基于电流特征分析的无刷直流电机逆变器故障诊断方法与流程

1.本发明属于无刷直流电机故障诊断技术领域，具体涉及基于电流特征分析的无刷直流电机逆变器故障诊断方法。


背景技术：

2.近几十年来，无刷直流电机已经广泛应用于工业、农业、国防、航天、军事、医疗器械和家电等方面的驱动系统中。电机的驱动是整个系统相互联系的重要部分，而逆变器故障占整个驱动系统故障的37.9％，是驱动系统中最易发生故障的薄弱环节。逆变器故障大多数来自功率开关管发生故障，而且常发生开路故障。当无刷直流电机发生开路故障时，不会使整个驱动系统立即停止工作，但会对整个系统的性能有很大的影响。当无刷直流电机长时间工作在开路故障下时，可能会导致二次故障，甚至会造成整个系统崩溃。
3.目前，无刷直流电机对于逆变器故障诊断方法有很多种，主要分别为三类：基于电压诊断的方法、基于电流诊断的方法、基于机器算法的方法。对于基于电压诊断的方法，无刷直流电机的驱动系统中，没有直接获取电压的元器件。一般来说，需要增加额外的硬件成本。对于大多数基于电流诊断的方法，在无刷直流电机的实际驱动系统中容易受到负载扰动和速度变化等瞬态变化的影响，不同故障条件下的边界变得不明显，容易出现误诊的情况。由于机器算法的不断发展，现在很多故障诊断方法对于机器算法都有所涉及。此类算法需要提取大量的故障特征数据进行分类和训练，由于需要处理的故障特征数据比较庞大，会导致诊断的时间过长。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供基于电流特征分析的无刷直流电机逆变器故障诊断方法，用于实现低成本地迅速诊断无刷直流电机逆变器故障的功能。
5.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于电流特征分析的无刷直流电机逆变器故障诊断方法，包括以下步骤：
6.s1：获取无刷直流电机在两两导通方式下每个时刻的三相电流；
7.s2：根据滑动窗口中三相电流的数据确定每两相电流之间的相关系数；
8.s3：根据相关系数的特性选取第一阈值，比较每两相电流之间的相关系数数据与第一阈值确定每两相电流之间的相关性，输出故障诊断特征量诊断参考的两相之外的另一相是否发生开路故障：若参考的两相之外的另一相未发生故障，则判断无刷直流电机正常运行；若参考的两相之外的另一相发生故障，则根据滑动窗口中三相电流的数据确定每相电流的绝对平均值数据；根据绝对平均值的特性选取第二阈值，比较每相电流的绝对平均值数据与第二阈值，输出故障定位特征量确定每相电流的极性；
9.s4：组合故障诊断特征量与故障定位特征量形成复合诊断特征量；
10.s5：通过复合诊断特征量定位功率开关管的故障位置。
11.按上述方案，所述的步骤s1中，具体步骤为：
12.s11：获取无刷直流电机在运行过程两两导通方式下每个时刻的三相电流数据；
13.s12：对三相电流数据进行离散化处理，通过滑动窗口实时截取当前的三相电流数据的一部分；设[l]为l的取整函数，表示一个采样周期内电流采样次数；n为无刷直流电机的转速；p为极对数；ts为控制系统的采样周期；则将滑动窗口的长度[l]表示为：
[0014][0015]
按上述方案，所述的步骤s2中，具体步骤为：
[0016]
s21：根据三相电流数据确定三相电流的期望值；
[0017]
s22：根据三相电流的期望值确定每两相电流之间的协方差和参考的两相电流的标准差；
[0018]
s23：根据每两相电流之间的协方差和参考的两相电流的标准差确定每两相电流之间的相关系数；设x，y＝a，b，c，i
x
、iy为三相电流ia、ib、ic中的任意两相，k为当前状态量，k＝1,2,
…
,l；则经过离散化处理后一个滑动窗口中的每两相电流之间的相关系数|ρ
xy
|表示为：
[0019][0020]
按上述方案，所述的步骤s3中，诊断参考的两相之外的另一相是否发生开路故障的具体步骤为：
[0021]
比较每两相电流之间的相关系数|ρ
xy
|与第一阈值k1：若|ρ
xy
|小于k1时，则判断无刷直流电机正常运行，故障诊断特征量为0；若|ρ
xy
|大于k1时，则判断参考的两相之外的另一相发生开路故障，故障诊断特征量为1；设z表示参考的两相之外的另一相，则故障诊断特征量dz(k)表示为：
