四相开关磁阻电机功率变换器故障检测技术
2014-06-22孙鹤旭
肖 丽 孙鹤旭 董 砚 郑 易 高 峰
（河北工业大学控制科学与工程学院 天津 300130）
1 引言
开关磁阻电机由于其结构简单及独立的相间控制，具备较高的可靠性，与其他电机相比具备一定的容错性能[1,2]。但电机长期故障运行，必将对整个系统造成严重危害，因此，对开关磁阻电机故障检测的研究具有十分重要的意义。功率变换器作为开关磁阻电机驱动系统（SRD）关键部分，是开关磁阻电机可靠运行的重要保障[3]。由于功率变换器的器件长期进行高频工作，会出现严重发热、受损等现象，较容易出现开路或短路故障，是SRD系统中较为薄弱的环节之一[4]。
文献[5]已将SRD功率变换器、供电电流、位置检测器存在的故障进行详细总结分类。文献[6]分析了 SRM 本体及其驱动系统短路、开路等故障对电机运行性能的影响，对电机正常运行及故障运行情况下电流、转矩性能进行对比。以上文献都对功率变换器的故障做出了定性分析，但均未提出可靠有效的故障检测方案。
功率变换器短路故障往往造成相电流幅值过大，但在某些特殊运行条件下（如负载或低速运行），故障相电流可能不会出现较大的幅值[7]，因此，这将对该类故障检测及故障元件识别造成影响。所以，对该功率管短路故障的及时检测与容错控制方案的研究尤为重要。由于功率故障开路故障直接造成电机故障相工作停止，该相绕组呈退磁状态，其相电流变为零。由相电流波形的明显变化，极易判断该类故障的发生，因此该类故障的检测往往被忽视。但该相桥臂两个功率管中任一个元件发生开路故障，其相电流波形变化完全相同，因此，无法识别出发生开路故障的元件。文献[8]通过分析电压传感器采集的信号识别出三相 SRM 开路故障元件，但每相中至少需要一个传感器，这无疑增加了驱动系统的成本、需求空间及复杂性。文献[7]基于傅里叶变换讨论了功率变换器故障后相电流频谱的变化规律，以“谱比系数”作为故障特征量，提出三相SRM功率变换器故障检测方案，并针对功率管短路故障提出变角度的容错控制方案。该检测方法仅实现了故障类型的判断，没有定位出故障元件。文献[9]基于电压脉宽调制单管控制策略，提出一种基于直流母线电流和续流总线电流数字化信号的三相 SRM变换器故障在线诊断方案。该检测法虽减少了传感器数量实现了故障类型判断及故障元件定位，但其法仅针对电压 PWM斩单管控制方式，并不适合于电机高速运行时角度位置控制方式。
可见，现有的国内、外文献对 SRM 功率变换器的故障检测与容错控制方案缺乏深入有效的研究。本文以四相不对称半桥型功率变换器为研究对象，根据电机处于正常状态、开路与短路故障情况下直流母线电流的差值，判定是否发生故障及故障类型，再将上述差值的绝对值与各相电流作比较，根据比较结果判定故障相，并结合故障时刻该相两功率管通断状态定位出故障元件。该检测方法减少了电流传感器的使用数量，可快速准确地实现故障检测。
2 功率变换器故障模式分析
本文以四相不对称半桥型功率变换器为研究对象，其主电路结构如图1所示。电机每相绕组由两个功率管和两个二极管相连，每相绕组的电压在三态电平间的独立变化。电机单相导通时，当两个开关管都处于导通状态时，绕组间压降为+Us。当一个开关管导通，另一个处于断开状态时，相电流回流到二极管，储存在磁场中的能量转化为机械能，供电电源与绕组间无电流流通。当两个开关管都处于断开状态时，储存在磁场中的能量部分返回到电源，部分转化为机械能。此时，导通相的电流值为负。
图1 四相SRM功率变换器Fig.1 Power converter for four phase SRM
表1给出了电机正常运行与故障运行时相电流变化的对比。该表总结了相绕组的上、下开关管处于不同通断状态下，不同元件发生开路、短路故障时，该相电流的变化。其中，QU为上方功率开关管，QL为下方功率开关管。从表中可看出，一些情况可以通过上下功率开关管的通断状态和相电流这两个特征量，诊断出故障类型并定位出故障元件，例如情况②、⑤中的开路故障，情况③、④中的短路故障见表 1。但一些情况无法确定故障类型及故障元件，因此，对于上述无法确定的情况，本文需引入新的特征量进行故障检测。
表1 电机正常与故障运行时的相电流对比Tab.1 Comparison phase currents under motor normal and fault operation
3 故障检测技术
3.1 故障检测特征量
