三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中逆變器故障診斷與容錯(cuò)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(lái)高容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概念被提出并得到了研究者的關(guān)注。高容錯(cuò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和分析，在發(fā)生故障后主動(dòng)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(dòng)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(dòng)電路是容易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)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(cuò)控制策略，是提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的有效途徑。因此，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中逆變器的故障診斷和容錯(cuò)控制策略開(kāi)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(cuò)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(cuò)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(dòng)系統(tǒng)的建模方法無(wú)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(dòng)系統(tǒng)包含連續(xù)狀態(tài)變量和開(kāi)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(guò)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(dòng)系統(tǒng)的混合邏輯動(dòng)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上對(duì)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(dòng)系統(tǒng)混合邏輯動(dòng)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(guò)在兩相靜止坐標(biāo)系中的殘差評(píng)價(jià)來(lái)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(duì)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(guò)程中，通過(guò)設(shè)置殘差閾值來(lái)抑制參數(shù)誤差、測(cè)量誤差、擾動(dòng)和噪聲等影響。為進(jìn)一步縮短診斷時(shí)間、消除負(fù)載對(duì)診斷算法的影響，考慮逆變器的混合邏輯動(dòng)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(cè)的逆變器故障診斷方法。誤差電壓診斷法通過(guò)橋臂中點(diǎn)對(duì)地電壓實(shí)測(cè)值與估計(jì)值之間的誤差來(lái)診斷故障。該方法對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)周期以內(nèi)。橋臂中點(diǎn)電位監(jiān)測(cè)法采用光耦監(jiān)測(cè)橋臂中點(diǎn)電位，將其轉(zhuǎn)化為邏輯信號(hào)，并與開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完成對(duì)逆變器功率管開(kāi)路故障的診斷。該方法省去了電壓檢測(cè)與比較環(huán)節(jié)，克服了電壓檢測(cè)帶來(lái)的測(cè)量誤差、測(cè)量噪聲等對(duì)診斷方法的影響。同時(shí)，采用對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)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(kāi)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(cuò)控制策略通過(guò)重構(gòu)軟硬件結(jié)構(gòu)來(lái)確保系統(tǒng)在故障后具有一定的降額運(yùn)行能力。本文對(duì)開(kāi)關(guān)冗余逆變器和級(jí)聯(lián)兩電平逆變器兩種容錯(cuò)拓?fù)浼捌淇刂撇呗蚤_(kāi)展了研究。開(kāi)關(guān)冗余逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單管或單橋臂故障后運(yùn)行在四開(kāi)關(guān)三相狀態(tài)，維持了故障前的電流輸出能力。對(duì)四開(kāi)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(kāi)關(guān)SVPWM過(guò)調(diào)制方法，來(lái)提高四開(kāi)關(guān)逆變器的母線電壓利用率。然后，將四開(kāi)關(guān)逆變器應(yīng)用于

7、三相永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)中，研究了四開(kāi)關(guān)三相永磁同步電機(jī)的矢量控制策略和四開(kāi)關(guān)三相無(wú)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速指標(biāo)的要求，具有良好容錯(cuò)性能的級(jí)聯(lián)兩電平逆變器被應(yīng)用于開(kāi)放式繞組電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。單電源級(jí)聯(lián)兩電平的容錯(cuò)策略歸納為故障相短接和故障相開(kāi)路兩種重構(gòu)拓?fù)?，與傳統(tǒng)三相半橋逆變器具有同等的電壓輸出能力。結(jié)合級(jí)聯(lián)兩電平逆變器容錯(cuò)拓?fù)洌岢隽擞来磐诫姍C(jī)的兩相矢量控制和兩相準(zhǔn)矢量