变频器的集成故障诊断与容错控制

刘政

摘要：变频器作为目前相对较好的交流传动设备，在各个领域得到了广泛的应用。比如在石油钻机设备上，随着钻进深度的增加，难度就越大，可能会出现诸多故障，这势必需要采用高性能交流变频器调速传动，最大程度避免了设备突然停机，将损失降到最低。但是由于一些因素的干扰，使得变频器出现了故障，故障诊断和容错控制技术能及时、准确的检测并定位故障，提升设备运行的安全性和稳定性。

关键词：变频器 集成故障诊断 容错控制

1 概述

变频器因控制性能优越、体积小、功效高、节能好、成本低等优势，逐渐被公认为目前最理想的交流电机调速控制设备，目前在汽车、化工、机械、矿井、金属冶炼等行业应用得十分广泛。但是仍然存在诸多故障，为及时、准确的分析并检测出变频器系统故障，避免因故障突然停机带来的安全隐患和经济损失，本文就变频器集成故障诊断与容错控制技术进行了分析，该技术能在系统不停机的情况下使系统以较好的性能维持运行，延长其运行时间，实现各个领域经济效益和社会效益最大化，促进变频器系统运行安全性和稳定性的提升。

2 变频器速度传感器集成故障诊断与容错控制

2.1 速度传感器故障诊断方法 石油钻机作为油田生产重要的设备之一，随着井深增加，钻杆逐渐增长，对钻机电气传动系统的性能要求越来越高，这势必需要变频器相关技术对其正常运行提供保障。由于变频器受到地质、高温、粉尘、电网质量等影响，出现了诸多故障，为确保变频器速度传感器故障发生后能及时在线诊断并定位，在不停机的条件下将传感器VC模式动态的过渡到SLVC模式，那么变频器首先需要诊断出SSF，然后制定出相关的容错控制措施，实现设备安全可靠地运行。

2.1.1 硬件诊断法 速度传感器故障诊断方法主要划分为软件法和硬件法两种。硬件法又包括直接硬件检测法和脉冲分析故障诊断法。硬件法检测速度较快，但由于其系统成本过高，没有一个相对完整的电路，无法诊断出各种输出类型速度传感器所有的故障。例如采用直接硬件检测速度传感器故障法，最终只能检测出电压输出类型的速度传感器。由于设备无故障情况下，接口端子处的电压降低，难以击穿稳压管，造成后级三极管难以导通，此刻检测电路输出为高电平，这就说明该速度传感器没有发生故障。往往硬件检测法只能对接口电路是电压输出类型的传感器故障进行检测，不适用于目前市场上存在的PNP集电极开路输出型、NPN集电极开路输出型以及驱动线性输出型传感器的断线故障的检测，主要原因是检测电路的上拉电阻功能失效。另外，硬件诊断法还有一种是通过脉冲信号检测速度传感器故障。如图1所示，A、B是两路正交编码脉冲，将两者做逻辑异或运算后可得到频率是A和B的两倍信号，将得出的信号作为时钟信号Clock，并利用逻辑规则检测出故障，主要是因为故障发生后编码脉冲会丢失。

2.1.2 软件诊断法 软件诊断法是基于神经网络、基于小波变换以及基于状态观测器的诊断方法。前两种方法计算量较大，变换复杂，不适应于实际诊断中。因此本文主要采用状态观测器进行速度传感器故障诊断，并利用状态观测器进行转速的估计，进而将发生故障后传感器的控制模式切换至不带速度传感器的控制模式，实现容错控制。

2.1.3 基于状态观测器速度传感器故障诊断 为确保状态观测器更好的对速度传感器故障进行诊断，应该基于感应电机状态观测器模型。如果速度传感器故障发生，那么感应电机模式将不匹配观测器模型，估算电机电流与实际电流不等，增大残差信号E，那么故障的判定就可以以残差信号E与某一阈值相比结果作为依据。为使变频器在速度传感器故障后实现系统不停机条件下进行容错控制，则需要及时诊断出SSF故障后将系统从VC模式切换到SLVC模式，实现系统在不同场合的应用。

2.2 感应电机SLVC实现 感应电机SLVC主要是省去VC方法，借助数学模型估算感应电机转子转速，其稳态性能虽然比VC法低，对电机参数准确度具有较高依赖程度，但其仍然具有较好的使用性能，在诸多场合得到了广泛应用。实现感应电机SLVC方法很多，如模型参考自适应法、卡尔曼滤波器法、转子转速估计法以及一些非线性控制方法等。

