一种四相电励磁双凸极电机系统及其功率管单管开路故障检测方法

摘要

本发明公开了一种四相电励磁双凸极电机系统及其功率管单管开路故障检测方法，该系统采用双通道接法，A、C相构成通道U，B、D相构成通道V，每个通道有4个功率管，四相电励磁双凸极电机采用四相四状态控制，每一个状态有4个功率管开通，其中2个处于通道U，包括1个上管和1个下管；另外2个处于通道V，包括1个上管和1个下管；该方法包括首先将故障范围缩小到两个功率管，然后根据相桥臂中点电压特性确定故障管是上管还是下管。

说明书

技术领域

本发明涉及电机驱动系统变换器故障检测方法，尤其涉及一种四相电励磁双凸极电机系统及其功率管单管开路故障检测方法。

背景技术

功率电子器件不可避免地存在一定的故障率，常见的功率电子器件故障包括开路故障和短路故障两个方面，一般而言短路故障会造成过流从而熔断熔丝转化成为开路故障处理，双凸极电机属于一种无刷电机，它电动运行时依靠功率电子变换器正常换相，当功率电子器件发生开路故障后，影响电机正常换相，严重的情况下可能造成双凸极电机系统停机，而在可靠性要求较高的航空、航天、汽车等应用场合，需要电机系统持续稳定运行，发生故障后需要具有容错能力，但是容错技术建立在故障监测技术的基础上，功率管故障检测技术具有重要的意义。

电励磁双凸极电机结构简单、控制灵活、各相独立具有良好的容错能力，且四相电励磁双凸极电机与传统三相电励磁双凸极电机相比，输出转矩脉动小，容错性能更加优良，在构造高可靠性电机系统方面更具优势，已授权的中国发明专利201510013255.6：一种四相电励磁双凸极电机及其开路故障诊断方法，公开了一种故障检测方法是通过在两个通道的中点设置检测电阻，对该电阻的检测电压进行采样并提取故障特征，以诊断出发生的故障类型；已授权的中国发明专利201210540201.1：一种无刷直流电机逆变器常见断路故障诊断方法，能在无刷直流电机逆变器发生断路故障后及时检测并诊断出故障位置；已授权的中国发明专利201510127335.4：一种四相电励磁双凸极容错电机单相开路补偿控制方法，提出根据组间磁阻转矩相互抵消、组间励磁转矩之和与故障前相比保持不变的原则，计算剩余三相的容错电流；已授权的中国发明专利201410063547.6：一种四相无刷直流电机容错功率变换器及控制方法，提出一种具有第五冗余桥臂的容错变换器。

现有的关于电励磁双凸极电机的故障检测方法及容错控制的研究均具有一定的成果，但是现有的容错控制策略需要建立在故障检测的基础上，而无刷电机系统故障中功率管单管开路故障较为常见，所以本主要解决单管开路故障后的故障检测，不需要为系统添加额外的电阻等器件，利用电流采样、电压采样和霍尔位置信号实现检测过程。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种四相电励磁双凸极电机系统及其功率管单管开路故障检测方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种四相电励磁双凸极电机系统，该系统包括：四相全桥变换器、母线电容C1、电流采样模块、电压采样模块、霍尔位置传感器、微控制器及四相电励磁双凸极电机；其中四相全桥变换器有四个桥臂A、B、C、D：功率管T1、T2构成桥臂A，桥臂中点为a；功率管T5、T6构成桥臂C，桥臂中点为c；功率管T3、T4构成桥臂B，桥臂中点为b；功率管T7、T8构成桥臂D，桥臂中点为d；电机A相绕组输入端接到桥臂中点a，C相绕组输入端接到桥臂中点c，A、C相绕组输出端相连，A、C相构成通道U；B相绕组输入端接到桥臂中点b，D相绕组输入端接到桥臂中点d，B、D相绕组输出端相连；B、D相构成通道V。

