开关磁阻电机的创新点，开关磁阻电机调速系统故障诊断和容错控制方法的研究现状及展望

开关磁阻电机的创新点，开关磁阻电机调速系统故障诊断和容错控制方法的研究现状及展望故障诊断和容错控制是研究系统可靠性必不可少的两个环节：故障诊断是系统在发生故障时进行检测和分离故障的技术，只有精确判断出故障类型和故障器件，才能采取相应的容错控制策略；容错控制是系统发生故障时可自主调整的技术，分为被动容错控制和主动容错控制，其中，被动容错控制不依赖故障诊断技术，其容错能力非常有限，而主动容错控制则在故障诊断环节获得故障信息后采取控制策略，可以很大程度提高系统容错能力。从以上分析可以看出，在SRD各组成部分中，电机本体、功率变换器和各类传感器在系统运行过程中均可能出现相应的故障，引起系统运行不稳定，甚至导致严重事故。因此，为了进一步提高SRD可靠性，保障电力拖动系统在故障状态下不至于瘫痪，最大程度降低故障引起的人员和设备损伤，非常有必要对SRD的可靠性进行研究。其中，SRM负责实现机电能量转换，是一种双凸极结构电机，转子既无绕组也无永磁体，结构简单、可靠性高、容错能力强，可

开关磁阻电动机（SRM）具有可靠性高、制造成本低、响应速度快和结构简单等优点，但过热、潮湿和过电压等复杂外部环境，以及运行过程中频繁起停、频繁加减速、负载变化等多重复杂工况，容易导致SRM、功率变换器或各类传感器出现故障，加剧过电流、转矩脉动和噪声等问题，影响电机调速系统正常工作，因此非常有必要开展开关磁阻电机调速系统（SRD）可靠性研究。

河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学）、省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）的研究人员孙德博、胡艳芳、牛峰、李永建，在2022年第9期《电工技术学报》上撰文，结合国内外SRD可靠性研究的文献，从功率变换器、电机本体和检测器三个方面分别进行分析，全面探究目前有关开关磁阻电机调速系统故障诊断和容错控制方法的原理、适用范围以及优缺点。最后对SRD故障诊断和容错控制方案的发展趋势进行预测。

开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance motor Drive system SRD）主要由开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor SRM）、功率变换器、检测单元和控制器等部分组成，其基本结构如图1所示。

图1 开关磁阻电机调速系统基本结构

其中，SRM负责实现机电能量转换，是一种双凸极结构电机，转子既无绕组也无永磁体，结构简单、可靠性高、容错能力强，可应用于超过500℃的航空航天、高粉尘等较为恶劣的环境，以及电动汽车、高速主轴和飞轮储能系统等可靠性要求较高的场合；功率变换器负责对电源提供的能量进行转换后提供给SRM，在SRD中占据重要地位，其性能直接决定SRD的性能；电流检测和位置检测分别为系统提供运行时必要的电流和位置信息；控制器根据给定信号以及检测环节反馈的电流和位置信息，决定功率变换器开关管的导通关断状态。

尽管SRD整体可靠性较高，但复杂的运行环境和运行工况也会使系统产生故障。首先，电机过载运行或操作不当会使绕组过电流、老化，导致匝间短路、相间短路或开路等故障；同时，电机在制造加工过程中工艺水平受限可能会导致气隙偏心。功率变换器中的半导体器件在低速运行时，由于长时间工作在斩波状态，容易出现开路或短路故障。

另外，SRD运行时通常需要进行位置检测和电流检测等，由此而引入的各种传感器在潮湿、过热、粉尘等恶劣环境下容易出现信号延迟或缺失等故障，降低系统鲁棒性，影响系统正常运行。

从以上分析可以看出，在SRD各组成部分中，电机本体、功率变换器和各类传感器在系统运行过程中均可能出现相应的故障，引起系统运行不稳定，甚至导致严重事故。因此，为了进一步提高SRD可靠性，保障电力拖动系统在故障状态下不至于瘫痪，最大程度降低故障引起的人员和设备损伤，非常有必要对SRD的可靠性进行研究。

