CN101907674A - 用于诊断电动马达中的定子绕组的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于诊断电动马达中的定子绕组的方法和系统。提供了一种用于识别电动马达中的定子绕组中的故障状态的方法。一种方法包括：以第一电角度向定子绕组施加第一信号，并且响应于第一信号测量来自定子绕组的第二信号。所述方法还包括基于第二信号确定处于第一电角度的电动马达的测量响应，并且获得处于第一电角度的电动马达的标称响应。在测量响应和标称响应之间的差的幅度大于阈值时识别故障状态。

Description

用于诊断电动马达中的定子绕组的方法和系统

技术领域

本文所述主题的实施例总体上涉及机动车辆中的电气系统，且更具体地，所述主题的实施例涉及用于诊断电动马达的定子绕组中的故障状态的系统和方法。

背景技术

近年来，科技的进步以及风格品味的不断演变已经导致汽车设计的显著变化。电动马达(或电机)由于汽车驱动系统的电气化而在汽车工业中具有数量日益增多的应用。电动车辆和/或混合动力车辆利用电动马达作为汽车驱动系统中的主转矩源或补充转矩源。这些电动马达被期望在极端操作条件下以高可靠性运行延长的时间段。然而，随着时间的过去，施加于电动马达的工作应力可能使定子绕组的状况降级。例如，热应力和/或电压应力可能导致绝缘击穿，这又可能导致定子绕组的各个匝的局部短路和/或断路。

为了诊断定子绕组，一些现有技术利用了高频电压注入，其将高频电压注入到基础激励电压的顶部并且测量得到的在负序载波信号参考系中的定子电流。然而，对于某些机器类型来说会产生困难。对于具有固有凸极性(例如内部永磁体或同步磁阻类型)的同步机器来说，当转子速度接近零时，电动马达中的所有频率收敛于零，在该情况下，对应于定子绕组故障的频率分量变得不能区别于正常马达电流频率分量。甚至对于没有固有凸极性的同步机器来说，例如表面安装的永磁体机器，诸如饱和这样的二次效应经常造成可能导致上述相同效应的显著凸极性。由于这些原因，对于同步机器来说，转子必须以一些非零速度旋转以促使可归因于定子绕组故障的负序分量和由于机器凸极性引起的分量之间的谱分离。对于异步机器来说，例如感应式机器，由于饱和引起的凸极性或槽谐波而可能出现类似的情况，除非感应式机器具有转子槽、定子槽和极对的特定组合，该特定组合在零速度或失速状态时在载波信号中不产生任何相冲突的负序分量。

一些现有技术采用脉宽调制来提取可能含有与定子绕组故障相关的信息的零序电压。类似地，该技术不适于零速或低速操作，因为马达谐波收敛为零。用于电压/频率控制的驱动器的其它方法检查静止系定子电流以识别电流失真。然而，该技术依赖于旋转电场来检测电流失衡，并且不适于零速或低速操作。因此，现有技术对于起动状态期间(即，处于零或低转子速度)的静态马达来说通常是低效的。在这些情况中，为了检测故障状态的存在，可能有故障的电动马达必须被起动和/或运转以检测故障状态，这是不直观且不期望的。

发明内容

提供了一种用于识别电动马达中的定子绕组中的故障状态的方法。所述方法包括以第一电角度向定子绕组施加第一信号，并且响应于第一信号测量来自定子绕组的第二信号。所述方法还包括基于第二信号确定处于第一电角度的电动马达的测量响应，并且获得处于第一电角度的电动马达的标称响应。在测量响应和标称响应之间的差的幅度大于阈值时识别故障状态。

根据另一个实施例，提供了一种诊断电动马达的方法。所述方法包括以一定注入角(喷射角)向电动马达的定子绕组施加注入(喷射)信号，并且响应于注入信号来确定处于该注入角的电动马达的测量响应。测量响应受到处于该注入角的电动马达的阻抗的影响。所述方法还包括当处于该注入角的电动马达的测量响应和标称响应之间的差大于阈值时识别故障状态。

在另一个实施例中，为车辆中使用的电气系统提供了一种设备。电气系统包括：具有一组定子绕组和转子的电动马达；能量源；联接在能量源和该组定子绕组之间的变换器模块；以及，联接在变换器模块和该组定子绕组之间的电流传感器。电流传感器设置成测量经过该组定子绕组的电流。控制模块联接到变换器模块和电流传感器。控制模块设置成操作变换器模块以一定注入角向该组定子绕组施加注入电压信号，并且基于来自电流传感器的测量电流确定该注入角的测量响应值。控制模块获得处于该注入角的电动马达的标称响应值，并且当测量响应值和标称响应值之间的差大于阈值时识别故障状态。

本发明还提供以下技术方案。

方案1：一种用于识别电动马达中的定子绕组中的故障状态的方法，所述方法包括：以第一电角度向定子绕组施加第一信号；响应于第一信号测量来自定子绕组的第二信号；基于第二信号确定处于第一电角度的电动马达的测量响应；获得处于第一电角度的电动马达的标称响应；以及，在测量响应和标称响应之间的差的幅度大于阈值时识别故障状态。