[0022][0023]
按上述方案，所述的步骤s3中，确定每相电流的绝对平均值数据的具体步骤为：
[0024]
根据每相电流数据iz确定每相电流的平均值；根据每相电流的平均值确定每相电流的平均值的绝对值；根据每相电流的平均值和平均值的绝对值确定每相电流的绝对平均值ez(k)为：
[0025][0026]
进一步的，所述的步骤s3中，确定每相电流的极性的具体步骤为：
[0027]
比较每相电流的绝对平均值ez(k)与第二阈值k2：若ez(k)小于或等于负的k2时，则判断该相电流极性为正，故障定位特征量为1；若|ez(k)|小于k2时，则判断该相的功率开关
管正常运行，故障定位特征量为0；若ez(k)大于或等于k2时，则判断该相电流极性为负，故障定位特征量为-1；则故障定位特征量rz(k)表示为：
[0028][0029]
进一步的，所述的步骤s4中，具体步骤为：复合诊断特征量fz(k)表示为：
[0030]fz
(k)＝dz(k)
·rz
(k)。
[0031]
进一步的，所述的步骤s5中，具体步骤为：
[0032]
若复合诊断特征量fz(k)等于1，则判断故障相上管发生开路故障；
[0033]
若复合诊断特征量fz(k)等于-1，则判断故障相下管发生开路故障；
[0034]
若复合诊断特征量fz(k)等于0，则判断故障相双管发生开路故障。
[0035]
一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行基于电流特征分析的无刷直流电机逆变器故障诊断方法。
[0036]
本发明的有益效果为：
[0037]
1.本发明的基于电流特征分析的无刷直流电机逆变器故障诊断方法，在获取无刷直流电机的电流信号后，通过无刷直流电机在两两导通时发生故障后电流的变化，结合三相电流之间的相关系数，分析每两相电流之间的相关性，以此来确定故障相；在确定故障相之后，通过每相电流的绝对平均值确定电流的极性，并与三相电流之间的相关系数组合形成新的复合诊断变量对故障位置进行定位，实现了低成本地迅速诊断无刷直流电机逆变器故障的功能。
[0038]
2.本发明直接对无刷直流电机的三相输出电流信号进行采集，不需要增加额外的硬件电路；误诊率低、鲁棒性高、诊断时间迅速。
[0039]
3.本发明适用于单管故障和同相双管故障，容易实现，计算难度低；在无刷直流电机变速和突变负载等瞬态响应下具有很强的抗干扰能力，有较强的鲁棒性，提高了故障诊断的时间与准确率，具有很强的工程实用性。
附图说明
[0040]
图1是本发明实施例的流程图。
[0041]
图2为本发明实施例的无刷直流电机的三相逆变电路图。
[0042]
图3为本发明实施例的不同故障状态下的三相电流波形图。
[0043]
图4为本发明实施例的故障诊断与定位算法框图。
[0044]
图5为本发明实施例的以vt1开路为例的a相单管故障的波形图。
[0045]
图6为本发明实施例的以vt1和vt4同时开路为例的a相双管故障的波形图。
[0046]
图7为本发明实施例的以vt4开路为例的突加负载情况下a相单管故障的波形图。
[0047]
图8为本发明实施例的以vt1和vt4同时开路为例的突加负载情况下a相双管故障的波形图。
[0048]
图9为本发明实施例的以vt4开路为例的变速情况下a相单管故障的波形图。
[0049]
图10为本发明实施例的以vt1和vt4同时开路为例的变速情况下a相双管故障的波形图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0051]
如图2所示，本发明实施例涉及的无刷直流电机三相逆变电路由三相全桥逆变器、恒压源、直流侧电容、三相对称绕组和三相反电动势组成。三相全桥逆变器由六个功率开关管和六个二极管组成，功率开关管完成逆变输出，二极管与相应的功率开关管并联进行续流。无刷直流电机逆变器对应的逆变电路还包括一个恒压源、直流侧电容、三相对称绕组和三相反电动势。恒压源为逆变电路提供工作电压，直流测电容为逆变电路提供良好的电能质量和储存电能，三相对称绕组包括a相绕组、b相绕组和c相绕组，每相绕组上都分别有电阻、等效电感和反电动势。
