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基于反相器的对BUCK型BLDCM的在线故障诊断
房建成，李文琢，李海涛，徐向波
（IEEE电力电子学报，北京市，海淀区，100191）
摘要：无刷直流（BLDC）电机以其结构简单、可靠性高而广泛应用于航天领域。即使在故障情况下，电机的容错控制（FTC）对电机的连续运行能力也很重要。为了实施可折叠车顶控制（FTC）策略，应提前进行故障诊断。本文提出了一种基于模型的磁悬浮控制力矩陀螺三相全桥降压型直流变换器故障诊断方法，该方法基于磁悬浮控制力矩陀螺中电感低、反电动势不理想的高速无刷直流电机。该方法可以检测和识别降压变换器或三相全桥中单个开关的开路和短路损坏。同时，提出了隔离故障和避免二次故障的保护措施。通过仿真和实验验证了该方法的有效性和有效性。
关键词：无刷直流电机；buck变换器；在线故障诊断；容错；
0 引言
磁悬浮控制力矩陀螺仪(MSCMG)被认为是空间站、卫星等姿态控制的关键执行机构。由于高速转子无摩擦、阻尼增强，具有精度高、体积大、寿命长等特点[1-2]。由于真空环境恶劣，要求具有高可靠性和长寿命的工作能力。通常，MSCMG中的高速电机以恒定的高速运行，为高速转子系统提供角动量。电机驱动的可靠性是保证电机在发生事故或故障时仍能安全、连续、高性能运行的重要因素之一。研究[3]中提到约38%的电机故障发生在功率逆变器中，大部分故障发生在功率开关上。通常，容错控制系统(FTC)由故障检测、识别和补救措施组成。故障检测与识别作为故障诊断的基础和重要组成部分，可以对故障进行检测，确定故障的类型和位置。因此，功率逆变器的在线故障诊断对于保证MSCMG在故障状态下的连续运行能力具有重要意义。
针对空间应用对高速转子驱动系统的高速运行和低功耗的要求，介绍了采用无铁无槽定子的低功率无刷直流电动机趋向于电感极低[4-6]。为了实现低功耗，在三相全桥逆变器前采用buck型变换器[7-11]，避免了传统的相位脉宽调制(PWM)方法造成的严重电流纹波[12-13]，将电流闭环控制应用于降压变换器。该电机控制器由速度控制器和电流控制器组成，用于调节电机的转速和直流链路电流。
近几十年来，针对电机驱动系统开路和短路故障的诊断方法开展了多项研究工作。这些方法主要可以分为两类:时域诊断方法[14-28]和频域诊断方法[29-32]。频域诊断方法采用先进的数字信号处理技术，可降低测量噪声引起的误报警风险。然而，它引入了复杂的计算和较长的诊断时间。时域诊断方法因其检测速度快、简单易行而被广泛应用。许多文献关注于基于电机电流或电压测量的时域诊断方法[14-17]。提出了一种利用测量的相电流信息和无刷直流电动机驱动特性，采用简单算法进行开路故障诊断的方案[14]。Duan等[15]利用各相电流绝对值的平均值来诊断双馈感应发电机系统的开路故障。该方法[16]将归一化量与电流平均绝对值作为检测变量，对单次开路故障进行诊断。然而，基于所测电流信号[14-16]的故障诊断方法，特别是对于工作电流较小的电机，由于测量噪声可能会产生误报。研究[17]比较了四种用于检测开关开路故障的电压测量技术。基于逆变器极电压、相位电压和线路电压测量的诊断方法都需要三个电压传感器，这可能会增加系统的复杂性。基于相位电压和中性电压测量的诊断方法都依赖于系统模型。此外，闭环控制会削弱被测电流或电压的故障特征。基于电压测量的方法虽然可以实现快速检测，但需要额外的传感器，闭环控制的影响尚未考虑。
针对永磁同步发电机驱动的两个功率变换器，提出了一种基于绝对电流场矢量相位导数的实时开路故障诊断方法[18]。在此基础上，利用闭环控制系统提供的参考电压信息，提出了一种新的无附加传感器的开路故障诊断电压方法[19]。研究工作主要集中在采用空间矢量调制(SVM)控制方法的电机上[18-19] [23] [32]。对于采用两相传导方式的MSCMG高速无刷直流电动机，采用buck变换器提供平滑可控的电机输入电压。在无PWM的三相桥式逆变器中晶体管的控制由安装在定子内部的三个霍尔传感器产生的换相信号决定。因此，由于控制算法和逆变器拓扑结构的不同，上述SVM控制方法不能直接应用于MSCMG高速电机中。
近年来，基于模型的方法[3] [20-25]和人工智能方法[26-28]是时域诊断方法中的两种常用方法。提出了一种基于模型参考自适应系统技术的开关故障诊断方法。该方法具有诊断速度快、结构简单等特点。该诊断方案利用硬件电路间接获取低功率开关电压[20]，分析逆变器在健康和故障状态下的开关功能模型，实现无传感器逆变器开路故障诊断。同时，在传统的三脚变换器中，通过减少电压传感器的使用，提出了一种利用估计和测量的在线电压差值进行快速检测的方案[21]。采用非线性观测器产生残差，隔离故障开关[22]。提出了一种基于观测器的异步电机直接投资鲁棒方案，该方案采用了一组非线性比例积分观测器[23]。提出了一种基于滑模观测器和半桥开关模型的鲁棒开路开关故障检测方法[24]。针对单相PWM整流器，提出了一种基于Luenberger状态观测器的简单、鲁棒的传感器FDI和FTC方案[25-28]。提出了基于模糊方法、小波与神经模糊系统、神经网络诊断系统等人工智能方法。然而，基于数字控制的算法存在计算过程复杂、计算量大的缺点。
