1.一种开关磁阻电机功率变换器故障的相桥臂交叉缠绕测量诊断方法，其包括两种不同的诊断方案，即基于斩波管电流和续流二极管电流的诊断方案与基于位置导通管电流和下续流二极管电流的诊断方案。对于每种故障诊断方案，首先需要分析总结故障前后观测电流的变化特征，然后利用数字化思想将观测电流模拟量的变化转化为数字量的变化作为故障诊断特征量，最后根据不同开关状态内故障特征量的状态来判断故障类型及定位具体故障器件，从而实现功率变换器的快速在线故障诊断。诊断速度在采样周期量级。诊断过程中利用数字化思想处理模拟量，使得该诊断方案基本不受系统外部运行工况条件的影响，抗干扰能力和诊断结果的可靠性得到了提高。

2.基于斩波管电流和续流二极管电流的诊断方案的特征在于如下步骤：

以三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器的A相桥臂为例进行分析。该方案将流过斩波管的电流和上、下续流二极管的电流相叠加以获得观测电流信号iar，其达式为：iar＝iS1-iD1+iD2                              (1)式中，iS1,iD1和iD2分别表示流过斩波管S1、下续流二极管D1和上二极管D2的电流。

根据主开关管开关状态与驱动信号高低电平的关系，每个主开关管的开关函数可以定义为对于A相来说，电流iar可以写成

iar＝S1ia-(1-S1)S2ia                           (3)电机运行在正常状态时，在开通区间内，位置导通管总是处于开通状态。当斩波管开通时，即在(1,1)的开关状态下，A相绕组通过S1和S2进行励磁。此时，流过S1、D1和D2的电流分别为ia，0和0，即iar等于ia。当斩波管S1关断后，即在(0,1)的开关状态下，A相电流通过S2和D1进行零电压续流。此时，流过S1、D1和D2的电流分别为0，ia和0，即iar等于-ia。在关断区间内，S1和S2均处于关断状态，A相绕组通过D1和D2进行负电压续流。此时流过S1、D1和D2的电流分别为0，ia和ia，即iar等于0。

斩波管S1发生短路故障后，在开通区间内，A相绕组总是通过S1和S2进行励磁，故iar总是为ia。在关断区间内，A相绕组通过S1和D2组成的回路进行零电压续流，此时流过S1、D1和D2的电流分别为ia、0和ia，即iar等于2ia。

位置导通管S2发生短路故障后，在开通区间内，相电流正常斩波，电流iar状态与正常情况相同。在关断区间内，A相绕组通过S2和D1组成的回路进行零电压续流，此时流过S1、D1和D2的电流分别为0、ia和0，即iar等于-ia。

通过以上分析可知，观测电流iar中包含重要的故障特征信息，能够准确识别正常与短路故障两种不同的运行状态。为了判断观测电流iar不同的正负特征，利用数字化思想定义数字信号 为式中，“sgn”表示符号函数。

斩波管S1在开通区间内发生开路故障后，由于位置导通管S2始终处于导通状态，此时不论S1的开关状态，A相绕组始终通过S2和D1组成的回路进行零电压续流。流过S1、D1和D2的电流分别为0、ia和0，即iar等于-ia，这生成一个和S1开路故障相匹配的独一无二的故障特征。

当相电流下降到0之后，iar也保持为0，不再升高。

位置导通管S2在开通区间内发生开路故障后，在开关状态(0,1)下，即斩波管S1处于关断状态，A相绕组则通过D1和D2组成的回路进行负电压续流。流过S1、D1和D2的电流都分别为

0、ia和ia，即iar等于0。在开关状态(1,1)下，即斩波管S1处于导通状态，A相绕组则通过S1和D2组成的回路进行零电压续流。流过S1、D1和D2的电流分别为ia、0和ia，即iar等于2ia。数字化处理之后 此时不能仅靠数字化处理观测电流iar诊断出S2开路故障。

为了解决这个问题，给出一种基于观测电流绝对值幅值差的诊断方案。首先，对观测电流iar取绝对值，得到|iar|。

其次，计算第k次采样得到的观测电流的绝对值|iark|与第k-N次采样得到的观测电流的绝对值|iark-N|之差Δ|iar|，即Δ|iar|＝|iark|-|iark-N|                           (5)在正常与其他故障情况下，如电流采样频率较高，则可得到

Δ|iar|≈0                                (6)然而，在位置导通管S2发生开路故障后，在(1,1)状态下，iar从正常时的ia突变为2ia。因此在故障发生后的N个连续采样周期内可以得到Δ|iar|＞＞0                               (7)进行量化处理，当主控制器在开关状态(1,1)下检测到

Δ|iar|＞a1                               (8)连续满足N个采样周期时，即可判断位置导通管S2发生开路故障。其中，a1为判断Δ|iar|是否远大于0的阈值，本文选取a1＝1A，N＝3。

需要注意的是，上述开路故障诊断方案仅适用于故障发生于开通区间的情形。如果开路故障发生在关断区间，在下一相电流周期的开通区间内，此方案也仅能依靠数字信号为零进行相桥臂开路故障识别，不能定位具体故障器件。

