基于电流斜率的SRM功率变换器故障诊断

王熔基，刘勇智，管振水

(1.空军工程大学研究生院，西安，710051；2.空军工程大学航空工程学院，西安，710038；3.93705部队，河北遵化，064200)

开关磁阻电机(switched reluctance motor, SRM)以其结构简单、适合高速运行和良好的容错性能等优势，在电/混动汽车、多/全电飞机以及家用电器等诸多领域得到了越来越广泛的关注[1-3]。然而，由于电机长时间在高温、高振动等恶劣环境下工作，驱动系统可能发生多种故障[4-5]。若不及时处理，部分故障会蔓延到其他健康器件使得系统无法工作。尤其对于安全关键系统，微小故障也会导致大量的人员、财产损失[6]。

在SRM系统中，功率变换器是为电机提供电能的中心枢纽，同时也是故障率最高、可靠性最薄弱的环节[7]。提高功率变换器的可靠性对于提升SRM系统容错性能具有重要意义，而准确地识别故障类型以及对故障进行精准定位是进行容错控制的首要条件[8]。因此，对SRM功率变换器进行在线故障诊断很有必要。

目前功率变换器的故障诊断方法较多，主要有频谱分析[9-11]、小波包分析[12]、电流电压分布[13-16]以及驱动信号辅助判别[17-19]等方法。目前，对于同相开关管发生开路故障的准确定位，一般认为故障相开路后该相停止工作，在线故障定位的意义不大，因此鲜有研究。但对于具有特殊容错拓扑结构的功率变换器而言，如文献[20]，准确的开路故障定位是进行在线容错、重构拓扑结构的先决条件。对于安全关键系统，开路故障定位对系统及时更换故障器件、减少停机时间也很有意义。

1 ABS功率变换器及其工作模式

ASB功率变换器主电路的拓扑结构如图1所示。每相桥臂由2个开关管和2个续流二极管组成，ASB结构保证了电机各相绕组可独立工作而不相互影响。每相绕组有3种工作状态：励磁、续流及退磁，分别如图2所示。

图1 ASB功率变换器拓扑结构

图2 A相工作状态

如图2所示，当两开关管均闭合时，绕组受正向电源电压作用，进入励磁状态；当S1断开，S2闭合时，绕组经S2和D1构成零电压续流回路，进入续流状态；当双管均关断时，绕组承受反向电源电压作用，相电流将迅速下降至抑制转矩脉动，提高系统效率，各相均使用软开关式斩波方式：以A相为例，导通区间内的S2在位置信号控制下保持开通，S1受斩波信号调制，以实现励磁状态和零电压续流状态的不断切换。可见两开关管是各相状态转换、保证各相正常工作的核心部件，同时在高频工作状态下也极易发生损坏。

2 故障诊断方案

2.1 改进的电流传感器检测位置

准确的相电流检测是系统进行反馈控制的必要条件。传统的各相电流传感器的检测位置如图3(a)所示。该检测方案不利于故障特征的提取以及定位，尤其是对于开路故障的定位，上下开关管开路时所检测到的故障电流完全相同。为了在保证不影响系统正常工作的前提下，进一步提取明显的故障特征，改进检测位置如图3(b)所示。

图3 电流传感器检测位置

图中LEMA为A相电流传感器，在新的检测位置，通过改变电流传感器中测量导线的绕线方向，使得A相电流检测值iam为A相绕组电流ia和上续流二极管D2电流iD2之和，即：

iam=ia+iD2

(1)

开关管的逻辑信号定义为：

(2)

式中：SSk为开关管Sk的逻辑信号。则A相电流检测值iam可以写成：

iam=(2-SS2)iA

(3)

本文以实验室550 W三相6/4极开关磁阻样机为仿真对象，设定各相开通角θon=0°，关断角θoff=29°，参考转速nref=500 r/min，负载转矩Tload=2 N·m，图4为重新配置各相电流传感器后，功率变换器在健康状态下的仿真结果，其中n为电机的实时转速，可知电机稳定后在参考转速下运行，证明了电流传感器配置方案的有效性。

图4 电机正常工作仿真波形

图4中的电流尖峰是在各相关断瞬间，电流瞬间涌入上续流二极管，由式(5)可知，检测电流iam瞬间变为2倍的ia所导致。在导通区间内，D2中无电流，iam和相ia相等，以iam作为系统的反馈电流可保证系统的正常运行。

2.2 开关管开路故障

改变传感器检测位置后，位置导通管S2在开通过程中发生开路故障的仿真波形如图5所示，“×”表示仿真设置的故障发生时刻。S2开路瞬间，ia将立即在由S1和D2形成的回路中进行续流，电流涌入D2后导致iam提前跳变为2倍ia，斜率p的尖峰出现在导通区间内，iam在反向旋转电动势作用下缓慢下降。进入关断区间后，在SS2下降沿时刻，由于D2中已有电流，iam不再发生瞬变，p在该时刻并不出现尖峰，故障特征明显。

图5 S2开路故障仿真波形

斩波管S1发生开路故障前后的仿真波形如图6所示。

图6 S1开路故障仿真波形

S1开路瞬间，ia将在由S2和D1形成的回路中进行续流，并不流经D2。因此导通区间内，iam和ia保持一致，不发生跳变，斜率p不产生尖峰。进入关断区间后，在SS2下降沿时刻，ia流向D2，iam瞬间变为2倍ia，p出现尖峰，和正常状态下相同。

