相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法

摘要

本发明公开了一种相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法，首先采用三相期望电压进行归一化得到三相期望电压的检测变量dn，并根据三相期望电压的绝对值的平均值计算得到检测变量an，通过检测变量dn和检测变量an的阈值km和kd判断得到故障指示Dn和An，根据故障指示Dn和An在故障定位表一中查找定位发生开路故障的开关管。对于故障定位表一中存在三种故障可能性的故障，可以通过将确定发生开路故障的开关管所在的桥臂用冗余的第四个桥臂来替代的方法进一步进行故障定位。本发明应用于电动汽车驱动控制系统中的三相逆变器开路故障检测，可以实现最多27种开路故障检测，为系统的容错控制和故障处理提供准确依据。

说明书

技术领域

本发明属于三相逆变器故障检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种相冗 余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法。

背景技术

近年来，由电压型逆变器供电的电机驱动系统在电动汽车上得到了大量应 用，但是其中的逆变器却极易发生故障。为了提高电动汽车的安全性和可靠性， 需要对逆变器的故障进行实时有效的检测、定位和隔离，并采取容错控制。

为了不降低系统性能，目前使用最为广泛的是在三相逆变器采用相冗余容 错结构。图1是相冗余容错结构的三相逆变器示意图。如图1所示，相冗余容 错结构的三相逆变器中，T1～T6六个开关管组成三相逆变器，T7、T8组成冗余 的第四个桥臂11，用于隔离故障相的三个双向晶闸管12，用来切换第四个桥臂 的三个双向晶闸管13。三相逆变器正常工作时，第四个桥臂不参与工作；发生 故障时，用第四个桥臂11接替故障相继续工作。图2是基于相冗余容错结构的 电机驱动控制器的系统框图。如图2所示，基于相冗余容错结构的电机驱动控 制器包括，矢量控制模块21、SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation， 空间矢量脉宽调制）调制模块22、相冗余容错逆变器23、电机24、速度传感器 25、电流传感器26和开路故障检测模块27。

实现容错控制的前提是对逆变器故障进行检测。目前，针对逆变器开关管 短路故障已经进行了大量的实质性工作，而开关管的开路故障并没有得到应有 的重视，因为开路故障发生后并不会导致系统马上停机，但是它可能导致其他 逆变器组件的二次故障，最后给系统带来高额的维修成本。

针对逆变器开关管的开路故障，目前主要的研究方向之一是基于电压的故 障检测方法。图3是基于电压的逆变器开关管开路故障检测方法示意图。如图3 所示，基于电压的逆变器开关管开路故障检测方法包括以下步骤：

（1）将两相静止坐标系下的参考电压u_α、u_β（通常由电机期望转速理 论换算得到）经过Clark坐标变换转化为三相参考电压u_a、u_b、u_c，将两相静止 坐标系下的期望电压（由矢量控制模块根据电机期望转速电机实际 转速电机三相电流得到）经过Clark坐标变换转化为三相期望电压$u_c^{*}:$

$\left(\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }\\ u_{\beta }\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{u}_a^{*}\\ u_b^{*}\\ u_c^{*}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\sqrt{\frac{3}{2}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_{\alpha }^{*}\\ u_{\beta }^{*}\end{array}\right)$

（2）计算开路故障检测变量d_n：

首先计算三相参考电压和三相期望电压的差：

$e_n=u_n-u_n^{*}$

其中，n∈{a,b,c}；

为了排除负载变化带来的影响，采用直流母线电压进行归一化处理，最后 求平均值得到检测变量：

$d_n=<\frac{e_n}{V_{\mathrm{DC}}}>$

正常情况下，一个周期内＜e_n＞≈0，所以d_n≈0。在逆变器故障时，输出的电 机三相电流会产生变化，从而导致三相参考电压和三相期望电压的差e_n产生变 化，使一个周期内的检测变量d_n产生变化，因此可以通过检测变量d_n的值来判 断故障。

