阅读说明：本技术 电驱动系统功率管开路故障容错控制方法 (Fault-tolerant control method for open-circuit fault of power tube of electric drive system ) 是由 李洁 蒋雪峰 李运之 于 2020-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电驱动系统功率管开路故障容错控制方法。该方法首先利用灰色预测的数学模型来判断是否故障,然后检测从故障开始起3T/4时以及T/2时的电流值以判断故障位置,最后根据故障位置采用相应的控制策略,实现电驱动系统的容错运行。本发明具有可靠性高,诊断速度快,不容易发生误判断,不需要额外的传感器的特点,并且可以通过控制逆变器和双向晶闸管实现系统在八种不同功率管开路故障状态时的容错控制,具有强容错能力。(The invention discloses an open-circuit fault tolerance control method for a power tube of an electric drive system. The method comprises the steps of firstly judging whether a fault occurs by using a grey prediction mathematical model, then detecting current values at 3T/4 and T/2 from the beginning of the fault to judge the fault position, and finally adopting a corresponding control strategy according to the fault position to realize the fault-tolerant operation of the electric drive system. The invention has the characteristics of high reliability, high diagnosis speed, difficult misjudgment and no need of additional sensors, can realize fault-tolerant control of the system in open-circuit fault states of eight different power tubes by controlling the inverter and the bidirectional thyristor, and has strong fault-tolerant capability.)

电驱动系统功率管开路故障容错控制方法

技术领域

本发明涉及电驱动系统控制方法领域，特别是涉及电驱动系统功率管开路故障容错控制方法。

背景技术

随着多电、全电飞机及混合、纯电动汽车的发展，电机驱动系统迎来了新的发展机遇和挑战，除了要求高功率密度和高效率外，同时还需具备高输出性能和高可靠性，这已成为电机驱动系统的关键所在。然而，当电驱动系统发生故障后，电机非对称运行，输出转矩将出现脉动，产生较大的机械噪声，导致系统的整体性能下降，尤其是输出功率大大降低，甚至不能正常工作，严重危害系统的安全，为了避免或减轻电驱动故障造成的严重危害，就得具有对电驱动系统的故障进行准确地检测和定位的功能，因此，研究电驱动系统的故障诊断技术就尤其重要了。

电驱动系统以及电机经常会发生一些电气故障，当电驱动系统绕组开路故障发生后往往电机还能够继续运行，所以不易被发现，但其危害较大，因为在此情况下其余绕组将流过更大的电流，易发生过流故障；且电机电流中存在直流电流分量，会引起转矩减小、发热、绝缘损坏等问题，如不及时处理开路故障，将会引发更大的事故。

授权公告号为CN 105158627B的发明专利“双绕组永磁容错电机驱动系统的开路故障诊断方法”中，公开了一种利用归一化相电流的平均值和归一化相电流绝对值的平均值为基础的故障诊断策略，从而实现对双绕组永磁容错电机驱动系统开路故障的实时检测和定位。该方法通过对归一化电流平均值和其绝对值的平均值的联合使用，避免了常规诊断方法由于负载突变等原因易产生的误诊断，同时诊断时间也大大缩短，可以有效地实时检测和定位系统的开路故障。授权公告号为CN 105182159B的发明专利“一种电驱动系统的故障诊断方法”中，公开了一种以平均电流极值差判断故障准则和绝对值的平均电流极值差判断故障准则为故障诊断判据，从而实现对电驱动系统故障的实时检测和定位的方法。该方法不需要增加额外的传感器，能实时诊断与定位单个功率管或多个功率管的开路故障，在系统负载突变或转速突变时，不需要调整故障判断阀值，不易误诊断。