[0052]
设ia、ib和ic为三相定子电流；r为三相绕组的电阻；l为每一相的等效电感；un为中性点电压；根据图2得到无刷直流电机平衡方程：
[0053][0054]
无刷直流电机采用两两导通方式，在任意时刻有且仅有两只功率开关管导通，正常导通时有六个导通状态。在一个电周期内，六个导通状态分别为a b-，a c-，b c-，b a-，c a-，c b-。
[0055]
如图3所示为在不同故障状态下三相电流的波形，其中图3(a)为电机在健康状态下的三相电流波形，图3(b)为电机发生单管故障(以vt1开路为例)下的三相电流波形，图3(c)为电机发生双管故障(以vt1和vt4同时开路为例)下的三相电流波形。以下结合相关系数分析在不同故障状态下每两相电流之间的相关性。
[0056]
相关系数ρ
xy
表示x和y之间线性关系的紧密程度。当x和y同向变化，即ρ
xy
＞0时，表示两个变量具有正相关；当x和y反向变化，即ρ
xy
＜0时，表示两个变量具有负相关。|ρ
xy
|的值越大，表示两个变量的相关程度越大。当|ρ
xy
|＝0时，表示两个变量不相关。
[0057]
两个变量x和y之间的相关系数公式为：
[0058][0059]
其中cov(x,y)为x和y之间的协方差，σ
x
、σy分别表示为x和y的标准差，结合期望值，其公式分别表示为：
[0060][0061][0062]
当无刷直流电机在健康状态下运行，vt
1-vt6按照导通顺序依次导通，导通角度为120
°
，如图3(a)所示，电流波形呈现为不连续的方波。将一个电流周期分为六个区间，六个区间分别对应六种导通方式。以a相和b相为例，在a b-、a c-阶段和b a-、c a-阶段的信号
量大于在b c-阶段和c b-阶段的信号量，而且a、b相电流往相反的方向移动，表示a、b两相电流呈现负相关。与此相同，a、c两相电流和b、c两相电流均呈现负相关，且每两相之间的相关程度相同。在健康状态下的三相电流之间的相关系数满足以下关系：
[0063]
|ρ
ab
|＝|ρ
bc
|＝|ρ
ca
|＝ρ1。
[0064]
当无刷直流电机发生单管开路故障时，以vt1发生开路故障为例，如图3(b)所示。在前半周期，a相出现故障，没有正向电流通过，则会出现缺少正半周期的状态。此时，a b-，a c-，b c-三个阶段处于故障阶段，ib和ic表示出比健康状态下更高的负相关，而ia和ib以及ia和ic之间的相关性非常小；若电机处于b a-，c a-c b-三个阶段，vt1不工作，负向电流可以流经另一支路功率开关管而保持原有的方波波形，电机正常运行，与健康状态下无异，三相电流之间的相关性相同。当vt4出现开路故障时，a相电流不会出现负值，则会出现缺少负半周期的状态。当其他相出现单管开路故障时，电机运行情况与之类似。以a相发生单管故障为例，在单管故障情况下的三相电流之间的相关系数满足以下关系：
[0065]
ρ1＜{|ρ
ab
|,|ρ
ca
|}＜|ρ
bc
|＝ρ2。
[0066]
当无刷直流电机发生同相双管故障时，以a相的vt1和vt4同时发生开路故障为例，如图3(c)所示。逆变电路由两两导通变为单相导通。在整个电流周期中，a相不工作。此时六个导通状态均处于故障阶段。在a b-，a c-，b a-，c a-四个阶段中的ia将变为零，系统出现比较大的振荡。在b c-，c b-两个阶段中，b、c两相电流幅值会有明显的增大，ib和ic表现出比同相单管故障更高的负相关。以a相发生故障为例，在发生同相双管故障的情况下的三相电流之间的相关系数满足以下关系：
[0067]
ρ2＜{|ρ
ab
|,|ρ
ca
}＜|ρ
bc
|。
[0068]
参见图1，本发明实施例的基于电流特征分析的无刷直流电机逆变器故障诊断方法，包括以下步骤：
[0069]
s1：获取无刷直流电机在两两导通方式下每个时刻的三相电流；
[0070]
s11：获取无刷直流电机在运行过程两两导通方式下每个时刻的三相电流数据；
[0071]
s12：对三相电流数据进行离散化处理，通过滑动窗口实时截取当前的三相电流数据的一部分；设[l]为l的取整函数，表示一个采样周期内电流采样次数；n为无刷直流电机的转速；p为极对数；ts为控制系统的采样周期；则将滑动窗口的长度[l]表示为：
