电机驱动系统开路故障诊断技术

电机驱动系统开路故障诊断技术

摘要：近些年，在社会发展下，我国的各个领域随之进步，科学技术也随之进步。研究一种电机驱动系统的故障诊断新方法，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阈值，鲁棒性强，不易误诊断。

关键词：电机驱动；开路故障；转速突变

引言

常见的逆变器故障主要有开路和短路故障。短路故障，通常由硬件电路在微

秒级的时间内进行保护处理；对于开路故障，多数情况下不会立刻导致系统停机，但会引起其他器件发生二次故障，最终导致系统无法正常工作。逆变器发生故障时，电路中的电压、电流等物理量相对正常状态时将会发生变化，利用这些特征

便可对其进行故障诊断。根据检测量的不同，主要分为电流检测法和电压检测法。电流检测法主要有：直流母线单电流传感器法、定子电流时域分析法、电流矢量

轨迹与电流瞬时频率法、直流侧电流频谱分析法、平均电流绝对值法和智能诊断

方法等。中逆变器通常采用正弦脉宽调制或空间矢量脉宽调制方式，多用于永磁

同步电机或交流感应电机的驱动控制。由于采用不同的控制策略，电流在故障状

态下表现出的特征不同，这些方法并不适用于方波控制的无刷直流电机驱动系统

逆变器的故障诊断。所述的方法数学计算复杂，需要高性能的处理器，在低成本

应用场合并不适用。针对无刷直流电机，分析了逆变器在正常工作和开路状态下

电机的相电流特征，将三相电流的绝对值之和作为特征量进行故障的检测与定位，该方法需要三个电流传感器，增加了成本，并且电流易受系统运行状况的影响。

提出几种电压检测法。对比了正常状态与开路故障下逆变器相电压、电机相电压、电机线电压或电机中性点电压之间的误差，利用这些电压误差来诊断器件的故障，该方法主要用于异步电机驱动系统。将开关函数模型应用到逆变器的运行模式分

析中，利用高速光耦实现了逆变器的无传感器开路故障诊断；在开关函数模型和

分析运行模式的基础上，依据故障和正常状态下桥臂下管承受电压的误差，通过

硬件电路来实现故障器件的诊断。中的诊断方法需要高速光耦或比较器，相应地

增加了诊断成本。

1研究方法

相比于开路故障，短路故障已存在许多较成熟的诊断方案；而相比于短路故障，电机发生开路故障后往往还能运行，不易被发现，但其危害较大。因为在此

情况下其余IGBT将流过更大的电流,导致发生过流故障；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。因此，对电机驱动系统开路故障诊断方法的研究更加必要。目前在功率管开路故障诊断策略上，采用的方法主要有三种。（1）专家系统法。主要是依赖专家长期的经验积累，通过对常见故障进行总结建库，再通过查询经

验库来实现故障类型的判断。（2）基于电压检测的功率管开路故障诊断方法。

这种电压检测法，其主要是通过检测系统正常态与故障态时电机相电压或中性点

电压之间的偏差来进行功率管的开路故障诊断。（3）电流检测法。主要是通过

对电流信号的提取检测来对系统功率管的开路故障进行诊断，由于其系统的参数

和控制策略是独立的，且不需要增加额外的传感器，是目前最为常用的一种检测

方法。国内基于平均电流的故障检测技术方案在负载/转速突变条件下存在故障误判断问题。

2诊断技术

本项目主要研究一种电机驱动系统的故障诊断新方法，使该方法简单易行，

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阈值，鲁棒性强，不易误诊断，从而实现对电驱动

系统故障的实时检测和定位。

2.1线电压差检测方法

目前，面向电机控制应用领域的微处理器芯片内部多集成与PWM同步触发

的AD转换器，可以方便地在tON与tOFF内采集端电压，然后通过软件算法获得

线电压差。为了采集逆变器不同工作模式下相应的电机两相端电压，通常需要3

路独立的AD转换器，这将增加系统的成本与器件选型的难度。从降低成本角度

出发，本文针对内部集成1路独立AD转换器的微处理器，利用分时复用策略估

计出线电压差。硬件检测电路如图1所示，其中R1~R6为分压电阻，R1R3R5，R2R4R6。

图一

以S1为例，当前PWM周期内分别在tON、tOFF内采样A相端电压UAON1、UAOFF1；下一个相邻的PWM周期内采样B相端电压UBON2、UBOFF2，采样时

刻如图2所示。

图2

端电压采样时刻为了降低功率管开关切换及电路延时带来的信号干扰和失真，可通过软件灵活设置同步采样的触发时刻来解决。考虑到PWM周期很小，忽略

相邻周期内的端电压变化，有通过式(1)、(2)，即可估计出线电压差UAB。

2.2将采集到的电驱动系统三相电流In（n＝a,b,c）进行Clark/Park变换得到

d-q坐标系下实际电流值Id和Iq，然后将Id、Iq分别通过滤波器进行滤波，再将

滤波后的电流值通过Park矢量处理器进行处理得到处理后的电流基准值|Is|，再

经过归一化处理器处理得到归一化后的电机相电流InN。其中电流基准值|Is|和归

一化后的电机相电流InN分别为式（3）和式（4）。

3技术关键

例如，解决轻载/空载条件下故障误判断。采用防止系统空载或轻载误判断处

理器来进行处理，即根据系统实际q轴电流值Iq的大小，确定给定d轴电流Id*

的取值，具体处理方法如式（5）。

式中，Id*为给定d轴电流，Iq为实际q轴电流，F为系统带载情况的判断阈值，这里取F为额定电流值的20%，L为系统处于空载或者轻载情况下d轴电流

注入值。通过这些参数和数值的选定与使用，计算后得出结论进行判断和处理。

结语

本文提出一种电驱动系统的故障诊断新方法，使其简单易行，能实时诊断与

定位单个功率管或多个功率管的开路故障，解决轻载、空载条件下系统误判断问题。在系统负载突变或转速突变时，不需要调整故障判断阈值、鲁棒性强、不易

误诊断，是一种很好的电机驱动系统开路故障诊断上的新策略。

参考文献：

[1]蒋雪峰.高可靠性双绕组永磁容错电机及其控制系统研究[D].江苏:南京航空

航天大学,2017.