（3）判断并定位具体的开路故障：

表1是逆变器故障判断表。其中，k_d为预设阈值。

开路故障开关管 d_ad_bd_cT1 ＞k_d    T2 ＜-k_d    T3   ＞k_d  T4   ＜-k_d  T5     ＞k_dT6     ＜-k_d

但是基于电压的故障检测方法存在以下缺点：

（1）只能检测和定位单个开关管的开路故障，而对多个开关管同时发生开 路故障就无能为力；

（2）所需要的两相静止坐标系下的参考电压u_α、u_β在一般的控制系统中需 单独计算，因此将增加计算量；

（3）为了消除负载变化给开路故障检测带来的影响，该方法采用直流母线 电压进行归一化处理，这就需要母线电压采集电路，对部分控制系统来说增加 了成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种相冗余容错结构的三相 逆变器开路故障检测方法，可以实现27种开路故障检测，为系统的容错控制和 故障处理提供准确依据。

为实现上述发明目的，本发明相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测 方法，包括以下步骤：

S1：从电机驱动系统闭环控制系统中获得期望电压然后将经过Clark坐标变换转化为三相期望电压

S2：计算检测变量d_n：

$d_n=\frac{<u_n^{*}>}{<\left|u_n^{*}\right|>}$

其中，是三相期望电压的平均值，是三相电压的绝对值的平均 值；

S3：计算检测变量a_n：

$a_a=\frac{2<\left|u_a^{*}\right|>}{<\left|u_b^{*}\right|>+<\left|u_c^{*}\right|>}$

$a_b=\frac{2<\left|u_b^{*}\right|>}{<\left|u_a^{*}\right|>+<\left|u_c^{*}\right|>}$

$a_c=\frac{2<\left|u_c^{*}\right|>}{<\left|u_a^{*}\right|>+<\left|u_b^{*}\right|>}$

S4：设定检测变量d_n和检测变量a_n的阈值k_m和k_d，判断得到故障指示D_n和 A_n：

$D_n=\left(\begin{array}{cc}N& d_n\le -k_m\\ 0& \left|d_n\right|<k_m\\ P& d_n\ge k_m\end{array}\right)$

$A_n=\left(\begin{array}{cc}H& a_n>k_d\\ L& a_n\le k_d\end{array}\right)$

S5：根据得到的故障指示D_n和A_n在故障定位表一中查找定位发生开路故障 的开关管。

进一步地，故障定位表一中存在三种故障可能性的故障采用以下方法进行 进一步故障定位：

将确定发生开路故障的开关管所在的桥臂用冗余的第四个桥臂来替代，重 新获取期望电压计算得到故障指示D′_n，根据包含12种开路故障的故障定位表二 查找定位发生开路故障的开关管。

本发明相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法，首先采用三相期 望电压进行归一化得到三相期望电压的检测变量d_n，并根据三相期望电压的绝 对值的平均值计算得到检测变量a_n，通过检测变量d_n和检测变量a_n的阈值k_m和 k_d判断得到故障指示D_n和A_n，根据故障指示D_n和A_n在故障定位表一中查找定位 发生开路故障的开关管。对于故障定位表一中存在三种故障可能性的故障，可 以通过将确定发生开路故障的开关管所在的桥臂用冗余的第四个桥臂来替代的 方法进一步进行故障定位。

本发明具有以下有益效果：

（1）可以定位出27种开路故障，为系统的容错控制或者故障处理提供了 更为准确的依据；

（2）本发明中使用的输入量都可以直接从电机驱动控制系统中获得，因此 不需要增加额外的传感器或者其他硬件电路；

（3）算法简单、整体计算量小；

（4）通过检测变量阈值的合理设置，可以容忍电机转速变化或负载变化造 成的检测变量波动，避免故障误报。

附图说明

图1是相冗余容错结构的三相逆变器示意图；

图2是基于相冗余容错结构的电机驱动控制器的系统框图；

图3是基于电压的逆变器开关管开路故障检测方法示意图；

图4是本发明相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法示意图；

图5是实例1的电机三相电流、检测变量d_n和a_n波形图；

图6是实例2的电机三相电流、检测变量d_n和a_n波形图；

图7是电机转速变化过程中电机三相电流、检测变量d_n和a_n波形图；

图8是负载变化过程中电机三相电流、检测变量d_n和a_n波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员 更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和 设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图4是本发明相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法示意图。如 图4所示，本发明相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法包括以下步 骤：

