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1、(10)申请公布号 CN 103701394 A(43)申请公布日 2014.04.02CN103701394A(21)申请号 201310743597.4(22)申请日 2013.12.30H02P 21/14(2006.01)(71)申请人哈尔滨工业大学地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号(72)发明人安群涛 孙力 孙立志 赵克段鸣航(74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109代理人张宏威(54) 发明名称一种基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法(57) 摘要一种基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法，属于电机控制领域，本发明为解决基于电流
2、量的逆变器功率管开路故障诊断技术的鲁棒性差的问题。本发明方法首先利用混杂系统理论建立永磁同步电机驱动系统在无故障状态下的电流观测器模型，然后将电流观测值与检测电流相比较，获得三相电流残差，将其利用坐标变换转换到两相坐标系下获得电流残差矢量，并对电流残差矢量标准化，最后根据标准化电流残差矢量的幅值和相位来诊断和定位逆变器功率管的开路故障。本发明公开的基于标准化电流残差矢量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法，不受系统闭环控制算法的影响，对负载不敏感，对参数误差、测量误差和系统扰动等具有较好的鲁棒性。(51)Int.Cl.权利要求书3页 说明书7页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12
3、)发明专利申请权利要求书3页 说明书7页 附图3页(10)申请公布号 CN 103701394 ACN 103701394 A1/3页21.一种基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法，该方法涉及的永磁同步电机驱动系统包括整流器（1）、直流滤波电容（2）、逆变器（3）、电流传感器（4）、永磁同步电机（5）、位置传感器（6）、控制器（7）和隔离与驱动电路（8）；逆变器（3）由功率管T1,T2,.,T6构成，A相桥臂由T1和T2构成，B相桥臂由T3和T4构成，C相桥臂由T5和T6构成，T1,T3和T5为上桥臂，T2,T4和T6为下桥臂；整流器（1）的直流输出端并联直流滤波电容（2），整流器（1
4、）的直流输出端还连接逆变器（3）的直流输入端，逆变器（3）的交流输出端连接永磁同步电机（5）；电流传感器（4）采集永磁同步电机（5）的三相电流信号iia,ib,ic输出给控制器（7），ia为A相检测电流，ib为B相检测电流，ic为C相检测电流；位置传感器（6）采集永磁同步电机（5）的位置信号输出给控制器（7）；控制器（7）输出开关信号S1,S2,.,S6通过隔离与驱动电路（8）加载给逆变器（3）中的六个功率管的驱动端；其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、采用混杂系统电流观测器来观测永磁同步电机（5）的电流信号，并获取电流观测值其中，为A相电流观测值，为B相电流观测值，为C相电流观测值；步骤
5、二、将电流观测值与电流传感器（4）采集的三相电流信号i进行比较，获取三相电流残差A相残差B相残差和C相残差按下述公式获取：步骤三、利用三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换将三相电流残差变换为其中为轴电流残差，为轴电流残差；步骤四、求取标准化的电流残差矢量其中：|r|为标准化电流残差矢量r的幅值，为标准化残差矢量相位；rrarbrc，ra为标准化A相电流残差，rb为标准化B相电流残差，rc为标准化C相电流残差；步骤五、将标准化电流残差矢量r的幅值|r|与设定的阈值Rth相比较，判断是否有功率管开路故障发生：当|r|Rth时，无故障，然后返回执行步骤一；当|r|Rth时，有故障，然后，执行步骤六；
