開關磁阻電機調速系統故障診斷和容錯控制方法研究現狀及展望

孫德博 胡艷芳 牛 峰 李永建

（1. 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130

2. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130）

0 引言

開關磁阻電機調速系統（Switched Reluctance motor Drive system, SRD）主要由開關磁阻電動機（Switched Reluctance Motor, SRM）、功率變換器、檢測單元和控制器等部分組成，其基本結構如圖1所示。其中，SRM負責實現機電能量轉換，是一種雙凸極結構電機，轉子既無繞組也無永磁體，結構簡單、可靠性高、容錯能力強，可應用于超過500℃的航空航天、高粉塵等較為惡劣的環境，以及電動汽車、高速主軸和飛輪儲能系統等可靠性要求較高的場合[1-3]；功率變換器負責對電源提供的能量進行轉換后提供給SRM，在SRD中占據重要地位，其性能直接決定SRD的性能[4]；電流檢測和位置檢測分別為系統提供運行時必要的電流和位置信息；控制器根據給定信號以及檢測環節反饋的電流和位置信息，決定功率變換器開關管的導通關斷狀態。

圖1 開關磁阻電機調速系統基本結構 Fig.1 The basic structure of switched reluctance motor drive system

盡管SRD整體可靠性較高，但復雜的運行環境和運行工況也會使系統產生故障。首先，電機過載運行或操作不當會使繞組過電流、老化，導致匝間短路、相間短路或開路等故障；同時，電機在制造加工過程中工藝水平受限可能會導致氣隙偏心。功率變換器中的半導體器件在低速運行時，由于長時間工作在斬波狀態，容易出現開路或短路故障。另外，SRD運行時通常需要進行位置檢測和電流檢測等，由此而引入的各種傳感器在潮濕、過熱、粉塵等惡劣環境下容易出現信號延遲或缺失等故障，降低系統魯棒性，影響系統正常運行。

從以上分析可以看出，在SRD各組成部分中，電機本體、功率變換器和各類傳感器在系統運行過程中均可能出現相應的故障，引起系統運行不穩定，甚至導致嚴重事故。因此，為了進一步提高SRD可靠性，保障電力拖動系統在故障狀態下不至于癱瘓，最大程度降低故障引起的人員和設備損傷，非常有必要對SRD的可靠性進行研究。

故障診斷和容錯控制是研究系統可靠性必不可少的兩個環節：故障診斷是系統在發生故障時進行檢測和分離故障的技術，只有精確判斷出故障類型和故障器件，才能采取相應的容錯控制策略；容錯控制是系統發生故障時可自主調整的技術，分為被動容錯控制和主動容錯控制，其中，被動容錯控制不依賴故障診斷技術，其容錯能力非常有限，而主動容錯控制則在故障診斷環節獲得故障信息后采取控制策略，可以很大程度提高系統容錯能力。故障診斷是容錯控制的前提，只有兩者有機結合，才可保證系統安全運行。因此，本文從故障診斷和容錯控制兩個方面對SRD的可靠性進行論述。

文獻[5]將SRD故障診斷方法分為數學變換方法、數字法和試錯法三類；容錯控制方法分為基于位置信號輔助方法、基于硬件輔助方法和智能算法三類。這種從數學物理角度分類的方式邏輯性強，但需要建立在已初步判別故障部件的基礎上，而在實際電機系統中，不同環節的故障可能具有相似的系統表現，如功率變換器開關管開路故障與繞組開路故障均會導致故障相電流缺失、輸出轉矩減小等，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，在分析不同故障環節物理變化特征的基礎上，綜合對比不同故障診斷和容錯控制方法優缺點、適用對象和范圍，從電機本體、功率變換器和檢測單元三個方面，詳細闡述上述各部分故障診斷和容錯控制策略的研究現狀及發展動態，旨在為探索SRD不同部件的新型故障診斷和容錯控制方法提供思路。鑒于控制器的核心部分是微處理器，其輸入、輸出端一般均設有隔離和保護電路，工作時不接觸大電流或高電壓，且精密度極高，失效率遠低于其他元器件，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控制器故障診斷和容錯控制方法的內容。

1 SRD功率變換器故障診斷和容錯控制方法

圖1所示組成SRD的各部分中，功率變換器最易發生故障，原因在于功率變換器主要由功率開關管和二極管等電子元器件構成，在電機運行過程中持續承受高電壓和大電流。功率變換器主電路拓撲結構或各元器件的作用不同，也會影響其可靠性，研究表明不對稱半橋式功率變換器具有最高的可靠性，且開關管對功率變換器可靠性的影響最大[6]。

功率變換器故障主要表現為開關管的開路或短路故障。在軟斬波控制方式下，開關管一般有兩種工作方式，一種為單脈沖導通方式，即開關管在開通和關斷位置之間保持導通狀態；另一種為開關管在此期間通以一系列脈沖信號以實現電流、轉矩或轉速的控制。本文將采用第一種工作方式的開關管稱為位置管，采用第二種工作方式的開關管稱為斬波管。由于兩個開關管的作用和工作方式不同，故兩種開關管的故障發生率和診斷方法也不同。

1.1 故障診斷

根據故障發生時特征變量的不同，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和基于故障評價值提取的故障診斷方法。

1.1.1 基于相電流變化檢測的故障診斷方法

正常運行時，SRM各相電流對稱，即幅值相等、相位互差一定角度。當功率變換器的開關管發生開路或短路故障時，各相電流不再對稱，電流幅值或頻率將發生變化：開路故障時，由于電路斷開，導致故障相電流缺失；短路故障時，若一個開關管短路，電機在達到關斷角后由原來去磁階段變為續流階段；若兩個開關管同時短路，則電機繼續勵磁，使得故障相電流下降緩慢或持續上升，造成故障相電流連續且幅值明顯增加。因此，根據故障前后的各相電流變化情況可診斷開關管的開路或短路故障。