S1：从电机驱动系统闭环控制系统中获得期望电压然后将经过Clark坐标变换转化为三相期望电压

S2：计算检测变量dn。与现有技术不同，本发明中直接采用三相期望电压绝对值的平均值来进行归一化处理，从而消除负载变化带来的影响，计算 方法为：

$d_n=\frac{<u_n^{*}>}{<\left|u_n^{*}\right|>}$

其中，是三相期望电压的平均值，是三相电压的绝对值的平均 值，计算公式为：

$<u_n^{*}>=\frac{w}{2\pi }\underset{0}{\overset{\frac{2\pi }{w}}{\int }}{u}_n^{*}\mathrm{dt}$

$<\left|u_n^{*}\right|>=\frac{w}{2\pi }\underset{0}{\overset{\frac{2\pi }{w}}{\int }}\left|u_n^{*}\right|\mathrm{dt}$

其中，w表示电机的定子电流角频率。

S3：为了检测多个开关管同时开路故障，本发明还增加了一个新的检测变 量a_n：

$a_a=\frac{2<\left|u_a^{*}\right|>}{<\left|u_b^{*}\right|>+<\left|u_c^{*}\right|>}$

$a_b=\frac{2<\left|u_b^{*}\right|>}{<\left|u_a^{*}\right|>+<\left|u_c^{*}\right|>}$

$a_c=\frac{2<\left|u_c^{*}\right|>}{<\left|u_a^{*}\right|>+<\left|u_b^{*}\right|>}$

正常情况下，一个周期内所以d_n≈0，a_n≈1。

S4：设定检测变量d_n和检测变量a_n的阈值k_m和k_d，判断得到故障指示D_n和 A_n：

$D_n=\left(\begin{array}{cc}N& d_n\le -k_m\\ 0& \left|d_n\right|<k_m\\ P& d_n\ge k_m\end{array}\right)$

$A_n=\left(\begin{array}{cc}H& a_n>k_d\\ L& a_n\le k_d\end{array}\right)$

在电机实际运行过程，由于电机转速变化或者负载变化，会使检测变量d_n和 检测变量a_n产生一定的波动，因此阈值k_m和k_d的设置需要能够容忍正常波动。

S5：根据得到的故障指示D_n和A_n在故障定位表一中查找定位发生开路故障 的开关管。表2是故障定位表一。

表2

其中，[Tx]表示开关管Tx可能发生开路故障，也可能正常；(Tx/Ty)表示开 关管Tx和Ty中至少有一个发生开路故障，x、y表示开关管序号，“—”表示该 故障指示可以为任意值，即无论该故障指示为何值，都不影响该故障的判断。

从故障定位表一可以看出，此时根据故障指示D_n和A_n已经可以定位出21 种开路故障，即使有一些无法完全确定的故障，但是可判断的开路故障数量已 经远远多于现有技术。并且本发明还可以采用三相逆变变器的相冗余容错结构 来进一步对存在三种故障可能性的故障（故障10至故障15）进行故障定位，即 利用冗余的第四个桥臂来替代发生开路故障的故障相，重新根据故障指示来定 位故障。具体方法为：