故障诊断和容错控制是研究系统可靠性必不可少的两个环节：故障诊断是系统在发生故障时进行检测和分离故障的技术，只有精确判断出故障类型和故障器件，才能采取相应的容错控制策略；容错控制是系统发生故障时可自主调整的技术，分为被动容错控制和主动容错控制，其中，被动容错控制不依赖故障诊断技术，其容错能力非常有限，而主动容错控制则在故障诊断环节获得故障信息后采取控制策略，可以很大程度提高系统容错能力。

故障诊断是容错控制的前提，只有两者有机结合，才可保证系统安全运行。因此，本文从故障诊断和容错控制两个方面对SRD的可靠性进行论述。

有学者将SRD故障诊断方法分为数学变换方法、数字法和试错法三类；容错控制方法分为基于位置信号辅助方法、基于硬件辅助方法和智能算法三类。这种从数学物理角度分类的方式逻辑性强，但需要建立在已初步判别故障部件的基础上，而在实际电机系统中，不同环节的故障可能具有相似的系统表现，如功率变换器开关管开路故障与绕组开路故障均会导致故障相电流缺失、输出转矩减小等，并非能够轻而易举定位故障单元。

因而本文按照SRD的基本组成，在分析不同故障环节物理变化特征的基础上，综合对比不同故障诊断和容错控制方法优缺点、适用对象和范围，从电机本体、功率变换器和检测单元三个方面，详细阐述上述各部分故障诊断和容错控制策略的研究现状及发展动态，旨在为探索SRD不同部件的新型故障诊断和容错控制方法提供思路。

鉴于控制器的核心部分是微处理器，其输入、输出端一般均设有隔离和保护电路，工作时不接触大电流或高电压，且精密度极高，失效率远低于其他元器件，使得其可靠性极高，在故障分析过程中通常忽略其故障，因此本文未涉及有关控制器故障诊断和容错控制方法的内容。

1 SRD功率变换器故障诊断和容错控制方法

图1所示组成SRD的各部分中，功率变换器最易发生故障，原因在于功率变换器主要由功率开关管和二极管等电子元器件构成，在电机运行过程中持续承受高电压和大电流。功率变换器主电路拓扑结构或各元器件的作用不同，也会影响其可靠性，研究表明不对称半桥式功率变换器具有最高的可靠性，且开关管对功率变换器可靠性的影响最大。

功率变换器故障主要表现为开关管的开路或短路故障。在软斩波控制方式下，开关管一般有两种工作方式，一种为单脉冲导通方式，即开关管在开通和关断位置之间保持导通状态；另一种为开关管在此期间通以一系列脉冲信号以实现电流、转矩或转速的控制。本文将采用第一种工作方式的开关管称为位置管，采用第二种工作方式的开关管称为斩波管。由于两个开关管的作用和工作方式不同，故两种开关管的故障发生率和诊断方法也不同。

1.1 故障诊断

根据故障发生时特征变量的不同，本文将功率变换器故障诊断方法归纳为基于电流变化检测和基于故障评价值提取的故障诊断方法。

1.1.3 小结

表1对功率变换器故障诊断方法进行了总结，从可定位的故障类型、是否改变功率变换器拓扑结构、算法复杂度和优缺点五个方面进行了对比。

从表中可以看出：①故障诊断方案一般不需要改变功率变换器拓扑结构，方法通用性较好；②整体来看，故障评价值提取算法较复杂；③需要利用阈值进行判断的方案，因阈值均为经验值，容易出现误诊断。

表1 功率变换器故障诊断方法对比

1.2 容错控制

针对功率变换器故障的容错控制方法可从硬件和软件两方面出发，即改进功率变换器拓扑或采用合理的控制策略。

1.2.3 小结

表2对提高功率变换器容错控制方法进行了总结，从针对的故障类型、是否改变功率变换器拓扑结构、算法复杂度、所用开关管数量和优缺点六个方面进行了对比。

从表中可以看出：①与故障诊断方案相比，容错控制通过改变功率变换器拓扑结构的方案多是添加备用开关管；②容错控制算法相对简单，效率较高；③针对短路故障进行容错控制时，通常需要的继电器数量较多，接线相对复杂；④仅靠容错拓扑结构对短路故障实现容错控制，容易引起相间电压不平衡问题。