根據上述電流特征，可在功率變換器軟斬波工作模式下向開關管注入一個高頻電壓信號，檢測繞組電流的幅值和頻率，通過與正常工作時的電流幅值和頻率對比，判斷開關管是否發生開路或短路故障并確定故障管的位置[7-8]。該方法不需要增加傳感器，容易實現和常用控制方法的結合，對于穩態和瞬態運行均有效，但注入的高頻脈沖會增大功率管的開關損耗。

基于電流變化診斷開關管故障的另一種思路是：開關管故障引起相電流缺失或增大，由于SRM繞組電感是電流和轉子位置的函數，從而使得該相電感變化，進而導致磁鏈大小和波形不同于正常運行狀態，這種變化可用磁鏈-電流軌跡表示。文獻[9]借鑒交流電機中的坐標變換，將a、b、c、d軸相電流投影到d、q軸坐標系，即

這樣第一、二、三、四象限分別代表A、B、C、D相。通過檢測id-iq坐標系內電流的軌跡可診斷故障類型：當某一象限電流軌跡出現脈沖尖峰時，該象限對應相的斬波管發生短路故障；當某一象限的電流軌跡出現明顯凸起時，前一象限對應相的位置管發生短路故障；當某一象限的電流軌跡出現缺失時，該象限對應的相出現開路故障。坐標變換法響應速度快且魯棒性較好，但無法定位開路故障管。

高頻電壓注入法和坐標變換法能夠判斷故障類型并定位故障相，但開關管故障時的相電流變化與繞組故障時的相電流變化非常類似，尤其是對開路故障的情況。這使得上述方法難以準確判斷是開關管開路還是繞組開路，因此單純的開路診斷方法效果有限，還需要結合功率變換器拓撲進一步判斷。文獻[10]提出了一種帶有雙向功率單元的AHBPC拓撲結構，并針對此拓撲提出了相應的故障診斷方法：在繞組勵磁階段通過檢測不同相電流值診斷開路故障，并借助雙向功率單元協助確認是開關管故障還是繞組故障；在續流階段通過檢測驅動信號和兩相鄰采樣點電流的變化關系診斷短路故障，并通過檢測續流階段電流的續流時長輔助確定故障類型。通過在不同階段檢測電流值診斷故障的方案不需要復雜算法，雖然該方案來源于所提拓撲結構，但其基本原理具有普適性。

1.1.2 基于故障評價值提取的故障診斷方法

基于相電流變化檢測的故障診斷方法簡單直接，能夠在一定程度上判別并定位故障，但單一的電流檢測方式得到的結果不易與電機系統中其他單元的故障區分，如繞組開路故障、位置信號缺失故障等。因此，考慮電機系統的復雜性，還需要結合其他故障特征再進行綜合判斷。

功率變換器開關管發生開路或短路故障時，不止引起相電流波形變化，還將導致母線電流、相電壓和開關管驅動信號等物理量發生一系列連鎖變化。因此，可在分析開關管開路或短路故障特征基礎上，綜合兩種或兩種以上系統物理量變化情況，對其進行數學表達并量化，再用一個綜合參數和具體數值體現故障類型并定位故障管。本文將這種可以反映故障綜合特征的數值稱為故障評價值，這類方法稱為故障評價值提取法。

故障時可選的物理量主要有相電流斜率和開關管驅動信號[10]、相電流節點能量[11-12]、相電流期望與標準差[13]、電壓相關量[14]等。根據所選物理量和數學表達式的不同，故障特征值的范圍亦不同。

文獻[10]針對開關管短路故障選取相電流斜率的符號函數λ和斬波管驅動信號P兩個變量的“異或”值μ作為故障評價值：當μ為高電平時，斬波管發生短路故障；對于位置管短路故障，還需檢測相鄰相電流續流時間。該方法可以將A-D轉換延遲和硬件延遲等因素考慮在內，避免因器件延遲而引起的誤診斷。甘醇等[11-12]提出一種小波包分解法，以小波包節點能量離散度σ作為故障評價指標，通過觀測σ值判斷故障類型：當某一相電流節點σ突然增大時，則該相發生短路故障，輔助以故障相電壓在其開通區間內是否存在斬波信息可精確定位故障管；當某一相電流節點σ為零時，則該相發生開路故障。小波包分解法在變載和變速工作狀態下應用簡單，診斷精度高，可實現在線診斷，然而由于同一相內任一開關管開路故障情況下的σ值都等于零，故無法通過σ定位開路故障管，且復雜度隨分解層數的增多呈指數式增長。文獻[13]采用離散小波變換，提取故障相電流平均值與標準差的比值μ作為故障評價量，根據μ值所處區間判斷故障類型：當0.3＜μ＜1.3時，系統正常工作；當μ＞1.3時，位置管發生短路故障；當μ＜0.3時，發生開路故障。該方法提取的故障評價量μ變化范圍大，不易出現誤診斷，方法魯棒性高，但只能精確定位短路位置管，診斷開路故障還需將μ與其他物理量相結合。

文獻[14]從中點電壓實際值和計算值中提取電壓信號Sj和開關管驅動信號DSj，然后將兩者進行“異或”邏輯運算得出故障評價值FSj，如式（2）和式（3）所示。

式中，u1和u2為中點電壓；Us為母線電壓；uD為二極管壓降；uT為開關管壓降。

通過判斷Sj、DSj和FSj之間的數值關系可定位故障管：首先，故障評價值FSj設為故障標志，當FSj=1時，可確定第j相出現故障；進一步地，當奇數相橋臂的中點電壓信號S2k-1和開關管驅動信號DS2k-1互斥時，上管出現開路故障；當偶數相橋臂的中點電壓信號S2k和開關管驅動信號DS2k保持一致時，下管出現短路故障。該方法可以有效地減小故障診斷時間和故障診斷成本，但難免增加了控制復雜度。

