楊欣榮，蔣林，王婧林，王蕾

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；2.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都610500；3.國網(wǎng)四川達(dá)州市新橋供電有限責(zé)任公司，四川達(dá)州635000）

0 引 言

無刷直流電機(jī)因其啟動轉(zhuǎn)矩大、功率密度大、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點，在電動汽車、工業(yè)工控以及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。但無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中逆變器由于受電力電子器件的易損壞性及其控制復(fù)雜性的影響，是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，其可靠性一直未能得到充分解決［2］。逆變器中功率管故障會使逆變器工作在非正常狀態(tài)，影響系統(tǒng)性能，并增加其他器件的電流和電壓應(yīng)力，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)陷入崩潰，因此需要對它進(jìn)行及時診斷［3］。功率管的短路和開路是逆變器最常見的故障。短路故障因存在時間極短（通常在10μs以內(nèi)）而難以被診斷［4］。因此，短路故障的診斷和保護(hù)多采用基于硬件電路的設(shè)計來進(jìn)行，文獻(xiàn)［5］對此進(jìn)行了綜述?？蓪⒖焖偃蹟嗥髦踩肽孀冸娐分?，將功率管的短路故障轉(zhuǎn)變?yōu)殚_路，利用開路診斷方法加以處理，便于故障后拓?fù)渲貥?gòu)和容錯控制策略［6］的實施。目前逆變器故障診斷研究都集中在器件開路故障上。

文獻(xiàn)［7-8］采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），多用于永磁同步電機(jī)或交流感應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動控制。文獻(xiàn)［9］選取半個基波周期的電容電壓平均值作為原始信號，采用基于小波多分辨率分析和最小二乘支持向量機(jī)的故障診斷方法，其算法較為復(fù)雜。由于控制策略的不同，故障狀態(tài)下輸出特性不同，這些方法均不適用于方波控制的無刷直流電機(jī)逆變器故障診斷。針對無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中逆變器開路故障，通過對檢測到的三相電流進(jìn)行小波分析，在文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)上改進(jìn)并提出利用3層以上細(xì)節(jié)信號的乘積作為檢測信號，利用其小波能量函數(shù)作為故障特征值來實現(xiàn)故障診斷及定位，該方法能夠準(zhǔn)確的找到故障點。仿真及實驗表明本文所提方法有效可行。

1 理論分析

無刷直流電機(jī)的工作模式如圖1所示。系統(tǒng)多采用三相電壓型橋式逆變器，逆變器中功率管采用兩相120°導(dǎo)通模式來驅(qū)動電機(jī)，三相反電動勢波形為梯形。

圖1 反電動勢波形Fig.1 Back EMF waveform

無刷直流電機(jī)逆變器的輸出電流信號直接反映其工作狀態(tài)，在理想狀態(tài)下，逆變器輸出電流為矩形波，各相電流波形一致，僅存在相位差，電機(jī)在電流對稱狀態(tài)下工作。發(fā)生故障時，輸出三相電流不對稱，電機(jī)在非平衡狀態(tài)下工作。通過分析逆變器輸出三相電流信號，即可有效檢測電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。文章主要針對逆變器單管開路和單相開路故障進(jìn)行檢測與診斷。

（1）單管開路

當(dāng)功率管VT1發(fā)生開路故障后，系統(tǒng)主電路如圖2所示。圖中，Vd為直流電源；C為濾波電容；VT1～VT6為功率開關(guān)管；VD1～VD6為續(xù)流二極管；R為相電阻；L為相電感；eA、eB、eC為反電動勢。若故障發(fā)生時相電流 ia＞0（即圖1中 Mode1，Mode2），電路導(dǎo)通路徑如圖2實線所示，ia無法與電源正極相連，只能通過VD4續(xù)流，從而ia迅速衰減到0。當(dāng)ia＜0（即圖1中 Mode4，Mode5），電路導(dǎo)通路徑如圖2虛線所示，VT1不再起作用，系統(tǒng)正常工作。

圖2 VT1故障系統(tǒng)工作狀態(tài)Fig.2 System working state while VT1 open

因此故障發(fā)生后，相電流ia不再為正，在此過程中，B、C兩相電流相應(yīng)增大來補(bǔ)償缺相電流。其他功率管開路時，系統(tǒng)工作狀態(tài)與之類似，在此不再重復(fù)。