表2 功率变换器容错控制方法对比

表2（续）

2 SRM故障诊断和容错控制方法

SRM结构简单，是SRD中可靠性较高的部分，但电机定子齿极缠有集中式绕组，绕组容易因绝缘老化、高温、高湿等因素出现相间短路、开路以及匝间短路等故障，且功率变换器短路故障导致的电流过大将加剧绕组故障；另外，根据有关文献，集中式绕组电机的可靠性与电机相数成比例关系，即电机相数越少，可靠性越低。因此，绕组故障尤其对少相数的电机影响较大。

此外，受制造工艺限制，电机在加工和不正常运行过程中引起的气隙偏心也是常见故障之一。绕组故障和气隙偏心故障是SRM故障类型中最常见的两种，两者都会使转子承受径向不平衡磁拉力，而径向不平衡磁拉力是转矩脉动增大、噪声增大等问题的主要来源。

另外，两种故障之间相互作用，绕组出现故障后，转子容易在径向不平衡磁拉力的作用下发生偏移，从而引起或加剧气隙偏心故障；当气隙偏心故障出现后，气隙磁通密度变得不均匀，导致绕组承受的应力也不均匀，其中承受较大电磁力的线圈绕组便容易出现变形甚至断裂。作者针对SRM故障，从以上两种常见故障类型进行分类论述。

2.1 绕组故障

SRM定转子为双凸极结构，转子无绕组，定子上有集中绕组，因此绕组故障仅会出现在定子侧。为了防止因转子受力不均匀造成转矩脉动增大，引起噪声和损耗等问题，SRM的定转子齿数皆为偶数，然而绕组发生故障时，转子径向受力会变得不平衡，严重影响电机的正常运行。

2.1.2 小结

表3对绕组故障诊断和容错控制方法进行了总结，从适用场合、针对的故障类型、是否改变功率变换器拓扑结构、算法复杂度和优缺点六个方面进行了对比。从表3中可以看出：改变功率变换器拓扑结构的控制策略，通用性较差；但容错控制算法较为简单，所需计算时间短；健康相补偿策略不能彻底解决故障，可在短时间内作为缓冲措施。

表3 绕组故障诊断与容错控制方法对比

2.2 气隙偏心故障

气隙偏心故障是指电机定子或转子中心位置出现偏离，分为三种类型：静态偏心故障、动态偏心故障和混合故障，如图2所示。静态偏心指转子中心与旋转中心重合，但它们不与定子中心重合；动态偏心指定子中心与旋转中心重合，但它们不与转子中心重合；混合偏心是静态偏心和动态偏心的叠加，定、转子中心与旋转中心均不重合。气隙偏心故障将造成定子与转子间气隙分布不均匀，使转子承受不平衡径向力，从而进一步加深偏心故障程度并加剧电机的振动和噪声，甚至使定转子发生扫膛。

图2 气隙偏心类型

2.2.2 小结

表4对气隙偏心故障诊断和容错控制方法进行了总结，从适用场合、是否改变电机本体结构、算法复杂度和优缺点五个方面进行了对比。从表4中可以看出：①脉冲信号注入法需要检测感应电压或电流，会增大开关管损耗，引发电磁干扰；②可对常见的三种气隙偏心故障类型实现全面诊断，适合用于对新出厂电机做检测检验；③均在离线状态下进行诊断，不易实现在线诊断；④对于容错控制方案，一般需要改变电机本体结构，通用性受到限制。

3 SRD检测单元故障诊断和容错控制方法

SRM依据磁阻变化运行，其电感、磁链等物理量是电流和转子位置的非线性函数，在进行电机系统建模、分析和控制时通常需要实时、准确的电流和转子位置信息。SRD检测单元主要包括电流传感器、电压传感器和位置传感器三部分。电流传感器和电压传感器向控制器提供电流和电压信息，位置传感器向控制器提供位置信息，控制器根据三者所提供的信息控制开关管开通或关断。若其中任一传感器故障，电机控制系统都会受到影响。