方案2：根据方案1所述的方法，其中：施加第一信号包括以第一电角度向定子绕组施加电压信号；以及，测量第二信号包括测量处于第一电角度的经过定子绕组的电流信号，其中电流信号受到处于第一电角度的电动马达的阻抗的影响。

方案3：根据方案1所述的方法，其中，如果测量响应和标称响应之间的差的幅度小于阈值，那么所述方法还包括：使第一电角度累增第一量，从而得到第二电角度；以第二电角度向定子绕组施加第一信号；响应于处于第二电角度的第一信号测量来自定子绕组的第三信号；基于第三信号确定处于第二电角度的电动马达的第二测量响应；获得处于第二电角度的电动马达的第二标称响应；以及，当第二测量响应和第二标称响应之间的差的幅度大于阈值时识别故障状态。

方案4：根据方案3所述的方法，还包括：获得电动马达的转子的位置；以及，基于转子的位置确定参考系，相对于参考系的轴线测量第一电角度，其中，使第一电角度累增包括使第一电角度相对于所述轴线增加第一量。

方案5：根据方案1所述的方法，还包括：当测量响应和标称响应之间的差的幅度小于阈值且第一电角度大于或等于阈值角时，操作电动马达。

方案6：根据方案1所述的方法，其中：确定测量响应包括基于第一信号和第二信号之间的关系确定处于第一电角度的电动马达的观测阻抗；以及，获得标称响应包括获得处于第一电角度的电动马达的标称阻抗。

方案7：根据方案1所述的方法，还包括：响应于识别故障状态，基于注入角识别故障状态所归因于的定子绕组的相。

方案8：根据方案1所述的方法，所述电动马达包括转子，其中，以第一电角度向定子绕组施加第一信号包括施加具有使得转子的旋转速度实质上等于零的频率的信号。

方案9：根据方案1所述的方法，还包括响应于识别故障状态来阻止电动马达的操作。

方案10：一种诊断电动马达的方法，该电动马达包括定子绕组，所述方法包括：以一定注入角向定子绕组施加注入信号；响应于注入信号来确定处于该注入角的电动马达的测量响应，测量响应受到处于该注入角的电动马达的阻抗的影响；以及，当处于该注入角的电动马达的测量响应和标称响应之间的差大于阈值时识别故障状态。

方案11：根据方案10所述的方法，还包括使注入角从初始电角度扫掠至最终电角度。

方案12：根据方案11所述的方法，其中使注入角从初始电角度扫掠至最终电角度包括使注入角从初始电角度累增地增加至最终电角度。

方案13：根据方案12所述的方法，还包括基于电动马达的转子位置确定参考系，初始电角度与参考系的第一轴线对准，其中，使注入角累增地增加包括使注入角相对于第一轴线增加。

方案14：根据方案10所述的方法，其中以所述注入角施加注入信号包括以等于所述注入角的电角度向定子绕组施加电压信号。

方案15：根据方案14所述的方法，其中获得测量响应包括测量经过处于所述注入角的定子绕组的电流信号。

方案16：根据方案15所述的方法，还包括获得处于所述注入角的电动马达的标称电流响应，其中：获得测量响应包括确定处于所述注入角的电流信号的幅度；以及，识别故障状态包括当电流信号的幅度和标称电流响应之间的差大于阈值时识别故障状态。

方案17：根据方案15所述的方法，还包括获得处于所述注入角的电动马达的标称阻抗，其中：获得测量响应包括基于电压信号与电流信号的比来确定处于所述注入角的电动马达的观测阻抗；以及，识别故障状态包括当观测阻抗和标称阻抗之间的差大于阈值时识别故障状态。

方案18：一种用于车辆的电气系统，该电气系统包括：具有一组定子绕组和转子的电动马达；能量源；联接在能量源和该组定子绕组之间的变换器模块；联接在变换器模块和该组定子绕组之间的电流传感器，电流传感器设置成测量经过该组定子绕组的电流；以及，联接到变换器模块和电流传感器的控制模块，该控制模块设置成：操作变换器模块以一定注入角向该组定子绕组施加注入电压信号；基于来自电流传感器的测量电流确定该注入角的测量响应值；获得处于该注入角的电动马达的标称响应值；以及，当测量响应值和标称响应值之间的差大于阈值时识别故障状态。

方案19：根据方案18所述的电气系统，其中，控制模块设置成使注入角从初始电角度扫掠至最终电角度。

方案20：根据方案19所述的电气系统，还包括联接到电动马达和控制模块的解算器系统，该解算器系统设置成获得转子的位置，其中控制模块设置成：基于转子的位置确定参考系，相对于参考系的轴线测量注入角；以及，当测量响应值和标称响应值之间的差不大于阈值时，通过使注入角相对于参考系的轴线累增地增加而扫掠所述注入角。

