開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障診斷和容錯(cuò)控制方法研究現(xiàn)狀及展望

孫德博 胡艷芳 牛 峰 李永建

（1. 河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130

2. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130）

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance motor Drive system, SRD）主要由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM）、功率變換器、檢測(cè)單元和控制器等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，SRM負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，是一種雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)，轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、容錯(cuò)能力強(qiáng)，可應(yīng)用于超過500℃的航空航天、高粉塵等較為惡劣的環(huán)境，以及電動(dòng)汽車、高速主軸和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)等可靠性要求較高的場(chǎng)合[1-3]；功率變換器負(fù)責(zé)對(duì)電源提供的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換后提供給SRM，在SRD中占據(jù)重要地位，其性能直接決定SRD的性能[4]；電流檢測(cè)和位置檢測(cè)分別為系統(tǒng)提供運(yùn)行時(shí)必要的電流和位置信息；控制器根據(jù)給定信號(hào)以及檢測(cè)環(huán)節(jié)反饋的電流和位置信息，決定功率變換器開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) Fig.1 The basic structure of switched reluctance motor drive system

盡管SRD整體可靠性較高，但復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行工況也會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生故障。首先，電機(jī)過載運(yùn)行或操作不當(dāng)會(huì)使繞組過電流、老化，導(dǎo)致匝間短路、相間短路或開路等故障；同時(shí)，電機(jī)在制造加工過程中工藝水平受限可能會(huì)導(dǎo)致氣隙偏心。功率變換器中的半導(dǎo)體器件在低速運(yùn)行時(shí)，由于長(zhǎng)時(shí)間工作在斬波狀態(tài)，容易出現(xiàn)開路或短路故障。另外，SRD運(yùn)行時(shí)通常需要進(jìn)行位置檢測(cè)和電流檢測(cè)等，由此而引入的各種傳感器在潮濕、過熱、粉塵等惡劣環(huán)境下容易出現(xiàn)信號(hào)延遲或缺失等故障，降低系統(tǒng)魯棒性，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

從以上分析可以看出，在SRD各組成部分中，電機(jī)本體、功率變換器和各類傳感器在系統(tǒng)運(yùn)行過程中均可能出現(xiàn)相應(yīng)的故障，引起系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此，為了進(jìn)一步提高SRD可靠性，保障電力拖動(dòng)系統(tǒng)在故障狀態(tài)下不至于癱瘓，最大程度降低故障引起的人員和設(shè)備損傷，非常有必要對(duì)SRD的可靠性進(jìn)行研究。

故障診斷和容錯(cuò)控制是研究系統(tǒng)可靠性必不可少的兩個(gè)環(huán)節(jié)：故障診斷是系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和分離故障的技術(shù)，只有精確判斷出故障類型和故障器件，才能采取相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略；容錯(cuò)控制是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可自主調(diào)整的技術(shù)，分為被動(dòng)容錯(cuò)控制和主動(dòng)容錯(cuò)控制，其中，被動(dòng)容錯(cuò)控制不依賴故障診斷技術(shù)，其容錯(cuò)能力非常有限，而主動(dòng)容錯(cuò)控制則在故障診斷環(huán)節(jié)獲得故障信息后采取控制策略，可以很大程度提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力。故障診斷是容錯(cuò)控制的前提，只有兩者有機(jī)結(jié)合，才可保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此，本文從故障診斷和容錯(cuò)控制兩個(gè)方面對(duì)SRD的可靠性進(jìn)行論述。

文獻(xiàn)[5]將SRD故障診斷方法分為數(shù)學(xué)變換方法、數(shù)字法和試錯(cuò)法三類；容錯(cuò)控制方法分為基于位置信號(hào)輔助方法、基于硬件輔助方法和智能算法三類。這種從數(shù)學(xué)物理角度分類的方式邏輯性強(qiáng)，但需要建立在已初步判別故障部件的基礎(chǔ)上，而在實(shí)際電機(jī)系統(tǒng)中，不同環(huán)節(jié)的故障可能具有相似的系統(tǒng)表現(xiàn)，如功率變換器開關(guān)管開路故障與繞組開路故障均會(huì)導(dǎo)致故障相電流缺失、輸出轉(zhuǎn)矩減小等，并非能夠輕而易舉定位故障單元。因而本文按照SRD的基本組成，在分析不同故障環(huán)節(jié)物理變化特征的基礎(chǔ)上，綜合對(duì)比不同故障診斷和容錯(cuò)控制方法優(yōu)缺點(diǎn)、適用對(duì)象和范圍，從電機(jī)本體、功率變換器和檢測(cè)單元三個(gè)方面，詳細(xì)闡述上述各部分故障診斷和容錯(cuò)控制策略的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)，旨在為探索SRD不同部件的新型故障診斷和容錯(cuò)控制方法提供思路。鑒于控制器的核心部分是微處理器，其輸入、輸出端一般均設(shè)有隔離和保護(hù)電路，工作時(shí)不接觸大電流或高電壓，且精密度極高，失效率遠(yuǎn)低于其他元器件，使得其可靠性極高，在故障分析過程中通常忽略其故障，因此本文未涉及有關(guān)控制器故障診斷和容錯(cuò)控制方法的內(nèi)容。

1 SRD功率變換器故障診斷和容錯(cuò)控制方法

圖1所示組成SRD的各部分中，功率變換器最易發(fā)生故障，原因在于功率變換器主要由功率開關(guān)管和二極管等電子元器件構(gòu)成，在電機(jī)運(yùn)行過程中持續(xù)承受高電壓和大電流。功率變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或各元器件的作用不同，也會(huì)影響其可靠性，研究表明不對(duì)稱半橋式功率變換器具有最高的可靠性，且開關(guān)管對(duì)功率變換器可靠性的影響最大[6]。

功率變換器故障主要表現(xiàn)為開關(guān)管的開路或短路故障。在軟斬波控制方式下，開關(guān)管一般有兩種工作方式，一種為單脈沖導(dǎo)通方式，即開關(guān)管在開通和關(guān)斷位置之間保持導(dǎo)通狀態(tài)；另一種為開關(guān)管在此期間通以一系列脈沖信號(hào)以實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速的控制。本文將采用第一種工作方式的開關(guān)管稱為位置管，采用第二種工作方式的開關(guān)管稱為斬波管。由于兩個(gè)開關(guān)管的作用和工作方式不同，故兩種開關(guān)管的故障發(fā)生率和診斷方法也不同。

1.1 故障診斷

根據(jù)故障發(fā)生時(shí)特征變量的不同，本文將功率變換器故障診斷方法歸納為基于電流變化檢測(cè)和基于故障評(píng)價(jià)值提取的故障診斷方法。

1.1.1 基于相電流變化檢測(cè)的故障診斷方法

正常運(yùn)行時(shí)，SRM各相電流對(duì)稱，即幅值相等、相位互差一定角度。當(dāng)功率變換器的開關(guān)管發(fā)生開路或短路故障時(shí)，各相電流不再對(duì)稱，電流幅值或頻率將發(fā)生變化：開路故障時(shí)，由于電路斷開，導(dǎo)致故障相電流缺失；短路故障時(shí)，若一個(gè)開關(guān)管短路，電機(jī)在達(dá)到關(guān)斷角后由原來去磁階段變?yōu)槔m(xù)流階段；若兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)短路，則電機(jī)繼續(xù)勵(lì)磁，使得故障相電流下降緩慢或持續(xù)上升，造成故障相電流連續(xù)且幅值明顯增加。因此，根據(jù)故障前后的各相電流變化情況可診斷開關(guān)管的開路或短路故障。

根據(jù)上述電流特征，可在功率變換器軟斬波工作模式下向開關(guān)管注入一個(gè)高頻電壓信號(hào)，檢測(cè)繞組電流的幅值和頻率，通過與正常工作時(shí)的電流幅值和頻率對(duì)比，判斷開關(guān)管是否發(fā)生開路或短路故障并確定故障管的位置[7-8]。該方法不需要增加傳感器，容易實(shí)現(xiàn)和常用控制方法的結(jié)合，對(duì)于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行均有效，但注入的高頻脈沖會(huì)增大功率管的開關(guān)損耗。

