摘 要：準(zhǔn)確地對(duì)驅(qū)動(dòng)器開路故障進(jìn)行識(shí)別與診斷能夠有效防止故障進(jìn)一步惡化所引起的嚴(yán)重事故，也是實(shí)施恰當(dāng)容錯(cuò)控制策略的先決條件。驅(qū)動(dòng)器的開路故障類型包含單個(gè)功率開關(guān)管故障、多個(gè)功率開關(guān)管故障以及功率開關(guān)管和相的混合故障，提出能夠識(shí)別上述所有類型全開路故障模式的診斷方法。首先，為了便于模擬多類型的故障場景并提高理論模型的計(jì)算精度，構(gòu)建能夠計(jì)及諸多非理想因素和電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間相互影響關(guān)系的直接耦合分析模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性和有效性。其次，通過矢量空間解耦中的子平面電流和繞組相電流分別提取故障因子和輔助故障因子，提出基于2種故障因子的診斷方法，并明晰2種故障因子的閾值范圍和使用方法。最后，依托驗(yàn)證后的直接耦合分析模型，對(duì)6種不同類別的開路故障進(jìn)行識(shí)別和診斷，證明所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)；雙三相驅(qū)動(dòng)器；耦合建模；開路故障；故障診斷

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中圖分類號(hào)：TM351文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Diagnosis method for full open circuit fault modes in dual three-phase permanent magnet synchronous motor driver

TANG Haoyue， LI Weili， CHEN Rui

（1.School of Electric Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China; 2.School of Electric Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China;3.School of Ruixin， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

Abstract：Accurate identification and diagnosis of open-circuit faults in the driver can effectively prevent serious accidents caused by further deterioration of faults and is also a prerequisite for implementing proper fault-tolerant control strategies. The types of open-circuit faults in the driver include the single power switch fault， multiple power switches fault， and mixed fault of power switch and phase. The diagnosis method of fully open-circuit fault modes that can identify all the above types is proposed. Firstly， a direct coupling analysis model was constructed that can consider many non-ideal factors and the interaction between the motor and the driver to facilitate the simulation of multiple fault scenarios and improve calculation precision of the theoretical model， and the accuracy and effectiveness of the model was verified through experiments. Secondly， the fault factors and auxiliary fault factors were extracted from the sub-frame currents in vector space decomposition and winding phase currents， and the diagnosis method based on the two fault factors was proposed， and the threshold range and usage of the two fault factors were clarified. Finally， six different types of open-circuit faults were identified and diagnosed， by relying on the validated direct coupling analysis model， proving the validity of the proposed method.

Keywords：dual three-phase permanent magnet synchronous motor; dual three-phase drive; coupled modeling; open-circuit fault; fault diagnosis

0 引 言

雙三相電機(jī)通常是指兩套三相繞組相位差為30°的六相電機(jī)，也被稱為不對(duì)稱六相電機(jī)[1]。中性點(diǎn)相互隔離的雙三相電機(jī)不僅具備出色的容錯(cuò)能力，并且可以借鑒傳統(tǒng)三相電機(jī)的成熟技術(shù)，使其在電動(dòng)汽車、多電作戰(zhàn)平臺(tái)、高端裝備用舵機(jī)和執(zhí)行器等高可靠軍民領(lǐng)域中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位[2-3]。在實(shí)施容錯(cuò)控制之前需要精準(zhǔn)的故障診斷步驟，從而能夠?qū)收宵c(diǎn)進(jìn)行有效地隔離或正確地補(bǔ)救。相比于電機(jī)本體，其驅(qū)動(dòng)器要更加脆弱。根據(jù)行業(yè)調(diào)查表明，功率開關(guān)管發(fā)生故障的概率占驅(qū)動(dòng)器總故障率的70%，遠(yuǎn)高于其余部件故障的概率[4-6]。當(dāng)功率開關(guān)管發(fā)生短路故障時(shí)，通常采取硬件保護(hù)措施來強(qiáng)制停止驅(qū)動(dòng)器或?qū)⒍搪饭收限D(zhuǎn)化為開路故障。因此，絕大多數(shù)的故障診斷方法和容錯(cuò)策略主要針對(duì)于驅(qū)動(dòng)器中功率開關(guān)管的開路故障[7-16]。