6、这里阈值Rth通常选取为1；步骤六、根据表1定位发生开路故障的功率管：权 利 要 求 书CN 103701394 A2/3页3表1完成逆变器功率管开路故障的诊断。2.根据权利要求1所述一种基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法，其特征在于，步骤一中采用混杂系统电流观测器来观测永磁同步电机（5）的电流信号，并获取电流观测值的过程为：按模型对永磁同步电机（5）的电流信号进行观测，其中：为对时间的导数；开关信号ss1s3s5T为系统的离散输入向量；eeaebecT为永磁同步电机（5）的反电势向量；状态系数矩阵R和L分别为永磁同步电机（5）的绕组电阻和电感；连续输入系数矩阵权 利 要 求 书CN
7、 103701394 A3/3页4离散输入系数矩阵Vdc为由整流器（1）得到的直流母线电压；反电势向量e-rsinsin(-2/3)sin(+2/3)T，式中为永磁同步电机（5）的转子转速，r为永磁同步电机（5）的永磁磁链，为永磁同步电机（5）的转子位置角。3.根据权利要求1所述一种基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法，其特征在于，步骤三中轴电流残差轴电流残差按下述公式获取：权 利 要 求 书CN 103701394 A1/7页5一种基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法技术领域0001 本发明涉及一种基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法，属于电机控制领域。背景技术000
8、2 电压源逆变器供电的永磁同步电机驱动系统以其优越的性能和较高的效率在工业、电动汽车、军事、航天航空等领域得到了广泛应用。然而，由于电力电子器件及其驱动电路的脆弱性，使得逆变器成为系统中易发生故障的薄弱环节。逆变器发生故障后工作在非正常状态，将导致电机输出转矩降低和波动，影响系统性能，并增加其他器件的电压和电流应力，重则会使系统陷入崩溃，因此需要进行及时诊断。功率开关管的短路和开路是逆变器常见的故障，错误的驱动信号、辅助电源失效、器件过压击穿、雪崩击穿、热击穿等都会造成功率管的短路故障；造成功率管开路的原因主要有器件破裂、绑定线断裂或焊接脱落、驱动信号丢失或电路失效等。短路故障因存在时间极短（
9、通常在10s以内）而难以被诊断，因此短路故障的诊断和保护多采用基于硬件电路的设计，目前过压、过流、短路、过热和驱动电路欠压等检测和保护电路已被应用到逆变器中，这些常规保护电路在智能功率模块（IPM）中已成为一个标准，在一定程度上保障了逆变器的安全运行。然而，对于功率管的开路故障，却需要采取一定的技术手段提取系统的故障信息来实现诊断和定位。0003 逆变器应用的广泛性和脆弱性使得其故障诊断具有重要的意义，研究者提出了许多逆变器开路故障的诊断方法。0004 中国专利基于输出功率的三相逆变器IGBT开路故障的诊断方法，公开号为CN130278727A，公开日为2013年9月4日，公开了一种利用一个周
10、期内六个半波功率和设定阈值比较来诊断逆变器IGBT开路故障的方法，该方法能够检测并定位出任意一个或任意两个同时开路的IGBT功率管。0005 中国专利逆变器运行状态显示与故障在线诊断电路，公开号为CN101201391，公开日为2008年6月18日，公开了一种利用光电检测器件构成的三相桥式整流电路来实现逆变器运行状态的显示和在线诊断，优点是电路简单。0006 中国专利二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，公开号为CN102937688A，公开日为2013年2月20日，利用三个结构相同的开路故障诊断单元电路来检测三电平逆变器中的器件开路故障，具有诊断速度快的优点。0007 中国专利申
