀態(tài)分別命名為ST1，ST2，ST3和ST4。

圖1 ASB功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 ASB power converter topology

圖2 A相工作狀態(tài)Fig.2 Phase A working states

為抑制轉(zhuǎn)矩脈動、減小開關損耗、減小鐵耗，各相在導通區(qū)間內(nèi)采用斬單管的軟斬波方式，以A相為例進行說明：在導通區(qū)間內(nèi)，下管S2受位置信號控制保持導通，上管S1受斬波信號控制，A相狀態(tài)在ST1和ST2間不斷切換；在關斷區(qū)間內(nèi)，兩管均關斷，A相狀態(tài)為ST4。因此，正常工作時A相僅有ST1，ST2 和ST4 共3 種工作狀態(tài)，對應的電路平衡方程分別為：

其中：US為電源電壓；i，R和L分別為相繞組的電流、電阻和電感；θ為轉(zhuǎn)子位置角；ω為轉(zhuǎn)子角速度；i(?L/?θ)ω為旋轉(zhuǎn)電動勢，其方向在相電感上升區(qū)內(nèi)與US反向，在電感下降區(qū)內(nèi)與US同向。

1.2 開關管短路故障分析

本文以1 臺550 W 三相6/4 極實驗樣機為仿真對象，在有限元分析軟件JMAG 中得到電機本體的轉(zhuǎn)矩-電流-轉(zhuǎn)子位置(T-i-θ)和磁鏈-電流-轉(zhuǎn)子位置(ψ-i-θ)數(shù)據(jù)，將其導入到MATLAB/Simulink中，搭建SRM控制系統(tǒng)非線性仿真模型，其中，功率變換器部分采用SimPowerSystem 模塊搭建，并用階躍信號配合控制信號模擬故障。以A相為例，分析開關管故障。

當斬波管S1短路，A 相將不受斬波信號控制，在導通區(qū)間內(nèi)始終保持為ST1狀態(tài)。但其故障電流在不同轉(zhuǎn)速下呈現(xiàn)出不同特點：低速運行時，電流波形如圖3(a)所示，圖3(b)所示為圖3(a)在故障時刻的局部放大圖，其中SS2是S2的控制信號，iref為參考電流，“×”表示故障時刻。

圖3 S1短路故障前后電流變化Fig.3 Current changes before and after S1 short circuit fault

故障發(fā)生后，如圖3(b)中區(qū)域I所示，導通區(qū)間內(nèi)的A 相繞組電流ia在電源電壓作用下不斷上升，擺脫參考電流的限制；區(qū)域Ⅱ中，轉(zhuǎn)子處于A相關斷區(qū)間的電感下降區(qū)，S1短路導致ST4被ST3代替，由式(2)可知此時的電流變化率為

由于旋轉(zhuǎn)電動勢為負，故此時電流變化率di/dt為正，相電流上升，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，降低系統(tǒng)效率。高速運行時，故障電流如圖3(c)所示，區(qū)域I中，由于正常狀態(tài)下的S1在整個導通區(qū)間內(nèi)始終保持開通，因此即使S1短路，故障電流和健康狀態(tài)下的相電流在導通區(qū)間內(nèi)完全相同，此時沒有故障特征。關斷區(qū)間內(nèi)，故障特征和低速運行時相同，由于ST4被ST3屏蔽，A相無法退磁，電流在旋轉(zhuǎn)電動勢的作用下上升，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。

位置導通管S2短路前后的ia變化如圖4(a)所示，圖4(b)所示為圖4(a)在故障時刻的局部放大。其故障特征和S1在高速狀態(tài)下發(fā)生短路類似：由于正常狀態(tài)下的S2在導通區(qū)間內(nèi)始終保持開通，因此無論高速或低速，S2短路的故障電流在導通區(qū)間內(nèi)不會立刻變化。A相關斷后，S2短路故障使得相繞組維持在零電壓續(xù)流狀態(tài)ST2，電流不會快速下降。到達電感下降區(qū)后，由式(4)可知，故障電流仍會在旋轉(zhuǎn)電動勢的作用下上升。

