[发明专利]矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法

权利要求书

1.一种矩阵变换器电机驱动系统的故障诊断方法，基于模型预测控制，其特征在于，包括：

步骤1，建立矩阵变换器各相输出电压和电流的模型，所述模型包括矩阵变换器驱动永磁同步电机正常工作情况和故障情况；

步骤2，计算比较所述故障情况前后的模型，得出开关开路故障和电流传感器故障的特征，并辨识所述特征为开关开路故障或电流传感器故障；

步骤3，若所述特征为开关开路故障特征，则定义三相输出线电压的残差，根据永磁同步电机的等效模型，通过开关状态和前一周期的采样值，预测当前状态的线电压；

步骤4，比较线电压的估计值与参考值，关联故障输出相的残差将超过预先设定的阈值，关联两个正常输出相的残差将保持在一个低于预先设定的阈值的值，此特征可以判断故障相位；

步骤5，利用有限集模型预测控制的特征，在一个采样周期的开关状态是已知和固定的，通过已知故障相和已知当前状态的开关位置，诊断出故障开关具体位置；

步骤6，若所述特征为电流传感器故障特征，则比较输出相电流估计值与实测值，将输出相电流估计值与实测值形成残差，当残差大于一定阈值时，进而判断哪一相的电流传感器发生故障；

所述矩阵变换器各相输出电压和电流的模型为：

其中，u_oX(X∈{A,B,C})为正常状况下的三相输出相电压，T_s为模型预测控制一个采样周期的时间，为第k次采样周期的三相输出电流值，为正常状况下第k+1次采样周期三相输出相电流的估计值，e_X(X∈{A,B,C})为电机模型的反电动势值，u_No为电机中性点相对于地的值，R_s为定子电阻，L为定子漏电感；

所述步骤2具体包括：

以S_Aa开关开路故障为例，矩阵变换器各相输出电压和电流的模型为：

其中，u_oX(X∈{A,B,C})为正常状况下的三相输出相电压，u_of为A相发生故障后引起的额外故障电压，T_s为模型预测控制一个采样周期的时间，为第k次采样周期的三相输出电流值，为正常状况下第k+1次采样周期三相输出相电流的估计值，为开关开路故障情况下第k+1次采样周期的三相输出电流值的估计值，e_X(X∈{A,B,C})为电机模型的反电动势值，u_No为电机中性点相对于地的值，R_s为定子电阻，L为定子漏电感；

公式(2)减(1)可得：

其中，为发生故障后电机中性点相对于地的值，u_of为A相发生故障后引起的额外故障电压，T_s为模型预测控制一个采样周期的时间，为正常状况下第k+1次采样周期三相输出相电流的估计值，为开关开路故障情况下第k+1次采样周期的三相输出电流值的估计值，u_No为电机中性点相对于地的值，为开关开路故障情况下第k+1次采样周期的三相输出电流值的估计值与正常状况下第k+1次采样周期三相输出相电流的估计值的误差量；

当与输出B相连接的一个开关发生开路故障时，满足输出A相传感器发生故障时，当输出B相传感器发生故障时，将当与输出B相连接的一个开关发生开路故障时，满足输出A相传感器发生故障时，当输出B相传感器发生故障时，作为辨识开关开路故障和输出电流传感器故障的条件；

所述步骤3具体包括：

所述三相输出线电压的残差的定义为：

线电压与矩阵变换器开关状态可以表示为：

其中，u_oXY(X,Y∈{A,B,C})为三相输出线电压参考值，为三相输出线电压估计值，u_ex(x∈{a,b,c})为三相输入相电压；当S_Xy(X∈{A,B,C},y∈{a,b,c})＝1时，开通开关S_Xy；当S_Xy＝0时，关断开关S_Xy；

根据永磁同步电机在旋转坐标系下的模型：

其中，u_d、u_q、i_d和i_q分别为dq旋转坐标系下矩阵变换器的输出电压和输出相电流；ψ_f、ω_r和R_s分别为永磁同步电机的磁链、转速和定子电阻；L_d和L_q为dq旋转坐标系下永磁同步电机的等效电感；

矩阵变换器第k次采样周期的开关状态已知，在第(k+1/4)次采样周期第(k+1/2)次采样周期和第(k+3/4)次采样周期分别采样输出相电流用于估计输出线电压；

dq旋转坐标系下矩阵变换器的输出电压估计值为：

将dq旋转坐标系下的矩阵变换器输出电压估计值转换到静止坐标系下，从而得到的输出线电压估计值；

所述步骤6具体包括：

基于矩阵变换器电机驱动系统，用以下公式估计输出相电流：

其中，和为下一个采样周期的输出电流估计值，和分别为dq旋转坐标系下矩阵变换器的第k次采样周期下的输出电压和输出相电流；T_s为模型预测控制一个采样周期的时间，ψf、ω_r和R_s分别为永磁同步电机的磁链、转速和定子电阻；L_d和L_q为dq旋转坐标系下永磁同步电机的等效电感；

将dq旋转坐标系下的矩阵变换器输出电流估计值转换到静止坐标系下，从而得到估计的输出相电流：

其中，θ_r为电机的同步电角度；

将输出相电流估计值与实测值做差形成残差ε_ioX(X∈{A,B,C})，如下所示：

当残差ε_ioX大于一定的阈值时，认定为输出X相的电流传感器发生故障。