功率開關(guān)管的開路故障診斷方法主要分為三類，分別為模型法、智能策略法和信號(hào)法。基于模型的診斷方法需要根據(jù)電機(jī)參數(shù)構(gòu)建相應(yīng)的狀態(tài)觀測器，并將觀測器的估計(jì)值與實(shí)際的測量值進(jìn)行比較，進(jìn)而通過二者之間的偏差來對(duì)故障進(jìn)行判斷[7-8]。該方法能夠快速且準(zhǔn)確地獲取故障特征，但是其依賴精確的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行參數(shù)。電機(jī)的電磁參數(shù)難免會(huì)隨著不同的運(yùn)行工況和環(huán)境因素發(fā)生變化，這也是模型法的主要局限性?；谥悄芩惴ǖ脑\斷方法無需了解系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，也不依靠電機(jī)的控制策略和準(zhǔn)確參數(shù)，具有強(qiáng)魯棒性和高辨識(shí)度的優(yōu)點(diǎn)。很多研究利用諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、模糊邏輯、數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng)等智能算法對(duì)功率開關(guān)管的開路故障進(jìn)行識(shí)別[9-12]。雖然基于智能算法的診斷方法能夠區(qū)分不同種的故障類型并具有較高的診斷精度，但是在實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜，并給處理器帶來嚴(yán)重的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

相比于上述2種方法，基于電壓或電流信號(hào)的診斷方法更受歡迎。電流是閉環(huán)系統(tǒng)中必須用到的控制變量，可以避免接入額外的傳感器。因此，絕大多數(shù)診斷方法是基于繞組電流信號(hào)或是諧波子平面電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)的[13-16]。文獻(xiàn)[13]定量地給出不同種故障模式下6個(gè)繞組相電流歸一化后平均值和平均絕對(duì)值，并將上述數(shù)值做成數(shù)據(jù)表從而能夠識(shí)別出54種功率開關(guān)管的開路模式。文獻(xiàn)[14]將諧波平面電流幅值與基波平面電流幅值相除，利用二者比值定義故障因子，并根據(jù)故障因子所在的閾值區(qū)間對(duì)雙三相驅(qū)動(dòng)器的單相和雙相開路故障進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[15]將缺相故障后的繞組電流表示成正序分量和負(fù)序分量的組合，通過負(fù)序電流分量的幅值和相位角識(shí)別單相和雙相開路故障。文獻(xiàn)[16]基于故障后基波平面和諧波平面電流的約束關(guān)系，對(duì)雙三相電機(jī)的每個(gè)相均定義一個(gè)獨(dú)特的故障因子。該方法能夠?qū)θ我獾娜毕喙收线M(jìn)行識(shí)別與定位，但不能識(shí)別單個(gè)功率晶體管的開路故障。

驅(qū)動(dòng)器的開路故障類型主要分為單管開路、多管開路、功率開關(guān)管和相的混合開路。對(duì)于雙三相電動(dòng)機(jī)而言，其可以根據(jù)開路故障的嚴(yán)重程度運(yùn)行在最小銅耗、最大轉(zhuǎn)矩和單三相的容錯(cuò)模式[17-19]。準(zhǔn)確對(duì)開路故障類型進(jìn)行識(shí)別和診斷是實(shí)施正確容錯(cuò)策略的前提條件。然而，對(duì)于雙三相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，目前還沒有研究出能夠?qū)崿F(xiàn)任意功率開關(guān)管開路、任意相開路以及功率開關(guān)管和相的混合開路的故障診斷。針對(duì)上述問題，本文以雙三相永磁電機(jī)為研究對(duì)象，提出一種能夠識(shí)別驅(qū)動(dòng)器全開路故障模式的診斷方法。所提方法同樣可以擴(kuò)展到雙三相感應(yīng)電機(jī)中，為雙三相電機(jī)高可靠的容錯(cuò)運(yùn)行做出良好的技術(shù)鋪墊。

