CN101876681A - 交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法，包括以下步骤：由交流伺服驱动器或低压变频器内部的电压型三相桥式逆变电路依据控制单元发送信号触发上桥臂及下桥臂中两个相应功率管导通，两个相应功率管分别设于上桥臂及下桥臂中；由交流伺服驱动器或低压变频器内部的母线电压、导通的功率管和电机定子绕组构成回路，产生检测所需的两个相电流；分析两个相电流幅值，判断是否发生接地短路。本发明方法最大程度的限制了过电流，具有可靠、灵敏、准确和实用等特点，方便实施，在低压变频器或伺服驱动器中使用，无需额外增加硬件电路和额外成本，尤其适合在对位置要求严格的场合中使用，保证了检测及运行的安全可靠性。

Description

交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统的短路保护技术，具体的说是一种交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法。

背景技术

电机在长期运行中由于烧损、绝缘劣化以及电缆破损等原因，可能会引起控制电机的变频器或伺服驱动器输出侧接地短路，如果不及时对接地短路进行排除，会产生很大的接地短路电流，导致设备损坏。

目前，国内大多数伺服驱动和变频产品都没有提供接地短路检测功能，接地短路故障发生后，直接烧损器件，或间接引起过流、失速等报警保护，给使用带来不便。国外一些变频器提供了接地短路报警功能，例如安川、富士、三菱、日立等电机公司提出，当变频器输出侧接地短路时引起过电流，则跳闸保护，其中安川公司对所说的过电流给出了明确的指标，即超过变频电机额定输出电流约50％。由此得出，不同公司或不同型号产品接地短路检测原理是类似的，即通过检测接地短路后产生的过电流幅值来实现保护；不同的是，对过电流幅值大小指标的定义不一样；这样定义所引起的过电流是相对的，接地保护功能是有限的，不是绝对可靠的，在发生接地短路时会因短路电流有可能超不过，或缓慢的达到额定的50％而引起保护失效或延迟，导致器件损坏。

因此，在交流伺服驱动器或变频器中，需要一种更加行之有效的接地短路检测措施，进而更好的完成接地短路保护功能。而现有技术中，能够满足上述要求的短路检测方法尚未见报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法，使其能够准确、可靠、快速的检测出使用交流伺服或变频器的电机控制系统中可能发生的接地短路故障。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明一种交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法包括以下步骤：

由交流伺服驱动器或低压变频器内部的电压型三相桥式逆变电路依据控制单元发送信号触发上桥臂及下桥臂中两个相应功率管导通，两个相应功率管分别设于上桥臂及下桥臂中；

由交流伺服驱动器或低压变频器内部的母线电压、导通的功率管和电机定子绕组构成回路，产生检测所需的两个相电流；

分析两个相电流幅值，判断是否发生接地短路。

所述分析相电流幅值，判断是否发生接地短路包括以下步骤：

读取两个相电流幅值；

判断两个相电流幅值的大小及两个相电流的差值是否在设定范围内；

如果超出设定范围，则输出接地短路报警。

本发明方法还具有抗干扰处理步骤：

判断两相的导通次数是否在设定次数的上、下限之间，如在设定次数的上、下限之间，则取最大相电流值保存，导通次数增1；

转至读取两个相电流幅值步骤；

如两相的导通次数不少于设定次数上限，则将导通次数清零，接续判断两个相电流幅值的大小及两个相电流的差值是否在设定范围内步骤；

如两相的导通次数不多于设定次数下限时，则导通次数增1，转至读取两个相电流幅值步骤。

所述检测所需的相电流的大小在功率管导通时间内不能使电机转动。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明方法最大程度的限制了过电流，方法具有可靠、灵敏、准确和实用等特点。