考慮到傳統電流傳感器的放置位置獲得的電流信息非常有限，難以通過單一電流信息準確地提取故障評價值，因此若合理布置電流傳感器，則可以獲得更多電流信息，有利于準確定位故障管[15-18]。如文獻[15]針對功率開關管故障提出了基于相橋臂交叉纏繞測量的診斷方法，通過改變電流傳感器放置位置進行故障診斷，給出了兩種可行方案：①電流傳感器放置位置如圖2a所示，同時測量斬波管電流和續流二極管電流；②電流傳感器放置位置如圖2b所示，同時測得位置管電流和下續流二極管電流。然后將電流傳感器所測電流iar及其符號函數dari和兩個不同采樣點所測電流絕對值差值Δ|iar|作為故障評價值，如式（4）~式（6）所示。所提方法故障評價值變化較明顯、易于診斷，但針對開關管復合故障是否有效仍需做進一步研究。

圖2 相橋臂交叉纏繞測量的診斷方法[15] Fig.2 Fault diagnosis method based on cross-leg current analysis[15]

上述文獻所提方法均選取了同一相的不同物理量，如電流或電壓等，這便于定位故障相，進而通過故障評價值范圍定位具體的故障開關管。事實上，電流也可以取自不同相或同相中的不同元器件，這是考慮到故障時不同相電流或電壓之間的相位和幅值的差值與正常運行時不同。文獻[19]將兩相電流平均值的差值作為故障評價值確定故障相和故障類型，然后將不同驅動信號輸入故障相的兩個功率開關管來定位故障管，若發生開路故障檢測相電流去磁時間是否超過閾值，若發生短路故障則檢測相電流幅值是否超過閾值，超過閾值則說明存在故障。該方法僅需要主控制系統中已有參數，不需要增加電流傳感器，此外歸一化處理使算法不受電機功率、負載水平和機械轉速的影響，不足之處在于：診斷過程中需要人為改變開關管的驅動信號，不能實現在線診斷。

1.1.3 小結

表1對功率變換器故障診斷方法進行了總結，從可定位的故障類型、是否改變功率變換器拓撲結構、算法復雜度和優缺點五個方面進行了對比。

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撲結構，方法通用性較好；②整體來看，故障評價值提取算法較復雜；③需要利用閾值進行判斷的方案，因閾值均為經驗值，容易出現誤診斷。

表1 功率變換器故障診斷方法對比 Tab.1 Comparison of fault diagnosis methods for power converter

1.2 容錯控制

針對功率變換器故障的容錯控制方法可從硬件和軟件兩方面出發，即改進功率變換器拓撲或采用合理的控制策略。

1.2.1 改進功率變換器拓撲

改進功率變換器拓撲提高容錯性能的一種方式是，通過在不對稱半橋拓撲基礎上添加備用開關管和繼電器實現，當工作中的開關管出現故障時，可將備用開關管通過繼電器接入網絡，替代原故障開關管[7,20]。這種方法原理簡單，容易實現，可靠性較高，然而添加備用設備會增加結構復雜度，不利于集成化和大規模生產。

另一種方式是采用能夠輸出多電平電壓信號的功率變換器拓撲，根據不同的運行工況，采用相應的電平輸出方式以提高系統容錯能力。V. Fern?o Pires[21]和合肥工業大學馬銘遙等[22]分別提出了一種具有故障容錯能力的多電平功率變換器拓撲，前者通過優化中性點鉗位功率變換器拓撲結構實現多電平輸出，如圖3所示；而后者通過在不對稱半橋基礎上添加水平橋臂實現多電平輸出，如圖4所示。兩種拓撲皆可產生±2VDC、±VDC和0五種電壓等級，分別適用于不同轉速情況，高電壓等級在高速狀態下可減小換相時間和產生負轉矩的可能性，低電壓等級在低速狀態下可減小開關頻率。值得注意的是，兩種多電平拓撲必須要保證直流側兩個電容的電壓平衡，否則容易引起極大的開關損耗。文獻[23]針對開路故障，利用全橋拓撲實現容錯控制，鑒于開關磁阻電動機對相電流方向沒有要求，因此對全橋拓撲結構來說，當一個橋臂上的開關管出現故障時，可以用另一個橋臂上的開關管導通。全橋拓撲結構 具有廣闊的市場應用，故該方法的通用性較強，但由于電流反向，在切換成反向結構的同時還需要配合雙向電流控制策略。

圖3 具有容錯能力的中性點鉗位功率變換器[21] Fig.3 Neutral point clamped converter with fault tolerant capability[21]

圖4 基于不對稱半橋的五電平功率變換器[22] Fig.4 Five-level power converter based on the traditional asymmetric half-bridge power converter[22]

由于正常情況下備用開關管不起作用，因此上述五種拓撲皆存在功率開關管利用率低的問題；另外，雖然上述拓撲針對開關管開路故障可以實現較好的容錯控制，但對于短路故障必須先利用繼電器將短路開關管切除后才能實施容錯控制策略，這勢必又會增加結構和控制復雜度。

采用具有容錯能力的功率變換器拓撲也可提高其可靠性。文獻[10]中提出的帶有雙向功率單元的AHBPC拓撲結構，如圖5所示，可對繞組故障和功率變換器開路故障引起的復合故障實現容錯控制，但對于短路故障需要輔以額外的控制方式：采用短路故障轉化為開路故障，或通過調整關斷角使轉矩脈動最小化的容錯策略。文獻[24]提出了一種新型集成化功率變換器拓撲結構，如圖6所示，采用串聯導通控制方式實現容錯控制，該方法可在兩相同時導通時減少工作開關管數目，使開關管的電熱應力減小一半的同時，不降低其靜態和動態特性，從而有效提高系統可靠性。文獻[25]同樣提出了一種高度模塊化的功率變換器拓撲結構，如圖7所示，該拓撲主要由兩個全橋模塊和四個繼電器組成，可快速對各種開關管故障實現容錯控制。其中在針對短路故障時，將繞組聯結方式變換成星形聯結方式， 不需將短路故障管切除即可實現容錯控制，但問題是切換時的轉矩脈動比較大。西安交通大學丁文等[26]提出了一種互耦雙三相功率變換器拓撲，其可靠性極高，即使在故障情況下依然可以持續帶載運行，但需要AHBPC兩倍數量的器件。