基于電流變化診斷開關(guān)管故障的另一種思路是：開關(guān)管故障引起相電流缺失或增大，由于SRM繞組電感是電流和轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，從而使得該相電感變化，進(jìn)而導(dǎo)致磁鏈大小和波形不同于正常運(yùn)行狀態(tài)，這種變化可用磁鏈-電流軌跡表示。文獻(xiàn)[9]借鑒交流電機(jī)中的坐標(biāo)變換，將a、b、c、d軸相電流投影到d、q軸坐標(biāo)系，即

這樣第一、二、三、四象限分別代表A、B、C、D相。通過檢測(cè)id-iq坐標(biāo)系內(nèi)電流的軌跡可診斷故障類型：當(dāng)某一象限電流軌跡出現(xiàn)脈沖尖峰時(shí)，該象限對(duì)應(yīng)相的斬波管發(fā)生短路故障；當(dāng)某一象限的電流軌跡出現(xiàn)明顯凸起時(shí)，前一象限對(duì)應(yīng)相的位置管發(fā)生短路故障；當(dāng)某一象限的電流軌跡出現(xiàn)缺失時(shí)，該象限對(duì)應(yīng)的相出現(xiàn)開路故障。坐標(biāo)變換法響應(yīng)速度快且魯棒性較好，但無法定位開路故障管。

高頻電壓注入法和坐標(biāo)變換法能夠判斷故障類型并定位故障相，但開關(guān)管故障時(shí)的相電流變化與繞組故障時(shí)的相電流變化非常類似，尤其是對(duì)開路故障的情況。這使得上述方法難以準(zhǔn)確判斷是開關(guān)管開路還是繞組開路，因此單純的開路診斷方法效果有限，還需要結(jié)合功率變換器拓?fù)溥M(jìn)一步判斷。文獻(xiàn)[10]提出了一種帶有雙向功率單元的AHBPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并針對(duì)此拓?fù)涮岢隽讼鄳?yīng)的故障診斷方法：在繞組勵(lì)磁階段通過檢測(cè)不同相電流值診斷開路故障，并借助雙向功率單元協(xié)助確認(rèn)是開關(guān)管故障還是繞組故障；在續(xù)流階段通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和兩相鄰采樣點(diǎn)電流的變化關(guān)系診斷短路故障，并通過檢測(cè)續(xù)流階段電流的續(xù)流時(shí)長(zhǎng)輔助確定故障類型。通過在不同階段檢測(cè)電流值診斷故障的方案不需要復(fù)雜算法，雖然該方案來源于所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其基本原理具有普適性。

1.1.2 基于故障評(píng)價(jià)值提取的故障診斷方法

基于相電流變化檢測(cè)的故障診斷方法簡(jiǎn)單直接，能夠在一定程度上判別并定位故障，但單一的電流檢測(cè)方式得到的結(jié)果不易與電機(jī)系統(tǒng)中其他單元的故障區(qū)分，如繞組開路故障、位置信號(hào)缺失故障等。因此，考慮電機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，還需要結(jié)合其他故障特征再進(jìn)行綜合判斷。

功率變換器開關(guān)管發(fā)生開路或短路故障時(shí)，不止引起相電流波形變化，還將導(dǎo)致母線電流、相電壓和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)等物理量發(fā)生一系列連鎖變化。因此，可在分析開關(guān)管開路或短路故障特征基礎(chǔ)上，綜合兩種或兩種以上系統(tǒng)物理量變化情況，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)并量化，再用一個(gè)綜合參數(shù)和具體數(shù)值體現(xiàn)故障類型并定位故障管。本文將這種可以反映故障綜合特征的數(shù)值稱為故障評(píng)價(jià)值，這類方法稱為故障評(píng)價(jià)值提取法。

故障時(shí)可選的物理量主要有相電流斜率和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)[10]、相電流節(jié)點(diǎn)能量[11-12]、相電流期望與標(biāo)準(zhǔn)差[13]、電壓相關(guān)量[14]等。根據(jù)所選物理量和數(shù)學(xué)表達(dá)式的不同，故障特征值的范圍亦不同。

文獻(xiàn)[10]針對(duì)開關(guān)管短路故障選取相電流斜率的符號(hào)函數(shù)λ和斬波管驅(qū)動(dòng)信號(hào)P兩個(gè)變量的“異或”值μ作為故障評(píng)價(jià)值：當(dāng)μ為高電平時(shí)，斬波管發(fā)生短路故障；對(duì)于位置管短路故障，還需檢測(cè)相鄰相電流續(xù)流時(shí)間。該方法可以將A-D轉(zhuǎn)換延遲和硬件延遲等因素考慮在內(nèi)，避免因器件延遲而引起的誤診斷。甘醇等[11-12]提出一種小波包分解法，以小波包節(jié)點(diǎn)能量離散度σ作為故障評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過觀測(cè)σ值判斷故障類型：當(dāng)某一相電流節(jié)點(diǎn)σ突然增大時(shí)，則該相發(fā)生短路故障，輔助以故障相電壓在其開通區(qū)間內(nèi)是否存在斬波信息可精確定位故障管；當(dāng)某一相電流節(jié)點(diǎn)σ為零時(shí)，則該相發(fā)生開路故障。小波包分解法在變載和變速工作狀態(tài)下應(yīng)用簡(jiǎn)單，診斷精度高，可實(shí)現(xiàn)在線診斷，然而由于同一相內(nèi)任一開關(guān)管開路故障情況下的σ值都等于零，故無法通過σ定位開路故障管，且復(fù)雜度隨分解層數(shù)的增多呈指數(shù)式增長(zhǎng)。文獻(xiàn)[13]采用離散小波變換，提取故障相電流平均值與標(biāo)準(zhǔn)差的比值μ作為故障評(píng)價(jià)量，根據(jù)μ值所處區(qū)間判斷故障類型：當(dāng)0.3＜μ＜1.3時(shí)，系統(tǒng)正常工作；當(dāng)μ＞1.3時(shí)，位置管發(fā)生短路故障；當(dāng)μ＜0.3時(shí)，發(fā)生開路故障。該方法提取的故障評(píng)價(jià)量μ變化范圍大，不易出現(xiàn)誤診斷，方法魯棒性高，但只能精確定位短路位置管，診斷開路故障還需將μ與其他物理量相結(jié)合。

文獻(xiàn)[14]從中點(diǎn)電壓實(shí)際值和計(jì)算值中提取電壓信號(hào)Sj和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)DSj，然后將兩者進(jìn)行“異或”邏輯運(yùn)算得出故障評(píng)價(jià)值FSj，如式（2）和式（3）所示。

式中，u1和u2為中點(diǎn)電壓；Us為母線電壓；uD為二極管壓降；uT為開關(guān)管壓降。

通過判斷Sj、DSj和FSj之間的數(shù)值關(guān)系可定位故障管：首先，故障評(píng)價(jià)值FSj設(shè)為故障標(biāo)志，當(dāng)FSj=1時(shí)，可確定第j相出現(xiàn)故障；進(jìn)一步地，當(dāng)奇數(shù)相橋臂的中點(diǎn)電壓信號(hào)S2k-1和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)DS2k-1互斥時(shí)，上管出現(xiàn)開路故障；當(dāng)偶數(shù)相橋臂的中點(diǎn)電壓信號(hào)S2k和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)DS2k保持一致時(shí)，下管出現(xiàn)短路故障。該方法可以有效地減小故障診斷時(shí)間和故障診斷成本，但難免增加了控制復(fù)雜度。