本发明内容被提供用来以简单的形式介绍在下文具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容不意图确认所要求保护主题的关键特征或重要特征，也不意图用于帮助确定所要求保护主题的范围。

附图说明

当结合以下附图考虑时，可以通过参考详细说明和权利要求来获得对本发明主题的更完全的理解，在所有附图中，相同的附图标记指代类似的元件。

图1是根据一个实施例适用于车辆中的电气系统的框图；

图2是根据一个实施例适用于图1的电气系统的示例性定子诊断过程的流程图；

图3是根据一个实施例适用于图2的定子诊断过程的非凸极式机器的测量响应与注入角之间的关系曲线图；以及

图4是根据一个实施例适用于图2的定子诊断过程的凸极式机器的测量响应与注入角之间的关系曲线图。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅仅是说明性的并且不意图限制本发明主题的实施例或者这些实施例的应用和使用。如本文所使用的，词语“示例性”的意思是“作为示例、实例或例子”。本文作为示例描述的任何实施方式不必理解为相比于其它实施方式是优选的或有利的。此外，不意图受限于在前述技术领域、背景技术、发明内容或随后具体实施方式中所提出的任何明示或暗示的理论。

在本文可以按照功能块和/或逻辑块部件并且参照可由各种计算部件或装置执行的操作、处理任务和功能的符号表示来描述技术和工艺。应当认识到，在图中示出的各种块部件可以由构造成执行具体功能的任意数量的硬件、软件和/或固件部件来实现。例如，系统或部件的实施例可以采用各种集成电路部件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表等，其可以在一个或更多微处理器或其它控制装置的控制下执行多种功能。

以下描述涉及“连接”或“联接”在一起的元件或节点或特征。如本文所使用的，除非另外明确地说明，“连接”的意思是一个元件/节点/特征与另一个元件/节点/特征直接相连(或者直接通信)，而不必须机械地相连。类似地，除非另外明确地说明，“联接”的意思是一个元件/节点/特征与另一个元件/节点/特征直接或间接相连(或者直接或间接通信)，而不必须机械地相连。因此，虽然附图可能描述元件的一个示例性设置，但是在所描述主题的实施例中可以存在另外的中间元件、装置、特征或部件。另外，某些术语还可以在以下描述中仅用于参考的目的，因此不意图是限制性的。引用结构的术语“第一”、“第二”以及其它这类数字项不意味着顺序或次序，除非由上下文清楚地指出。

为了简单起见，在本文不再描述与电动马达结构和/或操作、信号发送、传感、脉宽调制(PWM)和系统的其它功能方面(以及系统的各个操作部件)相关的常规技术。此外，在包含于本文的各个附图中示出的连接线旨在代表各个元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应当注意的是，在本发明主题的实施例中可以存在很多替代性或者附加的功能关系或物理连接。

本文讨论的技术和构思总体上涉及用于诊断电动马达的定子绕组中的故障状态的方法和系统。注入信号以特定注入角施加到定子绕组，响应信号被测量并用于确定针对该注入角的测量响应。测量响应与该注入角的标称响应相比较，基于所述比较来识别故障状态的存在。注入角累增地扫过电角度的范围以确保电动马达适于操作。本文描述的定子诊断过程可以在凸极式或非凸极式机器的情况下并且在不需要操作电动马达或者使转子旋转(即，处于实质上零转子速度)的情况下来执行。

图1描述了适用于车辆114的电气系统100的示例性实施例。电气系统100非限制性地包括能量源102、变换器模块104、电动马达106、解算器系统108、控制模块110和电流传感器112。应当理解，图1是为了解释目的的电气系统100的简化图示，并且绝不意图限制本文所述主题的范围或可应用性。

在一个示例性实施例中，变换器模块104联接在能量源102和电动马达106之间。在一个示例性实施例中，电流传感器112联接在变换器模块104和电动马达106之间并且设置成测量流动经过电动马达106的定子绕组的电流，如下文更详细所述。控制模块110联接到电流传感器112并且设置成从电流传感器112获得经过电动马达106的定子绕组的测量电流。解算器系统108联接在电动马达106和控制模块110之间，并且解算器系统108适合设置成测量或以其它方式获得电动马达106的转子的位置并且将结果提供给控制模块110。如下文更详细所述的，在一个示例性实施例中，控制模块110适合设置成利用脉宽调制(PWM)技术来控制经由变换器模块104提供给电动马达106的电压和/或电流。在一个示例性实施例中，控制模块110设置成识别电动马达106的定子绕组中的故障状态，如下文更详细所述。

在一个示例性实施例中，车辆114被实现为机动车。在一个替代实施例中，车辆114可以是多种不同类型机动车中的任一种，例如轿车、货车、卡车或运动型多用途车(SUV)，并且可以是二轮驱动(2WD)(即后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或全轮驱动(AWD)。车辆114还可包括多种不同发动机的任一种或组合，例如汽油或柴油燃料燃烧发动机、“柔性燃料车辆”(FFV)发动机(即使用汽油和酒精的混合物)、气态化合物(例如氢气和天然气)燃料发动机、燃烧/电动马达混合动力发动机、以及电动马达。在一个替代实施例中，车辆114可以是插入式混合动力车辆、全电动车辆、燃料电池车辆(FCV)或其它合适的代用燃料车辆。

