基于改進型滑模觀測器的逆變器開路故障診斷

蔡志端，王玉龍，王玉玲，荀 倩

（1.湖州師范學院 工學院，湖州 313000；2.浙江超威創元實業有限公司，湖州 313100）

0 引言

據統計在工業應用中38%的事故是由于功率電路引起[1]，功率半導體器件失效故障占總故障的21%；關于功率變換器穩定性的一個工業調查顯示認為功率器件和驅動是脆弱的人分別占31%[2]。同樣，在永磁同步電機調速系統驅動電路中，逆變器的功率半導體器件及其控制電路是最易發生故障的薄弱環節。當功率器件發生故障時，如果不及時診斷并加以消除，將造成二次故障發生，最終導致系統癱瘓停機，給工業生產帶來極大經濟損失或者安全事故。為此，針對逆變器的故障診斷尤為重要。

目前針對逆變器的故障診斷得到了廣泛研究，文獻[3,4]對相關的診斷技術進行了綜述。目前，功率變換器故障診斷研究的熱點是電機變速系統中電壓源逆變器的開路故障。從檢測變量的角度可將故障診斷方法分為基于電流量和基于電壓量的診斷方法。基于電流的故障診斷方法更會受閉環和負載變化的影響[5]。基于電壓法相對基于電流法診斷速度快，對負載變化不敏感，但需要額外增加電壓傳感器。按照故障診斷權威P.M.Frank教授對故障診斷方法的分類可將故障診斷方法分為三大類：基于解析模型[6,7]、基于信號處理[8,9]、基于知識[10]的開路故障診斷方法。其中，基于解析模型中的狀態觀測器殘差生方法成已成為重要的故障診斷方法之一。無故障情況下，殘差值較小或者趨近于零，而當系統有故障時殘差值相比無故障時有明顯變化，通過設置一閾值，并將殘差與設置的閾值比較即可實現故障的診斷。文獻[11～13]針對功率變換器開路故障采用龍貝格狀態觀測器計算相電流殘差實現診斷。以上狀態觀測器的輸出會受到系統參數變化或輸入擾動等不確定性影響，而為了提升故障診斷的魯棒性，常要求故障診斷方法對系統存在不確定干擾輸入下也能正確完成故障檢測與識別。滑模觀測器繼承了變結構控制算法良好的魯棒性優點，在系統參數或者外部擾動等不確定性存在時都能保持良好的輸出，產生對不確定干擾具有魯棒性而對故障信息具有敏感性的殘差[14]。文獻[2,7]采用滑模觀測器估計相電流，由于該文獻中滑模控制律采用的是開關切換函數，其抖振抑制效果不理想，降低了故障診斷的準確率。所以，在充分利用電機矢量驅動系統中已有的參數，避免增加額外傳感器情況下，本文針對永磁同步電機矢量控制驅動系統中三相電壓源逆變器功率管開路故障，提出一種基于改進的滑模觀測器和二維靜止坐標系中電流相角度的故障診斷方法。滑模觀測器選用一種改進型切換控制函數來抑制抖振，提升故障診斷的正確率和對外界干擾的魯棒性；選用電流相角度為故障特征量，提升故障診斷方法的魯棒性。最后，通過仿真實驗驗證改進型故障診斷方法正確性和強魯棒性能。

1 滑模觀測器設計

表面貼式永磁同步電機驅動電路如圖1所示，逆變器采用電壓矢量控制120度導電方式。在同步旋轉坐標系下逆變器數學模型為：

圖1 永磁同步電機驅動電路

式中uα、uβ為定子相電壓在二維靜止坐標系α、β軸分量；iα、iβ為定子相電流在α、β軸分量；L、Rs為定子等效電感和等效電阻；J分別為轉子角速度，永磁體磁鏈，轉子位置，和轉動慣量。根據式(1)，式(2)數學模型，狀態方程簡記為：

