基于電流斜率的SRM功率變換器故障診斷

王熔基，劉勇智，管振水

(1.空軍工程大學研究生院，西安，710051；2.空軍工程大學航空工程學院，西安，710038；3.93705部隊，河北遵化，064200)

開關磁阻電機(switched reluctance motor, SRM)以其結構簡單、適合高速運行和良好的容錯性能等優勢，在電/混動汽車、多/全電飛機以及家用電器等諸多領域得到了越來越廣泛的關注[1-3]。然而，由于電機長時間在高溫、高振動等惡劣環境下工作，驅動系統可能發生多種故障[4-5]。若不及時處理，部分故障會蔓延到其他健康器件使得系統無法工作。尤其對于安全關鍵系統，微小故障也會導致大量的人員、財產損失[6]。

在SRM系統中，功率變換器是為電機提供電能的中心樞紐，同時也是故障率最高、可靠性最薄弱的環節[7]。提高功率變換器的可靠性對于提升SRM系統容錯性能具有重要意義，而準確地識別故障類型以及對故障進行精準定位是進行容錯控制的首要條件[8]。因此，對SRM功率變換器進行在線故障診斷很有必要。

目前功率變換器的故障診斷方法較多，主要有頻譜分析[9-11]、小波包分析[12]、電流電壓分布[13-16]以及驅動信號輔助判別[17-19]等方法。目前，對于同相開關管發生開路故障的準確定位，一般認為故障相開路后該相停止工作，在線故障定位的意義不大，因此鮮有研究。但對于具有特殊容錯拓撲結構的功率變換器而言，如文獻[20]，準確的開路故障定位是進行在線容錯、重構拓撲結構的先決條件。對于安全關鍵系統，開路故障定位對系統及時更換故障器件、減少停機時間也很有意義。

1 ABS功率變換器及其工作模式

ASB功率變換器主電路的拓撲結構如圖1所示。每相橋臂由2個開關管和2個續流二極管組成，ASB結構保證了電機各相繞組可獨立工作而不相互影響。每相繞組有3種工作狀態：勵磁、續流及退磁，分別如圖2所示。

圖1 ASB功率變換器拓撲結構

圖2 A相工作狀態

如圖2所示，當兩開關管均閉合時，繞組受正向電源電壓作用，進入勵磁狀態；當S1斷開，S2閉合時，繞組經S2和D1構成零電壓續流回路，進入續流狀態；當雙管均關斷時，繞組承受反向電源電壓作用，相電流將迅速下降至抑制轉矩脈動，提高系統效率，各相均使用軟開關式斬波方式：以A相為例，導通區間內的S2在位置信號控制下保持開通，S1受斬波信號調制，以實現勵磁狀態和零電壓續流狀態的不斷切換?？梢妰砷_關管是各相狀態轉換、保證各相正常工作的核心部件，同時在高頻工作狀態下也極易發生損壞。

2 故障診斷方案

2.1 改進的電流傳感器檢測位置

準確的相電流檢測是系統進行反饋控制的必要條件。傳統的各相電流傳感器的檢測位置如圖3(a)所示。該檢測方案不利于故障特征的提取以及定位，尤其是對于開路故障的定位，上下開關管開路時所檢測到的故障電流完全相同。為了在保證不影響系統正常工作的前提下，進一步提取明顯的故障特征，改進檢測位置如圖3(b)所示。

圖3 電流傳感器檢測位置

圖中LEMA為A相電流傳感器，在新的檢測位置，通過改變電流傳感器中測量導線的繞線方向，使得A相電流檢測值iam為A相繞組電流ia和上續流二極管D2電流iD2之和，即：

iam=ia+iD2

(1)

開關管的邏輯信號定義為：

(2)

式中：SSk為開關管Sk的邏輯信號。則A相電流檢測值iam可以寫成：

iam=(2-SS2)iA

(3)

本文以實驗室550 W三相6/4極開關磁阻樣機為仿真對象，設定各相開通角θon=0°，關斷角θoff=29°，參考轉速nref=500 r/min，負載轉矩Tload=2 N·m，圖4為重新配置各相電流傳感器后，功率變換器在健康狀態下的仿真結果，其中n為電機的實時轉速，可知電機穩定后在參考轉速下運行，證明了電流傳感器配置方案的有效性。

圖4 電機正常工作仿真波形

圖4中的電流尖峰是在各相關斷瞬間，電流瞬間涌入上續流二極管，由式(5)可知，檢測電流iam瞬間變為2倍的ia所導致。在導通區間內，D2中無電流，iam和相ia相等，以iam作為系統的反饋電流可保證系統的正常運行。

2.2 開關管開路故障

改變傳感器檢測位置后，位置導通管S2在開通過程中發生開路故障的仿真波形如圖5所示，“×”表示仿真設置的故障發生時刻。S2開路瞬間，ia將立即在由S1和D2形成的回路中進行續流，電流涌入D2后導致iam提前跳變為2倍ia，斜率p的尖峰出現在導通區間內，iam在反向旋轉電動勢作用下緩慢下降。進入關斷區間后，在SS2下降沿時刻，由于D2中已有電流，iam不再發生瞬變，p在該時刻并不出現尖峰，故障特征明顯。

圖5 S2開路故障仿真波形

斬波管S1發生開路故障前后的仿真波形如圖6所示。

圖6 S1開路故障仿真波形

S1開路瞬間，ia將在由S2和D1形成的回路中進行續流，并不流經D2。因此導通區間內，iam和ia保持一致，不發生跳變，斜率p不產生尖峰。進入關斷區間后，在SS2下降沿時刻，ia流向D2，iam瞬間變為2倍ia，p出現尖峰，和正常狀態下相同。