考慮到傳統(tǒng)電流傳感器的放置位置獲得的電流信息非常有限，難以通過單一電流信息準(zhǔn)確地提取故障評(píng)價(jià)值，因此若合理布置電流傳感器，則可以獲得更多電流信息，有利于準(zhǔn)確定位故障管[15-18]。如文獻(xiàn)[15]針對(duì)功率開關(guān)管故障提出了基于相橋臂交叉纏繞測(cè)量的診斷方法，通過改變電流傳感器放置位置進(jìn)行故障診斷，給出了兩種可行方案：①電流傳感器放置位置如圖2a所示，同時(shí)測(cè)量斬波管電流和續(xù)流二極管電流；②電流傳感器放置位置如圖2b所示，同時(shí)測(cè)得位置管電流和下續(xù)流二極管電流。然后將電流傳感器所測(cè)電流iar及其符號(hào)函數(shù)dari和兩個(gè)不同采樣點(diǎn)所測(cè)電流絕對(duì)值差值Δ|iar|作為故障評(píng)價(jià)值，如式（4）~式（6）所示。所提方法故障評(píng)價(jià)值變化較明顯、易于診斷，但針對(duì)開關(guān)管復(fù)合故障是否有效仍需做進(jìn)一步研究。

圖2 相橋臂交叉纏繞測(cè)量的診斷方法[15] Fig.2 Fault diagnosis method based on cross-leg current analysis[15]

上述文獻(xiàn)所提方法均選取了同一相的不同物理量，如電流或電壓等，這便于定位故障相，進(jìn)而通過故障評(píng)價(jià)值范圍定位具體的故障開關(guān)管。事實(shí)上，電流也可以取自不同相或同相中的不同元器件，這是考慮到故障時(shí)不同相電流或電壓之間的相位和幅值的差值與正常運(yùn)行時(shí)不同。文獻(xiàn)[19]將兩相電流平均值的差值作為故障評(píng)價(jià)值確定故障相和故障類型，然后將不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入故障相的兩個(gè)功率開關(guān)管來定位故障管，若發(fā)生開路故障檢測(cè)相電流去磁時(shí)間是否超過閾值，若發(fā)生短路故障則檢測(cè)相電流幅值是否超過閾值，超過閾值則說明存在故障。該方法僅需要主控制系統(tǒng)中已有參數(shù)，不需要增加電流傳感器，此外歸一化處理使算法不受電機(jī)功率、負(fù)載水平和機(jī)械轉(zhuǎn)速的影響，不足之處在于：診斷過程中需要人為改變開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，不能實(shí)現(xiàn)在線診斷。

1.1.3 小結(jié)

表1對(duì)功率變換器故障診斷方法進(jìn)行了總結(jié)，從可定位的故障類型、是否改變功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、算法復(fù)雜度和優(yōu)缺點(diǎn)五個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比。

從表中可以看出：①故障診斷方案一般不需要改變功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，方法通用性較好；②整體來看，故障評(píng)價(jià)值提取算法較復(fù)雜；③需要利用閾值進(jìn)行判斷的方案，因閾值均為經(jīng)驗(yàn)值，容易出現(xiàn)誤診斷。

表1 功率變換器故障診斷方法對(duì)比 Tab.1 Comparison of fault diagnosis methods for power converter

1.2 容錯(cuò)控制

針對(duì)功率變換器故障的容錯(cuò)控制方法可從硬件和軟件兩方面出發(fā)，即改進(jìn)功率變換器拓?fù)浠虿捎煤侠淼目刂撇呗浴?/p>

1.2.1 改進(jìn)功率變換器拓?fù)?/p>

改進(jìn)功率變換器拓?fù)涮岣呷蒎e(cuò)性能的一種方式是，通過在不對(duì)稱半橋拓?fù)浠A(chǔ)上添加備用開關(guān)管和繼電器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)工作中的開關(guān)管出現(xiàn)故障時(shí)，可將備用開關(guān)管通過繼電器接入網(wǎng)絡(luò)，替代原故障開關(guān)管[7,20]。這種方法原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，可靠性較高，然而添加備用設(shè)備會(huì)增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，不利于集成化和大規(guī)模生產(chǎn)。

另一種方式是采用能夠輸出多電平電壓信號(hào)的功率變換器拓?fù)洌鶕?jù)不同的運(yùn)行工況，采用相應(yīng)的電平輸出方式以提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力。V. Fern?o Pires[21]和合肥工業(yè)大學(xué)馬銘遙等[22]分別提出了一種具有故障容錯(cuò)能力的多電平功率變換器拓?fù)洌罢咄ㄟ^優(yōu)化中性點(diǎn)鉗位功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多電平輸出，如圖3所示；而后者通過在不對(duì)稱半橋基礎(chǔ)上添加水平橋臂實(shí)現(xiàn)多電平輸出，如圖4所示。兩種拓?fù)浣钥僧a(chǎn)生±2VDC、±VDC和0五種電壓等級(jí)，分別適用于不同轉(zhuǎn)速情況，高電壓等級(jí)在高速狀態(tài)下可減小換相時(shí)間和產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的可能性，低電壓等級(jí)在低速狀態(tài)下可減小開關(guān)頻率。值得注意的是，兩種多電平拓?fù)浔仨氁ＷC直流側(cè)兩個(gè)電容的電壓平衡，否則容易引起極大的開關(guān)損耗。文獻(xiàn)[23]針對(duì)開路故障，利用全橋拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，鑒于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)對(duì)相電流方向沒有要求，因此對(duì)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說，當(dāng)一個(gè)橋臂上的開關(guān)管出現(xiàn)故障時(shí)，可以用另一個(gè)橋臂上的開關(guān)管導(dǎo)通。全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用，故該方法的通用性較強(qiáng)，但由于電流反向，在切換成反向結(jié)構(gòu)的同時(shí)還需要配合雙向電流控制策略。

圖3 具有容錯(cuò)能力的中性點(diǎn)鉗位功率變換器[21] Fig.3 Neutral point clamped converter with fault tolerant capability[21]

圖4 基于不對(duì)稱半橋的五電平功率變換器[22] Fig.4 Five-level power converter based on the traditional asymmetric half-bridge power converter[22]

由于正常情況下備用開關(guān)管不起作用，因此上述五種拓?fù)浣源嬖诠β书_關(guān)管利用率低的問題；另外，雖然上述拓?fù)溽槍?duì)開關(guān)管開路故障可以實(shí)現(xiàn)較好的容錯(cuò)控制，但對(duì)于短路故障必須先利用繼電器將短路開關(guān)管切除后才能實(shí)施容錯(cuò)控制策略，這勢(shì)必又會(huì)增加結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜度。

采用具有容錯(cuò)能力的功率變換器拓?fù)湟部商岣咂淇煽啃浴Ｎ墨I(xiàn)[10]中提出的帶有雙向功率單元的AHBPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示，可對(duì)繞組故障和功率變換器開路故障引起的復(fù)合故障實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，但對(duì)于短路故障需要輔以額外的控制方式：采用短路故障轉(zhuǎn)化為開路故障，或通過調(diào)整關(guān)斷角使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化的容錯(cuò)策略。文獻(xiàn)[24]提出了一種新型集成化功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖6所示，采用串聯(lián)導(dǎo)通控制方式實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，該方法可在兩相同時(shí)導(dǎo)通時(shí)減少工作開關(guān)管數(shù)目，使開關(guān)管的電熱應(yīng)力減小一半的同時(shí)，不降低其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，從而有效提高系統(tǒng)可靠性。文獻(xiàn)[25]同樣提出了一種高度模塊化的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7所示，該拓?fù)渲饕蓛蓚€(gè)全橋模塊和四個(gè)繼電器組成，可快速對(duì)各種開關(guān)管故障實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。其中在針對(duì)短路故障時(shí)，將繞組聯(lián)結(jié)方式變換成星形聯(lián)結(jié)方式， 不需將短路故障管切除即可實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，但問題是切換時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大。西安交通大學(xué)丁文等[26]提出了一種互耦雙三相功率變換器拓?fù)洌淇煽啃詷O高，即使在故障情況下依然可以持續(xù)帶載運(yùn)行，但需要AHBPC兩倍數(shù)量的器件。

