三相电机驱动系统中逆变器故障诊断与容错控制策略研究

摘要

在现代航空航天领域，电机系统作为执行部件其可靠性已经成为保障航空航天器安全运行的一项关键技术。为此，近年来高容错电机驱动系统的概念被提出并得到了研究者的关注。高容错电机驱动系统通过对故障进行实时诊断和分析，在发生故障后主动重构系统的软硬件结构，从而确保整个系统在不损失性能指标或部分性能指标有所降低的情况下安全运行。研究表明，在电机驱动系统中，功率变换环节尤其是逆变器中的电力电子器件及其驱动电路是容易发生故障的薄弱环节。通过在线实时诊断逆变器功率器件的故障，采取及时和适当的容错控制策略，是提高电机驱动系统可靠性的有效途径。因此，对电机驱动系统中逆变器的故障诊断和容错控制策略开展研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　故障诊断是实施容错控制策略的前提，诊断的可靠性和实时性直接关系到容错的效果。尽管采用解析模型是实现快速故障诊断的有效方法，但传统电机驱动系统的建模方法无法将电机和逆变器统一在一个解析模型下，因此传统模型不能准确揭示系统的状态特性，不适合于逆变器内部故障的分析和诊断。电机驱动系统包含连续状态变量和开关离散事件，是一个典型的混杂系统。因此，本文将混杂系统理论引入到其分析过程中，把逆变器的离散电压模型嵌入到电机的连续状态方程中，建立了电机驱动系统的混合逻辑动态模型。在此基础上对系统的故障特征与行为进行描述和分析，为有效诊断方法的提出提供理论基础。
　　在建立电机驱动系统混合逻辑动态模型的基础上，构建了系统的状态残差方程，通过在两相静止坐标系中的残差评价来诊断和定位逆变器功率管的故障。混杂系统状态残差法可以克服系统闭环控制算法对诊断效果的影响，并将诊断时间缩小到四分之一个基波周期以内。在诊断实施过程中，通过设置残差阈值来抑制参数误差、测量误差、扰动和噪声等影响。为进一步缩短诊断时间、消除负载对诊断算法的影响，考虑逆变器的混合逻辑动态模型，分别提出了基于误差电压和桥臂中点电位监测的逆变器故障诊断方法。误差电压诊断法通过桥臂中点对地电压实测值与估计值之间的误差来诊断故障。该方法对误差电压的幅值及时间宽度进行双重判断，消除了功率管开关延时和死区的影响，提高了诊断方法的可靠性和鲁棒性，并且诊断时间在几个开关周期以内。桥臂中点电位监测法采用光耦监测桥臂中点电位，将其转化为逻辑信号，并与开关信号进行逻辑运算，在一个开关周期内完成对逆变器功率管开路故障的诊断。该方法省去了电压检测与比较环节，克服了电压检测带来的测量误差、测量噪声等对诊断方法的影响。同时，采用对开关信号上升沿延时后再进行逻辑运算的办法，消除了功率管开通延时造成的误诊断，保障了诊断的可靠性。所提出的诊断方法得到了仿真和实验验证。
　　逆变器的容错控制策略通过重构软硬件结构来确保系统在故障后具有一定的降额运行能力。本文对开关冗余逆变器和级联两电平逆变器两种容错拓扑及其控制策略开展了研究。开关冗余逆变器结构简单，单管或单桥臂故障后运行在四开关三相状态，维持了故障前的电流输出能力。对四开关三相逆变器的控制策略进行研究，提出了基于补偿电压的四开关SVPWM过调制方法，来提高四开关逆变器的母线电压利用率。然后，将四开关逆变器应用于三相永磁同步电机和无刷直流电机系统中，研究了四开关三相永磁同步电机的矢量控制策略和四开关三相无刷直流电机的磁链跟踪控制策略。为提高故障后系统的电压输出能力，满足系统对电机转速指标的要求，具有良好容错性能的级联两电平逆变器被应用于开放式绕组电机驱动系统中。单电源级联两电平的容错策略归纳为故障相短接和故障相开路两种重构拓扑，与传统三相半桥逆变器具有同等的电压输出能力。结合级联两电平逆变器容错拓扑，提出了永磁同步电机的两相矢量控制和两相准矢量控制策略，以及无刷直流电机的两相直接电流控制策略，实现了电机系统的容错运行。

目录

三相电机驱动系统中逆变器 故障诊断与容错控制策略研究

DIAGNOSIS AND FAULT-TOLERANT CONTROL STRATEGIES OF INVERTERS IN THREE-PHASE MOTOR DRIVE SYSTEMS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 逆变器故障诊断技术的研究现状

1.3 逆变器容错控制策略的研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第2章 电机驱动系统的混合逻辑动态模型

2.1 引言

2.2 混杂系统理论概述

2.3 混杂系统的混合逻辑动态建模方法

2.4 电机驱动系统的混合逻辑动态模型

2.5 基于混合逻辑动态模型的逆变器故障分析

2.6 本章小结

第3章 基于混合逻辑动态模型的逆变器故障诊断

3.1 引言

3.2 基于混杂系统状态残差的故障诊断方法

3.3 基于误差电压的故障诊断方法

3.4 基于桥臂中点电位监测的故障诊断方法

3.5 本章小结

第4章 开关冗余逆变器的容错控制策略

4.1 引言

4.2 开关冗余逆变器的拓扑与控制

4.3 四开关三相PMSM的矢量控制

4.4 四开关三相BLDCM的磁链跟踪控制

4.5 四开关三相电机系统的仿真与实验

4.6 本章小结

第5章 级联两电平逆变器的容错控制策略

5.1 引言

5.2 级联两电平逆变器的容错拓扑及其控制

5.3 开放式绕组PMSM和BLDCM的数学模型

5.4 级联两电平逆变器-PMSM的容错方案

5.5 级联两电平逆变器-BLDCM的容错方案

5.6 级联两电平逆变器的仿真与实验

5.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

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