郭立煒，周昇龍，安國慶，王雪嬌

（1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.中國北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

基于中點(diǎn)電壓信號分析的逆變器功率管開路故障診斷研究

郭立煒1，周昇龍2，安國慶2，王雪嬌3

（1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.中國北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

利用電流信號作為逆變器故障信息的診斷方法易受到負(fù)載、噪聲等因素的影響，且診斷周期長、通常需要一定的軟件算法、空載或輕載時易出現(xiàn)誤診斷。針對該問題，提出對橋臂中點(diǎn)電壓信號與脈沖信號進(jìn)行相關(guān)邏輯分析的方法，從而實(shí)現(xiàn)逆變器功率管開路故障的診斷，給出了功率管開路故障輸出信號的邏輯表達(dá)式，以及相關(guān)硬件電路設(shè)計方法。對逆變器功率管觸發(fā)脈沖信號的上升沿進(jìn)行延時，可有效地避免因功率管開通和關(guān)斷延遲造成的誤診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效地診斷逆變器單相單功率管的開路故障，診斷實(shí)時性強(qiáng)，硬件電路開銷小，方法有效可行。

電機(jī)學(xué)；直流無刷電機(jī)；逆變器；功率管開路

直流無刷電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障的部位主要集中在電機(jī)本體、電子換向器、控制器以及位置傳感器等部位。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，功率變換器故障占整個驅(qū)動系統(tǒng)故障的82.5%［1］，因此，有效防止逆變器故障是提高直流無刷電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性的根本。

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的電流和電壓承載著逆變器的故障信息，經(jīng)過一系列理論分析與實(shí)驗(yàn)考證，電流診斷方法可直接利用系統(tǒng)中的電流傳感器，無需額外硬件，但其檢測周期通常在一個基波周期之上，并且容易受到噪聲、負(fù)載等因素的影響，且在空載或輕載情況下容易出現(xiàn)誤診斷。這是因?yàn)樵陂]環(huán)系統(tǒng)中，控制器的修正作用使得電流診斷方法明顯地局限在開環(huán)控制系統(tǒng)中［2］。電壓信號的逆變器功率管開路故障診斷方法能有效地縮短診斷時間并且在一定程度上避免電流的畸形對診斷結(jié)果的影響［3］。針對逆變器開路故障，文獻(xiàn)［4］提出了基于逆變器電壓模型的診斷方法開路故障時逆變器功率管的相電壓、線電壓或中性點(diǎn)電壓將與正常工況下的電壓有所不同，通過這些電壓的差別均可對逆變器進(jìn)行故障診斷，但由于功率管的開關(guān)時間與死區(qū)時間的影響以及電機(jī)系統(tǒng)中噪聲的影響將有可能出現(xiàn)誤診斷，同時診斷時間也比較長。文獻(xiàn)［5］利用調(diào)制后的相電壓與預(yù)設(shè)定的閾值電壓相比較，對比較輸出后的結(jié)果進(jìn)行積分運(yùn)算，積分輸出后再經(jīng)過另一個閾值比較器得到故障診斷的結(jié)果，這種方法有效地避免了誤差與噪聲對測量結(jié)果的影響，同時也在一定程度上縮短了診斷時間。文獻(xiàn)［6］采用雙重標(biāo)準(zhǔn)，即電壓標(biāo)準(zhǔn)與時間標(biāo)準(zhǔn)，其中電壓標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用到了文獻(xiàn)［5］中的電壓閾值比較器，同理運(yùn)用相關(guān)的計數(shù)器即可實(shí)現(xiàn)時間標(biāo)準(zhǔn)的判定，利用閾值比較器使計數(shù)器清零或者禁止，當(dāng)計數(shù)值超過設(shè)定的某一數(shù)值時即可認(rèn)為功率管發(fā)生了開路故障。

但以上方法的共同問題在于只能確定出現(xiàn)開路故障的橋臂，并不能定位到具體的開關(guān)器件。針對以上情況，現(xiàn)利用故障狀態(tài)下功率器件承受的電壓信號的變化，將橋臂中點(diǎn)電壓和脈沖信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算來鎖定故障器件位置。

1 系統(tǒng)建模

逆變器與直流無刷電機(jī)的等效電路圖如圖1所示。

圖1 逆變器與直流無刷電機(jī)的等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of inverter and brushless DC motor

直流側(cè)電壓為udc，電機(jī)可以等效為電阻、電感和反電勢串聯(lián)，因此直流無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型可由式（1）來描述：