圖5 基于雙向功率開關(guān)管的AHBPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10] Fig.5 AHBPC topology based on bidirectional power switches[10]

圖6 新型集成化功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[24] Fig.6 Topology of the novel integrated power converter[24]

圖7 具有容錯(cuò)能力的模塊化功率變換器[25] Fig.7 Modular converter with fault tolerance capability[25]

1.2.2 容錯(cuò)控制策略

功率開關(guān)管發(fā)生開路故障時(shí)，僅減小電機(jī)輸出能力，相比于短路故障，開路故障的影響相對(duì)較小。當(dāng)功率變換器工作在軟斬波模式下時(shí)，斬波管短路故障會(huì)使勵(lì)磁區(qū)間相電流幅值增大，相繞組承受全部電源電壓，電機(jī)性能和壽命受到嚴(yán)重影響；續(xù)流區(qū)間相電流下降緩慢，引起電流拖尾，導(dǎo)致電機(jī)處于不平衡狀態(tài)。位置管短路故障在勵(lì)磁區(qū)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生影響，但是在續(xù)流區(qū)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的拖尾電流，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不平衡。從文獻(xiàn)[6]可以看出：一級(jí)故障下斬波管短路會(huì)直接使系統(tǒng)失效，二級(jí)故障下位置管短路故障會(huì)使系統(tǒng)失效，而開路故障則不會(huì)使系統(tǒng)失效。基于以上分析，文獻(xiàn)[10]提出基于故障轉(zhuǎn)換的控制策略：發(fā)生斬波管短路故障時(shí)，通過改變控制信號(hào)將斬波管和位置管進(jìn)行互換，相應(yīng)的斬波管短路故障就轉(zhuǎn)換成了位置管短路故障，而位置管短路故障引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)通過控制器進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[27]則采用當(dāng)某一相斬波管發(fā)生短路故障時(shí)改變控制信號(hào)，將同相的位置管關(guān)斷，使斬波管短路故障轉(zhuǎn)換成開路故障的方案，減小故障帶來的影響；若位置管發(fā)生短路，則將斬波管關(guān)斷。故障轉(zhuǎn)換的思想只需要改變控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單易實(shí)施，但是不能解決故障，可在短時(shí)間內(nèi)作為緩沖措施。

文獻(xiàn)[23]針對(duì)電動(dòng)汽車用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)利用系統(tǒng)降額的思想實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，在功率開關(guān)管出現(xiàn)故障后，根據(jù)電動(dòng)汽車運(yùn)行工況選擇降額系數(shù)使系統(tǒng)進(jìn)入降額狀態(tài)，然后激活控制算法：短路故障時(shí)采用電流軟斬波變占空比控制，開路故障時(shí)采用多方向電流軟斬波控制。為充分保證人身安全，對(duì)容錯(cuò)控制時(shí)效和性能都要求非常高，而該方法在汽車不同運(yùn)行工況下，都可以對(duì)故障轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)起到有效抑制。

1.2.3 小結(jié)

表2對(duì)提高功率變換器容錯(cuò)控制方法進(jìn)行了總結(jié)，從針對(duì)的故障類型、是否改變功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、算法復(fù)雜度、所用開關(guān)管數(shù)量和優(yōu)缺點(diǎn)六個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比。從表中可以看出：①與故障診斷方案相比，容錯(cuò)控制通過改變功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案多是添加備用開關(guān)管；②容錯(cuò)控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單，效率較高；③針對(duì)短路故障進(jìn)行容錯(cuò)控制時(shí)，通常需要的繼電器數(shù)量較多，接線相對(duì)復(fù)雜；④僅靠容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)短路故障實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，容易引起相間電壓不平衡問題。

表2 功率變換器容錯(cuò)控制方法對(duì)比 Tab.2 Comparison of tolerant control methods for power converter

（續(xù)）

2 SRM故障診斷和容錯(cuò)控制方法

SRM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是SRD中可靠性較高的部分，但電機(jī)定子齒極纏有集中式繞組，繞組容易因絕緣老化、高溫、高濕等因素出現(xiàn)相間短路、開路以及匝間短路等故障，且功率變換器短路故障導(dǎo)致的電流過大將加劇繞組故障；另外，根據(jù)文獻(xiàn)[28]，集中式繞組電機(jī)的可靠性與電機(jī)相數(shù)成比例關(guān)系，即電機(jī)相數(shù)越少，可靠性越低。因此，繞組故障尤其對(duì)少相數(shù)的電機(jī)影響較大。此外，受制造工藝限制，電機(jī)在加工和不正常運(yùn)行過程中引起的氣隙偏心也是常見故障之一。繞組故障和氣隙偏心故障是SRM故障類型中最常見的兩種，兩者都會(huì)使轉(zhuǎn)子承受徑向不平衡磁拉力，而徑向不平衡磁拉力是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大、噪聲增大等問題的主要來源[29]。另外，兩種故障之間相互作用，繞組出現(xiàn)故障后，轉(zhuǎn)子容易在徑向不平衡磁拉力的作用下發(fā)生偏移，從而引起或加劇氣隙偏心故障；當(dāng)氣隙偏心故障出現(xiàn)后，氣隙磁通密度變得不均勻，導(dǎo)致繞組承受的應(yīng)力也不均勻，其中承受較大電磁力的線圈繞組便容易出現(xiàn)變形甚至斷裂。本節(jié)針對(duì)SRM故障，從以上兩種常見故障類型進(jìn)行分類論述。

2.1 繞組故障

SRM定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無繞組，定子上有集中繞組，因此繞組故障僅會(huì)出現(xiàn)在定子側(cè)。為了防止因轉(zhuǎn)子受力不均勻造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，引起噪聲和損耗等問題，SRM的定轉(zhuǎn)子齒數(shù)皆為偶數(shù)，然而繞組發(fā)生故障時(shí)，轉(zhuǎn)子徑向受力會(huì)變得不平衡，嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行。

2.1.1 繞組故障診斷和容錯(cuò)控制方法

繞組故障類型分為開路和短路故障。短路故障主要包括匝間短路、相間短路、整極線圈短路、整相繞組短路和對(duì)地短路五種類型，其中匝間短路發(fā)生頻率最高，故障原因一般為端部漆包線絕緣損壞。雖然輕微的匝間短路對(duì)系統(tǒng)影響較小，但是其很容易引發(fā)其他四種短路故障，同樣對(duì)電機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行甚至人身安全造成很大威脅。繞組開路故障則直接導(dǎo)致一相電磁力缺失，使電機(jī)處于斷相狀態(tài)。

正常情況下，繞組阻值一般僅受溫度的影響，因此，繞組阻值一般變化不大，但當(dāng)匝間短路故障出現(xiàn)時(shí)，繞組的阻值會(huì)大幅減小，故可將繞組阻值作為短路故障指標(biāo)。文獻(xiàn)[30]在米勒型功率變換器的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)展的卡爾曼濾波算法求解得到繞組阻值，然后將其與設(shè)定的參考阻值相比，若求解得到的阻值低于設(shè)定的參考值，則說明出現(xiàn)匝間短路故障。該方案僅需要一個(gè)電流傳感器，實(shí)施成本低，但卡爾曼濾波算法太過復(fù)雜，對(duì)控制器要求較高。針對(duì)匝間短路故障，文獻(xiàn)[31]利用繞組短路故障會(huì)引起三相負(fù)序阻抗不對(duì)稱從而引起負(fù)序分量的現(xiàn)象，提出用電流正序分量和負(fù)序分量的比值作為故障評(píng)價(jià)值的方案。該評(píng)價(jià)值大小可反映故障程度，但其提取過程比較復(fù)雜。清華大學(xué)張品佳等[32]利用電流斬波控制方式下采樣頻率和開關(guān)延遲會(huì)引起過電流現(xiàn)象，提出了一種可以在線判斷匝間短路故障程度的故障評(píng)價(jià)值，該評(píng)價(jià)值可以消除由轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化產(chǎn)生的影響，魯棒性較高。同時(shí)，通過有限元軟件對(duì)繞組匝間短路的嚴(yán)重程度以及故障位置對(duì)電機(jī)磁路和運(yùn)行參數(shù)的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。針對(duì)相間短路故障，文獻(xiàn)[33]對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了研究，并在優(yōu)化電流傳感器放置位置的基礎(chǔ)上，利用故障相繞組進(jìn)出線電流差值進(jìn)行故障診斷，正常時(shí)差值為零，當(dāng)某一相出現(xiàn)故障時(shí)該相電流差值會(huì)增大，從而可以在不同區(qū)域依據(jù)增大的相電流差值確定故障位置。此方案可以在電流傳感器數(shù)量不變的情況下獲得比傳統(tǒng)電流傳感器放置方式下更多的電流信息。

