本发明公开了一种基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，该方法利用模型预测控制在每个控制周期内开关状态确定且不变的特点，由预测的开关状态得到每一相的预估电压；将预估电压与实测电压的差值跟给定阈值作比较，判断出可能的故障相和故障开关对；为消除开关过程和测量噪声的影响，将故障相误差电压在一定时间长度上作积分并与另一阈值作比较，确定故障的发生；根据故障相桥臂开关信号与误差电压的关系，构造诊断函数，诊断出发生开路故障的具体开关管。本发明简单有效，能在较短时间内实现故障诊断，定位到具体的故障开关管，且诊断过程不易受系统运行扰动的影响，具有较高的可靠性。
1.基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，所述开绕组电驱动系统结构包括直流电源Vdc、三相3H桥逆变器以及开绕组电机三相定子绕组；所述直流电源Vdc与三相3H桥逆变器并联连接；所述三相3H桥逆变器中，每一相包含了两个桥臂，每个桥臂包括两个带反并联二极管的开关管，即三相3H桥逆变器共有12个开关管，开关管分别记为Snij，其中n代表相序，n＝a,b,c，i代表每一相的桥臂序号，i＝1,2，j代表每个桥臂的开关管序号，j＝1,2，三相3H桥逆变器的各桥臂并联连接，A相桥臂中点分别记为a1和a2，B相桥臂中点分别记为b1和b2，C相桥臂中点分别记为c1和c2；所述开绕组电机三相定子绕组分别与各桥臂中点连接，即A相定子绕组两端分别接桥臂中点a1和a2，B相定子绕组两端分别接桥臂中点b1和b2，C相定子绕组两端分别接桥臂中点c1和c2；
其特征在于，所述基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，包括以下步骤：
步骤2：将预估电压与对应时刻的实测电压作差，得到三相的误差电压εa、εb和εc，分别将其与给定阈值h1作比较，初步判断故障是否发生，有以下两种情况：第一种情况，|εa|≤h1，|εb|≤h1且|εc|≤h1，判断无故障发生，返回步骤1；
第二种情况，出现以下六种状态之一时，初步判断有故障发生，将故障状态变量F1置1，并初步判定开关管故障范围：
状态1，εa＞h1，开关管Sa11或Sa22发生开路故障；
状态2，εa＜‑h1，开关管Sa12或Sa21发生开路故障；
状态3，εb＞h1，开关管Sb11或Sb22发生开路故障；
状态4，εb＜‑h1，开关管Sb12或Sb21发生开路故障状态5，εc＞h1，开关管Sc11或Sc22发生开路故障；
状态6，εc＜‑h1，开关管Sc12或Sc21发生开路故障；
步骤3：故障状态变量F1置1后，对步骤2的第二种情况中的各状态进行相应处理，即对误差电压进行规定时间长度上的积分，并将其与给定阈值h2相比较，以进一步确认故障是否发生；此处若判断故障未发生，则将故障状态变量F1置0，返回步骤1；若判断故障确已发生，则将故障状态变量F2置1，执行步骤4；其中，给定阈值h2设置为0.05，对步骤2的第二种情况中的各状态进行的相应处理具体如下：对于状态1或状态2，对|εa|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障状态变量F2置1；
对于状态3或状态4，对|εb|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障状态变量F2置1；
对于状态5或状态6，对|εc|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障状态变量F2置1；
步骤4：故障状态变量F2置1后，则已确定好故障的开关对，但仍需进一步定位具体的故障开关管；对于步骤2中的各状态，利用故障相桥臂开关状态和误差电压的关系，构造相应的诊断函数Jk来定位具体的故障开关管，其中k表示步骤2中的各状态，k＝1,2,3,4,5,6；
2.根据权利要求1所述的基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，其特征在于：在步骤2中，给定阈值h1设置为50，利用模型预测控制在每个控制周期内开关状态确定且不变的特点，由预测的开关状态得到每一相的预估电压。