在一个示例性实施例中，能量源102(或动力源)能够提供直流(DC)电压给变换器模块104以便操作电动马达106。取决于所述实施例，能量源102可以实现为蓄电池、燃料电池、可再充电高压蓄电池组、超级电容器或本领域已知的其它合适的能量源。

取决于实施例，电动马达106可以实现为感应马达、内部永磁体(IPM)马达、同步磁阻马达或者本领域已知的其它合适的马达，并且本文描述的主题不应认为受限于与任何具体类型的电动马达一起使用。有鉴于此，电动马达106可以实现为具有与转子位置无关的空间阻抗的非凸极式机器(例如感应马达、永久表面安装机器)，或者实现为具有取决于相对于定子绕组的转子位置的空间阻抗的凸极式机器(例如同步磁阻马达、内部永磁体马达)，如本领域可理解且如下文更详细所述。

在一个示例性实施例中，电动马达106是具有转子和定子绕组(或线圈)的三相交流(AC)电机。在一个示例性实施例中，对于三相马达而言，定子绕组布置在三组绕组中，其中每组绕组对应于电动马达106的相。在这方面，尽管图1为了便于解释而绘制了单个电流传感器112，但是实际上，电流传感器的数量将等于电动马达106的相的数量，从而获得电动马达106的各个相的电流。应当理解，尽管可以在三相电动马达的背景下描述本发明主题，但是本发明主题不限于三相机器并且可适用于具有任何相数量的电动马达。

在一个示例性实施例中，变换器模块104包括功率变换器，其设置成将来自能量源102的DC功率转换成AC功率，以便以常规方式驱动电动马达106，如本领域所理解的那样。在这方面，变换器模块104包括对应于电动马达106的一个或更多相的一个或更多相腿，其中以特定的开关频率调制(打开或关闭)相腿的开关，从而产生跨越电动马达106的定子绕组的AC电压，这继而形成定子绕组中的产生转矩的电流并且操作电动马达106，如本领域所理解的那样。

在一个示例性实施例中，解算器系统108包括联接到电动马达106的解算器，并且解算器的输出联接到解算器-数字转换器。解算器(或类似的传感装置)感测电动马达106的转子的位置。解算器-数字转换器将来自解算器的信号转换为提供给控制模块110的数字信号(例如，数字转子位置信号)。

控制模块110可以用设计成执行本文所述功能的下列各项实施或实现，即：通用处理器、按内容寻址存储器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、任何合适的可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件或其任意组合。在这方面，控制模块110可以实现为微处理器、控制器、微控制器、状态机等。控制模块110还可以实施为计算装置的组合，例如数字信号处理器和微处理器的组合、多个微处理器、与数字信号处理器核结合的一个或更多微处理器、或者任何其他这类配置。在实践中，控制模块110包括处理逻辑，其可以设置成执行与电气系统100的操作相关联的功能、技术和处理任务，如下文更详细所述。此外，结合本文公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接在硬件、固件、或由控制模块110执行的软件模块中或者以其任何实用组合的方式来实施。

控制模块110设置成基于电动马达106的空间阻抗的变化来识别或检测电动马达106的定子绕组中的故障状态的存在，如下文更详细所述。在一个示例性实施例中，控制模块110基于经由一个或更多电流传感器112获得的高频注入信号和测量响应信号来识别故障状态。在这方面，控制模块110设置成改变用于调制变换器相腿的开关的脉宽调制(PWM)命令的占空比，从而以特定的注入角向电动马达106的定子绕组施加高频注入信号，如下文更详细所述。尽管图1将控制模块110和变换器模块104绘制成不同且独立的元件，但是实际上，控制模块110可以与变换器模块104一体形成(或者并入变换器模块104)。

如下文更详细所述的，根据一个实施例，控制模块110包含适当数量的存储器，所述存储器用于保存保持电动马达106的标称响应值之间的关联性的表(或其它合适的数据结构)。标称响应值代表电动马达106的定子绕组无故障时电动马达的空间阻抗与角位置的关系。

现在参考图2，在一个示例性实施例中，电气系统可以设置成执行如下文所述的定子诊断过程200和附加的任务、功能和操作。各种任务可以由软件、硬件、固件或其任意组合来执行。为了说明的目的，以下描述可参考上文关于图1所述的元件。在实践中，任务、功能和操作可以由所述系统的不同元件来执行，例如变换器模块104、解算器系统108、电流传感器112和/或控制模块110。应当认识到，可以包括任意数量的附加的或替代的任务，并且所述任务可以并入具有本文未详细描述的附加功能的更复杂程序或过程。