在繞組相間短路故障容錯(cuò)控制方面，文獻(xiàn)[33]利用相電流重構(gòu)策略，采用三閉環(huán)容錯(cuò)控制策略，其框圖如圖8所示，主要原理是依據(jù)轉(zhuǎn)速、相電流和相間短路電流對(duì)功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。其三個(gè)閉環(huán)的作用分別為：外環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、中間環(huán)控制相電流、內(nèi)環(huán)依據(jù)相間短路電流控制開關(guān)管狀態(tài)。三閉環(huán)容錯(cuò)控制策略中滯環(huán)控制器的上、下限電流值為經(jīng)驗(yàn)值，容易引起誤操作。在繞組開路故障的容錯(cuò)控制方面，文獻(xiàn)[34]針對(duì)無軸承SRM單齒極繞組開路故障，將直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制（Direct Instant Torque Control, DITC）和直接懸浮力控制（Direct Force Control, DFC）方法相結(jié)合以補(bǔ)償缺失的懸浮力，DITC確定基本電壓符號(hào)，DFC結(jié)合懸浮力滯環(huán)信號(hào)和基本電壓信號(hào)確定等效電壓符號(hào)，控制開關(guān)管狀態(tài)，改變電流大小。該策略將DITC和DFC相結(jié)合，可以將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制在較為理想的范圍內(nèi)，但相鄰相補(bǔ)償策略并沒有徹底解決故障，故系統(tǒng)很難達(dá)到良好的健康狀態(tài)。

圖8 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相間短路故障容錯(cuò)控制策略[33] Fig.8 Tolerant control strategy phase-to-phase fault in SRM[33]

對(duì)于整極線圈短路和整相線圈短路，可認(rèn)為是極端匝間短路故障情況，整極線圈短路會(huì)使流過同相另一齒極上線圈的電流增大，嚴(yán)重影響磁場(chǎng)分布；而整相線圈短路更為嚴(yán)重，在勵(lì)磁狀態(tài)下極易使電源因短路而損壞。由于整極線圈短路和整相線圈短路與匝間短路故障機(jī)理相同，故一般匝間短路故障診斷的方案也可以適用于這兩種故障，加之這兩種故障出現(xiàn)的概率較低，所以本文未涉及關(guān)于整極線圈短路和整相線圈短路的故障診斷和容錯(cuò)控制方法內(nèi)容。對(duì)地短路故障則會(huì)使線圈分成兩部分，兩部分電流分別與大地形成回路。其中一部分受上開關(guān) 管控制，只能工作于勵(lì)磁狀態(tài)和續(xù)流狀態(tài)；另一部分受下開關(guān)管控制，只能工作于關(guān)斷和續(xù)流狀態(tài)。因此可以認(rèn)為：繞組對(duì)地短路故障等效于同時(shí)發(fā)生斬波管短路和匝間短路故障。

鑒于功率變換器故障與繞組故障相似的系統(tǒng)特征，學(xué)者們提出了幾種能夠同時(shí)應(yīng)用于功率變換器故障和繞組故障的容錯(cuò)控制策略。文獻(xiàn)[35]提出了一種新型雙通道功率變換器拓?fù)洌鐖D9所示。該拓?fù)渫ㄟ^改變繞組聯(lián)結(jié)方式實(shí)現(xiàn)兩種工作模式：模式1針對(duì)功率變換器故障，其繞組聯(lián)結(jié)方式會(huì)在定子極上產(chǎn)生“NS”型磁極排布，容錯(cuò)原理類似全橋拓?fù)洌荒Ｊ?針對(duì)開路故障，其繞組聯(lián)結(jié)方式會(huì)產(chǎn)生“NNNNNNSSSSSS”型磁極排布，利用同一通道內(nèi)的另一組線圈進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。雙通道結(jié)構(gòu)可同時(shí)提升功率變換器和繞組復(fù)合故障下的系統(tǒng)容錯(cuò)性能，不足之處在于需要注入正弦波電流且2次和4次電流諧波不能被抵消。文獻(xiàn)[36]針對(duì)SRM單齒極繞組開路故障，提出了一種徑向力最小化控制策略，當(dāng)圖10所示定子極1.1處的繞組出現(xiàn)故障時(shí)，不平衡徑向力如圖10所示，可以看出，利用健康相繞組2.2和2.14能夠補(bǔ)償缺失的徑向力，有效解決單齒極開路故障引起的不平衡磁拉力問題，其算法為

圖9 雙通道功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[35] Fig.9 Topology structure of dual-channel power converter[35]

圖10 不平衡徑向力空間分布[36] Fig.10 Spatial distribution of unbalanced radial force[36]

此外，由于采用了分布式逆變器，逆變器開路故障會(huì)產(chǎn)生相同的不平衡徑向力問題，所以該策略可同時(shí)對(duì)功率變換器和繞組故障進(jìn)行容錯(cuò)控制。在電機(jī)拓?fù)浞矫妫墨I(xiàn)[37]提出了一種將永磁體嵌入定子齒極內(nèi)并采用分段式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，可有效減小故障情況下感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的大小，從而可大幅降低開路或短路故障的危害，提升電機(jī)性能；文獻(xiàn)[38]針對(duì)永磁電機(jī)，通過設(shè)計(jì)定子輔助齒極來減小短路故障電流，進(jìn)而減小故障危害。改進(jìn)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)會(huì)增加成本費(fèi)用以及電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，難以兼顧性能與成本。

2.1.2 小結(jié)

表3對(duì)繞組故障診斷和容錯(cuò)控制方法進(jìn)行了總結(jié)，從適用場(chǎng)合、針對(duì)的故障類型、是否改變功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、算法復(fù)雜度和優(yōu)缺點(diǎn)六個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比。從表3中可以看出：改變功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制策略，通用性較差；但容錯(cuò)控制算法較為簡(jiǎn)單，所需計(jì)算時(shí)間短；健康相補(bǔ)償策略不能徹底解決故障，可在短時(shí)間內(nèi)作為緩沖措施。

表3 繞組故障診斷與容錯(cuò)控制方法對(duì)比 Tab.3 Comparison of fault diagnosis and tolerant control methods for winding

2.2 氣隙偏心故障

氣隙偏心故障是指電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子中心位置出現(xiàn)偏離，分為三種類型：靜態(tài)偏心故障、動(dòng)態(tài)偏心故障和混合故障[39-40]，如圖11所示。靜態(tài)偏心指轉(zhuǎn)子中心與旋轉(zhuǎn)中心重合，但它們不與定子中心重合；動(dòng)態(tài)偏心指定子中心與旋轉(zhuǎn)中心重合，但它們不與轉(zhuǎn)子中心重合；混合偏心是靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心的疊加，定、轉(zhuǎn)子中心與旋轉(zhuǎn)中心均不重合。氣隙偏心故障將造成定子與轉(zhuǎn)子間氣隙分布不均勻，使轉(zhuǎn)子承受不平衡徑向力，從而進(jìn)一步加深偏心故障程度并加劇電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，甚至使定轉(zhuǎn)子發(fā)生掃膛。