2.本检测方法方便实施，在低压变频器或伺服驱动器中使用，无需额外增加硬件电路，无需增加额外成本。

3.本检测方法在检测过程中不会引起电机转动，尤其适合在对位置要求严格的场合中使用，保证了检测及运行的安全可靠性。

附图说明

图1为本检测方法的结构示意图；

图2为电流检测电路原理框图；

图3为接地短路模型拓扑图；

图4为软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法包括以下步骤：

由交流伺服驱动器或低压变频器内部的电压型三相桥式逆变电路依据控制单元发送信号触发上桥臂及下桥臂中两个相应功率管导通，两个相应功率管分别设于上桥臂及下桥臂中；

由交流伺服驱动器或低压变频器内部的母线电压、导通的功率管和电机定子绕组构成回路，产生检测所需的两个相电流；

分析两个相电流幅值，判断是否发生接地短路。

所述分析相电流幅值，判断是否发生接地短路包括以下步骤：

读取两个相电流幅值；

判断两个相电流幅值的大小及两个相电流的差值是否在设定范围内；

如果超出设定范围，则输出接地短路报警。

本发明方法还具有抗干扰处理步骤：

判断两相的导通次数是否在设定次数的上、下限之间，如在设定次数的上、下限之间，则取最大相电流值保存，导通次数增1；

转至读取两个相电流幅值步骤；

如两相的导通次数不少于设定次数上限，则将导通次数清零，接续判断两个相电流幅值的大小及两个相电流的差值是否在设定范围内步骤；

如两相的导通次数不多于设定次数下限时，则导通次数增1，转至读取两个相电流幅值步骤；

所述检测所需的相电流的大小在功率管导通时间内不能使电机转动。

本发明方法在电机控制系统上电时就可以完成接地短路检测，根据微控制单元计算和分析电机相电流幅值，进而判断出是否存在接地短路。本发明是采用微控制单元对低压变频器或交流伺服驱动器中逆变主电路上6个功率开关管发出控制信号，该信号驱动功率管导通工作，直流母线与电机定子绕组之间构成回路，产生相电流，通过相电流检测电路测量相电流并回馈给微控制单元，微控制单元对回馈数据进行分析，判断是否发生接地短路，若发生接地短路，进行保护。

所述控制单元发送的控制信号每次只能使两个功率管(上桥臂一个，下桥臂一个)触发导通，在导通时间内产生的电流不能使电机转动。确定导通时间是本检测方法的关键，电机在该方式下，相电流由式(1)决定：

$L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{Ri}=U---\left(1\right)$

式中，L是两相绕组总电感，R是两相绕组总电阻，U是母线电压，i是导通时间t内产生的导通电流。导通电流在t时间段内是上升的过程，假定t时刻电流上升到I₀，依据式(1)积分得到：

$\mathrm{Ut}-{\mathrm{LI}}_0=R\underset{t=0}{\overset{t}{\&Integral;}}\mathrm{idt}<{\mathrm{RI}}_{0}t$

$t<\frac{{\mathrm{LI}}_0}{U-{\mathrm{RI}}_0}---\left(2\right)$

导通时间受到电机定子阻抗，母线电压等条件约束，式(2)为导通时间范围提供了理论依据，本检测方法模型是在电机转子不转动，电动势为零的条件建立的，I₀幅值必然很小，不超过空载转矩对应的电流值，所以导通时间必然也会很短，在式(2)的理论依据下，导通时间单位是微秒级，通过对不同型号电机试验得到合理的导通时间。

当发生接地短路时，特定方式下建立的模型发生改变，导通时间t内电流会超出I₀很多，通过检测到这种相电流幅值的明显变化，就可以准确，可靠，快速的检测出是否发生接地短路。