3.根据权利要求1所述的基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，其特征在于：在步骤4中，利用故障相桥臂开关状态和误差电压的关系来构造诊断函数，设每一相的两桥臂开关状态分别为sn1和sn2，其中n代表相序，n＝a,b,c，开关状态为1表示上管导通、下管关断，开关状态为0表示上管关断、下管导通；
对于步骤2中各状态的诊断函数构造，以及具体的诊断方法如下：对于状态1，构造诊断函数 若J1小于0，则判定Sa11故障；若J1大于0，则判定Sa22故障；
对于状态2，构造诊断函数 若J2小于0，则判定Sa12故障；若J2大于0，则判定Sa21故障；
对于状态3，构造诊断函数 若J3小于0，则判定Sb11故障；若J3大于0，则判定Sb22故障；
对于状态4，构造诊断函数 若J4小于0，则判定Sb12故障；若J4大于0，则判定Sb21故障；
对于状态5，构造诊断函数 若J5小于0，则判定Sc11故障；若J5大于0，则判定Sc22故障；
对于状态6，构造诊断函数 若J6小于0，则判定Sc12故障；若J6大于0，则判定Sc21故障；
其中，T为积分时长，表示积分过程持续至系统执行容错运行模式。
基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法
技术领域
[0001] 本发明涉及开绕组电驱动系统单管开路故障诊断的技术领域，尤其是指一种基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法。
背景技术
[0002] 开绕组电机作为一种新型电机，具有三相独立控制、输出功率高和转速范围大等优点，是电动汽车电驱领域的研究热点。开绕组电驱动系统的运行可靠性直接关系到整车
安全性能和人员人身安全，而功率开关器件又是其种较易发生故障的薄弱环节。研究电驱
系统相应的故障诊断方案和容错控制策略具有重要意义。
[0003] 对于电驱系统的功率器件来说，发生短路故障时，通常利用快速熔丝将短路故障转变为开路故障，采用开路诊断方法加以处理。而在开路诊断方面，目前的研究多集中于常
规逆变器领域，关于开绕组电驱动系统的故障诊断研究还鲜有报道。由于开绕组电机双逆
变器驱动拓扑独特的对称性和冗余性，使得某些开关管故障时在系统中产生的故障电流、
电压特征完全相同，传统诊断算法只能定位到故障的某对开关，而无法实现具体故障开关
管的定位。有学者研究了基于电流包络线和瞬时频率的诊断算法，但未能实现具体故障开
关管的准确定位；有学者采用电流检测法实现了对故障开关管的准确诊断定位，但算法较
复杂，诊断时间较长，需要0.5～1个基波周期，且易受负载扰动的影响，容易引起误诊断。
[0004] 模型预测控制由于其动态响应快、鲁棒性强和易于添加约束等优势，被越来越多的学者应用至开绕组电驱动系统的控制领域。此外，模型预测控制在每个控制周期内开关
状态确定且不变的特点，以及其优良的动态响应能力，可被利用来实现快速且可靠的开关
管开路故障诊断算法。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，该方法简单有效，能在较短时间内实现故障诊断，定
位到具体的故障开关管，且诊断过程不易受系统运行扰动的影响，具有较高的可靠性。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，所述开绕组电驱动系统结构包括直流电源Vdc、三相3H桥逆变器
(双并联逆变器)以及开绕组电机三相定子绕组；所述直流电源Vdc与三相3H桥逆变器并联连
接；所述三相3H桥逆变器中，每一相包含了两个桥臂，每个桥臂包括两个带反并联二极管的
开关管，即三相3H桥逆变器共有12个开关管，开关管分别记为Snij，其中n代表相序，n＝a,b,
c，i代表每一相的桥臂序号，i＝1,2，j代表每个桥臂的开关管序号，j＝1,2，三相3H桥逆变
器的各桥臂并联连接，A相桥臂中点分别记为a1和a2，B相桥臂中点分别记为b1和b2，C相桥
臂中点分别记为c1和c2；所述开绕组电机三相定子绕组分别与各桥臂中点连接，即A相定子
绕组两端分别接桥臂中点a1和a2，B相定子绕组两端分别接桥臂中点b1和b2，C相定子绕组