圖11 氣隙偏心類型[39-40] Fig.11 Types of air gap eccentricity[39-40]

2.2.1 氣隙偏心故障診斷和容錯(cuò)控制方法

氣隙偏心故障診斷多采用脈沖注入法，通過檢測(cè)繞組感應(yīng)電壓[39]或感應(yīng)電流[40-41]進(jìn)行診斷。如文獻(xiàn)[39]針對(duì)三相6/4電機(jī)提出一種向非對(duì)齊相注入正弦脈沖信號(hào)的偏心故障診斷方法，檢測(cè)正弦脈沖信號(hào)在兩個(gè)相繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，通過比較感應(yīng)電壓差值可以識(shí)別是否發(fā)生故障；再向故障相和非故障相分別注入信號(hào)可以識(shí)別故障相；檢測(cè)故障相兩個(gè)繞組電壓差值的正負(fù)可以確定偏心方向；計(jì)算故障情況下故障相感應(yīng)電壓絕對(duì)值與健康情況下該相感應(yīng)電壓絕對(duì)值的比值，可以確定故障等級(jí)。文獻(xiàn)[42]同時(shí)向全部相注入方波信號(hào)，將同相兩繞組電流差值作為故障特征，同樣可以實(shí)現(xiàn)偏心故障的全面分析：將各相分別在不同相對(duì)齊位置勵(lì)磁時(shí)，各相線圈電流差值數(shù)據(jù)以矩陣形式呈現(xiàn)，通過觀測(cè)各相電流差值矩陣的余子式的特征，可以確定故障相；通過檢測(cè)電流差值波形的升降趨勢(shì)與注入方波的升降趨勢(shì)相同或相反，可以確定偏心方向；只有靜態(tài)偏心故障可以確定故障相，至于動(dòng)態(tài)偏心和混合偏心故障，可通過檢測(cè)一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)電流差值矩陣的余子式是否重復(fù)進(jìn)行區(qū)分。

以上四種方案都是在電機(jī)停轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行，均可以對(duì)氣隙偏心故障實(shí)現(xiàn)全面分析，適合用作對(duì)新出廠的電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。然而脈沖注入法無疑需要增加額外的電流傳感器和電壓傳感器，且會(huì)引起開關(guān)損耗和電磁干擾問題。

由于徑向力主要集中于靠近凸極的定子軛上，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中徑向力的突變會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)問題。文獻(xiàn)[43]通過改變電機(jī)本體結(jié)構(gòu)，將定轉(zhuǎn)子齒極偏斜相同的角度，使徑向力在整個(gè)磁軛上均勻分布，從而減小了噪聲和振動(dòng)問題。該方案不會(huì)降低電機(jī)效率和輸出轉(zhuǎn)矩，但偏斜角度需要經(jīng)過精確計(jì)算，這難免增大設(shè)計(jì)和加工制造難度。文獻(xiàn)[44]在轉(zhuǎn)子齒極上設(shè)計(jì)了兩個(gè)對(duì)稱分布的非直通孔，孔的直徑和位置會(huì)影響磁場(chǎng)分布，從而影響徑向力和轉(zhuǎn)矩的大小，因而可以實(shí)現(xiàn)徑向力平衡。該方案相比傳統(tǒng)無孔或直通孔方案，可以獲得更小的徑向力和更大的轉(zhuǎn)矩，且能夠提高電機(jī)效率和功率密度，但作者僅考慮了孔的長(zhǎng)度寬度和位置，沒有考慮孔的深度對(duì)磁場(chǎng)的影響。由于徑向力受電流影響，所以調(diào)整電流大小可以實(shí)現(xiàn)徑向力平衡，文獻(xiàn)[45]從硬件優(yōu)化和控制策略兩個(gè)方面分別提出了偏心故障容錯(cuò)方案。在硬件優(yōu)化方面，當(dāng)偏心故障發(fā)生后，若同相相對(duì)的兩個(gè)齒極線圈以串聯(lián)方式連接，兩個(gè)線圈的電流時(shí)刻相等，無法通過調(diào)整電流實(shí)現(xiàn)徑向力平衡；但是對(duì)于并聯(lián)連接的線圈，電流可以根據(jù)兩邊的氣隙長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)整大小從而實(shí)現(xiàn)徑向力平衡。在控制策略方面，故障發(fā)生后，采用電流斬波控制方案使電流滿足式（8）即可減小不平衡力。但是該方案首先需要得到精確的氣隙長(zhǎng)度以及偏移距離。

式中，iC1和iC2分別為同相兩線圈電流；gC1和gC2分別為同相兩齒極氣隙；Δg為氣隙偏移長(zhǎng)度。

2.2.2 小結(jié)

表4對(duì)氣隙偏心故障診斷和容錯(cuò)控制方法進(jìn)行了總結(jié)，從適用場(chǎng)合、是否改變電機(jī)本體結(jié)構(gòu)、算法復(fù)雜度和優(yōu)缺點(diǎn)五個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比。從表4中可以看出：①脈沖信號(hào)注入法需要檢測(cè)感應(yīng)電壓或電流，會(huì)增大開關(guān)管損耗，引發(fā)電磁干擾；②可對(duì)常見的三種氣隙偏心故障類型實(shí)現(xiàn)全面診斷，適合用于對(duì)新出廠電機(jī)做檢測(cè)檢驗(yàn)；③均在離線狀態(tài)下進(jìn)行診斷，不易實(shí)現(xiàn)在線診斷；④對(duì)于容錯(cuò)控制方案，一般需要改變電機(jī)本體結(jié)構(gòu)，通用性受到限制。

3 SRD檢測(cè)單元故障診斷和容錯(cuò)控制方法

SRM依據(jù)磁阻變化運(yùn)行，其電感、磁鏈等物理量是電流和轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)，在進(jìn)行電機(jī)系統(tǒng)建模、分析和控制時(shí)通常需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的電流和轉(zhuǎn)子位置信息。SRD檢測(cè)單元主要包括電流傳感器、電壓傳感器和位置傳感器三部分。電流傳感器和電壓傳感器向控制器提供電流和電壓信息，位置傳感器向控制器提供位置信息，控制器根據(jù)三者所提供的信息控制開關(guān)管開通或關(guān)斷。若其中任一傳感器故障，電機(jī)控制系統(tǒng)都會(huì)受到影響。

表4 氣隙偏心故障診斷和容錯(cuò)控制方法對(duì)比 Tab.4 Comparison of fault diagnosis methods for air gap eccentricity

電流和電壓傳感器的故障主要有偏置故障和信號(hào)缺失。偏置故障會(huì)使電流或電壓信息產(chǎn)生偏差，信號(hào)缺失故障會(huì)使電流或電壓信息丟失，兩種情況均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制效果不佳。位置傳感器的常見故障包括信號(hào)丟失、延遲或提前等。當(dāng)信號(hào)丟失時(shí)，控制器無法獲得電流、電壓或轉(zhuǎn)子位置信息，便無法控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷；當(dāng)信號(hào)延遲或提前時(shí)，控制器得到錯(cuò)誤的位置和電壓電流信息，使開關(guān)管在錯(cuò)誤的時(shí)刻動(dòng)作。以上三種故障皆會(huì)引起SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加、噪聲增大等問題。

3.1 電流傳感器和電壓傳感器故障診斷和容錯(cuò)控制方法

文獻(xiàn)[46]針對(duì)電流傳感器偏置故障，在優(yōu)化的電流傳感器放置位置基礎(chǔ)上，根據(jù)三個(gè)連續(xù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿處的電流偏差值來定位故障的電流傳感器；確認(rèn)偏置故障電流傳感器后，提出基于重構(gòu)電流偏差的直接補(bǔ)償方案和基于重構(gòu)電流偏差的比例積分補(bǔ)償方案，前者將第一次計(jì)算得到的重構(gòu)電流偏差作為負(fù)反饋信號(hào)抵消偏置電流，后者將比例積分控制器的輸出作為反饋補(bǔ)償信號(hào)抵消偏置電流，兩種方案相結(jié)合，可以有效減小補(bǔ)償電機(jī)振蕩，縮短補(bǔ)償時(shí)間。