表4

电流和电压传感器的故障主要有偏置故障和信号缺失。偏置故障会使电流或电压信息产生偏差，信号缺失故障会使电流或电压信息丢失，两种情况均会导致系统控制效果不佳。位置传感器的常见故障包括信号丢失、延迟或提前等。当信号丢失时，控制器无法获得电流、电压或转子位置信息，便无法控制开关管的开通和关断；当信号延迟或提前时，控制器得到错误的位置和电压电流信息，使开关管在错误的时刻动作。以上三种故障皆会引起SRM转矩脉动增加、噪声增大等问题。

小结

表5对传感器故障诊断和容错控制方法进行了总结，从适用场合、适用的故障类型、算法复杂度和优缺点五个方面进行了对比。从表中可以看出：①传感器故障诊断和容错控制方法一般不需改变功率变换器拓扑结构，通用性强且算法较简单；②磁饱和现象是无位置传感器控制策略中比较棘手的问题，其会引起磁链波形发生变化，而目前多数方案没有考虑磁饱和问题，所以容易存在检测误差；③电流波动、转速波动和负载变化容易对控制策略产生不利影响，应该合理选取阈值或减少经验性阈值的使用，降低参数波动产生的误差。

表5

表5（续）

4 总结与展望

本文从功率变换器、电机本体、检测单元三个方面概述了开关磁阻电机调速系统现有故障诊断和容错控制方法。功率变换器可靠性最低，主要故障诊断方案包括基于电流检测和基于故障评价值提取两类，通过改变拓扑结构和采取合理的控制策略可提高其容错性能。

电机本体故障主要包括绕组故障和气隙偏心故障两种，其中，绕组故障诊断方案以匝间短路和相间短路为主，绕组容错控制方案主要针对绕组开路，同时可以提升功率变换器容错性能；偏心故障诊断多通过注入脉冲信号实现，而提高偏心故障下的容错性能可通过改变电机本体结构实现。

检测单元故障主要包括电流传感器、电压传感器和位置传感器故障，其中以位置传感器故障容错控制方法为主，而无位置传感器方案多被用来提升位置传感器容错性能。

综上所述，未来SRD故障诊断方法可从以下几个方面开展：

1）故障评价值提取方法可以以直观的数字化的形式体现故障，然而当前很多方法所提取的故障评价值无法精确定位开路故障，因此需要对开关管开路故障进行针对性的研究。

2）在任何应用场合下都有必要不断缩短诊断时间，故仍然需要继续探索诊断速度快、计算量小的方案。

3）离线诊断方案不能实时获取系统运行信息，诊断时间存在延迟，不能有效保证系统平稳运行，需要研究快速精确的在线诊断方法。

4）目前多数方案只能针对单一故障进行诊断，由于某一处故障可能会引起其他部件故障，因此，需要探索适用于复合故障诊断的方案。

在SRD容错控制方面，可开展的研究如下：

1）改变功率变换器拓扑结构是提高其容错性能的常用方法，而目前大部分方案通过添加元器件改变拓扑，不利于与市场衔接和工业大规模生产，因此有必要继续研究新型集成化功率拓扑。

2）功率变换器和绕组故障、多相故障、多传感器故障等复合故障对系统正常运行产生的影响较大，因此应该针对复合故障来研究新型容错控制方案。

3）当前无位置传感器控制策略受限于磁饱和和转速变化等问题而没有得到全面应用，所以需要研究不受非线性问题影响且适用于全转速范围的无位置传感器控制策略。

4）神经网络、蚁群算法等方法不需要建立电机数学模型，可以解决SRM难以建立精准非线性数学模型问题，随着智能控制算法的发展，此类方法在开关磁阻电机调速系统容错控制方面具有广阔的应用前景。

本文编自2022年第9期《电工技术学报》，论文标题为“开关磁阻电机调速系统故障诊断和容错控制方法研究现状及展望”。本课题得到了河北省高等学校科学技术研究重点项目、中央引导地方科技发展资金项目和河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室项目资助的支持。