驅(qū)動(dòng)器的開路故障會(huì)引起過流、高熱和強(qiáng)振等負(fù)面因素。不同開路故障場景對(duì)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的危害程度也不同，直接進(jìn)行多個(gè)類別的開路故障實(shí)驗(yàn)很可能燒毀系統(tǒng)，甚至危害人員安全。為了能夠真實(shí)反映出不同故障場景下電機(jī)的運(yùn)行情況，構(gòu)建能夠計(jì)及工程中多種非理想因素的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的直接耦合分析模型，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。汲取文獻(xiàn)[16]中優(yōu)勢，并對(duì)該文獻(xiàn)中的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行完善。根據(jù)子平面電流和相電流的故障特征，提取故障因子和輔助故障因子，并提出一套故障診斷流程，實(shí)現(xiàn)全開路故障模式的識(shí)別。基于驗(yàn)證后的直接耦合分析模型，模擬6種開路故障，包括單管、多管、多相以及功率管和相的混合故障，分析2種故障因子的變化趨勢，并證明所提方法的有效性。

1 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的直接耦合模型

在電機(jī)性能分析方面，有限元方法因具有較高的準(zhǔn)確度而備受歡迎。但是，對(duì)電機(jī)進(jìn)行單一的有限元分析無法研究驅(qū)動(dòng)器的不同開路故障，也忽略了實(shí)際工程中控制策略、開關(guān)頻率和死區(qū)效應(yīng)對(duì)電機(jī)本體的影響。在驅(qū)動(dòng)器的研究方面，為了方便驗(yàn)證控制算法的有效性，通常將電機(jī)等效為理想的電路模型。然而，這種做法忽略了電機(jī)內(nèi)部磁飽和、齒槽效應(yīng)和渦流等非理想因素，降低了計(jì)算的精度。為了能夠真實(shí)反映出電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，本文基于有限元的分析方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模，同時(shí)以磁矢位為橋梁，構(gòu)建雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的直接耦合分析模型。

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；N為線圈匝數(shù)；D為線圈兩邊所跨的弦長；ap為并聯(lián)支路數(shù)；lgmd為導(dǎo)體間的幾何距離。通過式（2）可以將雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)電磁場模型與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行聯(lián)合求解。這種方法既保留了高計(jì)算精度的優(yōu)勢，使計(jì)算結(jié)果更貼切于工程中的實(shí)測結(jié)果，而且便于模擬驅(qū)動(dòng)器的開路故障。

2 試驗(yàn)平臺(tái)的建立與模型的驗(yàn)證

為了證明耦合模型的有效性，建立兩套試驗(yàn)平臺(tái)，從性能、電流波形、子平面電流、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速等方面進(jìn)行綜合驗(yàn)證。研究所用樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。第一套試驗(yàn)平臺(tái)主要由AVL測功機(jī)、一臺(tái)雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器組成，如圖2所示。電機(jī)與測功機(jī)同軸剛性連接，電機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)均可從測功機(jī)中讀取。驅(qū)動(dòng)器由500 V的直流穩(wěn)壓柜供電，其核心是TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335。驅(qū)動(dòng)器主電路所用IGBT的型號(hào)為40N120F12，母線支撐電容由2個(gè)電容器串聯(lián)組成，每個(gè)電容器的耐壓值和容量值分別為450 V和1 200 μF。

考慮到測功機(jī)只能獲取電機(jī)在三相或六相模式時(shí)的運(yùn)行性能，因此選取六相模式中的8個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。直接耦合分析模型中電機(jī)和控制器的參數(shù)與試驗(yàn)平臺(tái)中的完全一致。電機(jī)運(yùn)行在雙d-q的控制模式下，控制器的開關(guān)頻率為8 kHz，死區(qū)時(shí)間為2.3 μs，電流環(huán)的采樣頻率與開關(guān)頻率相同，轉(zhuǎn)速環(huán)的采樣頻率為0.8 kHz。表2給出了計(jì)算和實(shí)測的性能對(duì)比。其中：X/Y數(shù)據(jù)形式中的X代表計(jì)算值；Y代表測功機(jī)測試值。

由于控制策略是采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)模式，因此在計(jì)算中可以精確地給定轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)矩值。為了方便對(duì)比，給定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與實(shí)測值相同來分析電機(jī)其他運(yùn)行指標(biāo)。從表2可以看出，在8種工況下，電壓、電流和效率的最大偏差分別為4.4%、4.8%和3.7%。計(jì)算精度不僅滿足了工程需求，也證明了直接耦合分析模型的正確性。