目前，电驱动系统开路故障诊断方法主要有专家系统法、电流检测法和电压检测法三种。专家系统法基于经验积累，将可能发生的故障一一列出，归纳出规律并建立知识库，当发生故障的时候只需要观测故障现象，查询知识库即可判断故障类型，难点在于难以穷尽所有的故障现象并得到完备的故障知识库，而有些故障模态往往与系统正常运行时的某种状态时非常相似，造成了难以准确匹配故障。电压检测方法具有鲁棒性强、诊断速度快等优点，但其通用性差，并且增设电压传感器会导致系统的成本和复杂度增加。考虑到系统参数和控制策略的独立性，电流检测是目前最常见的开路故障诊断方法，它不需要额外增设的传感器。在以往的电力拖动系统中依赖于计算一个或多个周期的电流来诊断故障，这也意味着电机将会在故障状态下运行更多的时间，增加了系统的损耗以及风险。

对于故障诊断后的容错控制，在授权公告号为CN 104506113 B的发明专利“一种双绕组永磁容错电机驱动系统的控制方法”公开了一种具有高可靠性，强容错能力的容错电机及其控制方法，该方法具有故障诊断与余度通信功能，能分别对控制系统是否存在绕组断路或短路故障进行诊断与处理，具有高可靠性和强容错性，能够很好地实现对系统断路或短路故障的容错控制，适合于高可靠性及高性能要求的航空航天及军用场合。但是现有的容错电驱动系统仍然面临所需独立电源数较多、功率开关管数量多、整体容量功率比不够大等问题，目前的很多容错控制策略在可靠性、容错能力以及应对多相故障的能力上还有很大的提升空间。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种电驱动系统功率管开路故障容错控制方法，使其简单易行，可靠性高，诊断时间短，能够有效地检测和定位电驱动系统功率管的开路故障，并且能根据不同的故障进行容错控制，使电驱动系统可以在故障状态下稳定运行。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

电驱动系统功率管开路故障容错控制方法，电驱动系统包括一台双绕组永磁电机，两套独立的三相桥式逆变器，两个双向晶闸管TR1和TR2，两个电容C1和C2，一个直流电源Udc，周期计算器，灰色预测开路故障诊断器、功率管开路故障***以及功率管开路故障处理器，其中双绕组永磁电机采用集中绕组隔齿绕制的方式，两套绕组ABC和XYZ相互独立且对称分布，每一套三相桥式逆变器包括6个功率管，驱动绕组ABC的逆变器包含T1、T2、T3、T4、T5、T6六个功率管，驱动绕组XYZ的逆变器包含T7、T8、T9、T10、T11、T12六个功率管，其中T1、T3、T5和T7、T9、T11为上功率管，T2、T4、T6和T8、T10、T12为下功率管，双向晶闸管TR1两端分别与双绕组永磁电机A、B、C绕组的中性点N1和电容C1、C2中点相连接，双向晶闸管TR2两端分别与双绕组永磁电机X、Y、Z绕组的中性点N2和电容C1、C2中点相连接，电驱动系统功率管开路故障容错控制方法具体包括以下步骤：

步骤1：将采集到的双绕组永磁电机ABC三相绕组电流i_A、i_B、i_C以及XYZ三相绕组电流i_X、i_Y、i_Z分别进行abc/dq坐标变换得到两套绕组的dq轴实际电流，并分别记为i_d1、i_q1和i_d2、i_q2，将采集到的实际转速ω_r和给定转速ω_r*进行PI调节后输出给定q轴电流i_q1*和i_q2*，将给定q轴电流i_q1*、i_q2*和q轴实际电流i_q1、i_q2进行PI调节后输出给定q轴电压V_q1*、V_q2*，将给定d轴电流i_d1*、i_d2*和d轴实际电流i_d1、i_d2进行PI调节后输出给定d轴电压V_d1*和V_d2*，分别将两套绕组的给定q轴、d轴电压V_q1*、V_q2*、V_d1*、V_d2*通过dq/αβ坐标变换得到αβ轴参考电压V_α1*、V_β1*和V_α2*、V_β2*，将αβ轴参考电压V_α1*、V_β1*和V_α2*、V_β2*通过电压空间矢量脉宽调制后得到三相PWM波，两套逆变器接收电压空间矢量脉宽调制后的三相PWM波，并驱动双绕组永磁电机运行，在正常运行时双向晶闸管TR1和TR2均处于关闭状态，两套绕组输出功率均为总输出功率的一半；