式中：uUN，uVN，uWN為三相電壓（V）；iU，iV，iW為三相繞組電流（A）；eU，eV，eW為三相反電勢（V）；R為繞組電阻（Ω）；L為定子電感（H）；

繞組中性點(diǎn)N對母線地G點(diǎn)的電壓為uNG，根據(jù)電路的拓?fù)浼s束和基爾霍夫定律，有：

因?yàn)橛校篿U＋iV＋iW＝0，且假設(shè)三相的反電勢平衡，即eU＋eV＋eW＝0，則可得uUN＋uVN＋uWN＝0。繞組中性點(diǎn)N對母線地G點(diǎn)的電壓為uNG：

經(jīng)過以上公式的整理可得負(fù)載各相的相電壓分別為

2 逆變器功率管開路診斷原理

圖2為電壓源逆變器常用的橋式拓?fù)潆娐贰?/p>

圖2 逆變器橋式拓?fù)鋱DFig.2 Inverter bridge topology

功率管的開關(guān)狀態(tài)由觸發(fā)脈沖信號來描述，U，V，W橋臂的脈沖信號分別為ugU，ugV，ugW，由于同一個橋臂上、下2個功率管的開關(guān)狀態(tài)是互補(bǔ)的，因此當(dāng)橋臂脈沖信號為1時，就表示橋臂的上管開通下管關(guān)斷；當(dāng)橋臂的觸發(fā)脈沖信號為0時，就表示此時橋臂的上管關(guān)斷下管開通［7］。在此假設(shè)逆變器功率管是理想情況下的開關(guān)器件并且不考慮功率管的開關(guān)死區(qū)，正常工作時U，V，W相的下管電壓與觸發(fā)脈沖信號ugU，ugV，ugW之間的關(guān)系可以表示為

逆變器功率管的開路故障是其最常見的故障模式，當(dāng)逆變器某一橋上的功率管發(fā)生開路故障時，式（5）將不能用來描述功率管承受的正向電壓。因此，通過檢測逆變器功率管實(shí)際承受的電壓與式（5）理論分析得出的電壓是否一致，即可判斷逆變器功率管是否發(fā)生了故障。

3 基于中點(diǎn)電壓信號分析的診斷方法

3.1 功率管電壓信號分析

根據(jù)逆變器的模型，逆變器功率管承受的電壓可以由式（6）來描述。

當(dāng)逆變器某一橋臂上的功率管發(fā)生開路故障且與該功率管并聯(lián)的二極管沒有續(xù)流時，式（6）就不能描述此時該器件的電壓，因此，通過監(jiān)測功率管實(shí)際情況下承受的電壓即可判斷該器件是否發(fā)生了開路故障。

以U相為例，逆變器工作在正常情況下，上管脈沖信號ug1為1時上管電壓uV1為0，上管脈沖信號ug1為0時上管電壓uV1為udc，上、下兩管的脈沖信號互補(bǔ)，因此上、下管的電壓信號也是互補(bǔ)的，即U相上、下兩管不能同時導(dǎo)通［8］。當(dāng)功率管V1發(fā)生開路故障時將有以下兩種情況：一是故障發(fā)生在上管脈沖信號ug1為0時，上管ug1脈沖信號為0，此時無論是正常還是開路故障，功率管V1的電壓都顯示為udc，但是當(dāng)脈沖信號從0變?yōu)?時，這時上管電壓信號應(yīng)為0，但是由于功率管V1發(fā)生了開路故障，此時U相上管仍為udc，而正常工況下此時的U相上管電壓應(yīng)為0；二是故障發(fā)生在上管脈沖信號ug1為1時，此時根據(jù)上述分析U相上管功率管V1電壓為0，但由于功率管V1發(fā)生開路故障，V1承受的電壓應(yīng)仍為udc。同理U相下管功率管V2發(fā)生故障后也有以上兩種情況，其診斷原理與上管診斷原理一致。

3.2 故障信號邏輯運(yùn)算分析

以U相橋臂為例，正常模式、V1開路故障和V2開路故障3種狀態(tài)下，器件正向電壓所示為逆變器的器件電壓時序圖如圖3和圖4所示。

圖3 正常模式下逆變器功率管的電壓時序圖Fig.3 Voltage sequence diagram of inverter switch running normal model

圖4 V1和V2開路故障逆變器功率管的電壓時序圖Fig.4 Voltage sequence diagrams of inverter switch with V1and V2open circuit faulst

u′V1和u′V2分別為V1開路故障后功率管V1和V2的電壓。正常模式與V1開路故障時的器件電壓見表1。

表1 正常模式與V1開路故障時的器件電壓Tab.1 Device voltage under normal model and V1open circuit fault