為了對(duì)繞組電流波形、子平面電流和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速進(jìn)行直觀地對(duì)比，建立第二套試驗(yàn)平臺(tái)，包括電機(jī)對(duì)拖平臺(tái)與控制和測試平臺(tái)，如圖3所示。圖3（a）中兩臺(tái)樣機(jī)完全相同，左邊作為負(fù)載機(jī)，右邊作為測試機(jī)。測試機(jī)和負(fù)載機(jī)通過一臺(tái)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速儀同軸剛性連接，負(fù)載機(jī)工作在發(fā)電模式并產(chǎn)生與測試機(jī)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，測試機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速會(huì)反饋到上位機(jī)中。圖3（b）中驅(qū)動(dòng)器1和驅(qū)動(dòng)器2分別控制測試機(jī)和負(fù)載機(jī)。測試機(jī)的繞組電流由4個(gè)鉗形電流傳感器測量，電流波形在Keysight Technologies制造的數(shù)字示波器中顯示。上位機(jī)能夠根據(jù)繞組電流的實(shí)測值計(jì)算出子平面電流。

圖4給出了電機(jī)在額定工況且穩(wěn)態(tài)下的繞組電流波形、d-q子平面電流和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速的對(duì)比結(jié)果。圖4（a）為直接耦合分析模型的計(jì)算結(jié)果，圖4（b）為通過圖3試驗(yàn)平臺(tái)得到的實(shí)測結(jié)果。試驗(yàn)中示波器的4個(gè)探頭分別用于顯示第一套三相繞組和第二套三相繞組中U相的電流波形?？梢钥闯?，計(jì)算得到的電流波形表征與實(shí)測一致。六相模式下每相繞組電流分布均勻，電流的有效值約為8.0 A，周期為4.4 ms，并且U相電流滯后A相電流30°電角度。從圖4（c）和圖4（d）中也能發(fā)現(xiàn)，計(jì)算得到的d-q子平面電流和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速同樣與測試結(jié)果相吻合。

從上面的兩組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，直接耦合模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測試值非常接近，并且與表1中的設(shè)計(jì)參數(shù)相符。這可以充分說明，所建立模型的計(jì)算精度能夠滿足工程需求，并且可以反映出電機(jī)的真實(shí)運(yùn)行狀況。因此，基于該模型可以靈活地模擬各種故障場景，分析故障電流的情況，為后續(xù)故障診斷算法的驗(yàn)證提供支撐。

3 驅(qū)動(dòng)器全開路故障模式的診斷策略

通過下式的矢量空間解耦變換，電機(jī)在自然坐標(biāo)系中的變量可以解耦至3個(gè)互相正交的子平面中，即

式中：iN（t）為6個(gè)相繞組電流；ix和iy為x-y平面電流；id和iq為α-β平面經(jīng)過Park變換而來的d-q平面電流。進(jìn)行歸一化后的繞組電值在［－1，1］區(qū)間之內(nèi)，且與負(fù)載大小無關(guān)。

在健康模式中，α-β平面中的基波分量與x-y平面中的諧波分量相互獨(dú)立。然而，開路故障將導(dǎo)致電機(jī)的控制自由度降低，打破了這種獨(dú)立性。在開路故障狀態(tài)下，x-y平面中的電流不再為0，與α-β平面中的電流相互約束。將iA=0、iB=0、iC=0、iU=0、iV=0、iW=0分別代入式（4）的變換矩陣中，即可得到6種缺相故障模式下α-β平面和x-y平面的電流約束關(guān)系為：

從理論上講，在無故障發(fā)生的狀態(tài)下，故障因子fN應(yīng)恒為0?？紤]到實(shí)際運(yùn)行中存在的一些外界干擾和測量儀器固有的誤差會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響，因此留有了0.25的安全裕度，以防止對(duì)故障的誤診斷。當(dāng)fN的值大于0.25時(shí)，則認(rèn)定逆變器存在著開路故障，進(jìn)而對(duì)缺相故障和功率開關(guān)管開路故障進(jìn)行識(shí)別。在功率開關(guān)管的開路狀態(tài)下，fN在一個(gè)電流周期的平均值應(yīng)為0.5。同樣留出0.25的安全裕度，認(rèn)定fN在0.25和0.75之間時(shí)發(fā)生功率開關(guān)管故障。最后，若fN的值大于0.75，則認(rèn)定發(fā)生缺相故障。