步骤2：监测在双绕组永磁电机启动完成后任一相电流第一次达到极大值的时间t_m，以及第二次达到极大值的时间t_n，通过周期计算器得到电流周期T=t_m-t_n；

步骤3：按照相等时间间隔分别对A、B、C、X、Y、Z六相电流进行采集并送至灰色预测开路故障诊断器，将第k个采集结果记为，并储存若干位采集结果作为灰色预测模型的原始序列，

表示为：

其中N取为A、B、C、X、Y、Z；

步骤4：灰色预测开路故障诊断器将原始序列代入建立好的灰色预测模型，并依据模型来预测下一步或下几步的电流值，灰色预测模型表示为：

其中，

为发展灰度，反应预测的发展态势，

为控制系数，反应数据变化的关系，且与

为根据采集的电流数据进行求解，根据双绕组永磁电机的实际运行参数设置故障判断的阈值r’，将下一时刻的电流预测数据与实际采样的电流值进行比较，如果其中一相的预测值与实际值之差的绝对值超过阈值r’，则判断为该相绕组出现开路故障，记录故障时间t₀；若其中一相的预测值与实际值之差的绝对值小于等于阈值r’，则说明没有故障发生；

步骤5：功率管开路故障***根据故障发生时刻t₀之后二分之一个周期以及四分之三个周期时的电流值，来对故障功率管进行定位，监测t₁=t₀+T/2时刻的电流值i₁和t₂=t₀+3T/4时刻的电流值i₂，并计算i_t=i₁+i₂，i_t不等于0则说明功率管发生开路故障，若i_t大于0，则诊断为该相驱动桥下桥臂功率管发生开路故障；若i_t小于0，则判断为该相驱动桥上桥臂功率管发生故障，最后将故障位置输出至功率管开路故障处理器；

步骤6：功率管开路故障处理器根据反馈的故障位置，通过控制逆变器和双向晶闸管TR1、TR2实现在八种故障状态时的容错控制，八种故障状态包括：第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障、第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某一相功率管出现开路故障；

进一步的，步骤6中所述功率管开路故障处理器处理以下八种运行情况，第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障、第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某一相功率管出现开路故障，其中:

第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障时，封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6，双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态，同时增加第二套绕组XYZ的输出功率，使第二套绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率；

第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障时，封锁功率管T7、T8、T9、T10、T11、T12，双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态，同时增加第一套绕组ABC的输出功率，使第一套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率；

第一套绕组ABC中的某两相的功率管同时出现开路故障，如功率管T1和功率管T3同时出现绕组开路故障，封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6，双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态，同时增加第二套绕组XYZ的输出功率，使第二套绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率；

第二套绕组XYZ中的某两相的功率管同时出现开路故障，如功率管T7和功率管T9同时出现绕组开路故障，封锁功率管T7、T8、T9、T10、T11、T12，双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态，同时增加第一套绕组ABC的输出功率，使第一套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率；

第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障，如第二套绕组中T7出现开路故障，封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8，导通双向晶闸管TR2，保持TR1关闭状态，同时增加第二套绕组XYZ的输出功率，使第二套绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率；

第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障，如第一套绕组中T1出现开路故障，封锁功率管T1、T2、T7、T8、T9、T10、T11、T12，导通双向晶闸管TR1，保持TR2关闭状态，同时增加第一套绕组ABC的输出功率，使第一套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率；

两套绕组均有一相功率管出现开路故障，如第一套绕组功率管T1和第二套绕组T7出现开路故障，封锁功率管T1、T2、T7、T8，导通双向晶闸管TR1和TR2；

两套绕组中的某一相功率管出现开路故障，如第一套绕组功率管T1出现开路故障，封锁功率管T1、T2，导通双向晶闸管TR1，保持TR2关闭状态。

本发明的有益效果在于：

（1）与现有技术相比，本发明可靠性高，不容易发生误判断，不需要额外的传感器，通用性强。

（2）本发明诊断速度快，不需要依赖计算一个周期甚至多个周期的电流来诊断故障，仅在若干个采样值之内即可判断故障，并在四分之三个周期内对故障进行定位，大大减少了故障运行对电驱动系统造成的损害。