圖5 基于雙向功率開關管的AHBPC拓撲結構[10] Fig.5 AHBPC topology based on bidirectional power switches[10]

圖6 新型集成化功率變換器拓撲結構[24] Fig.6 Topology of the novel integrated power converter[24]

圖7 具有容錯能力的模塊化功率變換器[25] Fig.7 Modular converter with fault tolerance capability[25]

1.2.2 容錯控制策略

功率開關管發生開路故障時，僅減小電機輸出能力，相比于短路故障，開路故障的影響相對較小。當功率變換器工作在軟斬波模式下時，斬波管短路故障會使勵磁區間相電流幅值增大，相繞組承受全部電源電壓，電機性能和壽命受到嚴重影響；續流區間相電流下降緩慢，引起電流拖尾，導致電機處于不平衡狀態。位置管短路故障在勵磁區間內不會產生影響，但是在續流區間內會產生較大的拖尾電流，導致電機運行不平衡。從文獻[6]可以看出：一級故障下斬波管短路會直接使系統失效，二級故障下位置管短路故障會使系統失效，而開路故障則不會使系統失效。基于以上分析，文獻[10]提出基于故障轉換的控制策略：發生斬波管短路故障時，通過改變控制信號將斬波管和位置管進行互換，相應的斬波管短路故障就轉換成了位置管短路故障，而位置管短路故障引起的轉矩脈動通過控制器進行補償。文獻[27]則采用當某一相斬波管發生短路故障時改變控制信號，將同相的位置管關斷，使斬波管短路故障轉換成開路故障的方案，減小故障帶來的影響；若位置管發生短路，則將斬波管關斷。故障轉換的思想只需要改變控制信號即可實現，簡單易實施，但是不能解決故障，可在短時間內作為緩沖措施。

文獻[23]針對電動汽車用開關磁阻電動機利用系統降額的思想實現容錯控制，在功率開關管出現故障后，根據電動汽車運行工況選擇降額系數使系統進入降額狀態，然后激活控制算法：短路故障時采用電流軟斬波變占空比控制，開路故障時采用多方向電流軟斬波控制。為充分保證人身安全，對容錯控制時效和性能都要求非常高，而該方法在汽車不同運行工況下，都可以對故障轉矩脈動起到有效抑制。

1.2.3 小結

表2對提高功率變換器容錯控制方法進行了總結，從針對的故障類型、是否改變功率變換器拓撲結構、算法復雜度、所用開關管數量和優缺點六個方面進行了對比。從表中可以看出：①與故障診斷方案相比，容錯控制通過改變功率變換器拓撲結構的方案多是添加備用開關管；②容錯控制算法相對簡單，效率較高；③針對短路故障進行容錯控制時，通常需要的繼電器數量較多，接線相對復雜；④僅靠容錯拓撲結構對短路故障實現容錯控制，容易引起相間電壓不平衡問題。

表2 功率變換器容錯控制方法對比 Tab.2 Comparison of tolerant control methods for power converter

（續）

2 SRM故障診斷和容錯控制方法

SRM結構簡單，是SRD中可靠性較高的部分，但電機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致的電流過大將加劇繞組故障；另外，根據文獻[28]，集中式繞組電機的可靠性與電機相數成比例關系，即電機相數越少，可靠性越低。因此，繞組故障尤其對少相數的電機影響較大。此外，受制造工藝限制，電機在加工和不正常運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，兩者都會使轉子承受徑向不平衡磁拉力，而徑向不平衡磁拉力是轉矩脈動增大、噪聲增大等問題的主要來源[29]。另外，兩種故障之間相互作用，繞組出現故障后，轉子容易在徑向不平衡磁拉力的作用下發生偏移，從而引起或加劇氣隙偏心故障；當氣隙偏心故障出現后，氣隙磁通密度變得不均勻，導致繞組承受的應力也不均勻，其中承受較大電磁力的線圈繞組便容易出現變形甚至斷裂。本節針對SRM故障，從以上兩種常見故障類型進行分類論述。

2.1 繞組故障

SRM定轉子為雙凸極結構，轉子無繞組，定子上有集中繞組，因此繞組故障僅會出現在定子側。為了防止因轉子受力不均勻造成轉矩脈動增大，引起噪聲和損耗等問題，SRM的定轉子齒數皆為偶數，然而繞組發生故障時，轉子徑向受力會變得不平衡，嚴重影響電機的正常運行。

2.1.1 繞組故障診斷和容錯控制方法

繞組故障類型分為開路和短路故障。短路故障主要包括匝間短路、相間短路、整極線圈短路、整相繞組短路和對地短路五種類型，其中匝間短路發生頻率最高，故障原因一般為端部漆包線絕緣損壞。雖然輕微的匝間短路對系統影響較小，但是其很容易引發其他四種短路故障，同樣對電機系統正常運行甚至人身安全造成很大威脅。繞組開路故障則直接導致一相電磁力缺失，使電機處于斷相狀態。

