基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及开绕组电驱动系统单管开路故障诊断的技术领域，尤其是指一种基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法。

背景技术

开绕组电机作为一种新型电机，具有三相独立控制、输出功率高和转速范围大等优点，是电动汽车电驱领域的研究热点。开绕组电驱动系统的运行可靠性直接关系到整车安全性能和人员人身安全，而功率开关器件又是其种较易发生故障的薄弱环节。研究电驱系统相应的故障诊断方案和容错控制策略具有重要意义。

对于电驱系统的功率器件来说，发生短路故障时，通常利用快速熔丝将短路故障转变为开路故障，采用开路诊断方法加以处理。而在开路诊断方面，目前的研究多集中于常规逆变器领域，关于开绕组电驱动系统的故障诊断研究还鲜有报道。由于开绕组电机双逆变器驱动拓扑独特的对称性和冗余性，使得某些开关管故障时在系统中产生的故障电流、电压特征完全相同，传统诊断算法只能定位到故障的某对开关，而无法实现具体故障开关管的定位。有学者研究了基于电流包络线和瞬时频率的诊断算法，但未能实现具体故障开关管的准确定位；有学者采用电流检测法实现了对故障开关管的准确诊断定位，但算法较复杂，诊断时间较长，需要0.5～1个基波周期，且易受负载扰动的影响，容易引起误诊断。

模型预测控制由于其动态响应快、鲁棒性强和易于添加约束等优势，被越来越多的学者应用至开绕组电驱动系统的控制领域。此外，模型预测控制在每个控制周期内开关状态确定且不变的特点，以及其优良的动态响应能力，可被利用来实现快速且可靠的开关管开路故障诊断算法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，该方法简单有效，能在较短时间内实现故障诊断，定位到具体的故障开关管，且诊断过程不易受系统运行扰动的影响，具有较高的可靠性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，所述开绕组电驱动系统结构包括直流电源V

所述基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：实时采样开绕组电机三相定子绕组的相电压；

步骤2：将预估电压与对应时刻的实测电压作差，得到三相的误差电压ε

第一种情况，|ε

第二种情况，出现以下六种状态之一时，初步判断有故障发生，将故障状态变量F

状态1，ε

状态2，ε

状态3，ε

状态4，ε

状态5，ε

状态6，ε

步骤3：故障状态变量F

步骤4：故障状态变量F

步骤5：故障诊断结束。

在步骤2中，给定阈值h

在步骤3中，给定阈值h

对于状态1或状态2，对|ε

对于状态3或状态4，对|ε

对于状态5或状态6，对|ε

在步骤4中，利用故障相桥臂开关状态和误差电压的关系来构造诊断函数，设每一相的两桥臂开关状态分别为s

对于步骤2中各状态的诊断函数构造，以及具体的诊断方法如下：

对于状态1，构造诊断函数

对于状态2，构造诊断函数

对于状态3，构造诊断函数

对于状态4，构造诊断函数

对于状态5，构造诊断函数

对于状态6，构造诊断函数

其中，T为积分时长，表示积分过程持续至系统执行容错运行模式。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明直接利用了模型预测控制在每个控制周期内开关状态确定且不变的特点，即开绕组电机定子相电压在一个控制周期内保持不变，且该电压可提前预测，使得本发明方法实现起来简单有效。

2、电压量是最能直接反映逆变器故障特征的状态变量，本发明直接提取电压信息作为故障诊断的基础，结合模型预测控制优良的动态响应能力，能在较短时间内实现故障诊断。

3、电流检测诊断法在系统运行状态突变时，电流暂态过程持续时间较长且波形不规则，容易引起误诊断，而电压量能更直接反映出逆变器的故障特征，且不易受系统运行扰动的影响，使得本发明具有较高的可靠性。

4、本发明克服了开绕组电机双逆变器驱动拓扑独特的对称性和冗余性，能够定位到具体的故障开关管。

附图说明

图1为开绕组电驱动系统的电路图。

图2为本发明方法流程图。

图3为开关管S

图4为开关管S

图5为开关管S

图6a为开绕组电驱动系统无故障运行时发生负载扰动前后的误差电压波形图。

图6b为开绕组电驱动系统无故障运行时发生转速扰动前后的误差电压波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所针对的开绕组电驱动系统，包括直流电源V

如图2所示，本实施例所提供的基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：实时采样开绕组电机三相定子绕组的相电压。

步骤2：利用模型预测控制输出的开关信号，得到每一相的预估电压，将预估电压与相应时刻的实测电压作差，得到三相的误差电压ε

第一种情况，|ε

第二种情况，出现以下六种状态之一时，初步判断有故障发生，将故障状态变量F

状态1，ε

状态2，ε

状态3，ε

状态4，ε

状态5，ε

状态6，ε

步骤3：故障状态变量F

对于状态1或状态2，对|ε

对于状态3或状态4，对|ε

对于状态5或状态6，对|ε

步骤4：故障状态变量F

对于状态1，构造诊断函数

对于状态2，构造诊断函数

对于状态3，构造诊断函数

对于状态4，构造诊断函数

对于状态5，构造诊断函数

对于状态6，构造诊断函数

其中，积分时长T表示积分过程持续至系统执行容错运行模式。

步骤5：故障诊断结束。

本实施例对开关管S

图4为开关管S

图6a为开绕组电驱动系统无故障运行时发生负载扰动前后的误差电压波形图，额定负载转矩由2N·m突变为4N·m；图6b为开绕组电驱动系统无故障运行时发生转速扰动前后的误差电压波形图，额定转速由3000r/min突变为2000r/min。由图中可见，误差电压在扰动前后均远小于阈值，不会引起误诊断。因此，本发明的诊断方法受系统运行扰动影响不大，具有良好的可靠性，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。