在脈沖信號ug1＝1，ug2＝0的情況下，即功率管V1的觸發(fā)脈沖信號為高電壓，但由于續(xù)流二極管的續(xù)流作用，此時電流不能通過功率管流入電機(jī)繞組，則功率管V1的電壓為udc，而功率管V2的電壓為0。這種情況下與正常狀況相比，V1開路故障后的電壓與正常工況下的電壓不相等。同理，對于功率管V2的開路故障也會有相同的結(jié)果。逆變器的開路故障可以由輸出信號準(zhǔn)確快速地表示出來，開路故障的輸出信號為功率管電壓與其脈沖信號的邏輯與非運(yùn)算關(guān)系，如式（7）表示。

4 硬件電路設(shè)計

按照以上分析，直流無刷電機(jī)逆變器中有6個功率管，如果要得到每個器件的電壓信號，那么必須要具備6個相關(guān)的電壓型傳感器，這將使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，同時成本也會增加。因此為了縮短診斷時間，簡化診斷電路，以下采用高速光耦間接采集橋臂中點(diǎn)電位。

U相中點(diǎn)電壓故障診斷硬件電路如圖5所示。

以U相為例，通過高速光耦采集了U相中點(diǎn)對地電壓的脈沖序列，該信號按式（7）中的邏輯與U相兩功率管的觸發(fā)脈沖參與運(yùn)算，得到了故障診斷信號。通過對以上故障信號的實(shí)時監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)功率管開路故障診斷。

圖5 電壓采集與診斷電路Fig.5 Voltage acquisition and circuit diagnosis

5 仿真結(jié)果分析

對直流無刷電機(jī)逆變器一相單管開路進(jìn)行故障診斷仿真。

圖6為正常運(yùn)行時逆變器U相的上管觸發(fā)脈沖信號。

當(dāng)逆變器工作在正常情況下，U相上管的脈沖信號為高時V1管導(dǎo)通，此時V1管電壓為0；當(dāng)脈沖信號為低時V1管關(guān)斷，此時V1管電壓為高電平，如圖7所示。

由于逆變器正常運(yùn)行時U相上管的脈沖信號與對應(yīng)的功率管電壓信號高、低電壓互補(bǔ)，理論上分析應(yīng)得U相上管電壓信號與脈沖信號進(jìn)行邏輯與非關(guān)系運(yùn)算后結(jié)果應(yīng)為1。然而由于功率管并不是理想的開關(guān)器件，其開通和關(guān)斷過程存在延遲，即每當(dāng)V1管電壓為高電平結(jié)束后，其電壓不會立即變?yōu)榈碗妷海抢^續(xù)保持一段極短時間的高電壓即在健康狀態(tài)下功率管V1開通過程中出現(xiàn)窄脈沖，而此時觸發(fā)脈沖信號也為高，在進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，其運(yùn)算結(jié)果不恒為1，導(dǎo)致誤診斷的發(fā)生，如圖8所示。

圖6 逆變器正常運(yùn)行時U相上管的脈沖信號Fig.6 U phase pulse signal when inverter running normal

圖7 逆變器正常運(yùn)行時U相上管的電壓信號Fig.7 U phase voltage signal when inverter running normal

圖8 V1管誤診斷Fig.8 Diagnose faults of switch V1

為了消除誤診斷，先將觸發(fā)脈沖信號ug1進(jìn)行一定時間的延時，而脈沖信號ug1和ug2的發(fā)生既要考慮到逆變器功率管的開通延時情況又要考慮到逆變器驅(qū)動信號的產(chǎn)生到功率管門極間隔離的延時情況［9］。因此需要對脈沖信號ug1和ug2的上升沿進(jìn)行延時：

式中：t1，t2為脈沖信號ug1和ug2上升延時時間；ton，toff為IGBT開通和關(guān)斷延時時間；tdelay為開關(guān)信號產(chǎn)生到IGBT柵極之間的信號延遲時間；tmin為開關(guān)信號最窄脈沖時間［10］。

由于功率管并不是理想的開關(guān)器件，當(dāng)其脈沖信號為1且功率管處于斷路故障時，其電壓既不會為0也不會為1，而是出現(xiàn)一系列的振動現(xiàn)象［15－17］，因此測得的V1管開路故障時的電壓信號如圖10所示。

圖9 V1管電壓信號與脈沖信號的邏輯運(yùn)算結(jié)果Fig.9 Boolean calculation results of switch V1voltage signal and pulse single

圖10 V1管開路故障時的電壓信號Fig.10 Voltage signal of switch V1with open circuit fault

圖11 V1開路故障時電壓信號與脈沖信號的邏輯運(yùn)算結(jié)果Fig.11 Boolean calculation results of voltage signal and pulse signal with switch V1open circuit fault