上述诊断过程和诊断流程都是在电压斩波控制方式和电流斩波控制方式模式下分析给出的。通过进一步分析可知，此故障诊断方案同样适用于角度位置控制方式，唯一的不同在于无法在开通区间内识别短路故障和定位故障器件。

3.基于位置导通管电流和下续流二极管电流的诊断方案的特征在于如下步骤：

该方案将流过位置导通管的电流和下续流二极管的电流相叠加以获得观测电流信号iar，其达式为：iar＝2iS2-iD1                                    (9)式中，iD1和iS2分别表示流过下续流二极管D1和位置导通管S2的电流。

根据主开关管的开关函数，观测电流iar可以写成

iar＝2S2ia-(1-S1)ia                             (10)(1)电压斩波控制方式和电流斩波控制方式下的故障特征分析

电机正常运行于电压斩波控制方式和电流斩波控制方式下时，在开通区间内，当开关状态为(1,1)时，位置导通管S2总是处于开通状态。当斩波管S1开通时，即在(1,1)的开关状态下，A相绕组通过S1和S2进行励磁。流过S2和D1的电流分别为ia和0，即iar等于2ia。在开关状态(0,1)下，斩波管S1关断，位置导通管S2开通，A相绕组通过S2和D1构成的回路进行零电压续流，流过S2和D1的电流分别为ia和ia，即iar等于ia。在关断区间内，开关状态为(0,0)，A相绕组通过续流二极管D1和D2组成的回路进行负电压续流，流过S2和D1的电流分别为0和ia，即iar等于-ia。

当斩波管S1发生短路故障时，在开通区间内，无论开关状态是(1,1)还是(0,1)，A相绕组总是通过S1和S2进行励磁，流过S2和D2的电流总是为ia和0，即iar始终等于2ia。在开通区间内经过数字化处理之后得到的 总是为1，此时不能仅靠数字化处理观测电流iar诊断出斩波管S1短路故障。为了在开通区间内诊断出S1短路故障，给出一种基于观测电流幅值差极性判别的识别方法。

在正常情况下，当PWM信号为高电平时，相电流ia的变化率为正。相反，当PWM信号为低电平时，相电流ia的变化率为负。假设iak和iak+1分别表示相电流ia的两次连续采样，iark和iark+1分别表示观测电流iar的两次连续采样。

故在正常情况下，PWM为低电平时相电流的电流差Δia满足

Δia＝iak+1-iak＜0                              (11)正常情况下在PWM为低电平时，iar等于ia，故满足

iark+1＝iak+1                                  (12)iark＝iak                                   (13)因此电机正常运行时，PWM为低电平时观测电流iar的电流差Δiar满足

Δiar＝iark+1-iark＝iak+1-iak＜0                         (14)然而，斩波管S1发生短路故障后，由于总是处于励磁状态，当PWM信号为低电平时，相电流的变化率变成正，即满足Δia＝iak+1-iak＞0                             (15)斩波管S1发生短路故障后，PWM为低电平时iar等于2ia，故满足

iark+1＝2iak+1                               (16)iark＝2iak                                 (17)故斩波管S1发生短路故障后，PWM为低电平时观测电流幅值差Δiar满足

Δiar＝iark+1-iark＝2iak+1-2iak＝2(iak+1-iak)＞0               (18)由此可知，可以根据PWM为低电平时观测电流差Δiar的正负极性判断斩波管是否发生短路故障。

进行数字化处理，定义数字信号 为

显然，正常情况下PWM为低电平时 为负。当主控制器在PWM为低电平时检测到数字量为正时，即可判断出斩波管S1发生短路故障。

在关断区间内，由于斩波管S1发生短路故障，A相绕组通过S1和D2组成的回路进行零电压续流，流过S2和D1的电流分别为0和0，即观测电流iar等于0。此时经过数字化处理之后得到的数字量 为0。然而，由于正常情况下相电流续流结束后保持为零，直至下一开通区间来临才开始升高，即 为0。因此，不能依据数字量 是否为零来检测斩波管短路故障。

在关断区间内，如果采样频率较高，正常情况下的观测电流iar可以认为是一连续值，其电流差Δiar满足Δiar≈0                                  (20)如果斩波管S1在关断续流未结束时发生短路故障，观测电流iar由-ia突变为0。假设斩波管S1在关断续流未结束的k时刻与k+1时刻之间发生短路故障，则满足Δiark＝iark+1-iark＞＞0                             (21)iark+1＝0                                  (22)假设在k与k+1时刻之间对观测电流的采样出现一毛刺干扰信号，则满足

Δiark＝iark+1-iark＞＞0                             (23)iark+1＜＜0                                 (24)因此，通过检测关断续流区间内观测电流差Δiar的幅值大小能够判断斩波管是否发生短路故障，而且通过Δiark和iark+1的组合判断可以有效的避免误诊断。