两端分别接桥臂中点c1和c2；
[0007] 所述基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1：实时采样开绕组电机三相定子绕组的相电压；
[0009] 步骤2：将预估电压与对应时刻的实测电压作差，得到三相的误差电压εa、εb和εc，分别将其与给定阈值h1作比较，初步判断故障是否发生，有以下两种情况：
[0010] 第一种情况，|εa|≤h1，|εb|≤h1且|εc|≤h1，判断无故障发生，返回步骤1；
[0011] 第二种情况，出现以下六种状态之一时，初步判断有故障发生，将故障状态变量F1置1，并初步判定开关管故障范围：
[0012] 状态1，εa＞h1，开关管Sa11或Sa22发生开路故障；
[0013] 状态2，εa＜‑h1，开关管Sa12或Sa21发生开路故障；
[0014] 状态3，εb＞h1，开关管Sb11或Sb22发生开路故障；
[0015] 状态4，εb＜‑h1，开关管Sb12或Sb21发生开路故障
[0016] 状态5，εc＞h1，开关管Sc11或Sc22发生开路故障；
[0017] 状态6，εc＜‑h1，开关管Sc12或Sc21发生开路故障；
[0018] 步骤3：故障状态变量F1置1后，对步骤2的第二种情况中的各状态进行相应处理，即对误差电压进行规定时间长度上的积分，并将其与给定阈值h2相比较，以进一步确认故
障是否发生；此处若判断故障未发生，则将故障状态变量F1置0，返回步骤1；若判断故障确
已发生，则将故障状态变量F2置1，执行步骤4；
[0019] 步骤4：故障状态变量F2置1后，则已确定好故障的开关对，但仍需进一步定位具体的故障开关管；对于步骤2中的各状态，利用故障相桥臂开关状态和误差电压的关系，构造
相应的诊断函数Jk来定位具体的故障开关管，其中k表示步骤2中的各状态，k＝1,2,3,4,5,
6；
[0020] 步骤5：故障诊断结束。
[0021] 在步骤2中，给定阈值h1设置为50，利用模型预测控制在每个控制周期内开关状态确定且不变的特点，由预测的开关状态得到每一相的预估电压。
[0022] 在步骤3中，给定阈值h2设置为0.05，对步骤2的第二种情况中的各状态进行的相应处理具体如下：
[0023] 对于状态1或状态2，对|εa|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且 小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；
当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障
状态变量F2置1；
[0024] 对于状态3或状态4，对|εb|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且 小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；
当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障
状态变量F2置1；
[0025] 对于状态5或状态6，对|εc|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且 小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；
当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障
状态变量F2置1。
[0026] 在步骤4中，利用故障相桥臂开关状态和误差电压的关系来构造诊断函数，设每一相的两桥臂开关状态分别为sn1和sn2，其中n代表相序，n＝a,b,c，开关状态为1表示上管导
通、下管关断，开关状态为0表示上管关断、下管导通；
[0027] 对于步骤2中各状态的诊断函数构造，以及具体的诊断方法如下：
[0028] 对于状态1，构造诊断函数 若J1小于0，则判定Sa11故障；若J1大于0，则判定Sa22故障；
[0029] 对于状态2，构造诊断函数 若J2小于0，则判定Sa12故障；若J2大于0，则判定Sa21故障；