优选的，功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8分为四组，分别为：

第一组记为F1，其包括上管T1和下管T6，构成通道U；

第二组记为F2，其包括上管T3和下管T8，构成通道V；

第三组记为F3，其包括上管T5和下管T2，构成通道U；

第四组记为F4，其包括上管T7和下管T4，构成通道V；

电机采用四相四状态控制方波电流策略：

状态一：功率管T5、T2、T7、T4导通，功率管T1、T6、T3、T8关断，电流正负为A-、B-、C+、D+；

状态二：功率管T1、T6、T7、T4导通，功率管T5、T2、T3、T8关断，电流正负为A+、B-、C-、D+；

状态三：功率管T1、T6、T3、T8导通，功率管T5、T2、T7、T4关断，电流正负为A+、B+、C-、D-；

状态四：功率管T5、T2、T3、T8导通，功率管T1、T6、T7、T4关断，电流正负为A-、B+、C+、D-；

四个霍尔位置传感器的信号在四个运行状态下为：

P1:0,1,1,0；P2:0,0,1,1；P3:1,0,0,1；P4:1,1,0,0；

对霍尔位置信号做逻辑运算得到四个运行状态：

信号S1＝P3·P4，在运行状态一时为高，其他状态为低；

信号S2＝P1·P4，在运行状态二时为高，其他状态为低；

信号S3＝P1·P2，在运行状态三时为高，其他状态为低；

信号S4＝P2·P3，在运行状态四时为高，其他状态为低。

本发明另一实施例中，一种四相电励磁双凸极电机系统功率管单管开路故障检测方法，该系统采用双通道接法，A、C相构成通道U，B、D相构成通道V，每个通道有4个功率管，四相电励磁双凸极电机采用四相四状态控制，每一个状态有4个功率管开通，其中2个处于通道U，包括1个上管和1个下管；另外2个处于通道V，包括1个上管和1个下管；

单管开路故障故障检测方法包括：

(1)首先将故障范围缩小到两个功率管

在连续10个采样周期内采样通道U和通道V的电流，求绝对值并累加，若有一个通道电流累加值低于设定阈值，开路故障管处于该通道，至此，故障缩小到4个功率管；将四个霍尔位置传感器信号进行逻辑运算，确定故障电流处于哪个运行状态，结合故障所在通道，故障缩小到两个开关管；

(2)然后根据相桥臂中点电压特性确定故障管

根据相桥臂中点电压特性确定故障管是上管还是下管。

进一步的，所述步骤(1)包括以下步骤：

(1-1)实时检测A、B相的电流值作为通道U、V的电流i_u、i_v：在连续10个采样周期内求i_u和i_v的绝对值，进行累加得到|i_u|_(sum)和|i_v|_(sum)，设定ε＝20％I_amp，I_amp是正常运行时的电流幅值；

(1-2)若|i_u|_(sum)<ε且|i_v|_(sum)>ε，则功率管开路故障位于通道U，通道U内的可能故障为F1和F3，对此时的状态信号S2和S3进行或运算得到S23，若S23＝1，则故障为F1，否则为F3；

(1-3)若|i_u|_(sum)>ε且|i_v|_(sum)<ε，则功率管开路故障位于通道V，通道V内的可能故障为F2和F4，对此时的状态信号S3和S4进行或运算得到S34，若S34＝1，则故障为F2，否则为F4；

(1-4)若|i_u|_(sum)<ε且|i_v|_(sum)<ε，则发生多相开路故障，进行其他处理，然后结束检测。

进一步的，所述步骤(2)包括以下步骤：

(2-1)电压检测，判断上下管的故障定位算法

采样获得四相桥臂中点a，b，c，d相对于母线负极的电压U_an，U_bn，U_cn，U_dn，电流控制采用滞环控制，上下管均斩波，T1、T6开通时，U_an为母线电压值，T1、T6关断时，U_an为0；T5、T2开通时，U_cn为母线电压值，T5、T2关断时，U_cn为0；T3、T8开通时，U_bn为母线电压值，T3、T8关断时，U_bn为0；T7、T4开通时，U_dn为母线电压值，T7、T4关断时，U_dn为0；

(2-2)定位单管故障

(2-2-1)若故障为F1，即上管T1或下管T6故障；采样电压U_an，将状态信号S2与S3进行或运算得到S23＝S2+S3，当S23＝1时，若0<U_an<U_dc/2，故障为上管T1，若U_dc/2<U_an<U_dc，故障为下管T6；

(2-2-2)若故障为F2，即上管T3或下管T8故障；采样电压U_bn，将状态信号S3与S4进行或运算得到S34＝S3+S4，当S34＝1时，若0<U_bn<U_dc/2，故障为上管T3，若U_dc/2<U_bn<U_dc，故障为下管T8；

(2-2-3)若故障为F3，即上管T5或下管T2故障，采样电压U_cn，将状态信号S1与S4进行或运算得到S14＝S1+S4，当S14＝1时，若0<U_cn<U_dc/2，故障为上管T5，若U_dc/2<U_cn<U_dc，故障为下管T2；