为进一步提取故障特征，取变量λ1为：

(4)

式中：sgn()为符号函数；Pthreshold为电流斜率阈值。

图触发规则f1示意图

2.3 开关管短路故障

图8是S1短路前后的仿真波形。S1短路后，在导通区间内，S1和S2均处于导通状态，ia不受斩波控制的限制，在US的直接作用下迅速上升，大于参考电流。SS1的下降沿时刻，ia流向D2，导致iam发生跳变，p出现尖峰。在关断区间，S1和D2形成零电压续流回路，绕组在电感下降区受旋转电动势作用，导致iam不断上升。就斜率p的尖峰出现的时刻而言，S1短路和系统正常状态下相同。

图8 S1短路故障仿真波形

S2发生短路前后的仿真波形如图9所示。

图9 S2短路故障仿真波形

在导通区间内，S1仍受到斩波信号调制，相电流和健康状态保持一致，无故障特征。关断区间内，退磁通路将会被由D1和S2形成的续流回路所代替，无法实现快速退磁，且同样受到正向的旋转电动势作用，导致iam上升。由于关断区间内的零电压续流回路由S2和D1组成，始终无电流流经D2，因此，SS2下降沿时刻的p不会像正常工作时发生跳变。

为进一步提取故障特征，取变量λ2为：

(5)

图触发规则f2示意图

2.4 故障特征建模

当开关管开路，相电流不可避免地下降为0，故障相停止工作，因此开路故障的最明显故障特征为相电流在导通区间内为0。因此，以A相为例，开路故障变量Fopen可定义为：

Fopen=[sgn(iam)⊕SS2]SS2

(6)

(7)

由SRM运行原理可知，某一相的电流在其前一相的单独导通区间内必为0，如在三相电机中，当C相单独导通时，ia必为0。因此短路故障最明显的故障特征为故障相的电流在其前一相的单独导通区间内不为0。以A相为例，短路故障变量Fshort可定义为

(8)

(9)

综上分析，联立式(4)～(9)可得到故障变量F的数学模型为式(10)所示。通过故障变量F的输出即可判断故障类型并定位故障器件，对应关系见表1。

表1 故障变量F与各故障器件的对应关系表

(10)

3 实验验证

3.1 实验平台介绍

本文利用一台额定功率为550 W的三相6/4结构的开关磁阻样机对所提方案进行实验验证。图11为实验装置结构框图，按照所提出的电流检测方案在指定位置安装了3个额定电流为100 A的LA-100P霍尔效应电流传感器，并采用16位的A/D转换芯片AD7606进行电流采样；为便于观测，检测电流、故障变量等输出信号使用TLC5615进行D/A转换；位置传感器采用分辨率为1 000脉冲/转的增量式旋转编码器E6B2-CWZ6C；控制系统以TMS320-F28335为核心并辅以必要的高速逻辑电路，外加驱动电路，以实现基于CCC系统的模糊PI转速闭环控制和故障诊断功能，控制系统框图如图12所示。ASB功率变换器中的主开关采用FQA160N08型的金属氧化物半导体场效应管，并通过外部继电器来人为控制各开关管的驱动信号，从而实现故障模拟。以电机定、转子不对齐位置的中点为各相转子位置的参考零点，并设定电机开通角θon=0°，关断角θoff=28°。由于各相诊断方案相同且相互独立，实验以A相为例进行分析。

图11 实验结构框图

图12 控制系统框图

3.2 正常工作状态

电机的起动负载设置为2 N·m，起动转速设置为500 r/min，在正常工作状态下，三相解算电流波形及故障变量F如图13区域Ⅰ所示。运行稳定后设置转速突变为700 r/min，电流变化如图13区域Ⅱ所示。转速稳定后设置负载突变为4 N·m，电流变化如图13区域Ⅲ所示。图13中电流波形中的尖峰为各相关断瞬间检测电流瞬变为绕组电流的2倍导致，运行过程中故障变量F始终为0，可知其未因转速、负载突变干扰而发生误判，稳定性较好。

图13 正常运行时转速、负载突变实验波形

3.3 开关管开路故障实验

图14 开关管S2开路实验波形

图15 开关管S1开路实验波形

3.4 开关管短路故障实验

图16 开关管S1短路实验波形

图17 开关管S2短路实验波形

实验结果表明，改进的电流传感器检测位置可保证系统的正常工作，且开关管S1和S2开路、短路故障特征明显，实验结果与理论、仿真分析保持一致，通过故障变量F指示即可判断4种故障类型。因选取电流瞬变时的斜率尖峰作为故障特征，而外界负载转矩变化以及电机开通角度变化等因素均不会使电流发生瞬间跳变，方案抗干扰性较强。

4 结语

1)改进的电流传感器检测位置，可保证系统的正常运行。

2)方案对各相不同开关管开路、短路等4种故障均可进行类型识别和准确定位，故障诊断功能丰富。

3)由电流斜率和逻辑信号所决定的故障变量F对负载转矩和电机转速具有较好的鲁棒性。