圖4 S2短路故障前后電流變化Fig.4 Current changes before and after S2 short circuit fault

當S1和S2同時發(fā)生短路，A相僅有ST1一種工作狀態(tài)。導通區(qū)間內(nèi)，A相不受斬波信號控制，電流在電源電壓作用下自由上升，此時的故障特征和S1單獨短路時相同。在關斷區(qū)間的電感下降區(qū)，由式(1)可知，此時的電流變化率為

由于此時的旋轉(zhuǎn)電動勢為負，相電流將在電源電壓和旋轉(zhuǎn)電動勢的共同作用下快速上升，產(chǎn)生更大的制動電流，嚴重影響電機轉(zhuǎn)矩平衡、系統(tǒng)效率大大降低。

1.3 開關管開路故障分析

S1或S2單獨開路時，故障前后的ia變化如圖5(a)所示。故障后，在導通區(qū)間內(nèi)，A相立即由勵磁狀態(tài)進入零電壓續(xù)流狀態(tài)，電流在旋轉(zhuǎn)電動勢的作用下緩慢下降。在關斷區(qū)間內(nèi)，繞組進入ST4狀態(tài)，ia在反向電壓作用下快速下降為0，由于繞組無法再次被勵磁，ia不可避免地保持為0。不同的是：若S1在工作時開路，零電壓續(xù)流回路由S2和D1組成；若S2在工作時開路，零電壓續(xù)流回路則由S1和D2組成。

雙管同時開路時的ia變化如圖5(b)所示，故障后繞組立即進入ST4狀態(tài)，在導通區(qū)間內(nèi)，ia在反向電源電壓和旋轉(zhuǎn)電動勢的雙重作用下快速下降并保持為0。當功率變換器中某開關管發(fā)生開路故障時，故障相因無法被勵磁而停止工作，電機處于缺相運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩輸出不均衡、出力不足，嚴重時會損壞負載設備。

圖5 功率開關管開路故障前后電流變化Fig.5 Current changes before and after open circuit

綜上分析，開關管故障對系統(tǒng)運行影響顯著，因此，對不同的故障類型進行準確的判斷和定位對于提高系統(tǒng)可靠性非常有必要。

2 基于狀態(tài)反解的功率開關管故障診斷方法

2.1 改進電流傳感器檢測位置

準確的相電流檢測是SRM 系統(tǒng)進行閉環(huán)控制的必要條件。在傳統(tǒng)的檢測位置下，不同故障往往表現(xiàn)出相同的故障現(xiàn)象，不利于故障特征的提取及故障定位。

經(jīng)前面分析：S1關斷后，流經(jīng)D1的電流和ia相等；S2關斷后，流經(jīng)D2的電流和ia相等；雙管同時導通時，2個二極管中均不會出現(xiàn)電流?？梢娏鹘?jīng)二極管的續(xù)電流對開關管不同的通斷組合狀態(tài)的反應不同。因此，在保證準確檢測各相電流、不影響系統(tǒng)正常工作的前提下，為實現(xiàn)所提出的故障診斷方法，將電流傳感器LEM1～LEM4進行重新排布：LEM1～LEM3安裝位置如圖6(a)所示，LEM4的安裝位置如圖6(b)所示。圖6(c)所示為各電流傳感器的繞線方式。圖6中，ifup和ifdn分別為上續(xù)流和下續(xù)流總線的電流；“P”和“N”分別代表給定的正繞線方向和負繞線方向；n∶2∶1為繞線匝數(shù)比，則電流傳感器的輸出值i1，i2，i3和i4分別由式(6)～(9)給出。

2.2 電流解算方法

開關管的實際開關狀態(tài)SSk定義為

式中：k=1,2,…,6。

考慮到續(xù)流總線電流可表示為：

將式(11)和(12)代入到式(6)～(8)中，得

其中：m1，m2和m3被定義為對應相的狀態(tài)系數(shù)，表達式為

由式(14)可知：m1，m2和m3由開關管的通斷狀態(tài)完全決定，且只能在0，±1 和2 這4 個數(shù)中取值，其具體的對應關系如表1所示。

改寫式(12)為矩陣形式，即

不論電機工作狀態(tài)如何，若使相電流解算正確，則必須保證式(15)有唯一解，因此，系數(shù)矩陣必須滿足

圖6 電流傳感器排布方式及檢測方式Fig.6 Current sensors arrangement and detection method

表1 狀態(tài)系數(shù)與開關管通斷狀態(tài)的關系表Table 1 Relationship between state coefficients and onoff states of transistors