基于模型的方法和人工智能方法适用于闭环控制系统。但需要注意的是，在传统的三相逆变器中，所采用的方法都是针对开关开路故障的[3] [14-17] [19-23]。传统三相逆变器的开式开关故障，在门控开关转O-N时，会使电机电流达到零。这台电动机的转矩将达到其功率的三分之二。对于带buck变换器的三相全桥，由于电感的影响，三相全桥的开路故障会导致电机在故障状态下电流为零，buck变换器的输出电压增加以及buck变换器中的电容。高输出电压可能会在下一次健康的导电状态下引入二次故障。此外，由于传统三相逆变器的开关短路故障可以通过硬件保护转化为开路故障，因此对开关短路故障的诊断研究较少。而对于带buck变换器的三相全桥，在没有硬件保护措施的情况下，三相全桥开关短路故障引起的过流在短时间内通过buck变换器电流闭环控制实现自保护。然后，由于反电动势电压的作用，特别是在高速下，三相之间会产生意想不到的电流，这可能会引起二次故障。由于传统三相逆变器的开关故障特征与buck变换器的三相全桥开关故障特征不同，因此对buck变换器的三相全桥开关故障进行诊断和保护，对保证MSCMG高速电机驱动系统的高可靠性具有重要意义。
本文提出了一种基于模型的、低成本的由buck变换器和三相全桥组成的电机逆变器开关故障诊断方法。在分析闭环控制系统故障运行状态的基础上，提取电压观测器和测量值的剩余信号，对逆变器故障进行诊断。提出的电压观测器考虑了实际生产原因引起的非理想反电动势对估计电压的影响。该方法能快速、准确地检测和识别开路和短路故障，且硬件简单。实时识别buck变换器和三相全桥的故障。同时，采取保护措施，防止系统二次故障的发生。该故障诊断算法是在现有控制系统上作为子程序实现的。仿真和实验结果表明了该方法的有效性。
1 BUCK转换器与无刷直流电机的组合模型
电机输入电压由buck转换器提供，buck转换器包含两个储能元件，一个线圈和一个电容，如图1所示。介绍了一种采用MOSFET T8、功率电阻R1和二极管D9组成的三相全桥开关开路故障电压放电保护电路。
图2为buck-converter无刷直流电动机组合的等效电路。图2(a)、(b)分别为buck变换器开关T7开、关时的等效电路。
图1 buck-converter电机组合的拓扑结构
图2 (a) T7开，(b) T7关
忽略电机定子电感很低的情况下，由状态空间平均法推导的buck变换器无刷直流电动机组合电压方程如下：
（1）
uin和u0 是buck变换器的输入和输出电压, Lf和C0是buck变换器的电感和电容, rd7是开关的导通电阻T7, iL buck变换器电感电流,i是电机的直流母线电流, Delta;udio是二极管D0和 D9的正向电压，Rp是单相电阻，满足Rp=R r,R是定子电阻,r是开关开态电阻, eL是反电动势电压，满足eL= eupminus;elow, eup和elow反电动势电压上下端电动势,d1是buck开关管的占空比, 1和2是当buck变换器和三相全桥的开关发生故障时的扰动信号。
图3所示为三相全桥单开关损坏的正常和故障情况下的等效电路，我们假设无铁定子电机的相电感可以忽略不计。
无刷直流电机的电压方程可以表示为：
（2）
其中，2minus;1和2minus;2是由于三相全桥中发生开关开路故障和短路故障而产生的附加扰动信号。下标u和l分别表示上开关故障和下开关故障。正常情况下，当电机在正常状态下运行时，达到udle;u0。
在三相全桥中，开关开路故障和短路故障同时发生的可能性很小。我们假设当开关开路故障发生时，达到2=w2minus;1和2minus;2=0。此外，当开关发生短路故障时，达到2=2minus;2和2minus;1=0。
根据图1所示的驱动系统，应检测和识别的故障分类为：
1）buck变换器（F1）开关断路损坏；
2）buck变换器（F2）开关短路损坏；
3）三相全桥（F3）单开关开路损坏；
4）三相全桥（F4）单开关短路损坏。
图3 三相全桥开关损坏的正常和故障情况下的运行状态。（a）正常状态。（b）上开关开路故障状态。（c）下降开关开路故障状态。（d）上开关短路故障状态。（e）下降开关短路故障状态。
2 电压观测器
从（1）可以将降压变换器的输出电压简化为：
（3）
忽略了电机的低定子电感和T7开关的超低导通电阻。可以看出，对于平面宽度小于120度的非理想反电动势波电机，deL/dt的值不能忽略。然后，电压方程可以写为：
(4)
其中LfC0的值很小，忽略了LfC0，由于w1、w2含有三相全桥和降压变换器的故障信号，提出了基于（5）和（6）的两种简单电压观测器。电压可以表示为：
(5)
(6)
其中Tk=Lf/2Rp。由于d1是控制器输出，观测者需要测量直流链路电流i和线对反电动势电压eL。
其离散形式为：
(7)
(8)
其中TS为AD采样周期，用来建立buck变换器输出电压和电机输入电压的在线观测，并满足eL(k)le;0(k)le;uin与实际运行状态一致。
图4显示了在360度电度的六个传导周期内的三相反电动势电压。反电动势电压eL(k)、eup(k)、elow(k)和eun(k)可表示为:
（9）
（10）
(11)
(12)
式中，f1(omega;)和f2(omega;)是工作状态st为奇数时，上侧相位和非导相反电动势电压的波形函数，omega;(k)是机械角速度，st是电机工作状态。phi;(k1)表示一个传导周期内的电流电角度。
图4 无刷直流电机的工作状态。
由于波形函数f1(omega;)和f2(omega;)
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