图1为本发明在交流伺服驱动器中实施检测的电气原理图，交流伺服驱动器里包括逆变主电路，电流检测电路，和微控制器单元等。电机是交流永磁同步电机，定子绕组为星型方式。交流伺服驱动器使用沈阳高精数控公司的GJS系列产品，驱动器里面的逆变电路输出端U、V、W与电机U、V、W相一一对应连接，驱动器壳PE与电机壳PE连接。微控制器单元使用专用数字处理芯片DSP，电流检测电路检测U、W两相电流，三相桥式逆变电路使用三菱智能功率模块PM30CSJ060，6个功率管如图中的第1～6功率管K1～K6，微控制单元发送信号，先使第1、6功率管K1、K6导通，第1、6功率管K1、K6导通可以检测U、W两相接地短路的情况，电流通过K1，从U相流入电机，从电机W相流出，通过第6功率管K6返回母线，通过电流检测电路，微控制单元得到入口U与出口W相电流，导通时间在公式依据下由试验得到，通过对不同型号的电机试验，本实施例中导通时间设定为40us。再使第3、6功率管K3、K6导通，通断过程情况同上。上述两类方式为检测方法提供了必需的相电流。

图2是本发明检测方法采用的电流检测电路原理框图，在星型电机控制中，三相相电流之和为零，根据两相电流值就可以推算出第三相的电流值，所以电流检测电路只检测两相相电流，本实施例以U相和W相为例进行相电流检测。电路包括电流传感器，信号放大电路，模数转换电路。电流传感器使用Honeywell公司霍尔传感器CSNE151-100，输出方式为电流方式，电流形式信号经过外接200欧姆电阻，转换为电压形式信号。信号放大电路使用国半公司的TL082放大器，一共是两级放大，信号缩小4倍与参考信号Ref叠加，Ref为2.5v电压信号。模数转换电路使用德州仪器公司的ADS7862，一次采集两路通道，最快时间为2us。经过电流检测电路，DSP对模数转换电路的数据进行变换，得到的数据位对应电流值关系比例系数是24mA/bit。在非接地短路时，导通40us后，得到的U相和W相电流幅值是相近的(由于误差等原因，两个值不完全相同)，不同型号的电机，数值会有微小的变化；接地短路时，数值明显增大。同时考虑到实际中电流检测电路会有误差等原因，因此认为：当K1和K6导通，U和W相电流数值都在3bit与25bit之间，且两路电流幅值差小于3bit即判定为电路正常，小于3bit认为没有电流流过，大于25bit认为电流过大；K3和K6导通，U相数值小于3bit，W相数值在3bit与25bit之间即判定为电路正常(如果选择K1和K4导通，W相数值小于3bit，U相数值在3bit与25bit之间即判定为电路正常；其它情况判定为电路接地短路发生。

图3是接地短路模型拓扑图，发生接地短路后，电路可能出现以下情况：W相与PE短接(用A表示)，U相与PE短接(用B表示)，V相与PE短接(用C表示)，也可能会是驱动器端与PE短接而电机端断开(用x表示)，电机端与PE短接而驱动器端断开(用y表示)，或根据对大地负载轻重程度，每种情况又分出两种，即接大地(用1表示)和不接大地(用2表示)，由此分别组合，会出现18种模型。这18模型包括了不同的接地短路情况，其它未提到的短路可能，都可以转化成上述模型之一来分析。特定方式下，K1和K6导通(也可以是K2和K5)，导通时间为40us，DSP从电流检测电路采集数据，U相或W相数据如果大于25bit，以下8种接地短路情况发生：A1，A2，B1，B2，C1，Ax1，Bx1，Cy1；U相或W相数据如果小于3bit时，以下6种接地短路情况发生：Ax2，Ay1，Ay2，Bx2，By1，By2，一共有14种接地短路情况被检测出来，剩下4种接地短路情况C2，Cx1，Cx2，Cy2需要在另一类特定方式产生电流下检测出。K3和K6导通(也可以是K4和K5)，检测出剩下的4种接地短路情况，W相数据如果小于3bit时，以下2种接地短路情况发生：Cx2，Cy2；U相数据如果大于3bit时，以下2种接地短路情况发生：C2，Cx1。因此，通过上述两类不同的特定方式触发，接地短路不同种情况才能都被检测出来。