将确定发生开路故障的开关管所在的桥臂用冗余的第四个桥臂来替代，重 新获取期望电压计算得到故障指示D′_n。以故障定位表一中的故障10：T1,T4和 T1,T5&[T4]为例，对于这两种可能的故障情况，可以肯定开关管T1发生开路故 障。因此使用第四个桥臂代替T1所在的桥臂（即T1和T2）对三相逆变器进行 重构，重构之后可以确定替换之后的T1和T2都是正常的，那么就可以重新采 集数据得到故障指示，根据故障定位表二来判断是T4发生开路故障、T5发生 开路故障、还是T4和T5同时发生开路故障。由于此时三相逆变器中发生开路 故障的开关管数量减少，只需要采用一个故障指示D′_n即可判断出故障，因此故 障定位表二相比于故障定位表一大大简化。表3是故障定位表二。

故障序号 开路故障的开关管 D′_aD′_bD′_c1 T1 P 0 0 2 T2 N 0 0 3 T3 0 P 0 4 T4 0 N 0 5 T5 0 0 P 6 T6 0 0 N 7 T1,T4 P N — 8 T2,T3 N P — 9 T1,T6 P — N 10 T2,T5 N — P 11 T3,T6 — P N 12 T4,T5 — N P

表3

可见，通过利用冗余的第四个桥臂来替代发生开路故障的故障相重新进行 故障定位，可以对故障定位表一中的故障10至故障16进行进一步定位，从而 实现总计27种开路故障的定位。

下面以几个具体实例来说明本发明的故障定位有效性。

实例1：

三相交流异步电机额定功率1.1kW，额定转速1390rpm，额定转矩7.6Nm， 额定电流2.89A，负载转矩为50%的额定负载。设置检测变量阈值k_m=0.08， k_d=0.93。图5是实例1的电机三相电流、检测变量d_n和a_n波形图。如图5所示， 本实例1中设置三相逆变器出现3次故障：时间t=1.6s时，T2发生开路故障； t=1.8s时，T1和T2同时发生开路故障；t=2s时，T1、T2和T4同时发生开路故 障。

a)t=1.4～1.6s，如图5所示，电机三相电流均为对称的正弦波，d_n≈0，a_n≈1， 逆变器正常工作，故障指示D_a＝D_b＝D_c＝0，A_a＝A_b＝A_c＝H，根据故障定位表 一可见没有开关管发生开路故障，三相逆变器工作正常；

b)t=1.6～1.8s，如图5所示，相电流Ia出现负的半波，在t=1.641s时，检测 变量d_a≤-0.08，|d_b|＜0.08，|d_c|＜0.08，a_a＞0.93，a_b＞0.93，a_c＞0.93；可以得 到故障指示D_a＝N、D_b＝0、D_c＝0，A_a＝A_b＝A_c＝H，根据故障定位表一，定 位出开关管T2发生开路故障；

c)t=1.8～2s，如图5所示，相电流Ia接近于零，在t=1.828s时，检测变量 |d_a|＜0.08，|d_b|＜0.08，|d_c|＜0.08，a_a＞0.93，a_b≤0.93，a_c＞0.93；可以得到故障 指示D_a＝D_b＝D_c＝0，A_a＝H、A_b＝L、A_c＝H。根据故障定位表一，定位出开 关管T1和T2同时发生开路故障；

d)t=2～2.2s，如图5所示，相电流Ia接近于零、Ib出现正的半波、Ic出现 负的半波，在t=2.041s时，检测变量|d_a|＜0.08，d_b≤-0.08，d_c≥0.08，a_a＞0.93， a_b≤0.93，a_c＞0.93；所以D_a＝0、D_b＝N、D_c＝P，A_a＝H、A_b＝L、A_c＝H。 根据故障定位表一，可以定位出开关管T1、T2，以及T4和T5中至少一个同时 发生开路故障。

