基于中点电压信号分析的逆变器功率管开路故障诊断研究

郭立炜，周昇龙，安国庆，王雪娇

（1.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；3.中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山 063000）

基于中点电压信号分析的逆变器功率管开路故障诊断研究

郭立炜1，周昇龙2，安国庆2，王雪娇3

（1.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；3.中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山 063000）

利用电流信号作为逆变器故障信息的诊断方法易受到负载、噪声等因素的影响，且诊断周期长、通常需要一定的软件算法、空载或轻载时易出现误诊断。针对该问题，提出对桥臂中点电压信号与脉冲信号进行相关逻辑分析的方法，从而实现逆变器功率管开路故障的诊断，给出了功率管开路故障输出信号的逻辑表达式，以及相关硬件电路设计方法。对逆变器功率管触发脉冲信号的上升沿进行延时，可有效地避免因功率管开通和关断延迟造成的误诊断。实验结果表明该方法能有效地诊断逆变器单相单功率管的开路故障，诊断实时性强，硬件电路开销小，方法有效可行。

电机学；直流无刷电机；逆变器；功率管开路

直流无刷电机系统发生故障的部位主要集中在电机本体、电子换向器、控制器以及位置传感器等部位。据相关统计，功率变换器故障占整个驱动系统故障的82.5%［1］，因此，有效防止逆变器故障是提高直流无刷电机系统运行安全性、可靠性的根本。

电机驱动系统中的电流和电压承载着逆变器的故障信息，经过一系列理论分析与实验考证，电流诊断方法可直接利用系统中的电流传感器，无需额外硬件，但其检测周期通常在一个基波周期之上，并且容易受到噪声、负载等因素的影响，且在空载或轻载情况下容易出现误诊断。这是因为在闭环系统中，控制器的修正作用使得电流诊断方法明显地局限在开环控制系统中［2］。电压信号的逆变器功率管开路故障诊断方法能有效地缩短诊断时间并且在一定程度上避免电流的畸形对诊断结果的影响［3］。针对逆变器开路故障，文献［4］提出了基于逆变器电压模型的诊断方法开路故障时逆变器功率管的相电压、线电压或中性点电压将与正常工况下的电压有所不同，通过这些电压的差别均可对逆变器进行故障诊断，但由于功率管的开关时间与死区时间的影响以及电机系统中噪声的影响将有可能出现误诊断，同时诊断时间也比较长。文献［5］利用调制后的相电压与预设定的阈值电压相比较，对比较输出后的结果进行积分运算，积分输出后再经过另一个阈值比较器得到故障诊断的结果，这种方法有效地避免了误差与噪声对测量结果的影响，同时也在一定程度上缩短了诊断时间。文献［6］采用双重标准，即电压标准与时间标准，其中电压标准的实现应用到了文献［5］中的电压阈值比较器，同理运用相关的计数器即可实现时间标准的判定，利用阈值比较器使计数器清零或者禁止，当计数值超过设定的某一数值时即可认为功率管发生了开路故障。

但以上方法的共同问题在于只能确定出现开路故障的桥臂，并不能定位到具体的开关器件。针对以上情况，现利用故障状态下功率器件承受的电压信号的变化，将桥臂中点电压和脉冲信号进行逻辑运算来锁定故障器件位置。

1 系统建模

逆变器与直流无刷电机的等效电路图如图1所示。

图1 逆变器与直流无刷电机的等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of inverter and brushless DC motor

直流侧电压为udc，电机可以等效为电阻、电感和反电势串联，因此直流无刷电机数学模型可由式（1）来描述：

式中：uUN，uVN，uWN为三相电压（V）；iU，iV，iW为三相绕组电流（A）；eU，eV，eW为三相反电势（V）；R为绕组电阻（Ω）；L为定子电感（H）；

绕组中性点N对母线地G点的电压为uNG，根据电路的拓扑约束和基尔霍夫定律，有：

因为有：iU＋iV＋iW＝0，且假设三相的反电势平衡，即eU＋eV＋eW＝0，则可得uUN＋uVN＋uWN＝0。绕组中性点N对母线地G点的电压为uNG：

经过以上公式的整理可得负载各相的相电压分别为

2 逆变器功率管开路诊断原理

图2为电压源逆变器常用的桥式拓扑电路。

图2 逆变器桥式拓扑图Fig.2 Inverter bridge topology

功率管的开关状态由触发脉冲信号来描述，U，V，W桥臂的脉冲信号分别为ugU，ugV，ugW，由于同一个桥臂上、下2个功率管的开关状态是互补的，因此当桥臂脉冲信号为1时，就表示桥臂的上管开通下管关断；当桥臂的触发脉冲信号为0时，就表示此时桥臂的上管关断下管开通［7］。在此假设逆变器功率管是理想情况下的开关器件并且不考虑功率管的开关死区，正常工作时U，V，W相的下管电压与触发脉冲信号ugU，ugV，ugW之间的关系可以表示为