其中：“rank[]”表示矩陣的秩。

通過仿真實驗證明，當n=1 時，可保證式(16)在任何狀態(tài)下均成立。此時，解矩陣方程式(15)，得到電流傳感器重新排布后的三相電流解算值ias，ibs和ics的表達式為

然而，在實際物理系統(tǒng)中，功率變換器各開關管的實際通斷狀態(tài)信息無法直接在線獲取?？紤]到在開關管無故障時，其實際通斷狀態(tài)受邏輯信號的控制，邏輯信號為高電平時導通，邏輯信號為低電平時關斷。若定義開關管的邏輯信號為

式中：k=1,2,…,6。

同時定義功率變換器各相控制系數(shù)為m*1，m*2和m*3，且m*1，m*2和m*3由邏輯信號所決定：

開關管無故障時，實際通斷狀態(tài)和邏輯信號相同，控制系數(shù)和狀態(tài)系數(shù)同樣保持一致。此時，可將各開關管的控制系數(shù)作為狀態(tài)系數(shù)代入到式(17)中進行相電流解算。圖7所示為功率變換器無故障時的相電流解算的仿真結(jié)果。從圖7可知：解算值ias，ibs和ics與真實值ia，ib和ic基本吻合，驗證了電流傳感器重新配置后，電流解算方案的正確性。

圖7 功率變換器無故障時的相電流解算的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of phase current solution for power converter without fault

2.3 開關管故障診斷方法

綜上分析可知，若使相電流解算值和相電流的真實值始終保持一致，其充要條件是功率變換器控制系數(shù)和狀態(tài)系數(shù)相同，即相電流的正確解算依賴于所有開關管均處于無故障狀態(tài)。例如，若S2在A 相單獨勵磁時發(fā)生開路故障，此時功率變換器的實際狀態(tài)(m1，m2，m3)為(-1，1，1)，而控制狀態(tài)(m*1，m*2，m*3)則為(0，1，1)，此時若以控制系數(shù)代替狀態(tài)系數(shù)進行電流解算，則不能保證電流解算的正確性。

在功率變換器中某開關管發(fā)生故障后，若可獲取各相的狀態(tài)系數(shù)，并將其與控制系數(shù)作對比，則可判斷故障類型并定位故障器件。例如，若某時刻獲取到狀態(tài)系數(shù)m1=1，由表1可知，此時S1和S2均處于關斷狀態(tài)。若此時控制系數(shù)m*1=0，表示S1和S2的控制信號均為高電平，亦即S1和S2在高電平導通信號的控制下仍處于關斷狀態(tài)，則可判斷兩管均發(fā)生開路故障。為便于查找故障，狀態(tài)系數(shù)mk(k=1,2,3)、控制系數(shù)m*k(k=1,2,3)和故障類型的對應關系如表2所示。

由于當且僅當功率變換器無故障時，電流解算值與真實值相等，故有：

其中：isum為三相解算電流和。因此，若isum與i4之間的差值超過某一閾值時，則可判斷電流解算不正確，某開關管發(fā)生故障。由表2可知為定位故障器件，需得到各相的控制系數(shù)與狀態(tài)系數(shù)。各相的控制系數(shù)可由控制器輸出的開關管邏輯信號直接得到，因此需進一步求取狀態(tài)系數(shù)。

由于相電流解算正確的充要條件為狀態(tài)系數(shù)和控制系數(shù)的一致，即使某器件發(fā)生故障，只要保證其邏輯信號與實際通斷狀態(tài)一致，亦可使電流解算正確。因此，考慮利用式(15)對各相狀態(tài)系數(shù)進行反解，將解得的結(jié)果代入到式(17)中，若使得isum與i4之間的差值不超過某一閾值，則認為電流解算正確，該狀態(tài)系數(shù)可能為故障相的真實狀態(tài)。綜上，建立狀態(tài)反解的數(shù)學模型為

其中：mk*為可能的狀態(tài)系數(shù)；isum與i4之間差值的閾值取0.05 A。

當isum與i4之間差值大于2 A 時，認為此時電流解算不正確，功率變換器發(fā)生故障。此時，系統(tǒng)將采集到的電流的數(shù)字信號輸入到式(21)，得到功率變換器故障后，其所有可能的狀態(tài)系數(shù)。