根據(jù)式（10）能夠?qū)﹂_路故障類型做出準(zhǔn)確判斷。然而，若要具體定位到故障橋臂的某個(gè)功率開關(guān)管時(shí)，則僅通過故障因子進(jìn)行辨識(shí)將變得非常困難。相比之下，繞組相電流直接包含著功率開關(guān)管的故障特征。從開路故障機(jī)理中可知，功率開關(guān)管的開路故障會(huì)導(dǎo)致繞組電流的正半周期或負(fù)半周期的值為0。因此，可以引入輔助故障因子dN，通過一個(gè)電流周期內(nèi)繞組電流的極性來定位發(fā)生故障的功率開關(guān)管，表達(dá)式為

根據(jù)式（10）和式（12）中的故障因子和輔助故障因子即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中任意的缺相故障和功率開關(guān)管開路故障做出精確的診斷?；谏鲜龇治鲞^程，所提出開路故障診斷方法的原理框圖如圖5所示。

需要特別注意的是，輔助故障因子只有在對(duì)功率開關(guān)管的開路故障進(jìn)行診斷時(shí)才起作用。此外，在故障診斷的實(shí)施過程中，一定要先根據(jù)故障因子fN的值定位出發(fā)生故障的相和故障類型，然后再根據(jù)輔助故障因子dN的值來具體判別發(fā)生開路故障的功率開關(guān)管。

4 驅(qū)動(dòng)器全開路故障模式的診斷與分析

驅(qū)動(dòng)器的開路故障模式包括單管故障、單相故障、多相故障、不同橋臂的多管故障、相和功率開關(guān)管的混合故障。本節(jié)將通過驗(yàn)證后的直接耦合分析模型對(duì)上述全開路故障類型進(jìn)行診斷與分析。假定雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)在初始時(shí)刻已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行在額定工況，在20 ms時(shí)通過強(qiáng)制拉低功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來制造相應(yīng)的開路故障。當(dāng)某一相橋臂上管和下管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為低電平時(shí)，則視為該相發(fā)生了缺相故障。

基于所提出的故障診斷方法，圖6給出了A相上管開路和A相缺相2種故障模式下的診斷結(jié)果。從圖6（a）的左圖可以看出，在A相上管發(fā)生開路后，A相繞組電流正半周期的值為0。相應(yīng)地，圖6（b）中A相故障因子fA的值迅速超過了設(shè)定的閾值0.25，且小于0.75。其他相的故障因子均在0.25以下，因此可以判定A相驅(qū)動(dòng)橋臂的某一功率開關(guān)管發(fā)生了開路故障，需要進(jìn)一步判斷輔助故障因子dA的極性。可以發(fā)現(xiàn)，dA小于-0.25，極性為負(fù)，從而診斷出A相上管發(fā)生了開路故障。

從圖6（b）中還可以發(fā)現(xiàn)，在A相上管發(fā)生故障后，繞組電流的畸變使得各相繞組電流的平均值發(fā)生了變化。其中，輔助故障因子dB的值已經(jīng)超過了安全閾值0.25。然而，這并不會(huì)對(duì)故障診斷結(jié)果造成影響。所提出的故障診斷方法是先根據(jù)故障因子fA判斷出A相發(fā)生了功率開關(guān)管故障，然后再考察該相的輔助故障因子dA。由于故障因子的值表明除了A相其余相沒有故障發(fā)生，因此，A相之外的輔助故障因子并沒有意義。

在強(qiáng)制拉低A相驅(qū)動(dòng)橋臂的上管和下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之后，圖6（a）右圖中A相繞組電流值恒為0，并且圖6（c）中fA的值超過閾值0.75，表明A相發(fā)生缺相故障。由于已經(jīng)診斷出A相發(fā)生開路故障，同樣不必考察輔助故障因子。

對(duì)比圖6（b）和圖6（c）能夠發(fā)現(xiàn)，A相缺相故障診斷的速度要更快一些，在A相開路后，fA的值立即發(fā)生了變化。相比之下，在A相上管發(fā)生開路故障后，fA的值在短暫延遲之后才明顯上升。這是因?yàn)?，在A相上管發(fā)生開路故障的時(shí)刻，A相繞組電流處于負(fù)半周期，A相上管的故障并不會(huì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行造成影響。當(dāng)繞組電流從負(fù)半周期轉(zhuǎn)換至正半周期時(shí)，故障因子才能夠識(shí)別出A相的故障。