（2）單相開路

若系統(tǒng)運(yùn)行過程中，A相功率管VT1與VT4同時發(fā)生開路故障，系統(tǒng)將出現(xiàn)較大振蕩，相電流ia變?yōu)榱?。電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速減小，反電動勢隨之也迅速降低。再由 ib＝（uB-eB）／Ceφ可知，此時 B、C兩相電流幅值均有明顯增大。若電機(jī)在起動時發(fā)生開路故障，且故障相是起動時最先導(dǎo)通的相，則電機(jī)無法正常起動，若故障相為電機(jī)起動時的懸空相，則電機(jī)起動變慢。其他相開路時，系統(tǒng)工作狀態(tài)與之類似。

2 基于小波分析的故障檢測

針對上述所存在的故障問題，采用基于小波分析的故障檢測方法對系統(tǒng)故障進(jìn)行了識別和定位。

2.1 小波分析

小波分析是一種時-頻域分析工具，它作為一種先進(jìn)的信號處理技術(shù)，通過給信號加上一個時-頻窗口，根據(jù)頻率自動調(diào)節(jié)窗口大小，以確保捕捉到信號中希望得到的有用成分。

小波分析的實質(zhì)是將時域信號x（t）分解為不同尺度。第一次分解是將x（t）分解成兩個子信號，對應(yīng)于把頻率［0，π］的成分分解為［0，π／2］和［π／2，π］的兩部分，分別稱為概貌信號（低頻部分）和細(xì)節(jié)信號（高頻部分）。再下一層的分解則是對低頻部分進(jìn)行類似的分解。該過程可用標(biāo)準(zhǔn)正交基小波函數(shù)ψ（t）和尺度函數(shù) φ（t）來表示為：

式中k為采樣點數(shù)；j為設(shè)定的分解尺度；aj為低頻子空間第j尺度下的概貌分量；dj為高頻子空間第j尺度的細(xì)節(jié)分量。

在電機(jī)發(fā)生故障時，信號中含有大量的時變、短時沖擊、突發(fā)性質(zhì)的成分。由于小波分析不斷地對信號低頻部分進(jìn)行分解，使得其低頻成分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，而其高頻成分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，因此特別適宜于檢測正常信號中帶有瞬時反?，F(xiàn)象的信號，從而廣泛地應(yīng)用于電機(jī)故障檢測與診斷中。

2.2 故障識別

運(yùn)用小波變換提取特征信息時，最重要的是選擇合適的小波基。由于db系列小波具有較好的正則性，該小波信號重構(gòu)過程比較光滑，可較為全面地分析逆變電路的故障信號，故本文選擇db5小波對三相電流進(jìn)行分析。

將采樣到的三相電流以數(shù)組的形式輸出，通過編程對A相電流ia采用db5小波進(jìn)行6層小波分解。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障后，輸出信號將產(chǎn)生如尖峰、突變等畸變，這些均屬于信號的高頻部分。且在高頻尺度上，只有突變點才有信息［11］。因而對三相電流信號小波分解后的高頻成分進(jìn)行分析可實現(xiàn)系統(tǒng)故障檢測。對高頻成分進(jìn)行特征提取的實質(zhì)是對信號去噪，既要求去除噪聲所表現(xiàn)的高頻分量，又要保留反映故障信息的高頻分量。由于噪聲的小波變換系數(shù)模值隨尺度的增大而減小，因此第1、2層細(xì)節(jié)信號（d2，d1）受噪聲影響較大，無法判斷信號故障點。為了減小噪聲的影響，本文選擇層次較高的細(xì)節(jié)信號用于檢測，在傳統(tǒng)分解方法的基礎(chǔ)上提出，如式（2）所示，把第3～6層細(xì)節(jié)信號的乘積F作為新信號，再對該信號進(jìn)行3層小波分解。根據(jù)分解后的小波系數(shù)能夠較為準(zhǔn)確的實現(xiàn)故障點識別。