以S2發(fā)生短路故障為例進行說明。圖8所示為isum和i4在S2短路瞬間的仿真波形，“×”表示故障時刻，故障后，當isum與i4之間差值大于2 A 時，記錄控制系數(shù)(m*1，m*2，m*3)為(1，1，0)，系統(tǒng)采集到i1，i2，i3和i4結(jié)果分別為9.438 3，6.287 0，7.023 6 A和3.886 1 A，將其代入到式(21)中，共得到4組狀態(tài)解(m11，m12，m13)～(m41，m42，m43)，分別為(2，-1，0)，(2，0，0)，(2，1，0)和(2，2，0)，仿真設置在t1，t2，t3和t4時分別將4種可能的狀態(tài)系數(shù)組合代入到式(17)進行解算，仿真結(jié)果表明，在控制系數(shù)保持(1，1，0)不變的區(qū)間內(nèi)，4種狀態(tài)解均可使isum隨i4變化。

圖8 S2短路前后isum和i4仿真波形Fig.8 isum and i4 at moment of S2 short

然而，狀態(tài)系數(shù)的反解結(jié)果與實際情況不符：仿真僅設置了S2發(fā)生短路故障，故障后的真實狀態(tài)應為(2，1，0)，應該僅有A 相的控制系數(shù)和狀態(tài)系數(shù)不一致，而反解結(jié)果中健康相也出現(xiàn)了2個系數(shù)不一致的現(xiàn)象。若系統(tǒng)對故障產(chǎn)生誤診斷，則必然影響電機中健康相的運行，導致故障蔓延。因此，必須對所有可能的狀態(tài)解進行合理取舍。本文通過大量仿真實驗發(fā)現(xiàn)，盡管某一種故障導致狀態(tài)解不唯一，但在所有可能的狀態(tài)解中，全部都包含了該故障導致的故障所在相的狀態(tài)系數(shù)的變化。例如，當S2短路，有4 種狀態(tài)解分別為(2，-1，0)，(2，0，0)，(2，1，0)和(2，2，0)，這4種組合中全部都包含了mk1=2，由于此時m*1=1，將二者代入到表2中即可判斷S2發(fā)生了短路。因此，狀態(tài)解的取舍原則為：若所有可能解中的某相系數(shù)均相同，則將其賦給狀態(tài)解mk，否則將該相的控制系數(shù)賦給mk。數(shù)學表達式為

表2 故障查找表Table 2 Faults lookup table

值得說明的是，為保證故障后解算電流的正確性，使開關管通斷狀態(tài)與其邏輯信號一致，系統(tǒng)將在定位故障器件后使其邏輯電平與實際通斷狀態(tài)保持一致。例如，在診斷S2短路后，控制其邏輯信號S*S2始終保持為高電平。

綜上所述，所提出的故障診斷方案的診斷流程如圖9所示。

圖9 故障診斷流程圖Fig.9 Flowchart of fault diagnosis

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺介紹

本文利用1 臺額定功率為550 W 的三相6/4 結(jié)構(gòu)的開關磁阻樣機對所提方案進行實驗驗證。圖10(a)所示為實驗裝置結(jié)構(gòu)框圖。電流采樣模塊由精度為±0.8%的電流傳感器LA-50P 和采樣芯片AD7006組成；為便于觀測，解算電流等輸出信號使用TLC5615 進行D/A 轉(zhuǎn)換；位置傳感器采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C；控制系統(tǒng)以TMS320F28335 為核心并輔以必要的高速邏輯電路，外加驅(qū)動電路，以實現(xiàn)基于CCC 的模糊PI 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和故障診斷功能；ASB 式功率變換器中的主開關采用FQA160N08 型MOSFET，并通過外部繼電器控制各開關管的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)故障模擬。

控制系統(tǒng)框圖如圖10(b)所示，為避免電流解算中開關信號既作為閉環(huán)系統(tǒng)的輸出，又作為輸入，導致解算不準確，系統(tǒng)使用延遲環(huán)節(jié)將電流延遲1 個采樣周期，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。以電機定、轉(zhuǎn)子不對齊位置的中點為各相轉(zhuǎn)子位置的參考零點，并設定電機開通角θon=0°，關斷角θoff=27°，給定參考轉(zhuǎn)速ωref=1000 r/min，負載轉(zhuǎn)矩Tload=2 N·m。