為了驗(yàn)證對(duì)多個(gè)功率開關(guān)管開路故障診斷的有效性，考察同一套三相繞組中的A相上管和B相下管以及不同套三相繞組中的A相上管和U相上管的開路故障，如圖7所示。從圖7（a）的左圖可以發(fā)現(xiàn)，在A相上管和B相下管同時(shí)發(fā)生開路后，A相繞組電流正半周期與B相繞組電流負(fù)半周期的值均為0，并且繞組電流的畸變程度相比于單管開路狀態(tài)也更加嚴(yán)重。

從圖7（b）中可以發(fā)現(xiàn)，故障因子fA和fB的值在0.25～0.75區(qū)間內(nèi)，表明A相和B相均存在著功率開關(guān)管的開路故障?？疾燧o助故障因子dA和dB的極性可知，dA的極性為負(fù)，dB的極性為正，代表A相的上管和B相的下管發(fā)生了開路故障。進(jìn)一步可以看出，由于B相下管發(fā)生開路故障時(shí)，B相繞組電流剛好位于負(fù)半周期，導(dǎo)致fB發(fā)生變化的時(shí)間要先于fA。

同理，圖7（c）中fA和fU大于0.25且小于0.75，表明A相和U相存在著某個(gè)功率開關(guān)管的開路故障?？梢园l(fā)現(xiàn)，dA和dU的極性均為負(fù)，進(jìn)而能夠定位出A相和U相的上管故障。在A相和U相的上管發(fā)生開路故障時(shí)，A相和U相的繞組電流均處于負(fù)半周期。因此，fA和fU在短暫延時(shí)之后超過安全閾值。

最后，考察多相開路和相與功率開關(guān)管混合開路的故障情況。圖8給出了A相和V相缺相故障以及A相缺相與W相上管開路混合故障的診斷結(jié)果。

圖8（a）左圖中的A相繞組電流和V相繞組電流在雙相開路故障后為0，相應(yīng)地，圖8（b）中故障因子fA和fV的值迅速超過了閾值0.75，表明A相和V相發(fā)生了缺相故障。在A相缺相和W相上管開路故障后，圖8（a）右圖中A相繞組電流為0且W相繞組電流正半周期缺失。同時(shí)，故障因子fA超過了閾值0.75，fW超過安全閾值0.25且小于0.75。在此基礎(chǔ)上考察輔助故障因子dW，可以發(fā)現(xiàn)其極性為負(fù)，進(jìn)而能夠?qū)υ擃惢旌瞎收线M(jìn)行準(zhǔn)確診斷。

為了便于對(duì)比與分析，表3總結(jié)了上述6種故障模式下故障因子和輔助故障因子的情況。由于輔助故障因子僅在功率管開路時(shí)有效，即0.25lt;fN≤0.75，因此表3中“—”代表無意義的輔助故障因子。從表3中的數(shù)據(jù)情況可以清晰地分辨出不同類別的故障類型，證明了所提方法的有效性。

5 結(jié) 論

驅(qū)動(dòng)器開路故障的精確診斷直接關(guān)乎著電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，是多相電機(jī)能夠容錯(cuò)運(yùn)行的先決條件。本文提出適用于雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器全開路故障模式的診斷方法。為了能夠真實(shí)地反映電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，靈活地模擬各種開路故障模式，構(gòu)建了電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的直接耦合分析模型，并建立兩套試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該模型進(jìn)行充分的驗(yàn)證。根據(jù)矢量空間解耦方法中α-β平面與x-y平面電流的約束關(guān)系，提取出各相的故障因子，從而能夠?qū)ο嚅_路和功率開關(guān)管開路進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)繞組相電流的故障特征，提取出各相的輔助故障因子，進(jìn)而具體定位出發(fā)生開路故障的功率開關(guān)管。進(jìn)一步地，提出2種故障因子的結(jié)合方法和閾值范圍?；谒岢龅脑\斷策略，能夠?qū)喂荛_路、多管開路、多相開路、相與功率開關(guān)管混合開路的全開路故障模式進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

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（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2023-06-02

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金（3232050）

作者簡介：湯昊岳（1993—），男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槎嘞嘤来烹姍C(jī)的多物理場及控制技術(shù)；

李偉力（1962—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)綜合物理場和特種電機(jī)理論設(shè)計(jì)；

陳 睿（2004—），女，學(xué)士，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)技術(shù)。

通信作者：李偉力