为准确检测出表1中无法确定的故障类型及故障元件，本文对采集的信号数据作如下处理：首先，通过驱动控制器中各功率开关通断状态的信息及各相电流值，估算出电机正常运行直流母线电流幅值（记作iedc），表1所示一个桥臂上下两个功率开关处于不同通断状态下的正常电流值。正常运行时估算出的电机直流母线电流 iedc将与实际测量的直流母线电流值idc作对比。如果上述两值出现差值，则说明故障发生。由于仿真实验处于理想运行状态，而电机实际运行中测量信号往往容易受到传感器等附加元件的影响，测量值与估算值存在差异。因此，为了避免检测出现错误，本文引入特征量g衡量iedc与idc的差值进行故障发生的诊断，如式（1）所示。
式中，选取的边界值k的最小值需大于idc-iedc的绝对值，其最大值要小于参考相电流。
通过实验已证明，随着参考相电流的增加，idc-iedc的幅值也增加；不同负载运行时，idc-iedc的幅值也随之变化。因此，边界值k并非一个常数，而是一个参考相电流Iref的函数，如式（2）所示。其中，函数中的系数是经过多次空载和变负载实验而确定的。
当特征量 g=-1时，也就是 idc-iedc为负值，idc
由此，本文引出第二个特征量Pn来判断故障类型及故障相，表达式如式（4）所示，具体计算过程如图2所示。当Pn为1时，电机第n相发生故障。但在某些情况下，会出现多个Pn为1，所以只有仅存在一个Pn为1时，才能确定故障发生。
图2 特征量计算流程Fig.2 Calculation process of feature quantities
3.2 故障检测流程
该检测方法首先通过特征量g判断功率变换器是否存在开路或短路故障，再通过特征量Pn识别出现故障的电机相，同时根据该相绕组的上下两个功率管的通断状态对故障元件进行定位。特征量的状态与故障类型、故障元件对应关系见表 2。从表 2中可知，根据特征量 g、Pn、∑Pn及开关管通断状态，情况I、II、V、VI能够被准确检测。而情况III、IV虽可检测出故障类型及故障相，但无法定位出故障元件。
表2 特征量状态与故障类型、故障元件对应关系Tab.2 Status of features correspond to fault types and fault elements
针对上述无法定位故障元件的情况Ⅲ、Ⅳ，该检测方法还需附加另一步骤。假设前述检测结果为情况Ⅲ，在较小的时间间隔内，闭合故障相的上功率管 QUn，保持其下功率管 QLn断开，重复前述检测步骤，相当于将情况Ⅲ转换为情况Ⅰ。若 g=1，Pn=1，∑Pn=1，则可判断出发生短路故障的元件为QLn；若g=0，Pn=0，∑Pn=0，则可判断出发生短路故障的元件为 QUn。假设前述检测结果为Ⅳ，在较小的时间内，保持故障相的上功率开关QUn处于闭合状态，断开其下功率开关 QLn，相当于将情况Ⅳ转换为情况Ⅴ。若g=-1，Pn=1，∑Pn=1，则可判断发生开路故障的元件为QUn；若g=0，Pn=0，∑Pn=0，则可判断出发生开路故障的元件为 QUn。整个检测过程如图3所示，上述检测过程中的特征量状态与故障类型、故障元件对应关系见表3。
图3 故障检测流程图Fig.3 Flow chart of fault detection
表3 特征量状态与故障类型、故障元件对应关系Tab.3 Status of features correspond to fault types and fault elements
4 故障检测技术的仿真分析及实验结果
本文以一台1.5kW的四相8/6极SRM为样机，通过实际测量和计算得到电机特性(Ψ(θ，i))及(T(θ，i))，并在Matlab/Simulink环境中，基于上述电磁和转矩特性建立 SRM 仿真模型。利用Simulink电力系统模块软件工具箱及逻辑控制信号模拟其不对称半桥型功率变换器功率管的开路及短路故障。
4.1 功率管开路故障仿真研究
图4为电机转速为2200r/min，功率管开路故障检测仿真结果。0.42s时，A相桥臂下方开关管QLa突然开路。如图4a所示，电流波形依次为A-B-C-D，故障发生后，A相绕组不再励磁，其相电流将永远为零。此时，实际测量的直流母线电流与估算的直流母线电流之差为幅值较大的负值，即 idc-iedc<-k（本仿真实验中，k=1.5A），如图4b所示。根据式（1）可得，特征量 g=-1。同时 eA=0，eB≈14A，eC≈14A，eD=6A，如图4c所示。根据式（4）可得，PA=1，PB=0，PC=0，PD=0，且∑Pn=1。按照图3所示的检测流程，控制器检测出A相桥臂的功率开关器件发生开路故障。但由于 0.42s时，A相桥臂的上、下两功率管都处于闭合状态，从表2可知，属于情况Ⅳ，无法定位出故障元件，需进行下一步检测。控制器命令A相桥臂上的下方功率管QLa断开，上方功率开关管QUa保持闭合，继续进行检测。特征量 g=0，PA=0，∑Pn=0，属于情况Ⅹ，则可判定A相下方功率开关QLa发生开路故障。检测结束后，功率管回到原先状态，特征量g又变为-1，进一步验证了检测结果的正确性。