在所提出的診斷方案下，故障器件的邏輯電平將始終與其實際通斷狀態(tài)保持一致，即在故障后將始終保持為高電平或低電平。因此，通過觀測各開關管的邏輯電平，即可直觀獲取功率變換器的故障信息。

圖10 實驗系統(tǒng)框圖Fig.10 Experimental system block diagram

3.2 系統(tǒng)誤差的處理

實驗中發(fā)現(xiàn)，實驗的隨機誤差主要由各芯片的計量誤差、編碼器誤差和電流傳感器誤差產(chǎn)生，其值隨機分布且無法被消除，但總體上不影響實驗結(jié)果。但實驗系統(tǒng)誤差不可被忽略，若不對系統(tǒng)誤差進行處理，繞組電流的解算結(jié)果如圖11(a)所示，電流在開關管狀態(tài)切換瞬間出現(xiàn)較大毛刺，影響診斷結(jié)果。由文獻[20]可知：ik≈ik+1，ik為第k個采樣點的電流。若開關管驅(qū)動信號在(k+1)時刻的電流與k時刻的電流不同，而2個時刻下的電流采樣值相同，則由式(17)解得的電流必然發(fā)生跳變，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。若消除此系統(tǒng)誤差，需在DA轉(zhuǎn)換之前對電流解算值進行處理，以A 相為例，方法如下：若 |iask+1-iask|≥1A，則令ias(k+1)=iask，否則不進行處理。處理后，繞組電流的解算值和真實值如圖11(b)所示，由圖11可知二者基本吻合，證明了系統(tǒng)誤差處理方法的有效性。

圖11 繞組電流解算值和真實值對比結(jié)果Fig.11 Comparison of calculated value and actual value of winding current

3.3 無故障運行實驗

圖12所示為功率變換器在無故障狀態(tài)下的相電流解算實驗波形，其中ias，ibs和ics分別為相電流解算值，isum為三者之和；i4為電流傳感器LEM4輸出值；ierr為isum與i4的差值絕對值。圖12(a)所示為電流解算結(jié)果，證明了電流檢測方案的正確性。圖12(b)中，ierr的最大值為0.21 A，遠小于故障閾值2.0 A，證明了在實驗系統(tǒng)中，解算得出的相電流不僅可用于電機的反饋控制，亦可用于所提出的功率變換器故障診斷方案中。

圖12 正常工作狀態(tài)實驗波形Fig.12 Normal working state experiment waveforms

3.4 單管故障實驗

圖13所示為開關管S1發(fā)生開路故障前后實驗波形，m*1，m*2和m*3為控制系數(shù)，為開關管Sk的控制信號。由圖13可知：在未發(fā)生故障時，isum與i4基本吻合，ierr接近0，故障診斷程序未被觸發(fā)啟動。此時圖13中的控制系數(shù)按各相導通順序在0和1之間規(guī)律變化。S1開路后，isum逐漸偏離i4，導致ierr逐漸增大。當ierr越過設定的閾值2 A 并持續(xù)幾個采樣周期后，m*1由0 跳變?yōu)?，m*2和m*3均未變化，由高電平轉(zhuǎn)為恒低電平，系統(tǒng)指示S1發(fā)生開路故障。由于始終為低電平，控制系數(shù)m*1在故障后僅在1和2之間變化，實驗結(jié)果表明：大于2 A閾值的ierr觸發(fā)了診斷程序啟動，系統(tǒng)將該時刻采集到的電流傳感器輸出值i1～i4輸入到式(21)中，再將式(21)解出的所有可能的狀態(tài)系數(shù)組合以及控制系數(shù)m*1，m*2和m*3輸入至取舍規(guī)則式(22)中，得出最終的功率變換器狀態(tài)為(2，1，1)。最后，將解出的狀態(tài)系數(shù)與該時刻的控制系數(shù)(0，1，1)輸入到表2中，可判斷S1發(fā)生開路故障，因此將保持為低電平。