2.3 感应电机速度传感器故障容错控制 在状态观测器完成了感应电机速度传感器故障诊断以及实现电机SLVC基础上，由于受到变频器控制器执行能力限制，观测器故障诊断方法和速度估计模型计算量较大，对变频器控制芯片DSP来讲，是一个较大的负荷。同时还要满足不停机情况下进行容错控制，应在控制器中将SLVC算法和速度传感器故障诊断模块同时运行，以确保系统发生故障后能及时切换控制模式。因此可以采用两个观测器，降低系统的复杂度，提高在线监测的实时性；同时速度评估算法结合传感器故障诊断，降低系统计算量，快速准确的诊断出故障，实现容错控制，满足故障后控制模式的动态平滑切换。对于惯性较大的电机来讲，该设计方法完全可以满足要求，且不受速度传感器故障接口及类型的影响。

3 结束语

综上所述，为科学有效实现变频器速度传感器故障诊断及故障后容错控制，基于感应电机状态观测器模型，设计出一种全新的变频器速度传感器诊断方法，并结合感应电机SLVC系统，实现变频器集成故障诊断及容错控制，诊断时间十分迅速，大大降低了系统计算量并减少资源占用，延长了变频器使用寿命，提高系统可靠性及满足其在特殊场合的使用条件，确保其发挥出最大化经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]陈雪芹.集成故障诊断与容错控制研究及在卫星姿态控制中的应用[D].哈尔滨工业大学，2008.

[2]何静，邱静，张昌凡，王锡波.非线性系统的集成故障诊断和容错控制[J].机械工程学报，2009，05：70-78.

[3]孙丰涛，张承慧，崔纳新，杜春水.变频器故障诊断技术研究与分析[J].电机与控制学报，2005（03）.endprint

摘要：变频器作为目前相对较好的交流传动设备，在各个领域得到了广泛的应用。比如在石油钻机设备上，随着钻进深度的增加，难度就越大，可能会出现诸多故障，这势必需要采用高性能交流变频器调速传动，最大程度避免了设备突然停机，将损失降到最低。但是由于一些因素的干扰，使得变频器出现了故障，故障诊断和容错控制技术能及时、准确的检测并定位故障，提升设备运行的安全性和稳定性。

关键词：变频器 集成故障诊断 容错控制

1 概述

变频器因控制性能优越、体积小、功效高、节能好、成本低等优势，逐渐被公认为目前最理想的交流电机调速控制设备，目前在汽车、化工、机械、矿井、金属冶炼等行业应用得十分广泛。但是仍然存在诸多故障，为及时、准确的分析并检测出变频器系统故障，避免因故障突然停机带来的安全隐患和经济损失，本文就变频器集成故障诊断与容错控制技术进行了分析，该技术能在系统不停机的情况下使系统以较好的性能维持运行，延长其运行时间，实现各个领域经济效益和社会效益最大化，促进变频器系统运行安全性和稳定性的提升。

2 变频器速度传感器集成故障诊断与容错控制

2.1 速度传感器故障诊断方法 石油钻机作为油田生产重要的设备之一，随着井深增加，钻杆逐渐增长，对钻机电气传动系统的性能要求越来越高，这势必需要变频器相关技术对其正常运行提供保障。由于变频器受到地质、高温、粉尘、电网质量等影响，出现了诸多故障，为确保变频器速度传感器故障发生后能及时在线诊断并定位，在不停机的条件下将传感器VC模式动态的过渡到SLVC模式，那么变频器首先需要诊断出SSF，然后制定出相关的容错控制措施，实现设备安全可靠地运行。

2.1.1 硬件诊断法 速度传感器故障诊断方法主要划分为软件法和硬件法两种。硬件法又包括直接硬件检测法和脉冲分析故障诊断法。硬件法检测速度较快，但由于其系统成本过高，没有一个相对完整的电路，无法诊断出各种输出类型速度传感器所有的故障。例如采用直接硬件检测速度传感器故障法，最终只能检测出电压输出类型的速度传感器。由于设备无故障情况下，接口端子处的电压降低，难以击穿稳压管，造成后级三极管难以导通，此刻检测电路输出为高电平，这就说明该速度传感器没有发生故障。往往硬件检测法只能对接口电路是电压输出类型的传感器故障进行检测，不适用于目前市场上存在的PNP集电极开路输出型、NPN集电极开路输出型以及驱动线性输出型传感器的断线故障的检测，主要原因是检测电路的上拉电阻功能失效。另外，硬件诊断法还有一种是通过脉冲信号检测速度传感器故障。如图1所示，A、B是两路正交编码脉冲，将两者做逻辑异或运算后可得到频率是A和B的两倍信号，将得出的信号作为时钟信号Clock，并利用逻辑规则检测出故障，主要是因为故障发生后编码脉冲会丢失。