进行量化处理，如果在关断区间内主控制器检测到Δiar幅值满足

Δiar＝Δiark+1-Δiark＞a2                            (25)且接下来的N个采样周期内数字信号 满足

则可判断斩波管S1在续流区间内发生短路故障。a2为选取的检测电流差Δiar是否远大于0的阈值。本文选取a2为1A。

位置导通管S2发生短路故障后，在开通区间内，观测电流iar状态与正常情况相同。在关断区间内，A相绕组通过S2和D1组成的回路进行零电压续流，此时流过S2和D1的电流分别为ia和ia，即iar等于ia。因此可以通过检测关断续流区间内 的正负判断位置导通管S2是否发生短路故障。如果主控制器在关断续流区间内检测到 为正，则表示位置导通管S2发生短路故障。

如果斩波管S1在开通区间内发生开路故障，此时不论S1的开关状态，流过S2和D1的电流分别为ia和ia，即iar等于ia。在开通区间内经过数字化处理之后得到的 总是为1，此时不能仅靠数字化处理观测电流iar诊断出S1开路故障。

正常情况下，当PWM信号为高电平时，相电流的变化率为正。即在正常情况下PWM为高电平时相电流连续两次采样得到的电流差Δia满足Δia＝iak+1-iak＞0                               (27)正常情况下PWM信号为高电平时，iar等于2ia，故满足

iark+1＝2iak+1                                 (28)iark＝2iak                                  (29)因此，正常情况下PWM为高电平时观测电流iar的电流差Δiar满足

Δiar＝iark+1-iark＝2iak+1-2iak＝2(iark+1-iark)＞0                (30)然而，斩波管S1发生开路故障后，相绕组进行零电压续流，电源不再向绕组提供能量。因此，当PWM信号为高电平时，相电流的变化率为负，即满足Δia＝iak+1-iak＜0                              (31)斩波管S1在开通区间内发生开路故障后iar总是等于ia，故PWM为高电平时满足iark+1＝iak+1                                 (32)iark＝iak                                  (33)因此，斩波管S1发生开路故障后，PWM为高电平时Δiar满足

Δiar＝iark+1-iark＝iak+1-iak＜0                       (34)由此可知，可以根据PWM为高电平时电流差Δiar的正负极性判断斩波管是否发生开路故障。显然，正常情况下PWM为高电平时 为正。如果主控制器在PWM为高电平时检测到数字量 为负，则表示斩波管S1发生开路故障。

如果S2在开通区间内发生开路故障，在开关状态(0,1)下，A相绕组通过D1和D2组成的回路进行负电压续流。流过S2和D1的电流都分别为0和ia，即iar等于-ia。因此，在开关状态(0,

1)下，如果主控制器检测到 为负，即可判断出位置导通管S2发生开路故障。

(2)角度位置控制方式下的故障特征分析

电机在角度位置控制方式下正常运行时只有两种工作状态，即开通区间内的(1,1)状态和关断区间内的(0,0)状态。而且，与斩波模式不同的是，在单脉冲模式下的开通区间内，相电流的变化率先为正，后为负，即不再满足在(1,1)状态下相电流变化率始终为正的条件。故不能再依据电流差Δiar的正负极性变化识别故障。

电机正常运行时，在开通区间内，位置导通管和斩波管总是处于开通状态，即开关状态始终为(1,1)。此时流过S2和D1的电流分别为ia和0，即iar等于2ia。在关断区间内，开关状态为(0,0)，流过S2和D1的电流分别为0和ia，即iar为-ia。

当斩波管S1发生短路故障后，在开通区间内无明显故障特征，即iar等于2ia。在关断区间内，由于S1发生短路故障，流过S2和D1的电流分别为0和0，即iar等于0。斩波管短路故障导致观测电流在关断区间内从正常时的负值变成了零。

如果斩波管在开通区间内发生短路故障，则可以通过检测开关管驱动信号下降沿处的观测电流差Δiar和关断区间内数字量 的变化诊断出来。

电机在角度位置控制方式下正常工作时，在驱动信号下降沿处的电流差Δiar满足Δiar＝iark+1-iark＜a3                            (35)式中，a3为选取的检测电流差Δiar是否远小于0的阈值。本文a3取-1A。

斩波管在开通区间内发生短路故障后，在驱动信号下降沿处的观测电流差Δia满足同样满足式(35)。唯一的不同在于，斩波管发生短路故障后，观测电流iar在驱动信号下降沿处以后的关断区间内的幅值为零，而正常情况下先为负后为零。因此，如果主控制器在驱动信号下降沿处检测到Δiar

如果斩波管在关断续流未结束时发生短路故障，同样可以通过检测观测电流幅值差来判断。

如果S1在开通区间内发生开路故障，在开关状态(1,1)下，流过S2和D1的电流分别为ia和ia，即iar等于ia，即从正常情况下的2ia变成故障后的ia。故如果主控制器在开关状态(1,1)下检测到Δiar

如果S2在开通区间内发生开路故障，在开关状态(1,1)下，流过S2和D1的电流分别为0和

0，即iar等于0。即从正常情况下的2ia变成0，故如果主控制器在开关状态(1,1)下检测到Δiar

需要注意的是，上述开路故障诊断方案仅适用于故障发生于开通区间的情形。如果开路故障发生在关断区间，在下一相电流周期的开通区间内，此方案也仅能依靠数字信号为零进行相桥臂开路故障识别，不能定位具体故障器件。