三相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中逆變器故障診斷與容錯控制策略研究.pdf

1、在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域，電機(jī)系統(tǒng)作為執(zhí)行部件其可靠性已經(jīng)成為保障航空航天器安全運(yùn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為此，近年來高容錯電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的概念被提出并得到了研究者的關(guān)注。高容錯電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通過對故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和分析，在發(fā)生故障后主動重構(gòu)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，從而確保整個(gè)系統(tǒng)在不損失性能指標(biāo)或部分性能指標(biāo)有所降低的情況下安全運(yùn)行。研究表明，在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，功率變換環(huán)節(jié)尤其是逆變器中的電力電子器件及其驅(qū)動電路是容易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。通過在線實(shí)時(shí)診斷逆

2、變器功率器件的故障，采取及時(shí)和適當(dāng)?shù)娜蒎e控制策略，是提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可靠性的有效途徑。因此，對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中逆變器的故障診斷和容錯控制策略開展研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　故障診斷是實(shí)施容錯控制策略的前提，診斷的可靠性和實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到容錯的效果。盡管采用解析模型是實(shí)現(xiàn)快速故障診斷的有效方法，但傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的建模方法無法將電機(jī)和逆變器統(tǒng)一在一個(gè)解析模型下，因此傳統(tǒng)模型不能準(zhǔn)確揭示系統(tǒng)的狀態(tài)特性，不適合于逆變器內(nèi)部

3、故障的分析和診斷。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包含連續(xù)狀態(tài)變量和開關(guān)離散事件，是一個(gè)典型的混雜系統(tǒng)。因此，本文將混雜系統(tǒng)理論引入到其分析過程中，把逆變器的離散電壓模型嵌入到電機(jī)的連續(xù)狀態(tài)方程中，建立了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的混合邏輯動態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的故障特征與行為進(jìn)行描述和分析，為有效診斷方法的提出提供理論基礎(chǔ)。
　　在建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)混合邏輯動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了系統(tǒng)的狀態(tài)殘差方程，通過在兩相靜止坐標(biāo)系中的殘差評價(jià)來診斷和定位逆變器功率管的故

4、障?；祀s系統(tǒng)狀態(tài)殘差法可以克服系統(tǒng)閉環(huán)控制算法對診斷效果的影響，并將診斷時(shí)間縮小到四分之一個(gè)基波周期以內(nèi)。在診斷實(shí)施過程中，通過設(shè)置殘差閾值來抑制參數(shù)誤差、測量誤差、擾動和噪聲等影響。為進(jìn)一步縮短診斷時(shí)間、消除負(fù)載對診斷算法的影響，考慮逆變器的混合邏輯動態(tài)模型，分別提出了基于誤差電壓和橋臂中點(diǎn)電位監(jiān)測的逆變器故障診斷方法。誤差電壓診斷法通過橋臂中點(diǎn)對地電壓實(shí)測值與估計(jì)值之間的誤差來診斷故障。該方法對誤差電壓的幅值及時(shí)間寬度進(jìn)行雙重判斷，

5、消除了功率管開關(guān)延時(shí)和死區(qū)的影響，提高了診斷方法的可靠性和魯棒性，并且診斷時(shí)間在幾個(gè)開關(guān)周期以內(nèi)。橋臂中點(diǎn)電位監(jiān)測法采用光耦監(jiān)測橋臂中點(diǎn)電位，將其轉(zhuǎn)化為邏輯信號，并與開關(guān)信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)完成對逆變器功率管開路故障的診斷。該方法省去了電壓檢測與比較環(huán)節(jié)，克服了電壓檢測帶來的測量誤差、測量噪聲等對診斷方法的影響。同時(shí)，采用對開關(guān)信號上升沿延時(shí)后再進(jìn)行邏輯運(yùn)算的辦法，消除了功率管開通延時(shí)造成的誤診斷，保障了診斷的可靠性。所提

6、出的診斷方法得到了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　逆變器的容錯控制策略通過重構(gòu)軟硬件結(jié)構(gòu)來確保系統(tǒng)在故障后具有一定的降額運(yùn)行能力。本文對開關(guān)冗余逆變器和級聯(lián)兩電平逆變器兩種容錯拓?fù)浼捌淇刂撇呗蚤_展了研究。開關(guān)冗余逆變器結(jié)構(gòu)簡單，單管或單橋臂故障后運(yùn)行在四開關(guān)三相狀態(tài)，維持了故障前的電流輸出能力。對四開關(guān)三相逆變器的控制策略進(jìn)行研究，提出了基于補(bǔ)償電壓的四開關(guān)SVPWM過調(diào)制方法，來提高四開關(guān)逆變器的母線電壓利用率。然后，將四開關(guān)逆變器應(yīng)用于

7、三相永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中，研究了四開關(guān)三相永磁同步電機(jī)的矢量控制策略和四開關(guān)三相無刷直流電機(jī)的磁鏈跟蹤控制策略。為提高故障后系統(tǒng)的電壓輸出能力，滿足系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速指標(biāo)的要求，具有良好容錯性能的級聯(lián)兩電平逆變器被應(yīng)用于開放式繞組電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中。單電源級聯(lián)兩電平的容錯策略歸納為故障相短接和故障相開路兩種重構(gòu)拓?fù)洌c傳統(tǒng)三相半橋逆變器具有同等的電壓輸出能力。結(jié)合級聯(lián)兩電平逆變器容錯拓?fù)?，提出了永磁同步電機(jī)的兩相矢量控制和兩相準(zhǔn)矢量