CN101927700A - 用于诊断电动机中的定子线圈的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于诊断在电流调节控制回路的控制下操作的电动机内的定子线圈的系统和方法。该电流调节控制回路配置为向电动机提供指令电压。该指令电压包括基于指令电流和通过定子线圈的测得电流之间的差值的电流调节电压。该方法包括确定指令电压的负序分量以及当负序分量的特征值大于阈值时识别故障状态。

Description

用于诊断电动机中的定子线圈的方法和系统
技术领域
这里描述的主题的实施例总体上涉及机动车辆的电气系统，更具体地，本发明主题的实施例涉及用于诊断电动机的定子线圈内的故障状态的系统和方法。
背景技术
近年来，技术的进步，以及风格品味的发展导致了汽车设计中的本质变化。由于汽车驱动系统的电气化，电动机(或电机)在汽车工业中已经大量应用。在汽车驱动系统中，电动和/或混合动力车辆使用电动机作为驱动系统主要的或辅助的扭矩源。这些电动机被希望在极端操作条件下工作，且仍能在一段延长的时间里保持极高的可靠性。然而，随着时间的过去，施加在电动机上的操作应力可能使定子线圈的状态劣化。例如，热应力和/或电压应力可导致绝缘击穿，反过来，绝缘击穿可导致定子线圈的单个匝的部分短路和/或开路。当电机被脉宽调制(PWM)逆变器驱动时，功率半导体的高频转换增加了在定子线圈上的电压应力。
一些现有技术试图通过计算由定子线圈内的故障状态引起的电动机电流的负序分量来诊断定子线圈内匝的故障。然而，广泛使用在电动和/或混合动力车辆上的场控制(FOC)和其他闭路电流调节控制技术在电动机内保持对称和平衡的电流波形。因此，即使定子线圈内存在故障状态，电机电流中也没有负序分量，因为电机电流被调节以维持平衡和对称。其他一些现有技术包括了广泛的计算，例如，快速傅立叶序列分析通常不足以用于扭矩和速度经常变化的不稳定的瞬时电机操作状态。此外，定子线圈内的初始故障状态可迅速地严重化，因此，计算延迟削弱了辨别并在有限的时间内响应于初始故障状态的能力。
发明内容
根据一个实施例，提供一种用于车辆中的电气系统的装置。电气系统包括具有定子线圈的电动机、能量源、和连接在能量源和定子线圈之间的逆变器模块。逆变器模块配置为从能量源向电动机的定子线圈提供指令电压。多个电流传感器连接在逆变器模块和定子线圈之间并配置为测量通过定子线圈的电流，从而形成测得电流。控制模块连接到逆变器模块和多个电流传感器。控制模块配置为获取与用于电动机的定子线圈的指令电流相对应的电流指令、基于测得电流和指令电流之间的差值产生与指令电压相对应的电压指令、基于电压指令确定用于定子线圈的电压的负序分量、并基于负序电压分量识别定子线圈内的故障状态。
根据另一个实施例，提供一种用于诊断电动机内的定子线圈的方法。该方法包括生成配置为将通过定子线圈的电流调整到指令值的电压指令，和基于电压指令确定负序电压分量。该方法进一步包括基于负序电压分量识别故障状态。
在另一个实施例中，提供一种用于诊断在电流调节控制回路的控制下运转的电动机内的定子线圈的方法。该电流调节控制回路配置为向电动机提供指令电压。该指令电压包括基于指令电流和通过定子线圈的测得电流之间的差值的电流调节电压。该方法包括确定指令电压的负序分量，和当负序分量的特征值大于阈值时识别故障状态。
方案1、一种用于车辆中的电气系统，所述电气系统包括：
具有定子线圈的电动机；
能量源；
连接在所述能量源和所述定子线圈之间的逆变器模块，所述逆变器模块配置为从所述能量源向所述电动机的定子线圈提供指令电压；
连接在所述逆变器模块和所述定子线圈之间的多个电流传感器，所述多个电流传感器配置为测量通过所述定子线圈的电流，从而形成测得电流；和
连接到所述逆变器模块和所述多个电流传感器的控制模块，所述控制模块配置为：
获取与所述电动机的定子线圈的指令电流相对应的电流指令；
基于所述测得电流和所述指令电流之间的差值产生与所述指令电压相对应的电压指令；
基于所述电压指令确定用于所述定子线圈的负序电压；以及
基于负序电压分量识别所述定子线圈内的故障状态。
