蔡志端，王玉龍，王玉玲，荀 倩

（1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院，湖州 313000；2.浙江超威創(chuàng)元實業(yè)有限公司，湖州 313100）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計在工業(yè)應(yīng)用中38%的事故是由于功率電路引起[1]，功率半導(dǎo)體器件失效故障占總故障的21%；關(guān)于功率變換器穩(wěn)定性的一個工業(yè)調(diào)查顯示認(rèn)為功率器件和驅(qū)動是脆弱的人分別占31%[2]。同樣，在永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電路中，逆變器的功率半導(dǎo)體器件及其控制電路是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)功率器件發(fā)生故障時，如果不及時診斷并加以消除，將造成二次故障發(fā)生，最終導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓停機，給工業(yè)生產(chǎn)帶來極大經(jīng)濟損失或者安全事故。為此，針對逆變器的故障診斷尤為重要。

目前針對逆變器的故障診斷得到了廣泛研究，文獻[3,4]對相關(guān)的診斷技術(shù)進行了綜述。目前，功率變換器故障診斷研究的熱點是電機變速系統(tǒng)中電壓源逆變器的開路故障。從檢測變量的角度可將故障診斷方法分為基于電流量和基于電壓量的診斷方法?；陔娏鞯墓收显\斷方法更會受閉環(huán)和負(fù)載變化的影響[5]。基于電壓法相對基于電流法診斷速度快，對負(fù)載變化不敏感，但需要額外增加電壓傳感器。按照故障診斷權(quán)威P.M.Frank教授對故障診斷方法的分類可將故障診斷方法分為三大類：基于解析模型[6,7]、基于信號處理[8,9]、基于知識[10]的開路故障診斷方法。其中，基于解析模型中的狀態(tài)觀測器殘差生方法成已成為重要的故障診斷方法之一。無故障情況下，殘差值較小或者趨近于零，而當(dāng)系統(tǒng)有故障時殘差值相比無故障時有明顯變化，通過設(shè)置一閾值，并將殘差與設(shè)置的閾值比較即可實現(xiàn)故障的診斷。文獻[11～13]針對功率變換器開路故障采用龍貝格狀態(tài)觀測器計算相電流殘差實現(xiàn)診斷。以上狀態(tài)觀測器的輸出會受到系統(tǒng)參數(shù)變化或輸入擾動等不確定性影響，而為了提升故障診斷的魯棒性，常要求故障診斷方法對系統(tǒng)存在不確定干擾輸入下也能正確完成故障檢測與識別。滑模觀測器繼承了變結(jié)構(gòu)控制算法良好的魯棒性優(yōu)點，在系統(tǒng)參數(shù)或者外部擾動等不確定性存在時都能保持良好的輸出，產(chǎn)生對不確定干擾具有魯棒性而對故障信息具有敏感性的殘差[14]。文獻[2,7]采用滑模觀測器估計相電流，由于該文獻中滑模控制律采用的是開關(guān)切換函數(shù)，其抖振抑制效果不理想，降低了故障診斷的準(zhǔn)確率。所以，在充分利用電機矢量驅(qū)動系統(tǒng)中已有的參數(shù)，避免增加額外傳感器情況下，本文針對永磁同步電機矢量控制驅(qū)動系統(tǒng)中三相電壓源逆變器功率管開路故障，提出一種基于改進的滑模觀測器和二維靜止坐標(biāo)系中電流相角度的故障診斷方法?；Ｓ^測器選用一種改進型切換控制函數(shù)來抑制抖振，提升故障診斷的正確率和對外界干擾的魯棒性；選用電流相角度為故障特征量，提升故障診斷方法的魯棒性。最后，通過仿真實驗驗證改進型故障診斷方法正確性和強魯棒性能。

1 滑模觀測器設(shè)計

表面貼式永磁同步電機驅(qū)動電路如圖1所示，逆變器采用電壓矢量控制120度導(dǎo)電方式。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下逆變器數(shù)學(xué)模型為：

圖1 永磁同步電機驅(qū)動電路

式中uα、uβ為定子相電壓在二維靜止坐標(biāo)系α、β軸分量；iα、iβ為定子相電流在α、β軸分量；L、Rs為定子等效電感和等效電阻；J分別為轉(zhuǎn)子角速度，永磁體磁鏈，轉(zhuǎn)子位置，和轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)式(1)，式(2)數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)方程簡記為：