11、请逆变器功率管开路故障的在线检测装置及检测方法，申请号为201010135717.9，公开日为2010年9月22日，公开了一种采用光电耦合器间接检测功率管电压，结合逻辑电路和开关信号上升沿延时电路来实现功率管开路故障诊断的方法，诊断电路简单，诊断速度快。0008 中国专利一种无刷直流电机逆变器常见断路故障诊断方法，公开号为CN102998588A，公开日为2013年3月27日，通过检测本阶段电流，确定本阶段导通状态矩阵；然后根据本阶段电流检测信号，输出故障位信号；再求本阶段之前一个周期内导通矩说 明 书CN 103701394 A2/7页6阵的和矩阵Q，通过判断和矩阵Q中0元素的个数和位置来诊
12、断故障管的个数和位置。该方法适用于无刷直流电机驱动系统中逆变器开路故障的诊断。0009 在针对逆变器功率管开路故障诊断的专利和文献中，诊断方法大致可以分为两类：一类是基于系统电流量的诊断技术，这类方法利用系统原有的电流反馈量，不需要额外传感器，缺点是依赖于负载，易受系统闭环控制算法的影响，且对瞬态过程较为敏感，鲁棒性差；另外一类方法是基于系统电压量的诊断技术，这类方法独立于负载，鲁棒性好，诊断速度快，但需要额外的电压传感器，增加了系统的硬件成本和复杂度。发明内容0010 本发明目的是为了解决基于电流量的逆变器功率管开路故障诊断技术的鲁棒性差的问题，提供了一种基于电流量的逆变器功率管开路故障在线
13、诊断方法。0011 本发明所述基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法，该方法涉及的永磁同步电机驱动系统包括整流器、直流滤波电容、逆变器、电流传感器、永磁同步电机、位置传感器、控制器和隔离与驱动电路；0012 逆变器由功率管T1,T2,.,T6构成，A相桥臂由T1和T2构成，B相桥臂由T3和T4构成，C相桥臂由T5和T6构成，T1,T3和T5为上桥臂，T2,T4和T6为下桥臂；0013 整流器的直流输出端并联直流滤波电容，整流器的直流输出端还连接逆变器的直流输入端，逆变器的交流输出端连接永磁同步电机；0014 电流传感器采集永磁同步电机的三相电流信号iia,ib,ic输出给控制器，ia为A
14、相检测电流，ib为B相检测电流，ic为C相检测电流；0015 位置传感器采集永磁同步电机的位置信号输出给控制器；0016 控制器输出开关信号S1,S2,.,S6通过隔离与驱动电路加载给逆变器中的六个功率管的驱动端；0017 该方法包括以下步骤：0018 步骤一、采用混杂系统电流观测器来观测永磁同步电机的电流信号，并获取电流观测值其中，为A相电流观测值，为B相电流观测值，为C相电流观测值；0019 步骤二、将电流观测值与电流传感器采集的三相电流信号i进行比较，获取三相电流残差A相残差B相残差和C相残差按下述公式获取：0020 0021 步骤三、利用三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换将三相电流残
15、差变换为其中为轴电流残差，为轴电流残差；说 明 书CN 103701394 A3/7页70022 步骤四、求取标准化的电流残差矢量其中：|r|为标准化电流残差矢量r的幅值，为标准化残差矢量相位；0023 rrarbrc，ra为标准化A相电流残差，rb为标准化B相电流残差，rc为标准化C相电流残差；0024 步骤五、将标准化电流残差矢量r的幅值|r|与设定的阈值Rth相比较，判断是否有功率管开路故障发生：当|r|Rth时，无故障，然后返回执行步骤一；当|r|Rth时，有故障，然后，执行步骤六；这里阈值Rth通常选取为1；0025 步骤六、根据表1定位发生开路故障的功率管：0026 表10027
16、0028 完成逆变器功率管开路故障的诊断。0029 本发明的优点：本发明诊断方法独立于系统控制算法之外，因此不受系统闭环控制算法的影响；对电流残差矢量的标准化处理使得该诊断方法对负载不敏感；同时，由于采用阈值和扇区，该方法对参数误差、测量误差和系统扰动等具有较好的鲁棒性。附图说明0030 图1是本发明方法涉及的永磁同步电机驱动系统结构图；0031 图2是本发明所述基于电流量的逆变器功率管开路故障在线诊断方法的原理框图；0032 图3为本发明的功率管开路故障下标准化电流残差矢量的理想轨迹；说 明 书CN 103701394 A4/7页80033 图4为本发明的故障诊断和定位时的阈值设置和扇区分割图；0034 图