為進一步提取故障特征，取變量λ1為：

(4)

式中：sgn()為符號函數；Pthreshold為電流斜率閾值。

圖觸發規則f1示意圖

2.3 開關管短路故障

圖8是S1短路前后的仿真波形。S1短路后，在導通區間內，S1和S2均處于導通狀態，ia不受斬波控制的限制，在US的直接作用下迅速上升，大于參考電流。SS1的下降沿時刻，ia流向D2，導致iam發生跳變，p出現尖峰。在關斷區間，S1和D2形成零電壓續流回路，繞組在電感下降區受旋轉電動勢作用，導致iam不斷上升。就斜率p的尖峰出現的時刻而言，S1短路和系統正常狀態下相同。

圖8 S1短路故障仿真波形

S2發生短路前后的仿真波形如圖9所示。

圖9 S2短路故障仿真波形

在導通區間內，S1仍受到斬波信號調制，相電流和健康狀態保持一致，無故障特征。關斷區間內，退磁通路將會被由D1和S2形成的續流回路所代替，無法實現快速退磁，且同樣受到正向的旋轉電動勢作用，導致iam上升。由于關斷區間內的零電壓續流回路由S2和D1組成，始終無電流流經D2，因此，SS2下降沿時刻的p不會像正常工作時發生跳變。

為進一步提取故障特征，取變量λ2為：

(5)

圖觸發規則f2示意圖

2.4 故障特征建模

當開關管開路，相電流不可避免地下降為0，故障相停止工作，因此開路故障的最明顯故障特征為相電流在導通區間內為0。因此，以A相為例，開路故障變量Fopen可定義為：

Fopen=[sgn(iam)⊕SS2]SS2

(6)

(7)

由SRM運行原理可知，某一相的電流在其前一相的單獨導通區間內必為0，如在三相電機中，當C相單獨導通時，ia必為0。因此短路故障最明顯的故障特征為故障相的電流在其前一相的單獨導通區間內不為0。以A相為例，短路故障變量Fshort可定義為

(8)

(9)

綜上分析，聯立式(4)～(9)可得到故障變量F的數學模型為式(10)所示。通過故障變量F的輸出即可判斷故障類型并定位故障器件，對應關系見表1。

表1 故障變量F與各故障器件的對應關系表

(10)

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺介紹

本文利用一臺額定功率為550 W的三相6/4結構的開關磁阻樣機對所提方案進行實驗驗證。圖11為實驗裝置結構框圖，按照所提出的電流檢測方案在指定位置安裝了3個額定電流為100 A的LA-100P霍爾效應電流傳感器，并采用16位的A/D轉換芯片AD7606進行電流采樣；為便于觀測，檢測電流、故障變量等輸出信號使用TLC5615進行D/A轉換；位置傳感器采用分辨率為1 000脈沖/轉的增量式旋轉編碼器E6B2-CWZ6C；控制系統以TMS320-F28335為核心并輔以必要的高速邏輯電路，外加驅動電路，以實現基于CCC系統的模糊PI轉速閉環控制和故障診斷功能，控制系統框圖如圖12所示。ASB功率變換器中的主開關采用FQA160N08型的金屬氧化物半導體場效應管，并通過外部繼電器來人為控制各開關管的驅動信號，從而實現故障模擬。以電機定、轉子不對齊位置的中點為各相轉子位置的參考零點，并設定電機開通角θon=0°，關斷角θoff=28°。由于各相診斷方案相同且相互獨立，實驗以A相為例進行分析。

圖11 實驗結構框圖

圖12 控制系統框圖

3.2 正常工作狀態

電機的起動負載設置為2 N·m，起動轉速設置為500 r/min，在正常工作狀態下，三相解算電流波形及故障變量F如圖13區域Ⅰ所示。運行穩定后設置轉速突變為700 r/min，電流變化如圖13區域Ⅱ所示。轉速穩定后設置負載突變為4 N·m，電流變化如圖13區域Ⅲ所示。圖13中電流波形中的尖峰為各相關斷瞬間檢測電流瞬變為繞組電流的2倍導致，運行過程中故障變量F始終為0，可知其未因轉速、負載突變干擾而發生誤判，穩定性較好。

圖13 正常運行時轉速、負載突變實驗波形

3.3 開關管開路故障實驗

圖14 開關管S2開路實驗波形

圖15 開關管S1開路實驗波形

3.4 開關管短路故障實驗

圖16 開關管S1短路實驗波形

圖17 開關管S2短路實驗波形

實驗結果表明，改進的電流傳感器檢測位置可保證系統的正常工作，且開關管S1和S2開路、短路故障特征明顯，實驗結果與理論、仿真分析保持一致，通過故障變量F指示即可判斷4種故障類型。因選取電流瞬變時的斜率尖峰作為故障特征，而外界負載轉矩變化以及電機開通角度變化等因素均不會使電流發生瞬間跳變，方案抗干擾性較強。

4 結語

1)改進的電流傳感器檢測位置，可保證系統的正常運行。

2)方案對各相不同開關管開路、短路等4種故障均可進行類型識別和準確定位，故障診斷功能豐富。

3)由電流斜率和邏輯信號所決定的故障變量F對負載轉矩和電機轉速具有較好的魯棒性。