[0072][0073]
s2：根据滑动窗口中三相电流的数据确定每两相电流之间的相关系数；
[0074]
s21：根据三相电流数据确定三相电流的期望值；
[0075]
s22：设x，y＝a，b，c，x相电流i
x
、y相电流iy为三相电流ia、ib、ic中的任意两相，k为当前状态量，k＝1,2,
…
,l；根据三相电流的期望值确定每两相电流之间的协方差cov(x,y)：
[0076][0077]
以x相电流为例，则x相电流的标准差σ
x
为；
[0078][0079]
s23：根据每两相电流之间的协方差和参考的两相电流的标准差确定每两相电流之间的相关系数|ρ
xy
|表示为：
[0080][0081]
s3：如图4所示，根据相关系数的特性选取第一阈值，比较每两相电流之间的相关系数数据与第一阈值确定每两相电流之间的相关性，诊断参考的两相之外的另一相是否发生开路故障：若参考的两相之外的另一相未发生故障，则判断无刷直流电机正常运行；若参考的两相之外的另一相发生故障，则根据滑动窗口中三相电流的数据确定每相电流的绝对平均值数据；根据绝对平均值的特性选取第二阈值，比较每相电流的绝对平均值数据与第二阈值确定每相电流的极性；
[0082]
相关系数的特性是指，若a相发生单管或双管开路故障时，b、c相电流表现出比a、b相和a、c相电流的相关性更强的相关性；同时a相发生双管故障比a相发生单管故障时的b、c相电流相关性更强；两相电流之间相关性越强，相关系数越接近1。绝对平均值的特性是指，当逆变器处于健康的状态下，绝对平均值等于0，而当逆变器出现单管故障时，绝对平均值接近于1或-1。
[0083]
s31：诊断参考的两相之外的另一相是否发生开路故障的具体步骤为：
[0084]
比较每两相电流之间的相关系数|ρ
xy
|与第一阈值k1：若每两相电流之间的相关系数|ρ
xy
|小于k1时，则判断无刷直流电机正常运行，故障诊断特征量为0；若每两相电流之间的相关系数|ρ
xy
|大于k1时，则判断参考的两相之外的另一相发生开路故障，故障诊断特征量为1；设z表示参考的两相之外的另一相，则故障诊断特征量dz(k)表示为：
[0085][0086]
s32：确定每相电流的绝对平均值数据的具体步骤为：
[0087]
根据每相电流数据iz确定每相电流的平均值：
[0088][0089]
根据每相电流的平均值确定每相电流的平均值的绝对值：
[0090][0091]
根据每相电流的平均值和平均值的绝对值确定每相电流的绝对平均值ez(k)为：
[0092][0093]
s33：确定每相电流的极性的具体步骤为：
[0094]
比较每相电流的绝对平均值ez(k)与第一阈值k2：若每相电流的绝对平均值ez(k)小于或等于负的k2时，则判断该相电流极性为正，故障定位特征量为1；若每相电流的绝对平均值的绝对值|ez(k)|小于k2时，则判断该相的功率开关管正常运行，故障定位特征量为0；若每相电流的绝对平均值ez(k)大于或等于k2时，则判断该相电流极性为负，故障定位特征量为-1；则故障定位特征量rz(k)表示为：
[0095][0096]
s4：将每两相电流之间的相关系数输出的故障诊断特征量dz与参考的两相之外的另一相的绝对平均值输出的故障定位特征量rz进行组合，形成复合诊断变量fz(k)表示为：
[0097]fz
(k)＝dz(k)
·rz
(k)。
[0098]
s5：通过复合诊断变量定位功率开关管的故障位置，具体步骤为：
[0099]
若复合诊断特征量等于1，则判断故障相上管发生开路故障；
[0100]
若复合诊断特征量等于-1，则判断故障相下管发生开路故障；
[0101]
若复合诊断特征量等于0，则判断故障相双管发生开路故障。
[0102]
由于|ρ
xy
|和ez两个诊断变量阈值的约束，复合诊断特征量比单独的特征量由更显著的优势，显著降低了瞬态下误判的可能性。
[0103]
本实施例选取无刷直流电机的参数分别为：额定电压为300v，额定转速为3000r/min，额定功率为400w，额定转矩1.3nm，电枢电阻为0.6ω，电枢绕组电感为0.205mh，极对数为5，开关频率为20khz。
