開關磁阻電動機（SRM）具有可靠性高、制造成本低、響應速度快和結構簡單等優點，但過熱、潮濕和過電壓等複雜外部環境，以及運行過程中頻繁起停、頻繁加減速、負載變化等多重複雜工況，容易導緻SRM、功率變換器或各類傳感器出現故障，加劇過電流、轉矩脈動和噪聲等問題，影響電機調速系統正常工作，因此非常有必要開展開關磁阻電機調速系統（SRD）可靠性研究。

河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學）、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）的研究人員孫德博、胡豔芳、牛峰、李永建，在2022年第9期《電工技術學報》上撰文，結合國内外SRD可靠性研究的文獻，從功率變換器、電機本體和檢測器三個方面分别進行分析，全面探究目前有關開關磁阻電機調速系統故障診斷和容錯控制方法的原理、适用範圍以及優缺點。最後對SRD故障診斷和容錯控制方案的發展趨勢進行預測。

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。

圖1 開關磁阻電機調速系統基本結構

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；功率變換器負責對電源提供的能量進行轉換後提供給SRM，在SRD中占據重要地位，其性能直接決定SRD的性能；電流檢測和位置檢測分别為系統提供運行時必要的電流和位置信息；控制器根據給定信号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态。

盡管SRD整體可靠性較高，但複雜的運行環境和運行工況也會使系統産生故障。首先，電機過載運行或操作不當會使繞組過電流、老化，導緻匝間短路、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緻氣隙偏心。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态，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号延遲或缺失等故障，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，甚至導緻嚴重事故。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态下不至于癱瘓，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，隻有精确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後采取控制策略，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，隻有兩者有機結合，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。

有學者将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号輔助方法、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别故障部件的基礎上，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緻故障相電流缺失、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、适用對象和範圍，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态，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内容。

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。

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态；另一種為開關管在此期間通以一系列脈沖信号以實現電流、轉矩或轉速的控制。本文将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，本文将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。

1.1.3 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、算法複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複雜；③需要利用阈值進行判斷的方案，因阈值均為經驗值，容易出現誤診斷。

表1 功率變換器故障診斷方法對比

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。

1.2.3 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、算法複雜度、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，接線相對複雜；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

表2（續）

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緻的電流過大将加劇繞組故障；另外，根據有關文獻，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。

另外，兩種故障之間相互作用，繞組出現故障後，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後，氣隙磁通密度變得不均勻，導緻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。作者針對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。

2.1.2 小結

表3對繞組故障診斷和容錯控制方法進行了總結，從适用場合、針對的故障類型、是否改變功率變換器拓撲結構、算法複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，可在短時間内作為緩沖措施。

表3 繞組故障診斷與容錯控制方法對比

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：靜态偏心故障、動态偏心故障和混合故障，如圖2所示。靜态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；動态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；混合偏心是靜态偏心和動态偏心的疊加，定、轉子中心與旋轉中心均不重合。氣隙偏心故障将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2 氣隙偏心類型

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，從适用場合、是否改變電機本體結構、算法複雜度和優缺點五個方面進行了對比。從表4中可以看出：①脈沖信号注入法需要檢測感應電壓或電流，會增大開關管損耗，引發電磁幹擾；②可對常見的三種氣隙偏心故障類型實現全面診斷，适合用于對新出廠電機做檢測檢驗；③均在離線狀态下進行診斷，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。

SRM依據磁阻變化運行，其電感、磁鍊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、準确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

電流和電壓傳感器的故障主要有偏置故障和信号缺失。偏置故障會使電流或電壓信息産生偏差，信号缺失故障會使電流或電壓信息丢失，兩種情況均會導緻系統控制效果不佳。位置傳感器的常見故障包括信号丢失、延遲或提前等。當信号丢失時，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；當信号延遲或提前時，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。

小結

表5對傳感器故障診斷和容錯控制方法進行了總結，從适用場合、适用的故障類型、算法複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，其會引起磁鍊波形發生變化，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産生不利影響，應該合理選取阈值或減少經驗性阈值的使用，降低參數波動産生的誤差。

表5

表5（續）

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号實現，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确定位開路故障，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，需要研究快速精确的在線診斷方法。

4）目前多數方案隻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，需要探索适用于複合故障診斷的方案。

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産，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、多傳感器故障等複合故障對系統正常運行産生的影響較大，因此應該針對複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适用于全轉速範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，随着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。

本文編自2022年第9期《電工技術學報》，論文标題為“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”。本課題得到了河北省高等學校科學技術研究重點項目、中央引導地方科技發展資金項目和河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室項目資助的支持。

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