(2-2-4)若故障为F4，即上管T7或下管T4故障，采样电压U_dn，将状态信号S1与S2进行或运算得到S12＝S1+S2，当S12＝1时，若0<U_dn<U_dc/2，故障为上管T7，若U_dc/2<U_dn<U_dc，故障为下管T4。

更进一步的，所述步骤(2-2-1)中若故障管为T1，在状态一和状态四与正常运行时相同，在状态二和状态三内由于T1开路故障，A相桥臂中点电压其中U_an表示A相桥臂中点相对于母线负极的电压，e_a、e_c表示A、C相的反电势，i_f表示励磁电流，L_af、L_cf表示A相与励磁绕组的互感、C相绕组与励磁绕组互感，θ表示转子位置角，此时U_an这个值略大于0，与正常运行时U_an要么为母线电压值要么为0有所区别；若故障管为T6，在状态一和状态四与正常运行时相同，在状态二和状态三内由于T6开路故障，A相桥臂中点电压其中U_dc表示母线电压，公式中其他变量定义与本段中上一公式中的变量定义相同，此时U_an这个值略小于母线电压值U_dc，与正常运行时U_an要么为母线电压值要么为0有所区别；根据这一特征区别故障管是上管T1还是下管T6。

更进一步的，所述步骤(2-2-2)中若故障管为T3，在状态一和状态二与正常运行时相同，在状态三和状态四内由于T3开路故障，B相桥臂中点电压其中U_bn表示B相桥臂中点相对于母线负极的电压，e_b、e_d表示B、D相的反电势，i_f表示励磁电流，L_bf、L_df表示B相与励磁绕组的互感、D相绕组与励磁绕组互感，θ表示转子位置角，此时U_bn这个值略大于0，与正常运行时U_bn要么为母线电压值要么为0有所区别；若故障管为T8，在状态三和状态四与正常运行时相同，在状态一和状态二内由于T8开路故障，B相桥臂中点电压其中U_dc表示母线电压，公式中其他变量定义与本段中上一公式中的变量定义相同，此时U_bn这个值略小于母线电压值U_dc，与正常运行时U_bn要么为母线电压值要么为0有所区别；根据这一特征区别故障管是上管T3还是下管T8。

更进一步的，所述步骤(2-2-3)中若故障管为T5，在状态二和状态三与正常运行时相同，在状态一和状态四内由于T5开路故障，C相桥臂中点电压其中U_cn表示C相桥臂中点相对于母线负极的电压，e_c、e_a表示C、A相的反电势，i_f表示励磁电流，L_cf、L_af表示C相与励磁绕组的互感、A相绕组与励磁绕组互感，θ表示转子位置角，此时U_cn这个值略大于0，与正常运行时U_cn要么为母线电压值要么为0有所区别；若故障管为T2，在状态一和状态四与正常运行时相同，在状态二和状态三内由于T2开路故障，C相桥臂中点电压其中U_dc表示母线电压，公式中其他变量定义与本段中上一公式中的变量定义相同，此时U_cn这个值略小于母线电压值U_dc，与正常运行时U_cn要么为母线电压值要么为0有所区别；根据这一特征区别故障管是上管T5还是下管T2。

更进一步的，所述步骤(2-2-4)中若故障管为T7，在状态三和状态四与正常运行时相同，在状态一和状态二内由于T7开路故障，D相桥臂中点电压其中U_dn表示D相桥臂中点相对于母线负极的电压，e_d、e_b表示D、B相的反电势，i_f表示励磁电流，L_df、L_bf表示D相与励磁绕组的互感、B相绕组与励磁绕组互感，θ表示转子位置角，此时U_dn这个值略大于0，与正常运行时U_dn要么为母线电压值要么为0有所区别；若故障管为T4，在状态一和状态二与正常运行时相同，在状态三和状态四内由于T4开路故障，D相桥臂中点电压其中U_dc表示母线电压，公式中其他变量定义与本段中上一公式中的变量定义相同，此时U_dn这个值略小于母线电压值U_dc，与正常运行时U_dn要么为母线电压值要么为0有所区别；根据这一特征区别故障管是上管T7还是下管T4。

有益效果：现有的四相电励磁双凸极电机的四相绕组双通道接法的变换器故障检测技术报道较少，本发明的单管开路故障检测方法则针对这一领域适用，对于提升电励磁双凸极电机系统的可靠性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所采用的四相电励磁双凸极电机系统框图；

