开绕组永磁同步电机故障诊断及容错控制技术研究

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1)基于电流特征解析的快速故障诊断算法。传统故障诊断方法主要依赖电流信号的幅值特征,通过设定阈值来判断故障类型,但阈值选取缺乏统一标准,不同工况下需要反复调整,实用性较差。本研究通过深入分析不同故障模式下的电流波形特性,发现故障电流在相位和变化趋势上呈现出明显的规律性差异。基于这一发现,提出了一种创新性的特征变换诊断策略,通过数学变换将复杂的电流信号映射到新的特征空间,在该空间中故障特征与正常特征形成明确的正负分布,诊断过程简化为判断变换后信号的符号,无需设定复杂阈值。这种诊断思路本质上是将多维阈值判定问题转化为一维符号判别问题,大幅降低了算法复杂度和计算负担。信号转换模块采用模块化设计,可根据不同电机型号和故障类型灵活配置,具有良好的可扩展性。实际应用中,该算法能够在毫秒级时间内完成故障识别,为后续容错控制争取了宝贵的响应时间,同时诊断准确率显著提升,有效避免了误判和漏判现象,为系统安全运行提供了可靠保障。

(2)功率开关管故障的双模式容错拓扑设计。功率开关管是电机驱动系统中最易损坏的器件,开路故障会导致相电流中断,严重影响电机转矩输出。针对这一问题,本研究提出了两种互补的硬件容错方案。第一种方案采用分裂电容拓扑结构,在每个桥臂中串联分裂电容,当开关管发生开路故障时,通过切换开关将故障支路切换到分裂电容支路,利用电容的充放电特性维持电流通路,使电机能够继续运行。然而,分裂电容电压会随着功率传输产生波动,电压波动会引起电磁转矩脉动,影响驱动平稳性。为解决这一问题,在模型预测控制框架中引入电容电压跟踪目标,将电容电压偏差纳入代价函数进行优化,通过预测控制算法实时调节逆变器开关状态,使电容电压始终跟踪参考值,有效抑制了转矩脉动。第二种方案基于桥臂共用拓扑,在两个独立逆变器之间增设切换开关矩阵,当某一逆变器的开关管故障时,通过切换开关将故障相绕组转接到另一逆变器的对应桥臂,实现硬件层面的故障隔离和功能重构。这种方案的优势在于无需额外的储能元件,系统结构相对简洁,但需要精确的切换时序控制以避免短路风险。两种容错拓扑各有特点,可根据具体应用场景和成本约束进行选择,共同为提升系统可靠性提供了多样化的技术路径。

(3)绕组断相故障的谐波抑制容错控制策略。绕组断相是共直流母线开绕组电机系统中的典型故障,断相后三相电流不平衡,会产生显著的零序电流分量,零序电流无法产生有效转矩,反而增加铜损和发热。通过对故障后电流进行谐波分析,发现二次谐波和四次谐波电流分量与零序电流存在强耦合关系,二次谐波主要由负序电流引起,四次谐波则源于正负序电流的交互作用。基于这一机理认识,提出通过主动注入补偿电流来抑制特定次谐波的控制思路,在同步旋转坐标系下设计谐波电流控制器,分别对二次和四次谐波分量进行闭环调节,通过精确控制谐波电流幅值和相位,间接实现对零序电流的抑制,从而改善电流质量和转矩平稳性。然而,绕组断相后电机参数会发生变化,传统基于精确模型的控制方法性能会显著退化。为增强系统鲁棒性,引入无模型预测控制理论,该方法不依赖精确的电机数学模型,而是通过在线辨识和数据驱动的方式建立输入输出关系,具有很强的参数自适应能力。

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