图4 转速为2 200r/min功率变换器A相桥臂下方功率管开路故障检测仿真结果Fig.4 Simulation results of open circuit fault occur in the lower power switch of phase A under 2 200r/min
图5为电机转速为500r/min，功率管开路故障检测仿真结果。0.126s时，A相上方开关管 QUa突发开路故障。如图5a所示，故障后，由于存在续流回路，A相电流经过 0.01s后变为零，其余相继续励磁。图5b中 Idc与 Iedc的电流差值也在故障后出现幅值较大的负值，由于(idc-iedc)<-k(k仍为1.5A)，特征值g=-1，可判断发生开路故障。0.126s时变量eA=0A，eB=eC=eD=18A，由式（4）可知，PA=1，PB=PC=PD=0，且∑Pn=1，判定出 A 相桥臂发生开关故障，并根据该时刻功率管通断状态（即 QUa为On，QLa为Off），属于表 3中情况Ⅴ，无需进一步检测，由此定位出A相上方功率管发生开路故障，检测结果与仿真预设故障情况相符。
图5 转速为500r/min功率变换器A相桥臂上方功率管开路故障检测仿真结果Fig.5 Simulation results of open circuit fault occur in the upper power switch of phase A under 500r/min
4.2 功率管短路故障仿真研究
图6为电机转速500r/min时，检测功率开关管短路故障的仿真结果，设置0.126s时，A相桥臂上方开关管 QUa突然短路。A相绕组导通间隔内，其上方功率管 QUa一直处于闭合状态，下方的功率管QLa连续不断的闭合打开，以便调节相电流幅值。短路故障的发生相当于A相桥臂上方的功率管QUa始终处于闭合状态。因此，只有达到关断角之后，才可进行故障检测。转子达到关断角之后，功率开关管 QUa和 QLa都处于断开状态，此时，检测到实际测量的直流母线电流与估算的直流母线电流之差为幅值较大的正值，即(idc-iedc)>k，如图6b所示。根据式（1）可得，特征量 g=1。同时 eA=0，eB=eC=eD=18A，如图6c所示。根据式（4）可得，PA=1，PB=0，PC=0，PD=0，且∑Pn=1。根据上述特征量值，可判断出A相桥臂的功率开关管发生短路故障。但此时，A相桥臂的上、下两功率管都处于断开状态，属于表2中的Ⅲ情况，无法定位出发生短路故障的元件。控制器命令上方功率管QUa闭合，下方功率管 QLa断开，重复检测步骤。检测结果显示特征量 g=0，PA=0，∑Pn=0，属于情况Ⅶ，则可定位出A相上方功率管QUa发生开路故障。
图6 转速为500r/min功率变换器A相桥臂上方功率管短路故障检测仿真结果Fig.6 Simulation results of short circuit fault occur in the upper power switch of phase A under 500r/min
图7为电机转速2 200r/min时，开关管短路故障检测仿真结果，设置0.42s电机A相上方开关管突然短路。A相绕组励磁期间，由于其上方功率管一直处于闭合状态，所以在未达到关断角之前，不能定位出短路故障元件。转子达到关断角之后，为减小续流时间，A相桥臂上、下开关管应同时关断，则该时刻短路故障对输出电流将造成影响。图7a为故障前后电流波形变化情况，图7b中(idc-iedc)>k，图7c中 eA=0，eB=eC=eD=20.5A。根据式（1）和式（4），可得 g=1，PA=1，PB=0，PC=0，PD=0，且∑Pn=1，可判断出A相绕组发生短路故障，但此时达到关断角之后，A相桥臂上的两个功率管都处于断开状态，属于表2中情况Ⅲ，仍无法定位出故障元件，需进行下一步检测。控制器命令A相桥臂上方功率管 QUa闭合，则此时两功率管正确的通断状态 QUa为 On，QLa为 Off，继续进行检测。特征量g=0，PA=0，∑Pn=0，属于情况Ⅷ，则可判定 A相上方功率管 QUa发生短路故障。检测结束后，功率管回到原先状态（即QUa为Off，QLa为Off），特征量g又变为1，进一步验证了检测结果的正确性。