逆变器功率管的开路故障是其最常见的故障模式，当逆变器某一桥上的功率管发生开路故障时，式（5）将不能用来描述功率管承受的正向电压。因此，通过检测逆变器功率管实际承受的电压与式（5）理论分析得出的电压是否一致，即可判断逆变器功率管是否发生了故障。

3 基于中点电压信号分析的诊断方法

3.1 功率管电压信号分析

根据逆变器的模型，逆变器功率管承受的电压可以由式（6）来描述。

当逆变器某一桥臂上的功率管发生开路故障且与该功率管并联的二极管没有续流时，式（6）就不能描述此时该器件的电压，因此，通过监测功率管实际情况下承受的电压即可判断该器件是否发生了开路故障。

以U相为例，逆变器工作在正常情况下，上管脉冲信号ug1为1时上管电压uV1为0，上管脉冲信号ug1为0时上管电压uV1为udc，上、下两管的脉冲信号互补，因此上、下管的电压信号也是互补的，即U相上、下两管不能同时导通［8］。当功率管V1发生开路故障时将有以下两种情况：一是故障发生在上管脉冲信号ug1为0时，上管ug1脉冲信号为0，此时无论是正常还是开路故障，功率管V1的电压都显示为udc，但是当脉冲信号从0变为1时，这时上管电压信号应为0，但是由于功率管V1发生了开路故障，此时U相上管仍为udc，而正常工况下此时的U相上管电压应为0；二是故障发生在上管脉冲信号ug1为1时，此时根据上述分析U相上管功率管V1电压为0，但由于功率管V1发生开路故障，V1承受的电压应仍为udc。同理U相下管功率管V2发生故障后也有以上两种情况，其诊断原理与上管诊断原理一致。

3.2 故障信号逻辑运算分析

以U相桥臂为例，正常模式、V1开路故障和V2开路故障3种状态下，器件正向电压所示为逆变器的器件电压时序图如图3和图4所示。

图3 正常模式下逆变器功率管的电压时序图Fig.3 Voltage sequence diagram of inverter switch running normal model

图4 V1和V2开路故障逆变器功率管的电压时序图Fig.4 Voltage sequence diagrams of inverter switch with V1and V2open circuit faulst

u′V1和u′V2分别为V1开路故障后功率管V1和V2的电压。正常模式与V1开路故障时的器件电压见表1。

表1 正常模式与V1开路故障时的器件电压Tab.1 Device voltage under normal model and V1open circuit fault

在脉冲信号ug1＝1，ug2＝0的情况下，即功率管V1的触发脉冲信号为高电压，但由于续流二极管的续流作用，此时电流不能通过功率管流入电机绕组，则功率管V1的电压为udc，而功率管V2的电压为0。这种情况下与正常状况相比，V1开路故障后的电压与正常工况下的电压不相等。同理，对于功率管V2的开路故障也会有相同的结果。逆变器的开路故障可以由输出信号准确快速地表示出来，开路故障的输出信号为功率管电压与其脉冲信号的逻辑与非运算关系，如式（7）表示。

4 硬件电路设计

按照以上分析，直流无刷电机逆变器中有6个功率管，如果要得到每个器件的电压信号，那么必须要具备6个相关的电压型传感器，这将使系统变得更加复杂，同时成本也会增加。因此为了缩短诊断时间，简化诊断电路，以下采用高速光耦间接采集桥臂中点电位。

U相中点电压故障诊断硬件电路如图5所示。

以U相为例，通过高速光耦采集了U相中点对地电压的脉冲序列，该信号按式（7）中的逻辑与U相两功率管的触发脉冲参与运算，得到了故障诊断信号。通过对以上故障信号的实时监测，可实现功率管开路故障诊断。