正常情況下，繞組阻值一般僅受溫度的影響，因此，繞組阻值一般變化不大，但當匝間短路故障出現時，繞組的阻值會大幅減小，故可將繞組阻值作為短路故障指標。文獻[30]在米勒型功率變換器的基礎上，利用擴展的卡爾曼濾波算法求解得到繞組阻值，然后將其與設定的參考阻值相比，若求解得到的阻值低于設定的參考值，則說明出現匝間短路故障。該方案僅需要一個電流傳感器，實施成本低，但卡爾曼濾波算法太過復雜，對控制器要求較高。針對匝間短路故障，文獻[31]利用繞組短路故障會引起三相負序阻抗不對稱從而引起負序分量的現象，提出用電流正序分量和負序分量的比值作為故障評價值的方案。該評價值大小可反映故障程度，但其提取過程比較復雜。清華大學張品佳等[32]利用電流斬波控制方式下采樣頻率和開關延遲會引起過電流現象，提出了一種可以在線判斷匝間短路故障程度的故障評價值，該評價值可以消除由轉速和負載變化產生的影響，魯棒性較高。同時，通過有限元軟件對繞組匝間短路的嚴重程度以及故障位置對電機磁路和運行參數的影響進行了詳細分析。針對相間短路故障，文獻[33]對其機理進行了研究，并在優化電流傳感器放置位置的基礎上，利用故障相繞組進出線電流差值進行故障診斷，正常時差值為零，當某一相出現故障時該相電流差值會增大，從而可以在不同區域依據增大的相電流差值確定故障位置。此方案可以在電流傳感器數量不變的情況下獲得比傳統電流傳感器放置方式下更多的電流信息。

在繞組相間短路故障容錯控制方面，文獻[33]利用相電流重構策略，采用三閉環容錯控制策略，其框圖如圖8所示，主要原理是依據轉速、相電流和相間短路電流對功率開關管的開關狀態進行控制。其三個閉環的作用分別為：外環調節轉速、中間環控制相電流、內環依據相間短路電流控制開關管狀態。三閉環容錯控制策略中滯環控制器的上、下限電流值為經驗值，容易引起誤操作。在繞組開路故障的容錯控制方面，文獻[34]針對無軸承SRM單齒極繞組開路故障，將直接瞬時轉矩控制（Direct Instant Torque Control, DITC）和直接懸浮力控制（Direct Force Control, DFC）方法相結合以補償缺失的懸浮力，DITC確定基本電壓符號，DFC結合懸浮力滯環信號和基本電壓信號確定等效電壓符號，控制開關管狀態，改變電流大小。該策略將DITC和DFC相結合，可以將轉矩脈動控制在較為理想的范圍內，但相鄰相補償策略并沒有徹底解決故障，故系統很難達到良好的健康狀態。

圖8 開關磁阻電動機相間短路故障容錯控制策略[33] Fig.8 Tolerant control strategy phase-to-phase fault in SRM[33]

對于整極線圈短路和整相線圈短路，可認為是極端匝間短路故障情況，整極線圈短路會使流過同相另一齒極上線圈的電流增大，嚴重影響磁場分布；而整相線圈短路更為嚴重，在勵磁狀態下極易使電源因短路而損壞。由于整極線圈短路和整相線圈短路與匝間短路故障機理相同，故一般匝間短路故障診斷的方案也可以適用于這兩種故障，加之這兩種故障出現的概率較低，所以本文未涉及關于整極線圈短路和整相線圈短路的故障診斷和容錯控制方法內容。對地短路故障則會使線圈分成兩部分，兩部分電流分別與大地形成回路。其中一部分受上開關 管控制，只能工作于勵磁狀態和續流狀態；另一部分受下開關管控制，只能工作于關斷和續流狀態。因此可以認為：繞組對地短路故障等效于同時發生斬波管短路和匝間短路故障。

鑒于功率變換器故障與繞組故障相似的系統特征，學者們提出了幾種能夠同時應用于功率變換器故障和繞組故障的容錯控制策略。文獻[35]提出了一種新型雙通道功率變換器拓撲，如圖9所示。該拓撲通過改變繞組聯結方式實現兩種工作模式：模式1針對功率變換器故障，其繞組聯結方式會在定子極上產生“NS”型磁極排布，容錯原理類似全橋拓撲；模式2針對開路故障，其繞組聯結方式會產生“NNNNNNSSSSSS”型磁極排布，利用同一通道內的另一組線圈進行轉矩補償實現容錯控制。雙通道結構可同時提升功率變換器和繞組復合故障下的系統容錯性能，不足之處在于需要注入正弦波電流且2次和4次電流諧波不能被抵消。文獻[36]針對SRM單齒極繞組開路故障，提出了一種徑向力最小化控制策略，當圖10所示定子極1.1處的繞組出現故障時，不平衡徑向力如圖10所示，可以看出，利用健康相繞組2.2和2.14能夠補償缺失的徑向力，有效解決單齒極開路故障引起的不平衡磁拉力問題，其算法為

圖9 雙通道功率變換器拓撲結構[35] Fig.9 Topology structure of dual-channel power converter[35]

圖10 不平衡徑向力空間分布[36] Fig.10 Spatial distribution of unbalanced radial force[36]

此外，由于采用了分布式逆變器，逆變器開路故障會產生相同的不平衡徑向力問題，所以該策略可同時對功率變換器和繞組故障進行容錯控制。在電機拓撲方面，文獻[37]提出了一種將永磁體嵌入定子齒極內并采用分段式轉子的結構，可有效減小故障情況下感應反電動勢和感應電流的大小，從而可大幅降低開路或短路故障的危害，提升電機性能；文獻[38]針對永磁電機，通過設計定子輔助齒極來減小短路故障電流，進而減小故障危害。改進電機本體結構會增加成本費用以及電機結構復雜度，難以兼顧性能與成本。

2.1.2 小結

表3對繞組故障診斷和容錯控制方法進行了總結，從適用場合、針對的故障類型、是否改變功率變換器拓撲結構、算法復雜度和優缺點六個方面進行了對比。從表3中可以看出：改變功率變換器拓撲結構的控制策略，通用性較差；但容錯控制算法較為簡單，所需計算時間短；健康相補償策略不能徹底解決故障，可在短時間內作為緩沖措施。

表3 繞組故障診斷與容錯控制方法對比 Tab.3 Comparison of fault diagnosis and tolerant control methods for winding