傳統(tǒng)電流檢測(cè)方法即每相一個(gè)電流傳感器，不僅需要電流反饋，而且需要過電流保護(hù)，系統(tǒng)成本和復(fù)雜度高。文獻(xiàn)[47]通過優(yōu)化電流傳感器的放置位置，增強(qiáng)了故障診斷能力，且減少了電流傳感器的數(shù)量，因此可減小因電流傳感器而引起系統(tǒng)故障問題的可能性，其所提電流傳感器放置位置如圖12所示，采用相電流重構(gòu)思想，選用S∑DL和S∑QL兩個(gè)電流傳感器并結(jié)合脈沖注入方案，獲取相電流信息和故障信息。雖然該方法可以縮減故障診斷時(shí)間，但不能獲得完整的相電流信息。

圖12 故障診斷增強(qiáng)型功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[47] Fig.12 Topology structure of fault diagnosis for enhanced power converter[47]

文獻(xiàn)[48]通過觀測(cè)磁鏈波形進(jìn)行電壓傳感器和電流傳感器故障診斷：正常情況下，電機(jī)第k相繞組的電壓平衡方程式為

由此可以解析得到第k相磁鏈平衡方程式為

由式（10）可知，磁鏈ψk和電壓Uk、電流ik有關(guān)，當(dāng)電壓傳感器或電流傳感器出現(xiàn)故障后Uk或ik變?yōu)榱悖沛湶ㄐ伪銜?huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此可以通過觀測(cè)磁鏈波形進(jìn)行故障診斷。但是功率開關(guān)管和繞組故障也會(huì)影響磁鏈波形，故該方案應(yīng)與功率變換器和繞組故障診斷方法相結(jié)合來應(yīng)用。

3.2 位置傳感器故障診斷和容錯(cuò)控制方法

根據(jù)SRM運(yùn)行原理，在安裝位置傳感器時(shí)，通常使位置脈沖信號(hào)上升沿和下降沿分別與最大、最小電感時(shí)刻對(duì)應(yīng)，因此若電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變，則各相位置脈沖信號(hào)順序就是固定的。但當(dāng)位置傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，脈沖信號(hào)的順序?qū)l(fā)生變化。基于此原理，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)陳昊等[49]提出了相鄰脈沖信號(hào)邊沿檢測(cè)的位置傳感器故障診斷方案。該方案靈活性較好，僅依賴相鄰脈沖信號(hào)，不依賴位置傳感器的安裝方式，可適用于單個(gè)和多個(gè)位置傳感器同時(shí)故障的情況。需要注意的是，繞組飽和時(shí)需要考慮電流對(duì)轉(zhuǎn)子位置的影響。

文獻(xiàn)[50-51]提出了一種脈沖邊沿預(yù)測(cè)算法，依據(jù)前三個(gè)脈沖邊沿的時(shí)間差計(jì)算第四個(gè)脈沖應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的時(shí)刻值tx。通過實(shí)際檢測(cè)的脈沖邊沿時(shí)刻值t4與tx進(jìn)行比較來診斷故障類型。

式中，a=δt1-δt2；b=δt12+2δt1δt2-δt22；c=-(δt12δt2-δt1δt22)；t1~t4分別是第1~4個(gè)脈沖邊沿時(shí)刻。

邊沿預(yù)測(cè)方案能夠準(zhǔn)確定位故障傳感器，缺點(diǎn)是計(jì)算量相對(duì)較大。蔡駿等[52]對(duì)位置脈沖信號(hào)及其互補(bǔ)信號(hào)在上升沿和下降沿區(qū)間內(nèi)做時(shí)間積分運(yùn)算，將此積分值作為故障判斷依據(jù)。正常轉(zhuǎn)速大小和方向基本不變的情況下，位置脈沖信號(hào)邊沿之間的時(shí)間差也基本保持不變。但在不同故障情況下，脈沖信號(hào)邊沿間的時(shí)間差會(huì)發(fā)生變化，積分值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，因此不需要復(fù)雜算法和額外器件，通過該積分值便可快速診斷出故障類型，不足之處在于該方案不適用于頻繁變載和變速的工況。

對(duì)于位置傳感器故障容錯(cuò)控制，文獻(xiàn)[49]在確認(rèn)故障后，通過檢測(cè)故障脈沖信號(hào)的前一個(gè)脈沖推斷出正確脈沖信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)中斷時(shí)刻后執(zhí)行中斷服務(wù)程序重建故障位置信號(hào)。此方法不受電機(jī)轉(zhuǎn)速變化影響，無論是在勻速運(yùn)動(dòng)，還是在變速運(yùn)動(dòng)中均可對(duì)故障脈沖進(jìn)行重構(gòu)，只是低速情況較高速情況效果略差。韓國(guó)強(qiáng)等針對(duì)低成本應(yīng)用場(chǎng)合光電式傳感器容易出現(xiàn)偏置故障的情況，提出了容錯(cuò)控制方案[53]：基于動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法、優(yōu)化傳統(tǒng)開槽圓盤并采用單只光電傳感器，通過計(jì)算任意兩個(gè)位置信號(hào)之間的相似度，來補(bǔ)償不對(duì)齊機(jī)械角度。優(yōu)化后的開槽圓盤如圖13所示，該方法僅用一個(gè)傳感器就可以檢測(cè)位置角度，其原理與文獻(xiàn)[49]所提方案類似，電感最值時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)邊沿，因此只需確定起動(dòng)相便可以進(jìn)行位置檢測(cè)，無需添加額外設(shè)備。

圖13 優(yōu)化的轉(zhuǎn)子位置信息檢測(cè)方法[53] Fig.13 Optimized rotor position detection method[53]

無位置傳感器控制策略在提升位置傳感器故障容錯(cuò)性能方案中是目前較為熱門的研究方向之一。文獻(xiàn)[50]提出了兩種無位置傳感器位置檢測(cè)方案：改進(jìn)脈沖注入法和電流梯度法。

改進(jìn)脈沖注入法的基本原理是：電感的變化取決于轉(zhuǎn)子位置，而脈沖電流大小取決于電感，因此通過注入電流值可確定轉(zhuǎn)子位置。在電機(jī)從對(duì)齊位置旋轉(zhuǎn)到不對(duì)齊位置時(shí)刻，電感由最大值變?yōu)樽钚≈担⑷朊}沖值會(huì)越來越大，當(dāng)超過所設(shè)閾值時(shí)，便可以確定位置。傳統(tǒng)脈沖注入法是對(duì)所有相注入電壓脈沖，每一相都需要相同的電路，硬件和軟件都比較復(fù)雜，而且在關(guān)斷后續(xù)流電流仍然很大的情況下注入脈沖容易引起負(fù)轉(zhuǎn)矩。而改進(jìn)脈沖注入法僅對(duì)一相繞組注入電壓脈沖，可減小器件使用數(shù)量，節(jié)約成本，且脈沖是在關(guān)斷后續(xù)流電流較小時(shí)注入，可避免負(fù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。