根據滑模變結構控制理論與式(2)設計滑模觀測器狀態方程為：

s 為符號函數：

由于符號函數的不連續性和高頻切換使得電流估計值在滑模面發生高頻抖振，大大降低了估計值的準確性，甚至危及觀測器的穩定性[15,16]。為此，考慮滑模控制過程抖振抑制問題，改進滑模控制量，采S型函數Sigmoid函數[17]替代不連續的符號函數作為切換控制量，達到減小高頻抖振的目的，其中：

改進后的滑模觀測器為：

2 基于滑模觀測器的故障診斷

故障診斷的核心思想是在不同的開關狀態下計算觀測器輸出值與逆變器實測值之間的殘差，比較殘差與閾值的大小。若殘差大于所設閾值表示相關相有開路故障，否則逆變器正常無故障。故障診斷包括故障檢測與故障定位兩部分。由于永磁同步電機系統是一變速系統，驅動系統中逆變器電流依賴于電機轉速與負載，所以故障診斷方法必須對電機負載和轉速具有強魯棒性。

故障檢測是判斷整個逆變器是否正常，本文提出的故障檢測方法是基于二維靜止坐標系下，以橫縱軸兩電流分量相位角為故障特征量，計算觀測器值與實際值的殘差。

永磁同步電機矢量控制中，電流相角度θ與電機轉速相關，對電機負載不敏感。電機轉速可直接由轉子機械角度θm求導計算獲得。由于永磁同步電機矢量控制中，轉子機械角度可以通過電機位置傳感器獲取。所以，電流相電角度實際值θ是可以通過轉子機械角度θm計算獲得，其關系為：

其中p為電機極對數。

根據公式(13)，可得電流相角度估計值為：

逆變器功率管開路故障定位是基于電流相角度。根據文獻[18，19]研究成果，不同相開路故障其對應的相角度不同。表I列出不同開關管故障下的電流相角度取值范圍。

表1 不同相開路故障下電流相角度取值

3 實驗

使用MATLAB/Simulink，建立三相六開關逆變器永磁同步電機矢量控制模型，仿真實驗驗證所提出故障診斷算法的有效性與可行性。仿真參數如下：直流側電壓Udc=310V，調制頻率為10KHz，電機參數如表II所示。圖2為逆變器正常情況下的仿真結果，實驗結果表明滑模觀測器估計值可正確估計逆變器電流相角度，此時電流相角度殘差較小。圖3為當逆變器中Q1功率開關管發生開路故障后的實驗結果。此時在兩個開關狀態下，電流估計值與實際值有明顯的變化，電流相電度殘差較大且維持時間較長。故障診斷方法能正確檢測逆變器A相開路故障。圖4為逆變器中不同功率開關管開路故障后電流相角度估計值。實驗表明文獻所提出的故障診斷方法能正確定位不同相開路故障。圖5為當電機負載轉速變化時對Q1開路故障診斷的實驗結果。結果表明，不同轉速下，故障特征值變化極小，表明該故障診斷方法對電機負載轉速變化具有強魯棒性。

圖4 Q1和Q3開路故障時電流相角度估計值

圖5 Q1開路故障不同轉速時電流相角度估計值

表2 永磁同步電機參數

圖2 正常時電流相角度實際值與估計值

圖3 Q1開路故障時電流相角度實際值與估計值

4 結論

應用于永磁同步電機驅動的逆變器易出現故障導致系統停機，而這將帶來經濟損失或安全事故。為處理該不可預測故障，提升系統的可靠性，針對永磁同步電機系統非線性、變速、強干擾等特點，文章提出一種強魯棒故障診斷方法。該故障診斷方法采用滑模觀測器估計二維靜止坐標系中電流相角度，并以此為故障特征量實現故障診斷。由于滑模觀測器對輸入干擾等不確定性不敏感，電流相角度對電機負載、速度變化不敏感等特點，文章提出的故障診斷方法具有強魯棒性特點。文章對故障診斷算法的理論推導與性能評估進行了研究與驗證。

[1] S. Yang, D.Xiang,A.Bryant, P. Mawby, L. Ran, P. Tavner. Condition monitoring for device reliability in power electronic converters：A review[J].IEEE Transaction on Power Electronic,2010,25(11)：2734-2752.