2.2 氣隙偏心故障

氣隙偏心故障是指電機定子或轉子中心位置出現偏離，分為三種類型：靜態偏心故障、動態偏心故障和混合故障[39-40]，如圖11所示。靜態偏心指轉子中心與旋轉中心重合，但它們不與定子中心重合；動態偏心指定子中心與旋轉中心重合，但它們不與轉子中心重合；混合偏心是靜態偏心和動態偏心的疊加，定、轉子中心與旋轉中心均不重合。氣隙偏心故障將造成定子與轉子間氣隙分布不均勻，使轉子承受不平衡徑向力，從而進一步加深偏心故障程度并加劇電機的振動和噪聲，甚至使定轉子發生掃膛。

圖11 氣隙偏心類型[39-40] Fig.11 Types of air gap eccentricity[39-40]

2.2.1 氣隙偏心故障診斷和容錯控制方法

氣隙偏心故障診斷多采用脈沖注入法，通過檢測繞組感應電壓[39]或感應電流[40-41]進行診斷。如文獻[39]針對三相6/4電機提出一種向非對齊相注入正弦脈沖信號的偏心故障診斷方法，檢測正弦脈沖信號在兩個相繞組產生的感應電壓，通過比較感應電壓差值可以識別是否發生故障；再向故障相和非故障相分別注入信號可以識別故障相；檢測故障相兩個繞組電壓差值的正負可以確定偏心方向；計算故障情況下故障相感應電壓絕對值與健康情況下該相感應電壓絕對值的比值，可以確定故障等級。文獻[42]同時向全部相注入方波信號，將同相兩繞組電流差值作為故障特征，同樣可以實現偏心故障的全面分析：將各相分別在不同相對齊位置勵磁時，各相線圈電流差值數據以矩陣形式呈現，通過觀測各相電流差值矩陣的余子式的特征，可以確定故障相；通過檢測電流差值波形的升降趨勢與注入方波的升降趨勢相同或相反，可以確定偏心方向；只有靜態偏心故障可以確定故障相，至于動態偏心和混合偏心故障，可通過檢測一個旋轉周期內電流差值矩陣的余子式是否重復進行區分。

以上四種方案都是在電機停轉狀態下進行，均可以對氣隙偏心故障實現全面分析，適合用作對新出廠的電機進行測試。然而脈沖注入法無疑需要增加額外的電流傳感器和電壓傳感器，且會引起開關損耗和電磁干擾問題。

由于徑向力主要集中于靠近凸極的定子軛上，轉子旋轉過程中徑向力的突變會產生噪聲和振動問題。文獻[43]通過改變電機本體結構，將定轉子齒極偏斜相同的角度，使徑向力在整個磁軛上均勻分布，從而減小了噪聲和振動問題。該方案不會降低電機效率和輸出轉矩，但偏斜角度需要經過精確計算，這難免增大設計和加工制造難度。文獻[44]在轉子齒極上設計了兩個對稱分布的非直通孔，孔的直徑和位置會影響磁場分布，從而影響徑向力和轉矩的大小，因而可以實現徑向力平衡。該方案相比傳統無孔或直通孔方案，可以獲得更小的徑向力和更大的轉矩，且能夠提高電機效率和功率密度，但作者僅考慮了孔的長度寬度和位置，沒有考慮孔的深度對磁場的影響。由于徑向力受電流影響，所以調整電流大小可以實現徑向力平衡，文獻[45]從硬件優化和控制策略兩個方面分別提出了偏心故障容錯方案。在硬件優化方面，當偏心故障發生后，若同相相對的兩個齒極線圈以串聯方式連接，兩個線圈的電流時刻相等，無法通過調整電流實現徑向力平衡；但是對于并聯連接的線圈，電流可以根據兩邊的氣隙長度自動調整大小從而實現徑向力平衡。在控制策略方面，故障發生后，采用電流斬波控制方案使電流滿足式（8）即可減小不平衡力。但是該方案首先需要得到精確的氣隙長度以及偏移距離。

式中，iC1和iC2分別為同相兩線圈電流；gC1和gC2分別為同相兩齒極氣隙；Δg為氣隙偏移長度。

2.2.2 小結

表4對氣隙偏心故障診斷和容錯控制方法進行了總結，從適用場合、是否改變電機本體結構、算法復雜度和優缺點五個方面進行了對比。從表4中可以看出：①脈沖信號注入法需要檢測感應電壓或電流，會增大開關管損耗，引發電磁干擾；②可對常見的三種氣隙偏心故障類型實現全面診斷，適合用于對新出廠電機做檢測檢驗；③均在離線狀態下進行診斷，不易實現在線診斷；④對于容錯控制方案，一般需要改變電機本體結構，通用性受到限制。

3 SRD檢測單元故障診斷和容錯控制方法

SRM依據磁阻變化運行，其電感、磁鏈等物理量是電流和轉子位置的非線性函數，在進行電機系統建模、分析和控制時通常需要實時、準確的電流和轉子位置信息。SRD檢測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，控制器根據三者所提供的信息控制開關管開通或關斷。若其中任一傳感器故障，電機控制系統都會受到影響。

表4 氣隙偏心故障診斷和容錯控制方法對比 Tab.4 Comparison of fault diagnosis methods for air gap eccentricity

電流和電壓傳感器的故障主要有偏置故障和信號缺失。偏置故障會使電流或電壓信息產生偏差，信號缺失故障會使電流或電壓信息丟失，兩種情況均會導致系統控制效果不佳。位置傳感器的常見故障包括信號丟失、延遲或提前等。當信號丟失時，控制器無法獲得電流、電壓或轉子位置信息，便無法控制開關管的開通和關斷；當信號延遲或提前時，控制器得到錯誤的位置和電壓電流信息，使開關管在錯誤的時刻動作。以上三種故障皆會引起SRM轉矩脈動增加、噪聲增大等問題。

3.1 電流傳感器和電壓傳感器故障診斷和容錯控制方法

文獻[46]針對電流傳感器偏置故障，在優化的電流傳感器放置位置基礎上，根據三個連續驅動信號上升沿處的電流偏差值來定位故障的電流傳感器；確認偏置故障電流傳感器后，提出基于重構電流偏差的直接補償方案和基于重構電流偏差的比例積分補償方案，前者將第一次計算得到的重構電流偏差作為負反饋信號抵消偏置電流，后者將比例積分控制器的輸出作為反饋補償信號抵消偏置電流，兩種方案相結合，可以有效減小補償電機振蕩，縮短補償時間。