[0104]
无刷直流电机在运行过程中有一定速度的变化，本实例的速度变化范围为1000r/min-2000r/min，电流采样周期为5
×
10-6
s，根据步骤s1中滑动窗口长度公式得到一个周期内数据的数量大约为1200～2400。所以滑动窗口选取的长度为1600。
[0105]
如图5所示，无刷直流电机在空载恒速的情况下a相单管故障(以vt1开路为例)下的波形图。在0.2s时，图5(a)中a相电流缺少正半周期，b相和c相电流幅值增大。图5(b)中，三相电流的相关系数|ρ
ab
|、|ρ
bc
|和|ρ
ca
|在发生变化之前，其值稳定在0.5附近。在0.2s后|ρ
bc
|逐渐变大，|ρ
ab
|和|ρ
ca
|逐渐变小，表示b相和c相电流之间的相关性增大，而a、b相电流和a、c相电流之间的相关性减小。由于此处阈值k1取0.9，当|ρ
bc
|增大至0.9时，图5(c)中的da从0变为1，此时确定a相发生开路故障。图5(d)中，每相电流的绝对平均值在发生变化之前，其值稳定在0附近。在0.2s后，ea往负方向移动，表示电流极性为负。由于此处阈值k2取0.4，当ea达到-0.4时，ra从0变为1。此时，图5(e)中fa从0变为1，确定a相上管发生开路故障。开路故障设置为0.2s，fa在0.204s完成故障诊断与定位。
[0106]
如图6所示，无刷直流电机在空载恒速的情况下a相双管故障(以vt1和vt4同时开路为例)下的波形图。在0.2s时，图6(a)中a相不再工作，b相和c相电流幅值明显增大。图6(b)
中，与单管开路故障相比，|ρ
bc
|上升的速率更快，上升至稳定后更接近于1，表示b相和c相之间表现出更强的相关性。图6(d)中，当故障发生后，由于a相不工作，ez有比较大的振荡，稳定后比阈值小的多，无法正确判断电流的极性，导致fz始终为0。图5(c)中，当da从0变为1，fa始终为0时，确定a相双管发生开路故障。开路故障设置为0.2s，da和fa在0.203s完成故障诊断与定位。
[0107]
如图7和图8所示，无刷直流电机在突加负载的情况下a相故障的波形图。当电机运行至0.15s时，突加一个2nm的负载。图7(a)中，运行至0.2s时，a相电流缺少正半周期，b相和c相电流幅值增大。图7(a)中和图8(a)中，在0.15s后，由于增加了负载，三相电流的幅值由1a增加至2.7a。图7(b)和图8(b)中，在加入负载后，电流会出现一定的突变。在突变过程中，|ρ
xy
|会出现短暂的振荡。经过短暂的振荡后，三个相关系数|ρ
ab
|、|ρ
bc
|和|ρ
ca
|逐渐稳定在0.5附近，在此过程中，均小于阈值。图7(d)中，加入负载后，ez跟随着电流的突变会出现一定的振荡，最后稳定在0附近。在0.2s后，ea往正方向移动，a相表现出很强的正极性。当ea达到0.4时，ra从0变为-1，此时fa从0变为-1，确定a相下管发生开路故障。开路故障设置为0.2s，图7(e)中，fa在0.209s完成故障诊断与定位。图8(e)中，da和fa在0.203s确定a相双管发生开路故障，完成故障诊断与定位。
[0108]
如图9和图10所示，无刷直流电机在变速的情况下a相故障的波形图。当电机运行至0.15s时，电机转速从1500r/min变化为1800r/min。图9(a)和图10(a)中，在0.15s后，三相电流出现变形，当电机转速稳定至1800r/min时，电流周期变小，但三相电流幅值保持不变。图9(b)和图10(b)中，与突加负载的情况下相比，在0.15s后开始变速，在此过程中|ρ
xy
|振荡的程度更大，但依旧小于阈值，并不会影响诊断过程中的准确性。图9(e)中，fa在0.211s确定a相下管发生开路故障，完成故障诊断与定位。图10(e)中，da在0.209s确定a相双管发生开路故障，完成故障诊断与定位。
[0109]
因此本实施例可以快速完成无刷直流电机单管和同相双管开路故障诊断与定位，并且在突变负载和变速等瞬态响应的情况下也能准确的完成故障诊断与定位，没有误诊情况的发生，具有较强的鲁棒性。
[0110]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。