图5 电压采集与诊断电路Fig.5 Voltage acquisition and circuit diagnosis

5 仿真结果分析

对直流无刷电机逆变器一相单管开路进行故障诊断仿真。

图6为正常运行时逆变器U相的上管触发脉冲信号。

当逆变器工作在正常情况下，U相上管的脉冲信号为高时V1管导通，此时V1管电压为0；当脉冲信号为低时V1管关断，此时V1管电压为高电平，如图7所示。

由于逆变器正常运行时U相上管的脉冲信号与对应的功率管电压信号高、低电压互补，理论上分析应得U相上管电压信号与脉冲信号进行逻辑与非关系运算后结果应为1。然而由于功率管并不是理想的开关器件，其开通和关断过程存在延迟，即每当V1管电压为高电平结束后，其电压不会立即变为低电压，而是继续保持一段极短时间的高电压即在健康状态下功率管V1开通过程中出现窄脉冲，而此时触发脉冲信号也为高，在进行逻辑运算后，其运算结果不恒为1，导致误诊断的发生，如图8所示。

图6 逆变器正常运行时U相上管的脉冲信号Fig.6 U phase pulse signal when inverter running normal

图7 逆变器正常运行时U相上管的电压信号Fig.7 U phase voltage signal when inverter running normal

图8 V1管误诊断Fig.8 Diagnose faults of switch V1

为了消除误诊断，先将触发脉冲信号ug1进行一定时间的延时，而脉冲信号ug1和ug2的发生既要考虑到逆变器功率管的开通延时情况又要考虑到逆变器驱动信号的产生到功率管门极间隔离的延时情况［9］。因此需要对脉冲信号ug1和ug2的上升沿进行延时：

式中：t1，t2为脉冲信号ug1和ug2上升延时时间；ton，toff为IGBT开通和关断延时时间；tdelay为开关信号产生到IGBT栅极之间的信号延迟时间；tmin为开关信号最窄脉冲时间［10］。

由于功率管并不是理想的开关器件，当其脉冲信号为1且功率管处于断路故障时，其电压既不会为0也不会为1，而是出现一系列的振动现象［15－17］，因此测得的V1管开路故障时的电压信号如图10所示。

图9 V1管电压信号与脉冲信号的逻辑运算结果Fig.9 Boolean calculation results of switch V1voltage signal and pulse single

图10 V1管开路故障时的电压信号Fig.10 Voltage signal of switch V1with open circuit fault

图11 V1开路故障时电压信号与脉冲信号的逻辑运算结果Fig.11 Boolean calculation results of voltage signal and pulse signal with switch V1open circuit fault

经过对脉冲信号ug1和ug2的上升沿进行延时，将测得的V1管开路故障电压信号转化为逻辑电平后与脉冲信号进行逻辑运算，得到V1管开路故障时电压信号与触发脉冲信号的逻辑运算结果，如图11所示。

系统中采用高速光耦，诊断光耦处的二极管选用快恢复型［18］。从图11可以看出此时电压信号与脉冲信号经过逻辑运算后得到的为高、低电平相交替的方波波形，与正常运行状态下逻辑运算恒为1的波形有所不同，从而有效、快速地诊断出直流无刷电机逆变器一相单管的开路故障［19－21］。

6 结 论

实验结果符合以上的理论分析并且证明了基于中点电压信号分析方法的有效性和可行性，该方法具有如下优点：

1）通过对脉冲信号上升沿的延时，避免了因功率管开通、关断延迟而造成的在健康状态下误诊断情况的发生；

2）使用高速光耦间接测量每个逆变器桥臂中点的电压，将采集到的电压转化为逻辑电平，通过逻辑门的与非运算，能有效、快速地定位到具体功率管的故障；

3）省略了以往有关电压的测量和比较环节，利用脉冲信号与其对应的电压进行逻辑运算的方法诊断电路简洁且成本低；

4）有效克服了噪声影响并独立于负载，适用于开环和闭环系统中，诊断周期在一个周期之内。

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系统融典型机电一体化设备机械部件装调、电气控制电路装调、气动系统装调、PLC编程、触摸屏编程、工业机器人编程、数控机床编程、自动控制系统安装与调试于一体，涵盖了PLC技术、触摸屏技术、机械结构安装、驱动调速、气动控制、传感检测、系统调试等内容。同时从选材、造型及功能等多方面贴合工业生产实际，着重体现真实工业现场的技术应用。设备的各个模块可分别逐次运行，可以由浅入深，渐进全面地掌握各项自动控制技术。通过该实训系统的使用、训练和培训，帮助学习者更好地理解和掌握工业自动化生产线。

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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；责任编辑：陈书欣

河北省高等学校科学技术研究青年基金（QN2014205）；河北科技大学五大平台开放基金（TY34）

郭立炜（1956—），男，黑龙江克山人，教授，博士，主要从事电机故障诊断方面的研究。

E-mail：guoliwei＠hebust.edu.cn

郭立炜，周昇龙，安国庆，等.基于中点电压信号分析的逆变器功率管开路故障诊断研究［J］.河北科技大学学报，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.