[0030] 对于状态3，构造诊断函数 若J3小于0，则判定Sb11故障；若J3大于0，则判定Sb22故障；
[0031] 对于状态4，构造诊断函数 若J4小于0，则判定Sb12故障；若J4大于0，则判定Sb21故障；
[0032] 对于状态5，构造诊断函数 若J5小于0，则判定Sc11故障；若J5大于0，则判定Sc22故障；
[0033] 对于状态6，构造诊断函数 若J6小于0，则判定Sc12故障；若J6大于0，则判定Sc21故障；
[0034] 其中，T为积分时长，表示积分过程持续至系统执行容错运行模式。
[0035] 本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0036] 1、本发明直接利用了模型预测控制在每个控制周期内开关状态确定且不变的特点，即开绕组电机定子相电压在一个控制周期内保持不变，且该电压可提前预测，使得本发
明方法实现起来简单有效。
[0037] 2、电压量是最能直接反映逆变器故障特征的状态变量，本发明直接提取电压信息作为故障诊断的基础，结合模型预测控制优良的动态响应能力，能在较短时间内实现故障
诊断。
[0038] 3、电流检测诊断法在系统运行状态突变时，电流暂态过程持续时间较长且波形不规则，容易引起误诊断，而电压量能更直接反映出逆变器的故障特征，且不易受系统运行扰
动的影响，使得本发明具有较高的可靠性。
[0039] 4、本发明克服了开绕组电机双逆变器驱动拓扑独特的对称性和冗余性，能够定位到具体的故障开关管。
附图说明
[0040] 图1为开绕组电驱动系统的电路图。
[0041] 图2为本发明方法流程图。
[0042] 图3为开关管Sa11或Sa22发生开路故障前后的误差电压、故障状态变量F1、 以及故障状态变量F2波形图。
[0043] 图4为开关管Sa11发生开路故障时的诊断函数J1波形图，以及诊断时长示意图。
[0044] 图5为开关管Sa22发生开路故障时的诊断函数J1波形图，以及诊断时长示意图。
[0045] 图6a为开绕组电驱动系统无故障运行时发生负载扰动前后的误差电压波形图。
[0046] 图6b为开绕组电驱动系统无故障运行时发生转速扰动前后的误差电压波形图。
具体实施方式
[0047] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0048] 如图1所示，本实施例所针对的开绕组电驱动系统，包括直流电源Vdc、三相3H桥逆变器(双并联逆变器)以及开绕组电机三相定子绕组；所述直流电源Vdc与三相3H桥逆变器并
联连接；所述三相3H桥逆变器中，每一相包含了两个桥臂，每个桥臂包括两个带反并联二极
管的开关管，即三相3H桥逆变器共有12个开关管，开关管分别记为Snij，其中n代表相序，n＝
a,b,c，i代表每一相的桥臂序号，i＝1,2，j代表每个桥臂的开关管序号，j＝1,2，三相3H桥
逆变器的各桥臂并联连接，A相桥臂中点分别记为a1和a2，B相桥臂中点分别记为b1和b2，C
相桥臂中点分别记为c1和c2；所述开绕组电机三相定子绕组分别与各桥臂中点连接，即A相
定子绕组两端分别接桥臂中点a1和a2，B相定子绕组两端分别接桥臂中点b1和b2，C相定子
绕组两端分别接桥臂中点c1和c2。
[0049] 如图2所示，本实施例所提供的基于预测控制的开绕组电驱动系统单管开路故障诊断方法，包括以下步骤：
[0050] 步骤1：实时采样开绕组电机三相定子绕组的相电压。
[0051] 步骤2：利用模型预测控制输出的开关信号，得到每一相的预估电压，将预估电压与相应时刻的实测电压作差，得到三相的误差电压εa、εb和εc，分别将其与给定阈值h1作比
较，h1设置为50，有以下两种情况：
[0052] 第一种情况，|εa|≤h1，|εb|≤h1且|εc|≤h1，判断无故障发生，返回步骤1；
[0053] 第二种情况，出现以下六种状态之一时，初步判断有故障发生，将故障状态变量F1置1，并初步判定开关管故障范围：
[0054] 状态1，εa＞h1，开关管Sa11或Sa22发生开路故障；
[0055] 状态2，εa＜‑h1，开关管Sa12或Sa21发生开路故障；
[0056] 状态3，εb＞h1，开关管Sb11或Sb22发生开路故障；
[0057] 状态4，εb＜‑h1，开关管Sb12或Sb21发生开路故障