圖13 S1開路故障實驗波形Fig.13 S1 open fault experiment waveforms

圖14所示為S4發(fā)生短路故障后的系統(tǒng)診斷結(jié)果。由圖14可知：在B 相關斷區(qū)間內(nèi)，由于S4實際通斷狀態(tài)與其邏輯信號不一致，導致電流解算錯誤，isum從S*S4下降沿時刻開始偏離i4。ierr上升并越過2 A閾值后，故障診斷程序被觸發(fā)。此時功率變換器的控制系數(shù)為(1，1，1)，診斷程序輸出的狀態(tài)系數(shù)為(1，2，1)，查表2可判斷該故障為S4短路。由圖14還可知：系統(tǒng)在S4短路后控制S4的邏輯信號S*S4恒為高電平，m*2在故障后變?yōu)樵?和2之間轉(zhuǎn)換，指示S4發(fā)生短路，實驗結(jié)果與理論分析一致。同時，實驗結(jié)果表明：S4在導通時發(fā)生短路后，m*2和m2在B 相導通區(qū)間內(nèi)仍是一致的，因此，ierr在故障瞬間并不會上升。而在B 相關斷區(qū)間，m*2為0，m2為1，使得ierr上升，出現(xiàn)故障特征。

圖14 S4短路故障實驗波形Fig.14 S4 short fault experiment waveform

3.5 混合故障實驗

當某開關管發(fā)生短路故障后，繞組在電感下降區(qū)內(nèi)的正向旋轉(zhuǎn)電動勢的作用下產(chǎn)生過電流，此時，同相的另一開關管易被誘發(fā)短路故障。在S4已經(jīng)短路的基礎上，S3也發(fā)生短路故障時的實驗波形如圖15所示。S4短路且被系統(tǒng)定位故障后，isum依然可以跟隨i4變化，ierr不超過觸發(fā)診斷閾值且m*2非0 即2，表示在故障后恒為高電平，保證了控制系數(shù)和狀態(tài)系數(shù)的一致。S3短路后，ierr迅速上升且觸發(fā)診斷程序啟動，此時的功率變換器的控制系數(shù)為(0，2，1)，診斷程序輸出的狀態(tài)系數(shù)為(0，0，1)，由表2可判斷該故障為S3短路，此時系統(tǒng)控制S*S3輸出保持為高電平。由于B 相在雙管短路狀態(tài)下僅有ST1狀態(tài)，因此m*2始終為0。

圖16所示為在S4發(fā)生短路故障之后，S1和S2同時發(fā)生開路故障前后的實驗波形。S4短路后，圖16(b)中控制系數(shù)m*2非0 即2，圖16中isum可隨i4變化，表示此時的恒為高電平，系統(tǒng)已準確診斷出S4的短路故障。當S1和S2在S4短路之后同時發(fā)生開路故障，isum出現(xiàn)尖峰，使得ierr迅速上升，越過2 A 的預設閾值，幾個電流采樣周期后，isum繼續(xù)跟隨i4，ierr迅速下降并接近于0，同時邏輯信號和輸出恒為低電平，表示系統(tǒng)診斷開關管S1和S2同時發(fā)生開路故障。實驗結(jié)果表明，當ierr超過2 A時，故障診斷程序被觸發(fā)，程序?qū)⒐收蠒r刻的電流傳感器采樣值代入式(21)中，反解得到所有可能的狀態(tài)，再利用式(22)得到真實的狀態(tài)解(1，2，1)，再將狀態(tài)解和故障時刻的控制系數(shù)(0，2，1)輸入到表2中得到S1和S2均開路的診斷結(jié)果，同時控制和恒為低電平，以保證電流解算的正確性，實驗結(jié)果和理論分析一致。

圖15 S4和S3先后短路故障實驗波形Fig.15 Experimental waveforms of S4 and S3 successive short-circuit faults

圖16 S4，S1和S2混合故障實驗波形Fig.16 Mixed fault experiment waveforms of S4,S1 and S2

4 結(jié)論

1)實驗的隨機誤差主要由電流傳感器和編碼器的測量誤差產(chǎn)生，但其未影響診斷準確性。

2)在對電流解算過程中的系統(tǒng)誤差進行處理后，電流解算值和真實值基本相同，可用于SRM調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制。

2)通過對比狀態(tài)反解得到的狀態(tài)系數(shù)和故障時刻的控制系數(shù)，方案對不同類型的單管故障、多管混合故障均具有診斷能力，診斷范圍寬。

3)通過觀測各開關管的邏輯信號即可直接判斷故障類型，故障特征明顯。