图2是本发明采用的四相电励磁双凸极电机的电感曲线图和理想四相电流波形；

图3是本发明的霍尔位置信号及其逻辑运算之后的信号；

图4是本发明的单管开路故障检测方法的流程图；

图5是本发明的四相电励磁双凸极电机系统变换器单管开路故障检测的Simulink模型；

图6(a)是本发明的模拟T1开路故障得到的Uan电压波形和T1开路故障标志信号；

图6(b)是本发明的模拟T6开路故障得到的U_an电压波形和T6开路故障标志信号。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

图1是本发明所采用的四相电励磁双凸极电机系统框图，系统由四相全桥变换器、微控制器、电流采样模块、电压采样模块、霍尔位置信号采集模块、母线电容C1和四相电励磁双凸极电机构成。其中，四相全桥变换器的构成为：功率管T1、T2构成桥臂A，桥臂中点为a；功率管T3、T4构成桥臂B，桥臂中点为b；功率管T5、T6构成桥臂C，桥臂中点为c；功率管T7、T8构成桥臂D，桥臂中点为d。电流采样模块获得的电流、电压采样模块获得的电压和霍尔位置信号采集模块获得的位置信号都传输给微控制器，由微控制器处理，产生相应的单管开路故障标志信号；电机A相绕组输入端接到桥臂中点a，C相绕组输入端接到桥臂中点c，A、C相绕组输出端相连，A、C相构成通道U；B相绕组输入端接到桥臂中点b，D相绕组输入端接到桥臂中点d，B、D相绕组输出端相连；B、D相构成通道V。

将8个功率管分为四组：

第一组记为F1，其包括上管T1和下管T6，构成通道U；

第二组记为F2，其包括上管T3和下管T8，构成通道V；

第三组记为F3，其包括上管T5和下管T2，构成通道U；

第四组记为F4，其包括上管T7和下管T4，构成通道V。

图2是本发明采用的四相电励磁双凸极电机的电感曲线图和理想四相电流波形，电励磁双凸极电机电动运行时，遵循“电感上升区间对应相绕组通入正向电流，电感下降区间对应相绕组通入负向电流”的原则，这样可以使电机获得恒定方向的转矩，从而连续运行。电机采用四相四状态控制方波电流策略：

状态一：功率管T5、T2、T7、T4导通，功率管T1、T6、T3、T8关断，电流正负为A-,B-,C+,D+；

状态二：功率管T1、T6、T7、T4导通，功率管T5、T2、T3、T8关断，电流正负为A+,B-,C-,D+；

状态三：功率管T1、T6、T3、T8导通，功率管T5、T2、T7、T4关断，电流正负为A+,B+,C-,D-；

状态四：功率管T5、T2、T3、T8导通，功率管T1、T6、T7、T4关断，电流正负为A-,B+,C+,D-；

图3是本发明的霍尔位置信号及其逻辑运算之后的信号，其中，信号S1＝P3·P4，在运行状态一时为高，其他状态为低；信号S2＝P1·P4，在运行状态二时为高，其他状态为低；信号S3＝P1·P2，在运行状态三时为高，其他状态为低；信号S4＝P2·P3，在运行状态四时为高，其他状态为低；这样一来，四个信号S1、S2、S3、S4分别表示电机一个运行电周期的四个状态。

图4是本发明的单管开路故障检测方法的流程图，如图4所示，一种四相电励磁双凸极电机系统功率管单管开路故障检测方法，包括以下步骤：

(1)将故障范围缩小到两个功率管的过程：

(1-1)实时检测A、B相的电流值作为通道U、V的电流i_u、i_v：在连续10个采样周期内求i_u和i_v的绝对值，进行累加得到|i_u|_(sum)和|i_v|_(sum)，设定ε＝20％I_amp，I_amp是正常运行时的电流幅值；

(1-2)若|i_u|_(sum)<ε且|i_v|_(sum)>ε，则功率管开路故障位于通道U，通道U内的可能故障为F1(上管T1或下管T6)和F3(上管T5或下管T2)，对此时的状态信号S2和S3进行或运算得到S23，若S23＝1，则故障为F1，否则为F3；

(1-3)若|i_u|_(sum)>ε且|i_v|_(sum)<ε，则功率管开路故障位于通道V，通道V内的可能故障为F2(上管T3或下管T8)和F4(上管T7或下管T4)，对此时的状态信号S3和S4进行或运算得到S34，若S34＝1，则故障为F2，否则为F4；