[0058] 状态5，εc＞h1，开关管Sc11或Sc22发生开路故障；
[0059] 状态6，εc＜‑h1，开关管Sc12或Sc21发生开路故障。
[0060] 步骤3：故障状态变量F1置1后，对步骤2的第二种情况中的各状态进行以下相应处理，其中给定阈值h2设置为0.05：
[0061] 对于状态1或状态2，对|εa|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且 小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；
当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障
状态变量F2置1；
[0062] 对于状态3或状态4，对|εb|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且 小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；
当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障
状态变量F2置1；
[0063] 对于状态5或状态6，对|εc|进行时间上的积分，当积分时长T达到5个控制周期即5Ts，且 小于给定阈值h2，则认为无故障发生，将故障状态变量F1重新置0，返回步骤1；
当积分时长T未达到5Ts时， 已等于或大于给定阈值h2，则认为故障确已发生，将故障
状态变量F2置1。
[0064] 步骤4：故障状态变量F2置1后，则已确定好故障的开关对，但仍需进一步定位具体的故障开关管。利用故障相桥臂开关状态和误差电压的关系来构造诊断函数，设每一相的
两桥臂开关状态分别为sn1和sn2，其中n代表相序，n＝a,b,c，开关状态为1表示上管导通、下
管关断，开关状态为0表示上管关断、下管导通。对于步骤2中的各状态，构造相应的诊断函
数Jk，其中k表示步骤2中的各状态，k＝1,2,3,4,5,6；具体的诊断函数构造以及诊断方法如
下：
[0065] 对于状态1，构造诊断函数 若J1小于0，则判定Sa11故障；若J1大于0，则判定Sa22故障；
[0066] 对于状态2，构造诊断函数 若J2小于0，则判定Sa12故障；若J2大于0，则判定Sa21故障；
[0067] 对于状态3，构造诊断函数 若J3小于0，则判定Sb11故障；若J3大于0，则判定Sb22故障；
[0068] 对于状态4，构造诊断函数 若J4小于0，则判定Sb12故障；若J4大于0，则判定Sb21故障；
[0069] 对于状态5，构造诊断函数 若J5小于0，则判定Sc11故障；若J5大于0，则判定Sc22故障；
[0070] 对于状态6，构造诊断函数 若J6小于0，则判定Sc12故障；若J6大于0，则判定Sc21故障。
[0071] 其中，积分时长T表示积分过程持续至系统执行容错运行模式。
[0072] 步骤5：故障诊断结束。
[0073] 本实施例对开关管Sa11或Sa22发生开路故障的情况进行了Simulink仿真，直流电压Vdc为300V，控制周期Ts为100μs。图3为开关管Sa11或Sa22发生开路故障前后的误差电压、故障
状态变量F1、 以及故障状态变量F2波形图，其中阈值h1设置为50，阈值h2设置为0.05。
[0074] 图4为开关管Sa11发生开路故障时的诊断函数J1波形图以及诊断时长示意图，图5为开关管Sa22发生开路故障时的诊断函数J1波形图以及诊断时长示意图，从图中可见，本发
明方法的诊断时长为0.26ms，能够实现快速诊断。
[0075] 图6a为开绕组电驱动系统无故障运行时发生负载扰动前后的误差电压波形图，额定负载转矩由2N·m突变为4N·m；图6b为开绕组电驱动系统无故障运行时发生转速扰动前
后的误差电压波形图，额定转速由3000r/min突变为2000r/min。由图中可见，误差电压在扰
动前后均远小于阈值，不会引起误诊断。因此，本发明的诊断方法受系统运行扰动影响不
大，具有良好的可靠性，值得推广。
[0076] 以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