2.3 故障定位

運(yùn)用小波分析提取信號故障點之后，下一步即故障功率管的定位。當(dāng)系統(tǒng)非正常工作時，其輸出信號能量較正常系統(tǒng)會發(fā)生變化［12］，利用三相電流經(jīng)過小波分解后的各高頻系數(shù)（d3，d2，d1）和一組低頻系數(shù)（a3）的能量值作為故障特征數(shù)據(jù)，可用于判斷發(fā)生故障的相。各系數(shù)的能量值分別記為Ed3，Ed2，Ed1，Ea3，定義能量值為：

由于電流為周期信號，正常工作時其小波分解后各層系數(shù)求和周期內(nèi)正負(fù)相互抵消，式（3）結(jié)果近似為0。無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的逆變器故障前后，其電流信號小波分析的高頻系數(shù)的能量值變化較小，不易分析。低頻分量反映了信號的整體趨勢，可以選用低頻系數(shù)的能量值（Ea3）作為故障特征數(shù)據(jù)來診斷逆變器的故障。

本文將三相電流信號作為樣本輸入，編程實現(xiàn)小波分解判斷故障發(fā)生，再計算能量值判斷故障類型。具體的流程如圖3所示。

圖3 故障診斷流程圖Fig.3 Flowchart of the fault diagnosis

根據(jù)前面的分析可知，系統(tǒng)正常工作時，相電流以矩形波的形式周期性變化，當(dāng)VT1發(fā)生單管開路故障后，相電流ia不再有正分量，a3是原信號經(jīng)小波分解后的逼近信號，其系數(shù)也只有負(fù)值，A相低頻系數(shù)能量值A(chǔ)Ea3驟增。為了補(bǔ)償缺失的正向電流，B、C兩相電流相應(yīng)增大，其低頻系數(shù)能量值BEa3、CEa3相應(yīng)增大，但增加幅度遠(yuǎn)小于AEa3。通過對比故障前后三相電流小波分解的能量值Ea3增量即可實現(xiàn)故障相的判斷。

在確定故障相后，對采樣到的相電流ia進(jìn)行求和計算，再根據(jù)式（4）定位故障功率管：

當(dāng)逆變器某一相發(fā)生開路故障后，該相電流變?yōu)榱悖珽a3也趨近于零，而其他兩相由于相電流幅值的增加，其低頻系數(shù)能量值相應(yīng)增大。通過對比故障前后能量值Ea3的增量即可實現(xiàn)故障相的判斷。

3 仿真及實驗結(jié)果分析

無刷直流電機(jī)系統(tǒng)控制框圖如圖4所示，采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制策略。系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速反饋值與給定轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較后作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后其輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，將該給定值與電流檢測模塊輸出的三相電流進(jìn)行比較，其結(jié)果與換相邏輯信號共同作為電流調(diào)節(jié)器的輸入；信號經(jīng)電流調(diào)節(jié)器處理后作為PWM調(diào)節(jié)的占空比，用以驅(qū)動逆變器各功率管的通斷。換相邏輯信號由三個反電動勢（BEMF）過零信號經(jīng)邏輯處理后得到的，工業(yè)中電機(jī)通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置信息。

圖4 系統(tǒng)控制框圖Fig.4 System control block diagram

3.1 仿真結(jié)果分析

按圖4所示的系統(tǒng)控制框圖，在MATLAB中搭建無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制仿真模型。電機(jī)參數(shù)：PN＝150 W，UN＝36 V，IN＝6.0 A，TN＝0.4 N·m，相電阻 R＝0.66Ω，有效電感 L-M＝1.4 mH，反電勢系數(shù) Ce＝0.067 V／（rad·s-1），轉(zhuǎn)動慣量 J＝1.57×10-5kg·m2；轉(zhuǎn)速控制器參數(shù)：KI＝1，KP＝20；電流控制器參數(shù)：KI＝5，KP＝8。

仿真中通過關(guān)斷發(fā)送給功率管的觸發(fā)信號來模擬功率管開路。假如三相橋式逆變器在0.2 s時發(fā)生VT1或A相開路故障，輸出三相電流動態(tài)響應(yīng)波形分別如圖5、圖6所示。

圖5 VT1開路故障下三相電流波形Fig.5 Three-phase currentwaveformswhile VT1 open

圖6 A相開路故障下三相電流波形Fig.6 Three-phase currentwaveformswhile A phase open

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)VT1發(fā)生開路故障后，A相電流ia僅有負(fù)半軸波形；當(dāng)A相發(fā)生開路故障后，相電流ia變?yōu)榱恪?/p>