图4是本检测方法的软件流程图，程序在系统上电使能前执行。为了电流检测数据的准确，本发明方法在程序里面加入了数据抗干扰处理，保证了采集电流数据的准确性。程序对电流数据使用了连续120次采集，前20次采集不对数据进行分析，在后100次采集中，当次采集数据与前次采集数据进行比较，选择数值大的作为采集值，比较99次后得到最终的电流值，对最终的电流值进行分析和判断，如果接地短路，程序跳转到接地短路故障报警及保护段中；如果检测正常，程序顺序执行，正常工作。

检测方法的具体过程如下：

微控制单元发送信号，先使第1、6功率管K1和K6导通，检测U、W两相接地短路的情况；

等待时间即导通时间设定为40us；

起动模数转换器工作，DSP读取相电流幅值Iu及Iw；

第1、6功率管K1和K6截止；

判断导通次数是否超过20次，如超过，则判断导通次数是否少于120次；

上述判断结果如果导通次数没超过20次，则导通次数增1，转至使第1、6功率管K1和K6导通步骤，如果导通次数没超过120次，则与前次相电流幅值Iu及Iw进行比较，取大值保存；

如果导通次数在20与120之间，则将导通次数清零；

判断相电流幅值Iu及Iw的大小是否都在3bit与25bit之间，且Iu与Iw的差值是否小于3bit；

如果上述判断结果为否，则为接地短路，输出报警信号；

如果上述判断结果为是，则微控制单元发送信号，使第3、6功率管K3和K6导通，检测U、W两相接地短路的情况；

等待时间即导通时间设定为40us；

起动模数转换器工作，DSP读取相电流幅值Iu及Iw；

第3、6功率管K3和K6截止；

判断导通次数是否超过20次，如超过，则判断导通次数是否少于120次；

上述判断结果如果导通次数没超过20次，则导通次数增1，转至使第1、6功率管K1和K6导通步骤，如果导通次数没超过120次，则与前次相电流幅值Iu及Iw进行比较，取大值保存；

如果导通次数在20与120之间，则将导通次数清零；

判断相电流幅值Iw的大小是否在3bit与25bit之间，且Iu是否小于3bit；

如果上述判断结果为否，则为接地短路，输出报警信号；

如果上述判断结果为是，则结束本次检测。

本发明方法可以同样适用于具有低压变频器的电机控制系统中。

Claims (6)

1.一种交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

由交流伺服驱动器或低压变频器内部的电压型三相桥式逆变电路依据控制单元发送信号触发上桥臂及下桥臂中两个相应功率管导通，两个相应功率管分别设于上桥臂及下桥臂中；

由交流伺服驱动器或低压变频器内部的母线电压、导通的功率管和电机定子绕组构成回路，产生检测所需的两个相电流；

分析两个相电流幅值，判断是否发生接地短路。

2.按权利要求1所述的交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法，其特征在于：所述分析相电流幅值，判断是否发生接地短路包括以下步骤：

读取两个相电流幅值；

判断两个相电流幅值的大小及两个相电流的差值是否在设定范围内；

如果超出设定范围，则输出接地短路报警。

3.按权利要求2所述的交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法，其特征在于：还具有抗干扰处理步骤：

判断两相的导通次数是否在设定次数的上、下限之间，如在设定次数的上、下限之间，则取最大相电流值保存，导通次数增1；

转至读取两个相电流幅值步骤。

4.按权利要求3所述的交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法，其特征在于：

如两相的导通次数不少于设定次数上限，则将导通次数清零，接续判断两个相电流幅值的大小及两个相电流的差值是否在设定范围内步骤。

5.按权利要求3所述的交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法，其特征在于：

如两相的导通次数不多于设定次数下限时，则导通次数增1，转至读取两个相电流幅值步骤。

6.按权利要求1所述的交流伺服驱动器或低压变频器输出侧接地短路的检测方法，其特征在于：所述检测所需的相电流的大小在功率管导通时间内不能使电机转动。

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