傳統電流檢測方法即每相一個電流傳感器，不僅需要電流反饋，而且需要過電流保護，系統成本和復雜度高。文獻[47]通過優化電流傳感器的放置位置，增強了故障診斷能力，且減少了電流傳感器的數量，因此可減小因電流傳感器而引起系統故障問題的可能性，其所提電流傳感器放置位置如圖12所示，采用相電流重構思想，選用S∑DL和S∑QL兩個電流傳感器并結合脈沖注入方案，獲取相電流信息和故障信息。雖然該方法可以縮減故障診斷時間，但不能獲得完整的相電流信息。

圖12 故障診斷增強型功率變換器拓撲結構[47] Fig.12 Topology structure of fault diagnosis for enhanced power converter[47]

文獻[48]通過觀測磁鏈波形進行電壓傳感器和電流傳感器故障診斷：正常情況下，電機第k相繞組的電壓平衡方程式為

由此可以解析得到第k相磁鏈平衡方程式為

由式（10）可知，磁鏈ψk和電壓Uk、電流ik有關，當電壓傳感器或電流傳感器出現故障后Uk或ik變為零，磁鏈波形便會發生相應的變化，因此可以通過觀測磁鏈波形進行故障診斷。但是功率開關管和繞組故障也會影響磁鏈波形，故該方案應與功率變換器和繞組故障診斷方法相結合來應用。

3.2 位置傳感器故障診斷和容錯控制方法

根據SRM運行原理，在安裝位置傳感器時，通常使位置脈沖信號上升沿和下降沿分別與最大、最小電感時刻對應，因此若電機旋轉方向不變，則各相位置脈沖信號順序就是固定的。但當位置傳感器出現故障時，脈沖信號的順序將發生變化。基于此原理，中國礦業大學陳昊等[49]提出了相鄰脈沖信號邊沿檢測的位置傳感器故障診斷方案。該方案靈活性較好，僅依賴相鄰脈沖信號，不依賴位置傳感器的安裝方式，可適用于單個和多個位置傳感器同時故障的情況。需要注意的是，繞組飽和時需要考慮電流對轉子位置的影響。

文獻[50-51]提出了一種脈沖邊沿預測算法，依據前三個脈沖邊沿的時間差計算第四個脈沖應當出現的時刻值tx。通過實際檢測的脈沖邊沿時刻值t4與tx進行比較來診斷故障類型。

式中，a=δt1-δt2；b=δt12+2δt1δt2-δt22；c=-(δt12δt2-δt1δt22)；t1~t4分別是第1~4個脈沖邊沿時刻。

邊沿預測方案能夠準確定位故障傳感器，缺點是計算量相對較大。蔡駿等[52]對位置脈沖信號及其互補信號在上升沿和下降沿區間內做時間積分運算，將此積分值作為故障判斷依據。正常轉速大小和方向基本不變的情況下，位置脈沖信號邊沿之間的時間差也基本保持不變。但在不同故障情況下，脈沖信號邊沿間的時間差會發生變化，積分值也會發生相應改變，因此不需要復雜算法和額外器件，通過該積分值便可快速診斷出故障類型，不足之處在于該方案不適用于頻繁變載和變速的工況。

對于位置傳感器故障容錯控制，文獻[49]在確認故障后，通過檢測故障脈沖信號的前一個脈沖推斷出正確脈沖信號，當到達中斷時刻后執行中斷服務程序重建故障位置信號。此方法不受電機轉速變化影響，無論是在勻速運動，還是在變速運動中均可對故障脈沖進行重構，只是低速情況較高速情況效果略差。韓國強等針對低成本應用場合光電式傳感器容易出現偏置故障的情況，提出了容錯控制方案[53]：基于動態時間規整算法、優化傳統開槽圓盤并采用單只光電傳感器，通過計算任意兩個位置信號之間的相似度，來補償不對齊機械角度。優化后的開槽圓盤如圖13所示，該方法僅用一個傳感器就可以檢測位置角度，其原理與文獻[49]所提方案類似，電感最值時刻對應脈沖信號邊沿，因此只需確定起動相便可以進行位置檢測，無需添加額外設備。

圖13 優化的轉子位置信息檢測方法[53] Fig.13 Optimized rotor position detection method[53]

無位置傳感器控制策略在提升位置傳感器故障容錯性能方案中是目前較為熱門的研究方向之一。文獻[50]提出了兩種無位置傳感器位置檢測方案：改進脈沖注入法和電流梯度法。

改進脈沖注入法的基本原理是：電感的變化取決于轉子位置，而脈沖電流大小取決于電感，因此通過注入電流值可確定轉子位置。在電機從對齊位置旋轉到不對齊位置時刻，電感由最大值變為最小值，注入脈沖值會越來越大，當超過所設閾值時，便可以確定位置。傳統脈沖注入法是對所有相注入電壓脈沖，每一相都需要相同的電路，硬件和軟件都比較復雜，而且在關斷后續流電流仍然很大的情況下注入脈沖容易引起負轉矩。而改進脈沖注入法僅對一相繞組注入電壓脈沖，可減小器件使用數量，節約成本，且脈沖是在關斷后續流電流較小時注入，可避免負轉矩的產生。