VT1開路或A相開路故障下，ia的db5小波分解各層細(xì)節(jié)信號和逼近信號分別如圖7、圖8所示，由于噪聲等因素的影響，該分解方法并不能有效地捕捉到故障點。

圖7 VT1開路時相電流i a的db5小波分解Fig.7 The db5wavelet decomposition of phase current i a while VT1 open

圖8 A相開路時相電流i a的db5小波分解Fig.8 The db5wavelet decomposition of phase current i a while A phase open

圖9 VT1開路時乘積信號的三層小波分解Fig.9 Product signals of 3 layers of wavelet decomposition while VT1 open

圖10 A相開路時乘積信號的三層小波分解Fig.10 Product signals of 3 layers of wavelet decomposition while A phase open

由于傳統(tǒng)的分解方法不能很好地提取故障點，現(xiàn)將第一次分解后的3層以上細(xì)節(jié)信號的乘積F作為新信號進(jìn)行二次分解，其結(jié)果分別如圖9、圖10所示。由乘積信號的小波分解可以清晰地看出，在0.2 s信號幅值發(fā)生突變，仿真結(jié)果證實了此方法在單管開路和單相開路故障下均能較好地提取信號故障點。

針對采樣到的電流信號，按式（3）編程來提取特征數(shù)據(jù)，系統(tǒng)正常工作時仿真得到的能量值見表1。

表1 正常狀況下提取的特征數(shù)據(jù)Tab.1 Feature extraction of data under normal conditions

單管故障和單相故障前后三相電流低頻系數(shù)能量值Ea3的特征數(shù)據(jù)分別如表2、表3所示。

表2 特征數(shù)據(jù)的提取Tab.2 Feature extraction of data

表3 單相故障特征數(shù)據(jù)的提取Tab.3 Feature extraction of data while one phase fault

由表2的仿真結(jié)果可知，當(dāng)A相橋臂VT1或VT4發(fā)生開路故障時，三相電流低頻系數(shù)能量值均增大，但AEa3增量最大，即故障相為A相，再根據(jù)式（4）可進(jìn)一步定位發(fā)生故障的功率管。

由表3的仿真結(jié)果可知，當(dāng)A相橋臂VT1與VT4同時開路時，其能量值A(chǔ)Ea3趨近于零，而B、C相能量值顯著增大。當(dāng)B、C相開路時，其結(jié)果也與分析相同。通過對比能量值變化的數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)單管故障或單相故障的診斷。

3.2 實驗結(jié)果分析

為了驗證方法的有效性，在實驗室條件下，使用TI公司生產(chǎn)的高壓電機(jī)數(shù)字控制5X套件搭建實驗平臺，該套件使用TMS320F28055控制卡來實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的閉環(huán)控制。故障診斷參數(shù)的選取與仿真過程相同，電機(jī)空載運(yùn)行。截取的試驗數(shù)據(jù)包含2個電周期，采樣點數(shù)為500點。硬件設(shè)備如圖11所示。

實驗中通過關(guān)斷功率管的驅(qū)動信號來實現(xiàn)功率管的開路故障。分別采集故障前后三相電流的數(shù)據(jù)，按照圖（3）編程分別實現(xiàn)小波分解和能量值的計算，測得的實驗結(jié)果如表4所示。

圖11 實驗搭建的測試硬件Fig.11 Test hardware for experiment

表4 實驗所得特征數(shù)據(jù)Tab.4 Feature data from experiment

由表4所得的實驗數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確定位單管或單相開路故障。仿真和實驗結(jié)果均能驗證所提方法有效可行。

4 結(jié)束語

針對無刷直流電機(jī)逆變器功率管單管開路和單相開路故障，首先對三相電流進(jìn)行小波分析，由于噪聲等因素的影響不易分辨故障發(fā)生，因此提出利用3層以上細(xì)節(jié)信號作為檢測信號并對其進(jìn)行小波分解判斷是否發(fā)生故障，再根據(jù)故障前后三相電流信號小波分解低頻系數(shù)能量值的變化定位故障相及進(jìn)一步定位故障功率管。最后通過對無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真及實驗驗證了方法的可行性。