实例2：

三相交流异步电机额定功率1.1kW，额定转速1390rpm，额定转矩7.6Nm， 额定电流2.89A，负载转矩为50%的额定负载。设置检测变量阈值k_m=0.08， k_d=0.93。图6是实例2的电机三相电流、检测变量d_n和a_n波形图。如图6所示， 本实例1中设置三相逆变器出现3次故障：t=1.6s时，T1发生开路故障；t=1.8s 时，T1和T4同时发生开路故障；t=2s时，T1、T4和T5同时发生开路故障。

e)t=1.4～1.6s，如图6所示，电机三相电流均为对称的正弦波，d_n≈0，a_n≈1， 故障指示D_a＝D_b＝D_c＝0，A_a＝A_b＝A_c＝H，根据故障定位表一可见没有开关管 发生开路故障，三相逆变器工作正常；

f)t=1.6～1.8s，如图6所示，相电流Ia出现负的半波，在t=1.649s时，检测 变量d_a≥0.08，|d_b|＜0.08，|d_c|＜0.08，a_a＞0.93，a_b＞0.93，a_c＞0.93；所以故障 指示D_a＝P、D_b＝0、D_c＝0，A_a＝A_b＝A_c＝H，根据故障定位表一，定位出开 关管T1发生开路故障；

g)t=1.8～2s，如图6所示，相电流Ia出现负的半波、Ib出现正的半波，在 t=1.827s时，检测变量d_a≥0.08，d_b≤-0.08，|d_c|＜0.08，a_a＞0.93，a_b＞0.93， a_c＞0.93；所以故障指示D_a＝P、D_b＝N，D_c＝0，A_a＝A_b＝A_c＝H。根据故障 定位表一，可能是T1,T4或者T1,T5或者T1,T4,T5同时发生开路故障。这时， 可以确定的是开关管T1肯定发生了故障，利用第四个桥臂来取代T1所在的桥 臂，然后重构逆变器再进行检测。此时，只有相电流Ib出现正的半波，检测变 量|d_a|＜0.08，d_b≤-0.08，|d_c|＜0.08，故障指示D′_a＝0、D′_b＝N、D′_c＝0，根据故 障定位表二，可以确定T4发生了开路故障。到此，可以确定之前是开关管T1,T4 同时发生开路故障。

h)t=2～2.2s，如图6所示，相电流Ia出现负的半波、Ib出现正的半波、Ic 出现负的半波。检测变量d_a≥0.08，d_b≤-0.08，|d_c|＜0.08，a_a＞0.93，a_b＞0.93， a_c＞0.93；所以故障指示D_a＝P、D_b＝N，D_c＝0，A_a＝A_b＝A_c＝H。根据故障 定位表一，可能是T1,T4或者T1,T5或者T1,T4,T5同时发生开路故障。同样地， 可以确定的是开关管T1肯定发生了故障，因此利用第四个桥臂来取代T1所在 的桥臂，然后重构逆变器再进行检测。此时，相电流Ib出现正的半波，Ic出现 负的半波，检测变量d_b≤-0.08，d_c≥0.08，故障指示D′_b＝N、D′_c＝P，根据故障 定位表二，可以确定T4,T5同时发生了开路故障。到此，可以确定之前是开关 管T1,T4,T5同时发生开路故障。

在电机实际运行过程中，转速或负载会发生变化，矢量控制模块得到的期 望电压也会发生变化。本发明是基于期望电压来进行故障检测的，但是不会电 机转速变化过程或者负载变化过程中发生误报故障的现象。

图7是电机转速变化过程中电机三相电流、检测变量d_n和a_n波形图。如图7 所示，t=1.2～1.4s，转速为1000rpm；t=1.5～1.6s，转速变为1390rpm；t=1.8～2s， 转速变为1000rpm。而在整个转速变化过程中，虽然故障指示存在一定的波动， 但是不会偏差正常值甚至超过阈值，不会产生误报故障的现象。

图8是负载变化过程中电机三相电流、检测变量d_n和a_n波形图。如图8所 示，t=1～1.4s，系统没有加载，为空载状态；t=1.4s，系统突然加载到额定负载； t=1.8s，系统突然变载为空载状态。在整个负载变化过程中，虽然故障指示存在 一定的波动，但是不会偏差正常值甚至超过阈值，不会产生误报故障的现象。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。