再次参考图2并且继续参考图1，在一个示例性实施例中，定子诊断过程200被执行以诊断电动马达的定子绕组。定子诊断过程200可在起动时被执行，也即是在转子速度为零或实质上为零(例如小得可以忽略和/或察觉不到)时操作电动马达之前。定子诊断过程200从确定用于诊断电动马达的参考系(任务202)开始。参考系是用于确定和/或计算注入信号的角位置的物理参考系，如下文更详细所述。在一个示例性实施例中，定子诊断过程200基于转子的位置来确定参考系。例如，定子诊断过程200可以确定与电动马达的特定特征(或特性)对准的同步参考系作为参考系。根据一个实施例，同步参考系包括与电动马达106内的转子旋转同步的笛卡尔坐标系。根据一个实施例，解算器系统108获得转子的位置并且将转子位置提供给控制模块110，控制模块110基于转子位置确定同步参考系，使得一条轴线(例如d轴线)与电动马达106的特征对准，所述特征例如转子磁体北极或转子通量。本领域可以理解的是，所选择的与同步参考系对准的电动马达的具体特征将取决于电动马达的具体类型和电气系统100的具体实施方式而变。例如，如果电动马达106实现为永磁体同步马达，那么同步参考系的d轴线可与转子磁体北极对准，而在电动马达106实现为感应马达的情况下，d轴线可以与转子通量对准。

定子诊断过程200通过识别用于诊断电动马达的注入信号的特性(任务204)而继续。注入信号优选地实现为具有恒定幅度的高频电信号(例如电压信号或电流信号)。如本文使用的，“高频信号”应理解为指代这样的信号：即该信号具有足够高的频率以避免产生足以克服电动马达转子的惯性力的转矩，也就是，具有足够高以避免电动马达的可察觉旋转的频率。换句话说，注入信号的频率使得转子的旋转速度为零或实质上等于零(小得可以忽略和/或察觉不到)。有鉴于此，在一个示例性实施例中，注入信号的频率大于约200Hz。注入信号的频率优选小于控制模块110的采样频率的一半，以避免混叠效应和其它不期望的模拟-数字转换效应。在一个示例性实施例中，注入信号实现为施加到电动马达106的定子绕组的脉宽调制电压信号，如下文更详细所述。注入信号的幅度将取决于能量源102的电压、额定功率和/或电动马达106的其它特性而变。

在一个示例性实施例中，定子诊断过程200通过相对于参考系将注入角设定为初始电角度，并且以该注入角向电动马达的定子绕组施加注入信号(任务206、208)而继续。如本文使用的，“电角度”应当理解为指代注入信号相对于电动马达的每一极对的参考系的角位置。根据一个实施例，初始注入角相对于同步参考系的d轴线等于零度的角度。换句话说，注入信号初始时与同步参考系的d轴线对准。在一个示例性实施例中，控制模块110通过使用脉宽调制来调制和/或操作变换器模块104的相腿来施加注入信号，以产生跨越电动马达106的定子绕组的电压信号，所述电压信号具有适当幅度和频率以及相对于同步参考系等于所述注入角的电角度。在一个示例性实施例中，注入信号被施加预定时间段以考虑瞬变现象并且确保所得到的定子绕组中的响应信号实质上是正弦的。例如，定子诊断过程200可施加注入电压信号大约十毫秒以确保定子绕组中的电流实质上是正弦的。

定子诊断过程200通过测量或以其它方式获得处于由注入信号产生的注入角时的响应信号(任务210)而继续。测量响应信号受到电动马达106的阻抗特性的影响，例如，各个相绕组的电感和/或电阻。在注入电压信号的情况下，定子诊断过程200确定和/或获得经过处于所述注入角的定子绕组的电流。在这方面，一个或更多电流传感器112测量和/或获得经过电动马达106的定子绕组的电流。在一个示例性实施例中，控制模块110从电流传感器112获得测量电流。控制模块110将测量电流从静止系转换和/或转变到与注入轴线对准的同步参考系。控制模块110然后解调来自注入轴线的测量电流信号，并且计算和/或求解所解调电流信号的幅度。

在一个示例性实施例中，定子诊断过程200通过基于获得的响应信号确定和/或计算处于所述注入角的电动马达的测量响应(任务212)而继续。在这方面，测量响应包括用于诊断定子绕组状态的度量标准。根据一个实施例，定子诊断过程200确定测量响应作为测量响应信号的幅度。在另一个实施例中，定子诊断过程200通过基于注入信号与响应信号幅度的比来计算处于所述注入角的电动马达的观测阻抗来确定测量响应。例如，如果注入信号是电压信号，那么处于所述注入角的电动马达的观测阻抗等于注入电压幅度与测量电流幅度的比。