图7 转速为2 200r/min功率变换器A相桥臂上方功率管短路故障检测仿真结果Fig.7 Simulation results of short circuit fault occur in the upper power switch of phase A under 2 200r/min
4.3 功率管开路故障实验研究
本文选取TMS320LF2407DSP为核心的数字控制器，与CPLD等机构共同构成硬件电路。功率变换器采用不对称半桥结构，其主功率管选取日本富士公司生产的EXB841快速型IGBT专用驱动模块。通过外部继电器人为控制功率管驱动信号模拟其开路及短路故障。故障出现后，控制器立刻由检测程序输出故障元件及故障类型。
图8为电机转速为2 200r/min时，A相桥臂下方功率管发生开路故障前后，各相电流及直流母线电流变化的实测波形。从图8a中可看出，故障后，电机A相电流发生异常，此刻(idc-iedc)<-k，eA≈0，eB=6.5A，eC=6.5A，eD=16A，分别如图6b和图6c所示。经检测程序诊断，输出特征量g=-1、PA=1、PB=0、PC=0、PD=0、∑Pn=1，属于情况Ⅳ。根据检测流程继续实验，输出故障元件为 QLa，故障类型为开路，实验检测结果与仿真检测结果及预置故障相符。
图8 转速2 200r/min时功率管开路故障实验结果Fig.8 Experimental results of open circuit occur in power switch under 2 200r/min
图9为电机转速为500r/min时，A相上方功率管 QUa突发开路故障，各相电流、直流母线电流变化及检测变量en的实测波形。故障发生后，电机A相电流发生异常，idc-iedc<-k，eA≈0，eB=eC=eD≈18A，分别如图9b和图9c所示。经检测程序诊断，输出特征量 g=-1、PA=1、PB=PC=PD=0、∑Pn=1，此时两功率管通断状态分别为On和Off，属于表2中的情况Ⅴ，输出故障元件为 QUa，故障类型为开路，实验检测结果与仿真检测结果相符。
图9 转速500r/min时功率管开路故障实验结果Fig.9 Experimental results of open circuit occur in power switch under 500r/min
4.4 功率管短路故障实验研究
图10为电机转速为500r/min时，A相桥臂上方功率管发生开路故障前后，各相电流及直流母线电流变化的实测波形。从图10a中可看出，故障后电机A相电流幅值明显增大，此刻idc-iedc的幅值远远大于参考变量 k值，eA≈0，eB=eC=eD≈12A，分别如图10b和图10c所示。经检测程序诊断，输出特征量 g=1、PA=1、PB=0、PC=0、PD=0、∑Pn=1，属于情况Ⅲ。根据检测流程图3继续检测实验，输出故障元件为QUa，故障类型为短路。
图10 转速500r/min功率管短路故障实验结果Fig.10 Experimental results of short circuit occur in power switchunder 500r/min
图11为电机转速为2 200r/min时，A相桥臂上方功率管发生开路故障前后，各相电流、直流母线电流变化及检测变量en实测波形，其中故障后电机A相电流幅值明显增大，idc-iedc>k，eA≈0，eB=eC=eD≈21A，分别如图1b和图1c所示。经检测程序诊断，输出特征量 g=1、PA=1、PB=0、PC=0、PD=0、∑Pn=1，属于情况Ⅲ。根据检测流程图3继续检测实验，输出故障元件为 QUa，故障类型为短路。实验检测结果与仿真检测结果及预设故障元件相符。
图11 转速2 200r/min功率管短路故障实验结果Fig.11 Experimental results of short circuit occur in power switch under 2 200r/min
5 结论
本文以四相8/6极SRM为样机，以不对称半桥结构功率变换器为研究对象，通过分析电机故障运行实测直流母线电流与正常运行估算的直流母线电流值，发现电机处于正常状态、开路与短路故障情况下两者间的差值不同，得到三态故障特征量g来判定是否发生故障及故障类型，再将上述差值的绝对值与各相电流作比较，得到故障特征量Pn、∑Pn判定出故障相，并结合故障时刻该相两功率管通断状态定位出故障元件。仿真与实验结果表明，该检测方法在相电流波形发生明显变化前可快速准确地判定出故障相及故障类型，并及时定位出故障元件，实现了故障诊断及定位的综合检测。
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