（3）本发明可以利用较少的数据，通过灰色预测模型对系统行为特征的发展变化规律进行估计预测，具有预测精度高、所需样本数据少、运算简便、易于检验等优点。

（4）本发明可以通过现在已有的电流数据预测出下一状态的电流情况，可以判断一个或多个功率管开路故障，准确的定位故障，可以提高系统故障诊断速度，更智能化。

本发明可以通过控制逆变器和双向晶闸管实现系统在八种不同功率管开路故障状态时的容错控制，使电驱动系统在不同故障状态下仍然能够稳定运行，具有高可靠和强容错能力。

附图说明

图1为本发明电驱动系统功率管开路故障容错控制策略框图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，电驱动系统功率管开路故障容错控制方法，其电驱动系统包括一台双绕组永磁电机，两套独立的三相桥式逆变器，两个双向晶闸管TR1和TR2，两个电容C1和C2，一个直流电源Udc，周期计算器，灰色预测开路故障诊断器、功率管开路故障***以及功率管开路故障处理器，其中双绕组永磁电机采用集中绕组隔齿绕制的方式，两套绕组ABC和XYZ相互独立且对称分布，每一套三相桥式逆变器包括6个功率管，驱动绕组ABC的逆变器包含T1、T2、T3、T4、T5、T6六个功率管，驱动绕组XYZ的逆变器包含T7、T8、T9、T10、T11、T12六个功率管，其中T1、T3、T5和T7、T9、T11为上功率管，T2、T4、T6和T8、T10、T12为下功率管，双向晶闸管TR1两端分别与双绕组永磁电机A、B、C绕组的中性点N1和电容C1、C2中点相连接，双向晶闸管TR2两端分别与双绕组永磁电机X、Y、Z绕组的中性点N2和电容C1、C2中点相连接，电驱动系统功率管开路故障容错控制方法具体包括以下步骤：

步骤1：将采集到的双绕组永磁电机ABC三相绕组电流i_A、i_B、i_C以及XYZ三相绕组电流i_X、i_Y、i_Z分别进行abc/dq坐标变换得到两套绕组的dq轴实际电流，并分别记为i_d1、i_q1和i_d2、i_q2，将采集到的实际转速ω_r和给定转速ω_r*进行PI调节后输出给定q轴电流i_q1*和i_q2*，将给定q轴电流i_q1*、i_q2*和q轴实际电流i_q1、i_q2进行PI调节后输出给定q轴电压V_q1*、V_q2*，将给定d轴电流i_d1*、i_d2*和d轴实际电流i_d1、i_d2进行PI调节后输出给定d轴电压V_d1*和V_d2*，分别将两套绕组的给定q轴、d轴电压V_q1*、V_q2*、V_d1*、V_d2*通过dq/αβ坐标变换得到αβ轴参考电压V_α1*、V_β1*和V_α2*、V_β2*，将αβ轴参考电压V_α1*、V_β1*和V_α2*、V_β2*通过电压空间矢量脉宽调制后得到三相PWM波，两套逆变器接收电压空间矢量脉宽调制后的三相PWM波，并驱动双绕组永磁电机运行，在正常运行时双向晶闸管TR1和TR2均处于关闭状态，两套绕组输出功率均为总输出功率的一半；

步骤2：监测在双绕组永磁电机启动完成后任一相电流第一次达到极大值的时间t_m，以及第二次达到极大值的时间t_n，通过周期计算器得到电流周期T=t_m-t_n；

步骤3：按照相等时间间隔分别对A、B、C、X、Y、Z六相电流进行采集并送至灰色预测开路故障诊断器，将第k个采集结果记为，并储存若干位采集结果作为灰色预测模型的原始序列