定子诊断过程200通过获得处于所述注入角的电动马达的标称响应(任务214)而继续。标称响应值对应于响应处于所述注入角的注入信号的电动马达的预期响应，也就是，在没有定子绕组中的故障状态的情况下处于所述注入角的电动马达的预期测量响应。在这方面，可以通过将注入角范围内的注入信号施加到正常(例如无故障的定子绕组)电动马达来预先确定和/或事先获得电动马达的标称响应值。控制模块110可实现表或其它合适的数据结构，所述表或其它合适的数据结构保持了注入角和处于相应注入角的电动马达的事先测量和/或获得的标称响应值之间的关联性。例如，如果测量响应包括测量电流信号的幅度，那么控制模块110可以响应于注入角范围内的注入信号存储与正常马达的标称电流响应的幅度相对应的值。在替代实施例中，如果测量响应包括处于所述注入角的电动马达的观测阻抗，那么控制模块110可以储存与正常马达的标称阻抗相对应的值，例如，注入电压信号幅度与处于相应注入角的正常马达的标称电流幅度的比。在替代实施例中，控制模块110和/或定子诊断过程200可以设置成根据注入角计算和/或确定标称响应值(例如，标称电流和/或标称阻抗)。

保持所述值的注入角范围将取决于具体应用和所采用的电动马达的类型和/或特性而变。例如，非凸极式机器具有在完整电气循环中实质上一致的空间阻抗，在该情况下，为适当地诊断定子绕组所需数据的注入角的范围可以取决于具体马达的特性而仅仅是完整电气循环的一部分。换句话说，电动马达具有一致的标称响应，控制模块110可以仅仅保持可用于诊断一定注入角范围内的电动马达的电动马达的单个标称响应值(例如，处于0°注入角的响应)。然而，凸极式机器具有根据注入信号的角位置而变的空间阻抗。在该情况下，注入角的范围应当确保所有的马达轴线被激励以便适当地诊断定子绕组。例如，根据一个实施例，如果电动马达是三相凸极式机器，那么控制模块110保持包括二分之一电气循环的注入角(例如，从0°到至少180°或π弧度范围内的注入角)的标称响应值。

在一个示例性实施例中，定子诊断过程200通过比较所述注入角的测量响应值与标称响应值，并且确定测量响应值和标称响应值之间的差的幅度是否大于阈值(任务216)而继续。阈值被选择为指示故障状态的值。在这方面，阈值优选地足够大以使得测量响应值和标称响应值之间的超过阈值的任何差都可归因于故障状态(例如，短路和/或断路的定子绕组匝)，而非噪声、瞬变现象、部件公差或其它电路电平效应。换句话说，测量响应值和标称响应值之间的超过阈值的任何差都可归因于定子绕组的阻抗变化(例如，定子绕组的电阻和/或阻抗的变化)并且指示故障状态(或者故障状态的可能性)的存在。这样，当测量响应值和标称响应值之间的差超过阈值时，定子诊断过程200和/或控制模块110识别和/或检测故障状态(或者故障状态的充分可能性)。在一个示例性实施例中，阈值包括标称响应值的百分比，例如，处于所述注入角的标称响应值的百分之二十，或者注入角范围内的平均标称响应值的百分之二十。

在一个示例性实施例中，定子诊断过程200通过响应于测量响应和标称响应之间的差超过阈值而采取补救动作和/或其它措施来确保电气系统的安全和/或有效的操作(任务218)而继续。根据一个实施例，定子诊断过程200响应于识别故障状态而防止电动马达的操作。例如，控制模块110可以将变换器模块104的所有开关都设定为断开状态以阻止通向定子绕组的电流。在另一个实施例中，定子诊断过程200和/或电气系统100可以设置成在存在故障状态时物理地约束转子的运动。这样，定子诊断过程200从而可以禁止起动和/或操作电动马达。在一些实施例中，定子诊断过程200可以以减小的容量来启动电动马达的操作，例如，通过修改控制方案来限制经过电动马达的电流或者通过限制转矩生成和/或转子速度。另外，定子诊断过程200可以设置成采取附加的补救措施，例如，向车辆中的电子控制系统或其它部件提供故障状态的通知，该通知引起将要在车辆中产生的声音和/或视觉警报。应当认识到，在任何实际实施例中可以采用任意数量的补救动作及其各种组合。

另外，在一些实施例中，定子诊断过程200可以设置成确定和/或识别故障状态所归因于的电动马达106的定子绕组的具体相。例如，测量响应偏离标称响应大于阈值时所处的注入角可以与相轴线角相比较，从而分离出哪个相的绕组正在经受故障状态(例如，短路和/或断路的定子绕组匝)。当注入角与相轴线角之一对准时，那么故障状态可归因于注入角所对准的相应的相。这样，定子诊断过程200基于注入角确定和/或识别故障状态所归因于的电动马达106的定子绕组的相。定子诊断过程200可以设置成记录或者以其它方式指示具有故障状态的定子绕组的具体相，从而加快任何随后的维护和/或修复。

