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。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

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合；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；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)。

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。

有學(xué)者將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。

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。

1.1.3 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

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>

1.2.3 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

表2（續(xù)）

2 SRM故障診斷和容錯(cuò)控制方法

SRM結(jié)構(gòu)簡單，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)有關(guān)文獻(xiàn)，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。

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。作者針對(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。

2.1.2 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

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，如圖2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2 氣隙偏心類型

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

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。

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

表5（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。

本文編自2022年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“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”。本課題得到了河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目和河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助的支持。