2.1.2 软件诊断法 软件诊断法是基于神经网络、基于小波变换以及基于状态观测器的诊断方法。前两种方法计算量较大，变换复杂，不适应于实际诊断中。因此本文主要采用状态观测器进行速度传感器故障诊断，并利用状态观测器进行转速的估计，进而将发生故障后传感器的控制模式切换至不带速度传感器的控制模式，实现容错控制。

2.1.3 基于状态观测器速度传感器故障诊断 为确保状态观测器更好的对速度传感器故障进行诊断，应该基于感应电机状态观测器模型。如果速度传感器故障发生，那么感应电机模式将不匹配观测器模型，估算电机电流与实际电流不等，增大残差信号E，那么故障的判定就可以以残差信号E与某一阈值相比结果作为依据。为使变频器在速度传感器故障后实现系统不停机条件下进行容错控制，则需要及时诊断出SSF故障后将系统从VC模式切换到SLVC模式，实现系统在不同场合的应用。

2.2 感应电机SLVC实现 感应电机SLVC主要是省去VC方法，借助数学模型估算感应电机转子转速，其稳态性能虽然比VC法低，对电机参数准确度具有较高依赖程度，但其仍然具有较好的使用性能，在诸多场合得到了广泛应用。实现感应电机SLVC方法很多，如模型参考自适应法、卡尔曼滤波器法、转子转速估计法以及一些非线性控制方法等。

2.3 感应电机速度传感器故障容错控制 在状态观测器完成了感应电机速度传感器故障诊断以及实现电机SLVC基础上，由于受到变频器控制器执行能力限制，观测器故障诊断方法和速度估计模型计算量较大，对变频器控制芯片DSP来讲，是一个较大的负荷。同时还要满足不停机情况下进行容错控制，应在控制器中将SLVC算法和速度传感器故障诊断模块同时运行，以确保系统发生故障后能及时切换控制模式。因此可以采用两个观测器，降低系统的复杂度，提高在线监测的实时性；同时速度评估算法结合传感器故障诊断，降低系统计算量，快速准确的诊断出故障，实现容错控制，满足故障后控制模式的动态平滑切换。对于惯性较大的电机来讲，该设计方法完全可以满足要求，且不受速度传感器故障接口及类型的影响。

3 结束语

综上所述，为科学有效实现变频器速度传感器故障诊断及故障后容错控制，基于感应电机状态观测器模型，设计出一种全新的变频器速度传感器诊断方法，并结合感应电机SLVC系统，实现变频器集成故障诊断及容错控制，诊断时间十分迅速，大大降低了系统计算量并减少资源占用，延长了变频器使用寿命，提高系统可靠性及满足其在特殊场合的使用条件，确保其发挥出最大化经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]陈雪芹.集成故障诊断与容错控制研究及在卫星姿态控制中的应用[D].哈尔滨工业大学，2008.

[2]何静，邱静，张昌凡，王锡波.非线性系统的集成故障诊断和容错控制[J].机械工程学报，2009，05：70-78.

[3]孙丰涛，张承慧，崔纳新，杜春水.变频器故障诊断技术研究与分析[J].电机与控制学报，2005（03）.endprint

摘要：变频器作为目前相对较好的交流传动设备，在各个领域得到了广泛的应用。比如在石油钻机设备上，随着钻进深度的增加，难度就越大，可能会出现诸多故障，这势必需要采用高性能交流变频器调速传动，最大程度避免了设备突然停机，将损失降到最低。但是由于一些因素的干扰，使得变频器出现了故障，故障诊断和容错控制技术能及时、准确的检测并定位故障，提升设备运行的安全性和稳定性。

关键词：变频器 集成故障诊断 容错控制

1 概述

变频器因控制性能优越、体积小、功效高、节能好、成本低等优势，逐渐被公认为目前最理想的交流电机调速控制设备，目前在汽车、化工、机械、矿井、金属冶炼等行业应用得十分广泛。但是仍然存在诸多故障，为及时、准确的分析并检测出变频器系统故障，避免因故障突然停机带来的安全隐患和经济损失，本文就变频器集成故障诊断与容错控制技术进行了分析，该技术能在系统不停机的情况下使系统以较好的性能维持运行，延长其运行时间，实现各个领域经济效益和社会效益最大化，促进变频器系统运行安全性和稳定性的提升。

2 变频器速度传感器集成故障诊断与容错控制

2.1 速度传感器故障诊断方法 石油钻机作为油田生产重要的设备之一，随着井深增加，钻杆逐渐增长，对钻机电气传动系统的性能要求越来越高，这势必需要变频器相关技术对其正常运行提供保障。由于变频器受到地质、高温、粉尘、电网质量等影响，出现了诸多故障，为确保变频器速度传感器故障发生后能及时在线诊断并定位，在不停机的条件下将传感器VC模式动态的过渡到SLVC模式，那么变频器首先需要诊断出SSF，然后制定出相关的容错控制措施，实现设备安全可靠地运行。