如果测量响应值和标称响应值之间的差不超过阈值，那么定子诊断过程200通过确定注入角是否大于或等于阈值角(任务220)而继续。阈值角和初始注入角之间的差表示电气循环的一部分足以适当地诊断电动马达并且断定其是否适于正常操作。如果定子诊断过程200确定注入角大于或等于阈值角，那么定子诊断过程200确定不存在故障状态并退出。如上所述，阈值角将可能取决于被诊断的电动马达的类型而变。在完整电气循环中具有实质上一致的空间阻抗的非凸极式机器的情况下，阈值角可以小于起始于初始注入角的完整电气循环，例如，相对于初始注入角为180°电角度。在具有非一致空间阻抗的凸极式机器的情况下，阈值角应当对应于电气循环的足够大的部分，以确保所有的马达轴线被激励。例如，在三相凸极式机器的情况下，阈值角可以被选择相对于初始注入角为180°电角度，以确保所有三条马达轴线都被激励。

如果定子诊断过程200确定注入角小于阈值角，那么定子诊断过程200通过增加注入角(任务222)而继续。在一个示例性实施例中，定子诊断过程200累增地增加同步参考系中的注入角。换句话说，定子诊断过程200使注入信号在同步参考系中以逆时针方向旋转。

在一个示例性实施例中，定子诊断过程200使注入角累增地增加固定的累增量。累增量表示电动马达被分析时所处的电气循环内的位置(或数据点)的数量与完成定子诊断过程200所需的总时间量之间的权衡。例如，较小的固定累增量将导致在注入角达到阈值角之前更多次的注入角累增(从而需要更大量的时间来完成定子诊断过程200)，但是同时，较小的固定累增量提供了更多的数据点用于分析电动马达的空间阻抗和/或正常状况，从而获得更可靠的诊断。相反，较大的固定累增量将导致在达到阈值角之前更少次的注入角累增(从而需要更少量的时间来完成定子诊断过程200)，但是同时，较大的固定累增量提供了更少的数据点用于分析电动马达的空间阻抗和/或正常状况。例如，假设阈值角为180°电角度并且固定累增量为5°电角度，那么定子诊断过程200在达到阈值角之前经过总共三十六次独立累增。如果注入信号在每个注入角被施加10毫秒，那么定子诊断过程200在正常马达的情况下需要大约三十六个百分之一秒来运行完成。如下文更详细所述，如果在电动马达中检测到故障状态，那么定子诊断过程200可以采用甚至更少的时间。对于10°电角度的较大的固定累增量，定子诊断过程200在达到阈值角之前经过仅仅十八次累增，也就是，定子诊断过程200需要十八个百分之一秒来运行完成。

在一个示例性实施例中，由任务208、210、212、214、216、218、220和222限定的循环重复，直到注入角经过电气周期的足够的部分，或者故障状态被检测到。这样，定子诊断过程200在确定电动马达适合操作之前使注入角从初始注入角扫掠至最终注入角(例如，阈值角)。当测量响应和标称响应之间的差的幅度小于阈值且注入角大于或等于阈值角时，定子诊断过程200通过以正常方式操作电动马达(任务224)而继续。在这方面，控制模块110可以利用PWM信号来产生电动马达106中的命令转矩和/或期望转矩，或者以期望的转子旋转速度操作马达，如本领域所理解的那样。

图3绘制了在一个示例性实施例中的非凸极式电动马达的一个电气循环中测量响应值和标称响应值与注入角之间的关系曲线图。如所示，非凸极式机器的标称响应值在完整电气循环中实质上一致。现在参考图2和图3，在一个示例性实施例中，定子诊断过程200通过将注入角相对于同步参考系的d轴线设定为零度的初始注入角开始(例如，任务206)而继续。定子诊断过程200以零度的注入角施加注入信号一预定时间段、测量定子绕组中的响应信号、并且确定处于所述注入角的电动马达的测量响应值(例如，任务208、210、212)。定子诊断过程200然后获得针对零度注入角的电动马达的标称响应值(例如，任务214)。在所述的实施例中，处于零度注入角的测量响应值和标称响应值之间的差小于阈值(Δ)(例如，任务216)。定子诊断过程200通过使注入角累增地增加固定的累增量且重复施加注入信号，并且确定测量响应和标称响应之间的差是否超过阈值的步骤(例如，任务206、208、210、212、214、216、220、222)而继续。

在所述的实施例中，在135°电角度之前的注入角处，即大约115°电角度处，测量响应值和标称响应值之间的差超过阈值量。当所述差超过阈值量时，定子诊断过程200识别故障状态的存在并且采取补救动作，例如，阻止电动马达起动(即，阻止转子旋转)(例如，任务216、218)。尽管图3绘制了在注入角的完整电气循环内的测量响应值和标称响应值，但是实际上，定子诊断过程200可以在检测到故障状态时就退出，即使注入角可能尚未经过阈值角时也是如此。