[2] Potamianos P G, Mitronikas E D,Safacas A N. Open-Circuit Fault Diagnosis for Matrix Converter Drives and Remedial Operation Using Carrier Based Modulation Methods[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,61(1)：531-545.

[3] Bin Lu,Santosh K.Sharma.A Literature Review of IGBT Fault Diagnostic and Protection Methods for Power Inverters[J].IEEE transactions on industry applications,2009,45(5)：1770-1777.

[4] 安群濤,孫力,孫立志,趙克.三相逆變器開關管故障診斷方法研究進展[J].電工技術學報,2011,(4)：135-144.

[5] An Q T,Sun L,Sun L Z. Hardware-circuit-based diagnosis method for open-switch faults in inverters[J].Electronics Letters.2013, 49(17)：1089 - 1091.

[6] Shin-Myung J, Jin-Sik P,Hag-Wone K, et al. An MRAS-Based Diagnosis of Open-Circuit Fault in PWM Voltage-Source Inverters for PM Synchronous Motor Drive Systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(5)：2514-2526.

[7] Shuai S, Wheeler P W,Clare J C, et al. Fault Detection for Modular Multilevel Converters Based on Sliding Mode Observer[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(11)：4867-4872.

[8] 王欣,周元鈞,馬齊爽.基于FFT和專家系統的BLDCM系統故障檢測與識別[J].北京航空航天大學學報,2013,39(04)：564-568.

[9] 于泳,蔣生成,楊榮峰,王高林,徐殿國.變頻器IGBT開路故障診斷方法[J].中國電機工程學報,2011,31(9)：30-35.

[10] 付玲,帕孜來·馬合木提,廖俊勃.三相SPWM逆變器的智能故障診斷研究[J].制造業自動化.2015(05)：72-74.

[11] 李寧,李穎暉,朱喜華,雷洪利,俞佳.新型容錯逆變器的混雜系統建模與故障診斷[J].電機與控制學報,2012,16(9)：53-58,66.

[12] Salehifar M, Arashloo R S,Moreno-Equilaz J M, et al.Fault Detection and Fault Tolerant Operation of a Five Phase PM Motor Drive Using Adaptive Model Identification Approach[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2014,2(2)：212-223.

[13] Ding X,Poon J,Celanovic I,et al. Fault Detection and Isolation Filters for Three-Phase AC-DC Power Electronics Systems[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers,2013, 60(4)：1038-1051.

[14] 白晶,盧士祺,劉健.電流源型逆變器滑模控制策略的研究[J].制造業自動化,2014(20)：31-34.

[15] 韓邦成,王鵬,陳彥鵬.改進滑模觀測器的磁懸浮高速PMSM轉子位置預測方法[J].電機與控制學報,2013,(9)：42-47,56.

[16] 劉昇,盧廣山,徐瑜,等.基于改進型滑模觀測器的PMSM無位置控制[J].南京航空航天大學學報,2013(04)：474-478.

[17] Nuno M .A. Freire, Jorge O. Estima,António J. Marques Cardoso .Open-Circuit Fault Diagnosis in PMSG Drives for Wind Turbine Applications[J].IEEE Transaction on industrial electronics, 2013,60(9)：3957-3967.

[18] Mendes A M S,Cardoso A J M.Voltage source inverter fault diagnosis in variable speed AC drives by the average current Park’s vector approach[A].Proceedings of the IEEE International Electric Machines and Drives Conference,Madison,USA[C].1999： 704-706.

[19] Rivelino Espinoza-Trejo D,Campos-Delgado D U,Bossio G, et al. Fault diagnosis scheme for open-circuit faults in field-oriented control induction motor drives[J].IET Power Electronics,2013, 6(5)：869-877.