經(jīng)過對脈沖信號ug1和ug2的上升沿進(jìn)行延時，將測得的V1管開路故障電壓信號轉(zhuǎn)化為邏輯電平后與脈沖信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到V1管開路故障時電壓信號與觸發(fā)脈沖信號的邏輯運(yùn)算結(jié)果，如圖11所示。

系統(tǒng)中采用高速光耦，診斷光耦處的二極管選用快恢復(fù)型［18］。從圖11可以看出此時電壓信號與脈沖信號經(jīng)過邏輯運(yùn)算后得到的為高、低電平相交替的方波波形，與正常運(yùn)行狀態(tài)下邏輯運(yùn)算恒為1的波形有所不同，從而有效、快速地診斷出直流無刷電機(jī)逆變器一相單管的開路故障［19－21］。

6 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合以上的理論分析并且證明了基于中點(diǎn)電壓信號分析方法的有效性和可行性，該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）通過對脈沖信號上升沿的延時，避免了因功率管開通、關(guān)斷延遲而造成的在健康狀態(tài)下誤診斷情況的發(fā)生；

2）使用高速光耦間接測量每個逆變器橋臂中點(diǎn)的電壓，將采集到的電壓轉(zhuǎn)化為邏輯電平，通過邏輯門的與非運(yùn)算，能有效、快速地定位到具體功率管的故障；

3）省略了以往有關(guān)電壓的測量和比較環(huán)節(jié)，利用脈沖信號與其對應(yīng)的電壓進(jìn)行邏輯運(yùn)算的方法診斷電路簡潔且成本低；

4）有效克服了噪聲影響并獨(dú)立于負(fù)載，適用于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)中，診斷周期在一個周期之內(nèi)。

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系統(tǒng)融典型機(jī)電一體化設(shè)備機(jī)械部件裝調(diào)、電氣控制電路裝調(diào)、氣動系統(tǒng)裝調(diào)、PLC編程、觸摸屏編程、工業(yè)機(jī)器人編程、數(shù)控機(jī)床編程、自動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試于一體，涵蓋了PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝、驅(qū)動調(diào)速、氣動控制、傳感檢測、系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。同時從選材、造型及功能等多方面貼合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，著重體現(xiàn)真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場的技術(shù)應(yīng)用。設(shè)備的各個模塊可分別逐次運(yùn)行，可以由淺入深，漸進(jìn)全面地掌握各項(xiàng)自動控制技術(shù)。通過該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用、訓(xùn)練和培訓(xùn)，幫助學(xué)習(xí)者更好地理解和掌握工業(yè)自動化生產(chǎn)線。

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Diagnosis of inverter switch open circuit faults based on neutral point voltage signal analysis

GUO Liwei1，ZHOU Shenglong2，AN Guoqing2，WANG Xuejiao3
（1.School of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；2.School of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；3.CNR Tangshan Railway Vehicle Company Limited，Tangshan，Hebei 063000，China）

Using the current signal to diagnose inverter faults information is apt to be affected by the load，noise and other factors；besides，it requires long diagnosis period with special algorithms and the diagnosis result is easily to be incorrect with noload or light-load.Focusing on this issue，the logical analysis method is proposed for correlation logical analysis of leg neutralpoint voltage and pulse signal to realize the diagnosis of the open circuit faults of inverter switches.The logical expressions of output signals of inverter power tube open-circuit faults is put forward and interrelated hardware circuit design is also elaborated.Delaying the rising edge of inverter power tube＇s pulse signal can effectively avoid the diagnosis error caused by the power tube＇s switching on/off.The experiment results show that the method can effectively diagnose the open-circuit faults of singlephase single power tube inverter in real-time and the hardware circuit cost is low，which shows it is effective and feasible.

motor learning；brushless DC motor；inverter；power tube open-circuit

TM346

A

1008-1542（2015）01-0045-07

10.7535/hbkd.2015yx01010

2014-09-17；

2014-10-25；責(zé)任編輯：陳書欣

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金（QN2014205）；河北科技大學(xué)五大平臺開放基金（TY34）

郭立煒（1956—），男，黑龍江克山人，教授，博士，主要從事電機(jī)故障診斷方面的研究。

E-mail：guoliwei＠hebust.edu.cn

郭立煒，周昇龍，安國慶，等.基于中點(diǎn)電壓信號分析的逆變器功率管開路故障診斷研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報，2015，36（1）：45-51.

GUO Liwei，ZHOU Shenglong，AN Guoqing，et al.Diagnosis of inverter switch open circuit faults based on neutral point voltage signal analysis［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（1）：45-51.