图4绘制了在一个示例性实施例中的凸极式电动马达的一个电气循环中测量响应值和标称响应值与注入角之间的关系曲线图。在所述的实施例中，电动马达的标称响应值是周期性的，在该情况下，阈值角和初始注入角之间的差应大于或等于周期的长度，在此情况下是180°电角度。现在参考图2和图4，在一个示例性实施例中，定子诊断过程200通过以上文所述的类似方式将注入角相对于同步参考系的d轴线设定为零度的初始注入角开始(例如，任务206)而继续。定子诊断过程200通过重复以下的步骤而继续：施加注入信号，确定测量响应和标称响应之间的差是否超过阈值，并且使注入角累增地增加，直到达到阈值角或识别出故障状态(例如，任务206、208、210、212、214、216、220、222)。当测量响应值和标称响应值之间的差超过阈值量(例如，大约115°电角度)时，定子诊断过程200以上文所述的类似方式识别故障状态的存在并且采取补救动作(例如，任务216、218)。另外，定子诊断过程200可以在检测到故障状态时就退出，即使注入角可能尚未经过阈值角时也是如此。

简要概括地说，上文所述的系统和/或方法的一个优点在于电动马达的定子绕组可以在不操作马达的情况下(即，在不需要转子旋转的情况下)被诊断。高频信号以一定注入角被施加于定子绕组，并且处于该注入角的电动马达的测量响应与标称响应相比较，从而允许识别定子绕组的阻抗的变化。定子绕组可以在起动时被诊断，从而防止和/或避免在定子绕组出故障的情况下操作电动马达。相比于其它现有技术(例如，喘振测试)，注入信号对电动马达施加了有限量的应力，另外，对于串联或并联连接的绕组而言还能够检测既检测短路绕组又检测断路绕组。

虽然已经在前文具体实施方式中呈现了至少一个示例性实施例，但是应当认识到存在大量变型。还应当认识到，本文描述的示例性实施例绝不意图限制所要求保护主题的范围、可应用性或构造。相反，前文的具体实施方式将为本领域技术人员提供用于实施所述实施例的便利途径。应当理解，在不偏离由权利要求限定的范围的情况下可以对元件的功能和设置做出各种改变，其包括在提交本专利申请时的已知等价物和可预见的等价物。

Claims (10)

1.一种用于识别电动马达中的定子绕组中的故障状态的方法，所述方法包括：

以第一电角度向定子绕组施加第一信号；

响应于第一信号测量来自定子绕组的第二信号；

基于第二信号确定处于第一电角度的电动马达的测量响应；

获得处于第一电角度的电动马达的标称响应；以及

在测量响应和标称响应之间的差的幅度大于阈值时识别故障状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

施加第一信号包括以第一电角度向定子绕组施加电压信号；以及

测量第二信号包括测量处于第一电角度的经过定子绕组的电流信号，其中电流信号受到处于第一电角度的电动马达的阻抗的影响。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，如果测量响应和标称响应之间的差的幅度小于阈值，那么所述方法还包括：

使第一电角度累增第一量，从而得到第二电角度；

以第二电角度向定子绕组施加第一信号；

响应于处于第二电角度的第一信号测量来自定子绕组的第三信号；

基于第三信号确定处于第二电角度的电动马达的第二测量响应；

获得处于第二电角度的电动马达的第二标称响应；以及

当第二测量响应和第二标称响应之间的差的幅度大于阈值时识别故障状态。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

获得电动马达的转子的位置；以及

基于转子的位置确定参考系，相对于参考系的轴线测量第一电角度，其中，使第一电角度累增包括使第一电角度相对于所述轴线增加第一量。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：当测量响应和标称响应之间的差的幅度小于阈值且第一电角度大于或等于阈值角时，操作电动马达。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

确定测量响应包括基于第一信号和第二信号之间的关系确定处于第一电角度的电动马达的观测阻抗；以及

获得标称响应包括获得处于第一电角度的电动马达的标称阻抗。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于识别故障状态，基于注入角识别故障状态所归因于的定子绕组的相。

8.根据权利要求1所述的方法，所述电动马达包括转子，其中，以第一电角度向定子绕组施加第一信号包括施加具有使得转子的旋转速度实质上等于零的频率的信号。

9.一种诊断电动马达的方法，该电动马达包括定子绕组，所述方法包括：

以一定注入角向定子绕组施加注入信号；

响应于注入信号来确定处于该注入角的电动马达的测量响应，测量响应受到处于该注入角的电动马达的阻抗的影响；以及

当处于该注入角的电动马达的测量响应和标称响应之间的差大于阈值时识别故障状态。

10.一种用于车辆的电气系统，该电气系统包括：

具有一组定子绕组和转子的电动马达；

能量源；

联接在能量源和该组定子绕组之间的变换器模块；

联接在变换器模块和该组定子绕组之间的电流传感器，电流传感器设置成测量经过该组定子绕组的电流；以及

联接到变换器模块和电流传感器的控制模块，该控制模块设置成：

操作变换器模块以一定注入角向该组定子绕组施加注入电压信号；

基于来自电流传感器的测量电流确定该注入角的测量响应值；

获得处于该注入角的电动马达的标称响应值；以及

当测量响应值和标称响应值之间的差大于阈值时识别故障状态。

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