，

表示为：

其中N取为A、B、C、X、Y、Z；

步骤4：灰色预测开路故障诊断器将原始序列代入建立好的灰色预测模型，并依据模型来预测下一步或下几步的电流值，灰色预测模型表示为：

其中，为发展灰度，反应预测的发展态势，为控制系数，反应数据变化的关系，且

与为根据采集的电流数据进行求解，根据双绕组永磁电机的实际运行参数设置故障判断的阈值r’，将下一时刻的电流预测数据与实际采样的电流值进行比较，如果其中一相的预测值与实际值之差的绝对值超过阈值r’，则判断为该相绕组出现开路故障，记录故障时间t₀；若其中一相的预测值与实际值之差的绝对值小于等于阈值r’，则说明没有故障发生；

步骤5：功率管开路故障***根据故障发生时刻t₀之后二分之一个周期以及四分之三个周期时的电流值，来对故障功率管进行定位，监测t₁=t₀+T/2时刻的电流值i₁和t₂=t₀+3T/4时刻的电流值i₂，并计算i_t=i₁+i₂，i_t不等于0则说明功率管发生开路故障，若i_t大于0，则诊断为该相驱动桥下桥臂功率管发生开路故障；若i_t小于0，则判断为该相驱动桥上桥臂功率管发生故障，最后将故障位置输出至功率管开路故障处理器；

步骤6：功率管开路故障处理器根据反馈的故障位置，通过控制逆变器和双向晶闸管TR1、TR2实现在八种故障状态时的容错控制，八种故障状态包括：第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障、第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某一相功率管出现开路故障；

进一步的，步骤6中所述功率管开路故障处理器处理以下八种运行情况，第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障、第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC中的某两相功率管同时出现开路故障、第二套绕组XYZ中的某两相功率管同时出现开路故障、第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障、第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障、两套绕组均有一相功率管出现开路故障、两套绕组中的某一相功率管出现开路故障，其中:

第一套绕组即A、B、C三相功率管同时出现开路故障时，封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6，双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态，同时增加第二套绕组XYZ的输出功率，使第二套绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率；

第二套绕组即X、Y、Z三相功率管同时出现开路故障时，封锁功率管T7、T8、T9、T10、T11、T12，双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态，同时增加第一套绕组ABC的输出功率，使第一套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率；

第一套绕组ABC中的某两相的功率管同时出现开路故障，以功率管T1和功率管T3同时出现绕组开路故障为例，封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6，双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态，同时增加第二套绕组XYZ的输出功率，使第二套绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率；

第二套绕组XYZ中的某两相的功率管同时出现开路故障，以功率管T7和功率管T9同时出现绕组开路故障为例，封锁功率管T7、T8、T9、T10、T11、T12，双向晶闸管TR1和TR2保持关闭状态，同时增加第一套绕组ABC的输出功率，使第一套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率；

第一套绕组ABC三相功率管出现开路故障同时第二套绕组XYZ中的某一相功率管出现开路故障，以第二套绕组中T7出现开路故障为例，封锁功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8，导通双向晶闸管TR2，保持TR1关闭状态，同时增加第二套绕组XYZ的输出功率，使第二套绕组XYZ的输出功率等于系统输出总功率；

第二套绕组XYZ三相功率管出现开路故障同时第一套绕组ABC中的某一相功率管出现开路故障，以第一套绕组中T1出现开路故障为例，封锁功率管T1、T2、T7、T8、T9、T10、T11、T12，导通双向晶闸管TR1，保持TR2关闭状态，同时增加第一套绕组ABC的输出功率，使第一套绕组ABC的输出功率等于系统输出总功率；

两套绕组均有一相功率管出现开路故障，以第一套绕组功率管T1和第二套绕组T7出现开路故障为例，封锁功率管T1、T2、T7、T8，导通双向晶闸管TR1和TR2；

两套绕组中的某一相功率管出现开路故障，以第一套绕组功率管T1出现开路故障为例，封锁功率管T1、T2，导通双向晶闸管TR1，保持TR2关闭状态。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。