根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論與式(2)設(shè)計滑模觀測器狀態(tài)方程為：

s 為符號函數(shù)：

由于符號函數(shù)的不連續(xù)性和高頻切換使得電流估計值在滑模面發(fā)生高頻抖振，大大降低了估計值的準(zhǔn)確性，甚至危及觀測器的穩(wěn)定性[15,16]。為此，考慮滑?？刂七^程抖振抑制問題，改進滑?？刂屏浚蒘型函數(shù)Sigmoid函數(shù)[17]替代不連續(xù)的符號函數(shù)作為切換控制量，達到減小高頻抖振的目的，其中：

改進后的滑模觀測器為：

2 基于滑模觀測器的故障診斷

故障診斷的核心思想是在不同的開關(guān)狀態(tài)下計算觀測器輸出值與逆變器實測值之間的殘差，比較殘差與閾值的大小。若殘差大于所設(shè)閾值表示相關(guān)相有開路故障，否則逆變器正常無故障。故障診斷包括故障檢測與故障定位兩部分。由于永磁同步電機系統(tǒng)是一變速系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)中逆變器電流依賴于電機轉(zhuǎn)速與負(fù)載，所以故障診斷方法必須對電機負(fù)載和轉(zhuǎn)速具有強魯棒性。

故障檢測是判斷整個逆變器是否正常，本文提出的故障檢測方法是基于二維靜止坐標(biāo)系下，以橫縱軸兩電流分量相位角為故障特征量，計算觀測器值與實際值的殘差。

永磁同步電機矢量控制中，電流相角度θ與電機轉(zhuǎn)速相關(guān)，對電機負(fù)載不敏感。電機轉(zhuǎn)速可直接由轉(zhuǎn)子機械角度θm求導(dǎo)計算獲得。由于永磁同步電機矢量控制中，轉(zhuǎn)子機械角度可以通過電機位置傳感器獲取。所以，電流相電角度實際值θ是可以通過轉(zhuǎn)子機械角度θm計算獲得，其關(guān)系為：

其中p為電機極對數(shù)。

根據(jù)公式(13)，可得電流相角度估計值為：

逆變器功率管開路故障定位是基于電流相角度。根據(jù)文獻[18，19]研究成果，不同相開路故障其對應(yīng)的相角度不同。表I列出不同開關(guān)管故障下的電流相角度取值范圍。

表1 不同相開路故障下電流相角度取值

3 實驗

使用MATLAB/Simulink，建立三相六開關(guān)逆變器永磁同步電機矢量控制模型，仿真實驗驗證所提出故障診斷算法的有效性與可行性。仿真參數(shù)如下：直流側(cè)電壓Udc=310V，調(diào)制頻率為10KHz，電機參數(shù)如表II所示。圖2為逆變器正常情況下的仿真結(jié)果，實驗結(jié)果表明滑模觀測器估計值可正確估計逆變器電流相角度，此時電流相角度殘差較小。圖3為當(dāng)逆變器中Q1功率開關(guān)管發(fā)生開路故障后的實驗結(jié)果。此時在兩個開關(guān)狀態(tài)下，電流估計值與實際值有明顯的變化，電流相電度殘差較大且維持時間較長。故障診斷方法能正確檢測逆變器A相開路故障。圖4為逆變器中不同功率開關(guān)管開路故障后電流相角度估計值。實驗表明文獻所提出的故障診斷方法能正確定位不同相開路故障。圖5為當(dāng)電機負(fù)載轉(zhuǎn)速變化時對Q1開路故障診斷的實驗結(jié)果。結(jié)果表明，不同轉(zhuǎn)速下，故障特征值變化極小，表明該故障診斷方法對電機負(fù)載轉(zhuǎn)速變化具有強魯棒性。

圖4 Q1和Q3開路故障時電流相角度估計值

圖5 Q1開路故障不同轉(zhuǎn)速時電流相角度估計值

表2 永磁同步電機參數(shù)

圖2 正常時電流相角度實際值與估計值

圖3 Q1開路故障時電流相角度實際值與估計值

4 結(jié)論

應(yīng)用于永磁同步電機驅(qū)動的逆變器易出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)停機，而這將帶來經(jīng)濟損失或安全事故。為處理該不可預(yù)測故障，提升系統(tǒng)的可靠性，針對永磁同步電機系統(tǒng)非線性、變速、強干擾等特點，文章提出一種強魯棒故障診斷方法。該故障診斷方法采用滑模觀測器估計二維靜止坐標(biāo)系中電流相角度，并以此為故障特征量實現(xiàn)故障診斷。由于滑模觀測器對輸入干擾等不確定性不敏感，電流相角度對電機負(fù)載、速度變化不敏感等特點，文章提出的故障診斷方法具有強魯棒性特點。文章對故障診斷算法的理論推導(dǎo)與性能評估進行了研究與驗證。

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