2.1.1 硬件诊断法 速度传感器故障诊断方法主要划分为软件法和硬件法两种。硬件法又包括直接硬件检测法和脉冲分析故障诊断法。硬件法检测速度较快，但由于其系统成本过高，没有一个相对完整的电路，无法诊断出各种输出类型速度传感器所有的故障。例如采用直接硬件检测速度传感器故障法，最终只能检测出电压输出类型的速度传感器。由于设备无故障情况下，接口端子处的电压降低，难以击穿稳压管，造成后级三极管难以导通，此刻检测电路输出为高电平，这就说明该速度传感器没有发生故障。往往硬件检测法只能对接口电路是电压输出类型的传感器故障进行检测，不适用于目前市场上存在的PNP集电极开路输出型、NPN集电极开路输出型以及驱动线性输出型传感器的断线故障的检测，主要原因是检测电路的上拉电阻功能失效。另外，硬件诊断法还有一种是通过脉冲信号检测速度传感器故障。如图1所示，A、B是两路正交编码脉冲，将两者做逻辑异或运算后可得到频率是A和B的两倍信号，将得出的信号作为时钟信号Clock，并利用逻辑规则检测出故障，主要是因为故障发生后编码脉冲会丢失。

2.1.2 软件诊断法 软件诊断法是基于神经网络、基于小波变换以及基于状态观测器的诊断方法。前两种方法计算量较大，变换复杂，不适应于实际诊断中。因此本文主要采用状态观测器进行速度传感器故障诊断，并利用状态观测器进行转速的估计，进而将发生故障后传感器的控制模式切换至不带速度传感器的控制模式，实现容错控制。

2.1.3 基于状态观测器速度传感器故障诊断 为确保状态观测器更好的对速度传感器故障进行诊断，应该基于感应电机状态观测器模型。如果速度传感器故障发生，那么感应电机模式将不匹配观测器模型，估算电机电流与实际电流不等，增大残差信号E，那么故障的判定就可以以残差信号E与某一阈值相比结果作为依据。为使变频器在速度传感器故障后实现系统不停机条件下进行容错控制，则需要及时诊断出SSF故障后将系统从VC模式切换到SLVC模式，实现系统在不同场合的应用。

2.2 感应电机SLVC实现 感应电机SLVC主要是省去VC方法，借助数学模型估算感应电机转子转速，其稳态性能虽然比VC法低，对电机参数准确度具有较高依赖程度，但其仍然具有较好的使用性能，在诸多场合得到了广泛应用。实现感应电机SLVC方法很多，如模型参考自适应法、卡尔曼滤波器法、转子转速估计法以及一些非线性控制方法等。

2.3 感应电机速度传感器故障容错控制 在状态观测器完成了感应电机速度传感器故障诊断以及实现电机SLVC基础上，由于受到变频器控制器执行能力限制，观测器故障诊断方法和速度估计模型计算量较大，对变频器控制芯片DSP来讲，是一个较大的负荷。同时还要满足不停机情况下进行容错控制，应在控制器中将SLVC算法和速度传感器故障诊断模块同时运行，以确保系统发生故障后能及时切换控制模式。因此可以采用两个观测器，降低系统的复杂度，提高在线监测的实时性；同时速度评估算法结合传感器故障诊断，降低系统计算量，快速准确的诊断出故障，实现容错控制，满足故障后控制模式的动态平滑切换。对于惯性较大的电机来讲，该设计方法完全可以满足要求，且不受速度传感器故障接口及类型的影响。

3 结束语

综上所述，为科学有效实现变频器速度传感器故障诊断及故障后容错控制，基于感应电机状态观测器模型，设计出一种全新的变频器速度传感器诊断方法，并结合感应电机SLVC系统，实现变频器集成故障诊断及容错控制，诊断时间十分迅速，大大降低了系统计算量并减少资源占用，延长了变频器使用寿命，提高系统可靠性及满足其在特殊场合的使用条件，确保其发挥出最大化经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]陈雪芹.集成故障诊断与容错控制研究及在卫星姿态控制中的应用[D].哈尔滨工业大学，2008.

[2]何静，邱静，张昌凡，王锡波.非线性系统的集成故障诊断和容错控制[J].机械工程学报，2009，05：70-78.

[3]孙丰涛，张承慧，崔纳新，杜春水.变频器故障诊断技术研究与分析[J].电机与控制学报，2005（03）.endprint