(1-4)若|i_u|_(sum)<ε且|i_v|_(sum)<ε，则发生多相开路故障，进行其他处理，然后结束检测。

(2)根据相桥臂中点电压特性确定故障管：

(2-1)采样获得四相桥臂中点a，b，c，d相对于母线负极的电压U_an，U_bn，U_cn，U_dn，电流控制采用滞环控制，上下管均斩波，T1、T6开通时，U_an为母线电压值，T1、T6关断时，U_an为0；T5、T2开通时，U_cn为母线电压值，T5、T2关断时，U_cn为0；T3、T8开通时，U_bn为母线电压值，T3、T8关断时，U_bn为0；T7、T4开通时，U_dn为母线电压值，T7、T4关断时，U_dn为0；

(2-2)若故障为F1，即上管T1或下管T6故障；

若故障管为T1，在状态一和状态四与正常运行时相同，在状态二和状态三内由于T1开路故障，A相桥臂中点电压这个值略大于0，与正常运行时U_a要么为母线电压值要么为0有所区别；若故障管为T6，在状态一和状态四与正常运行时相同，在状态二和状态三内由于T6开路故障，A相桥臂中点电压这个值略小于母线电压值U_dc，与正常运行时U_an要么为母线电压值要么为0有所区别；

采样电压U_an，将状态信号S2与S3进行或运算得到S23＝S2+S3，当S23＝1时，若0<U_an<U_dc/2，故障为上管T1，若U_dc/2<U_an<U_dc，故障为下管T6。

同样的道理：

(2-3)若故障为F2，即上管T3或下管T8故障；

若故障管为T3，在状态一和状态二与正常运行时相同，在状态三和状态四内由于T3开路故障，B相桥臂中点电压这个值略大于0，与正常运行时U_bn要么为母线电压值要么为0有所区别；

若故障管为T8，在状态三和状态四与正常运行时相同，在状态一和状态二内由于T8开路故障，B相桥臂中点电压这个值略小于母线电压值U_dc，与正常运行时U_bn要么为母线电压值要么为0有所区别；

采样电压U_bn，将状态信号S3与S4进行或运算得到S34＝S3+S4，当S34＝1时，若0<U_bn<U_dc/2，故障为上管T3，若U_dc/2<U_bn<U_dc，故障为下管T8；

(2-4)若故障为F3，即上管T5或下管T2故障；

若故障管为T5，在状态二和状态三与正常运行时相同，在状态一和状态四内由于T5开路故障，C相桥臂中点电压这个值略大于0，与正常运行时U_cn要么为母线电压值要么为0有所区别；

若故障管为T2，在状态一和状态四与正常运行时相同，在状态二和状态三内由于T2开路故障，C相桥臂中点电压这个值略小于母线电压值U_dc，与正常运行时U_cn要么为母线电压值要么为0有所区别；

采样电压U_cn，将状态信号S1与S4进行或运算得到S14＝S1+S4，当S14＝1时，若0<U_cn<U_dc/2，故障为上管T5，若U_dc/2<U_cn<U_dc，故障为下管T2；

(2-5)若故障为F4，即上管T7或下管T4故障；

若故障管为T7，在状态三和状态四与正常运行时相同，在状态一和状态二内由于T7开路故障，D相桥臂中点电压这个值略大于0，与正常运行时U_dn要么为母线电压值要么为0有所区别；

若故障管为T4，在状态一和状态二与正常运行时相同，在状态三和状态四内由于T4开路故障，D相桥臂中点电压这个值略小于母线电压值U_dc，与正常运行时U_dn要么为母线电压值要么为0有所区别；

采样电压U_dn，将状态信号S1与S2进行或运算得到S12＝S1+S2，当S12＝1时，若0<U_dn<U_dc/2，故障为上管T7，若U_dc/2<U_dn<U_dc，故障为下管T4。

图5是本发明的四相电励磁双凸极电机系统变换器单管开路故障检测的MaTLAB模型。

图6(a)是本发明的模拟T1开路故障得到的Uan电压波形和T1开路故障标志信号，使用本单管开路故障检测方法，使用Simulink模型进行仿真，母线电压设置为200V，设置T1在0.1s处发生开路故障，得到的采样电压U_an和T1开路故障标志信号FlagT1，在故障发生后故障标志信号置高，成功检测到T1开路故障。

图6(b)是本发明的模拟T6开路故障得到的U_an电压波形和T6开路故障标志信号，使用本单管开路故障检测方法，使用Simulink模型进行仿真，母线电压设置为200V，设置T6在0.1s处发生开路故障，得到的采样电压U_an和T6开路故障标志信号FlagT6，在故障发生后故障标志信号置高，成功检测到T6开路故障。