電流梯度法的基本原理是：在單脈沖控制方式下，電機在從對齊位置旋轉到不對齊位置時刻，電流增大到最大值，此時電流梯度等于零，故當檢測到電流梯度等于零時，轉子位置便可確定，再由兩個電流梯度為零時刻間的角度差值與時間差值得出轉速，便可算出任意時刻的位置角度。由于單脈沖控制方式下開關次數少，故該方案適用于電機高速運行情況，但變載情況下容易出現誤差。文獻[51]通過檢測電流梯度和電感梯度正負值變化時刻確定轉子位置角度，在電流梯度值由正變負時給定一個上升沿脈沖，由負變正時給定一個下降沿脈沖，在電感梯度正負值變化時刻進行相反的操作，最后將電流梯度正負值變化時刻的脈沖和電感梯度正負值變化時刻的脈沖進行邏輯“與”運算，即可得到實際位置信號脈沖。文獻[54]選取電感梯度由正變負的過零時刻（即對齊位置）作為給定脈沖時刻，然而在電機起動位置附近電感梯度正負值頻繁變化，容易引起誤診斷，針對此問題，提出了一種最大電感分配法。起動位置附近電感值較小，而最大電感值分配法選取電感值較大區域作為估算區域，這樣可避免起動位置區域的影響。電感梯度法和最大電感分配法相結合不僅能有效檢測位置，還可對單相缺失故障實現容錯控制。另外，針對無位置傳感器策略的電機起動問題，文獻[54]還提出了一種基于非導通相電感雙閾值方案，主要通過注入脈沖信號實現。以上幾種無位置傳感器方案都基于電感或電流隨位置角度變化的曲線，可與常用控制方法相結合。然而在SRM正常情況下，為了獲得較大的轉矩，電機通常需要工作在磁飽和狀態[55]。磁飽和狀態下，電機具有嚴重非線性問題，但以上方案對解決非線性問題效果并不佳。

文獻[56]針對位置估算精度受磁路飽和影響大的問題，在非飽和區的相電感下降區域內，利用各相電感值相等時所對應的位置點確定位置，避免了飽和區內相電感受相電流影響的問題。丁文等[57]在非線性條件下，利用一種可通過計算得到的虛擬電壓替代實際電壓，并利用該虛擬電壓計算虛擬磁鏈，然后通過該虛擬磁鏈與實際參考磁鏈的交點檢測位置。由實際參考磁鏈的傅里葉展開式可以看出，參考磁鏈僅與相電流有關，另外虛擬電壓可通過計算得到，故該方案可以去除電壓傳感器，僅需單個電流傳感器即可實現位置信號檢測，但是該方案僅適用于中高速電機，對于全轉速范圍運行的電機，需要結合脈沖注入法應用。文獻[58]結合神經網絡對轉子位置進行估計，依據電機電流和磁鏈以及轉子位置角度間存在的非線性映射關系，提出了基于回聲狀態網絡的位置檢測方案，將繞組電壓、繞組電流和磁鏈作為網絡模型輸入，計算轉子位置角度，用于轉子位置估計的回聲狀態網絡模型結構如圖14所示。利用智能算法可以處理復雜的非線性問題，有效解決電機無法建立精準數學模型的問題。神經網絡對轉子位置估計，需要大量精確的樣本數據，所以此方案還需采取合適的樣本數據選取方法。

圖14 用于轉子位置估計的回聲狀態網絡模型結構[58] Fig.14 The structure diagram of echo state network for rotor position estimation[58]

3.3 小結

表5對傳感器故障診斷和容錯控制方法進行了總結，從適用場合、適用的故障類型、算法復雜度和優缺點五個方面進行了對比。從表中可以看出： ①傳感器故障診斷和容錯控制方法一般不需改變功率變換器拓撲結構，通用性強且算法較簡單；②磁飽和現象是無位置傳感器控制策略中比較棘手的問題，其會引起磁鏈波形發生變化，而目前多數方案沒有考慮磁飽和問題，所以容易存在檢測誤差；③電流波動、轉速波動和負載變化容易對控制策略產生不利影響，應該合理選取閾值或減少經驗性閾值的使用，降低參數波動產生的誤差。

表5 傳感器故障診斷與容錯控制方法對比 Tab.5 Comparison of fault diagnosis and tolerant control methods for sensors

（續）

4 總結與展望

本文從功率變換器、電機本體、檢測單元三個方面概述了開關磁阻電機調速系統現有故障診斷和容錯控制方法。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和基于故障評價值提取兩類，通過改變拓撲結構和采取合理的控制策略可提高其容錯性能。電機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，繞組容錯控制方案主要針對繞組開路，同時可以提升功率變換器容錯性能；偏心故障診斷多通過注入脈沖信號實現，而提高偏心故障下的容錯性能可通過改變電機本體結構實現。檢測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性能。

綜上所述，未來SRD故障診斷方法可從以下幾個方面開展：

1）故障評價值提取方法可以以直觀的數字化的形式體現故障，然而當前很多方法所提取的故障評價值無法精確定位開路故障，因此需要對開關管開路故障進行針對性的研究。

2）在任何應用場合下都有必要不斷縮短診斷時間，故仍然需要繼續探索診斷速度快、計算量小的方案。

3）離線診斷方案不能實時獲取系統運行信息，診斷時間存在延遲，不能有效保證系統平穩運行，需要研究快速精確的在線診斷方法。

4）目前多數方案只能針對單一故障進行診斷，由于某一處故障可能會引起其他部件故障，因此，需要探索適用于復合故障診斷的方案。

在SRD容錯控制方面，可開展的研究如下：

1）改變功率變換器拓撲結構是提高其容錯性能的常用方法，而目前大部分方案通過添加元器件改變拓撲，不利于與市場銜接和工業大規模生產，因此有必要繼續研究新型集成化功率拓撲。

2）功率變換器和繞組故障、多相故障、多傳感器故障等復合故障對系統正常運行產生的影響較大，因此應該針對復合故障來研究新型容錯控制方案。

3）當前無位置傳感器控制策略受限于磁飽和和轉速變化等問題而沒有得到全面應用，所以需要研究不受非線性問題影響且適用于全轉速范圍的無位置傳感器控制策略。

4）神經網絡、蟻群算法等方法不需要建立電機數學模型，可以解決SRM難以建立精準非線性數學模型問題，隨著智能控制算法的發展，此類方法在開關磁阻電機調速系統容錯控制方面具有廣闊的應用前景。