電流梯度法的基本原理是：在單脈沖控制方式下，電機(jī)在從對(duì)齊位置旋轉(zhuǎn)到不對(duì)齊位置時(shí)刻，電流增大到最大值，此時(shí)電流梯度等于零，故當(dāng)檢測(cè)到電流梯度等于零時(shí)，轉(zhuǎn)子位置便可確定，再由兩個(gè)電流梯度為零時(shí)刻間的角度差值與時(shí)間差值得出轉(zhuǎn)速，便可算出任意時(shí)刻的位置角度。由于單脈沖控制方式下開關(guān)次數(shù)少，故該方案適用于電機(jī)高速運(yùn)行情況，但變載情況下容易出現(xiàn)誤差。文獻(xiàn)[51]通過檢測(cè)電流梯度和電感梯度正負(fù)值變化時(shí)刻確定轉(zhuǎn)子位置角度，在電流梯度值由正變負(fù)時(shí)給定一個(gè)上升沿脈沖，由負(fù)變正時(shí)給定一個(gè)下降沿脈沖，在電感梯度正負(fù)值變化時(shí)刻進(jìn)行相反的操作，最后將電流梯度正負(fù)值變化時(shí)刻的脈沖和電感梯度正負(fù)值變化時(shí)刻的脈沖進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，即可得到實(shí)際位置信號(hào)脈沖。文獻(xiàn)[54]選取電感梯度由正變負(fù)的過零時(shí)刻（即對(duì)齊位置）作為給定脈沖時(shí)刻，然而在電機(jī)起動(dòng)位置附近電感梯度正負(fù)值頻繁變化，容易引起誤診斷，針對(duì)此問題，提出了一種最大電感分配法。起動(dòng)位置附近電感值較小，而最大電感值分配法選取電感值較大區(qū)域作為估算區(qū)域，這樣可避免起動(dòng)位置區(qū)域的影響。電感梯度法和最大電感分配法相結(jié)合不僅能有效檢測(cè)位置，還可對(duì)單相缺失故障實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。另外，針對(duì)無位置傳感器策略的電機(jī)起動(dòng)問題，文獻(xiàn)[54]還提出了一種基于非導(dǎo)通相電感雙閾值方案，主要通過注入脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)。以上幾種無位置傳感器方案都基于電感或電流隨位置角度變化的曲線，可與常用控制方法相結(jié)合。然而在SRM正常情況下，為了獲得較大的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)通常需要工作在磁飽和狀態(tài)[55]。磁飽和狀態(tài)下，電機(jī)具有嚴(yán)重非線性問題，但以上方案對(duì)解決非線性問題效果并不佳。

文獻(xiàn)[56]針對(duì)位置估算精度受磁路飽和影響大的問題，在非飽和區(qū)的相電感下降區(qū)域內(nèi)，利用各相電感值相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的位置點(diǎn)確定位置，避免了飽和區(qū)內(nèi)相電感受相電流影響的問題。丁文等[57]在非線性條件下，利用一種可通過計(jì)算得到的虛擬電壓替代實(shí)際電壓，并利用該虛擬電壓計(jì)算虛擬磁鏈，然后通過該虛擬磁鏈與實(shí)際參考磁鏈的交點(diǎn)檢測(cè)位置。由實(shí)際參考磁鏈的傅里葉展開式可以看出，參考磁鏈僅與相電流有關(guān)，另外虛擬電壓可通過計(jì)算得到，故該方案可以去除電壓傳感器，僅需單個(gè)電流傳感器即可實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)檢測(cè)，但是該方案僅適用于中高速電機(jī)，對(duì)于全轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行的電機(jī)，需要結(jié)合脈沖注入法應(yīng)用。文獻(xiàn)[58]結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估計(jì)，依據(jù)電機(jī)電流和磁鏈以及轉(zhuǎn)子位置角度間存在的非線性映射關(guān)系，提出了基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的位置檢測(cè)方案，將繞組電壓、繞組電流和磁鏈作為網(wǎng)絡(luò)模型輸入，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角度，用于轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖14所示。利用智能算法可以處理復(fù)雜的非線性問題，有效解決電機(jī)無法建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，需要大量精確的樣本數(shù)據(jù)，所以此方案還需采取合適的樣本數(shù)據(jù)選取方法。

圖14 用于轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)[58] Fig.14 The structure diagram of echo state network for rotor position estimation[58]

3.3 小結(jié)

表5對(duì)傳感器故障診斷和容錯(cuò)控制方法進(jìn)行了總結(jié)，從適用場(chǎng)合、適用的故障類型、算法復(fù)雜度和優(yōu)缺點(diǎn)五個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比。從表中可以看出： ①傳感器故障診斷和容錯(cuò)控制方法一般不需改變功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)且算法較簡(jiǎn)單；②磁飽和現(xiàn)象是無位置傳感器控制策略中比較棘手的問題，其會(huì)引起磁鏈波形發(fā)生變化，而目前多數(shù)方案沒有考慮磁飽和問題，所以容易存在檢測(cè)誤差；③電流波動(dòng)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)和負(fù)載變化容易對(duì)控制策略產(chǎn)生不利影響，應(yīng)該合理選取閾值或減少經(jīng)驗(yàn)性閾值的使用，降低參數(shù)波動(dòng)產(chǎn)生的誤差。

表5 傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制方法對(duì)比 Tab.5 Comparison of fault diagnosis and tolerant control methods for sensors

（續(xù)）

4 總結(jié)與展望

本文從功率變換器、電機(jī)本體、檢測(cè)單元三個(gè)方面概述了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)有故障診斷和容錯(cuò)控制方法。功率變換器可靠性最低，主要故障診斷方案包括基于電流檢測(cè)和基于故障評(píng)價(jià)值提取兩類，通過改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和采取合理的控制策略可提高其容錯(cuò)性能。電機(jī)本體故障主要包括繞組故障和氣隙偏心故障兩種，其中，繞組故障診斷方案以匝間短路和相間短路為主，繞組容錯(cuò)控制方案主要針對(duì)繞組開路，同時(shí)可以提升功率變換器容錯(cuò)性能；偏心故障診斷多通過注入脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)，而提高偏心故障下的容錯(cuò)性能可通過改變電機(jī)本體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)單元故障主要包括電流傳感器、電壓傳感器和位置傳感器故障，其中以位置傳感器故障容錯(cuò)控制方法為主，而無位置傳感器方案多被用來提升位置傳感器容錯(cuò)性能。

綜上所述，未來SRD故障診斷方法可從以下幾個(gè)方面開展：

1）故障評(píng)價(jià)值提取方法可以以直觀的數(shù)字化的形式體現(xiàn)故障，然而當(dāng)前很多方法所提取的故障評(píng)價(jià)值無法精確定位開路故障，因此需要對(duì)開關(guān)管開路故障進(jìn)行針對(duì)性的研究。

2）在任何應(yīng)用場(chǎng)合下都有必要不斷縮短診斷時(shí)間，故仍然需要繼續(xù)探索診斷速度快、計(jì)算量小的方案。

3）離線診斷方案不能實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)運(yùn)行信息，診斷時(shí)間存在延遲，不能有效保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，需要研究快速精確的在線診斷方法。

4）目前多數(shù)方案只能針對(duì)單一故障進(jìn)行診斷，由于某一處故障可能會(huì)引起其他部件故障，因此，需要探索適用于復(fù)合故障診斷的方案。

在SRD容錯(cuò)控制方面，可開展的研究如下：

1）改變功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是提高其容錯(cuò)性能的常用方法，而目前大部分方案通過添加元器件改變拓?fù)洌焕谂c市場(chǎng)銜接和工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，因此有必要繼續(xù)研究新型集成化功率拓?fù)洹?/p>

2）功率變換器和繞組故障、多相故障、多傳感器故障等復(fù)合故障對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生的影響較大，因此應(yīng)該針對(duì)復(fù)合故障來研究新型容錯(cuò)控制方案。

3）當(dāng)前無位置傳感器控制策略受限于磁飽和和轉(zhuǎn)速變化等問題而沒有得到全面應(yīng)用，所以需要研究不受非線性問題影響且適用于全轉(zhuǎn)速范圍的無位置傳感器控制策略。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法等方法不需要建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型，可以解決SRM難以建立精準(zhǔn)非線性數(shù)學(xué)模型問題，隨著智能控制算法的發(fā)展，此類方法在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)容錯(cuò)控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景。