方案2、如方案1所述的电气系统，其中所述控制模块配置为通过以下方式识别所述定子线圈内的故障状态：
确定所述负序电压的DC分量；并且
当所述负序电压的DC分量的大小超过阈值时识别故障状态。
方案3、如方案1所述的电气系统，其中所述控制模块配置为通过以下方式识别所述定子线圈内的故障状态：
确定所述负序电压的DC分量；并且
当所述负序电压的DC分量的变化率超过阈值时识别故障状态。
方案4、如方案1所述的电气系统，其中所述控制模块包括配置为基于所述测得电流和所述指令电流之间的差值产生所述电压指令的电流调节器，使得所述测得电流被调节为所述指令电流。
方案5、如方案4所述的电气系统，所述电流调节器包括同步帧电流调节器，所述同步帧电流调节器配置为在逆时针同步参考帧内产生所述电压指令，从而形成同步帧电压指令。
方案6、如方案5所述的电气系统，其中所述控制模块配置为通过以下方式确定所述负序电压：
获取转换角；并且
基于所述转换角将所述同步帧电压指令转换为顺时针同步参考帧。
方案7、如方案6所述的电气系统，其中所述控制模块配置为基于所述测得电流和所述电压指令之间的关系确定所述转换角。
方案8、如方案6所述的电气系统，进一步包括连接在所述电动机和所述控制模块之间的分解器系统，所述分解器系统配置为获取所述电动机的转子位置，其中所述控制模块配置为基于所述转子位置确定所述转换角。
方案9、一种用于诊断车辆中的电动机内的定子线圈的方法，所述方法包括：
产生用于所述定子线圈的电压指令，所述电压指令配置为将通过所述定子线圈的电流调节为指令值；
基于所述电压指令确定负序电压；以及
基于所述负序电压识别故障状态。
方案10、如方案9所述的方法，其中识别故障状态包括：
确定所述负序电压的DC分量；并且
基于所述负序电压的DC分量的特征值识别故障状态。
方案11、如方案10所述的方法，其中基于所述负序电压的DC分量的特征值识别故障状态包括当所述负序电压的DC分量的大小超过阈值时识别故障状态。
方案12、如方案10所述的方法，其中基于所述负序电压的DC分量的特征值识别故障状态包括当所述负序电压的DC分量的变化率超过阈值时识别故障状态。
方案13、如方案10所述的方法，进一步包括：
获取用于所述电动机的电流指令，所述电流指令对应于所述指令值；并且
测量通过所述定子线圈的电流，从而形成测得电机电流，其中产生用于所述定子线圈的电压指令包括基于所述电流指令和所述测得电机电流之间的差值产生电压指令，使得所述测得电机电流被调节为所述指令值。
方案14、如方案10所述的方法，进一步包括：
获取用于所述电动机的同步帧电流指令；并且
获取通过所述定子线圈的同步帧电机电流，其中产生用于所述定子线圈的电压指令包括基于所述同步帧电流指令和所述同步帧电机电流之间的差值产生同步帧电压指令，使得所述同步帧电机电流被调节为所述同步帧电流指令。
方案15、如方案14所述的方法，其中确定所述负序电压包括：
将所述同步帧电压指令转换为负的同步参考帧，从而形成负的同步帧电压；
对所述负的同步帧电压进行滤波，从而形成滤波的负的同步帧电压；并且
确定所述滤波的负的同步帧电压的大小。
方案16、一种用于诊断在电流调节控制回路的控制下操作的电动机内的定子线圈的方法，所述电流调节控制回路配置为向所述电动机提供指令电压，所述指令电压包括基于指令电流和通过所述定子线圈的测得电流之间的差值的电流调节电压，所述方法包括：
确定所述指令电压的负序分量；并且
当所述负序分量的特征值大于阈值时识别故障状态。
方案17、如方案16所述的方法，所述指令电压被表示为同步参考帧，其中确定所述指令电压的负序分量包括：
将所述指令电压从同步参考帧转换为负的同步参考帧，从而形成负的同步参考帧电压；并且
确定所述负的同步参考帧电压的DC分量的大小。
方案18、如方案17所述的方法，其中基于所述负序分量的特征值识别故障状态包括当所述负的同步参考帧电压的DC分量的大小超过阈值大小时识别故障状态。
方案19、如方案17所述的方法，其中基于所述负序分量的特征值识别故障状态包括当所述负的同步参考帧电压的DC分量的变化率超过阈值变化率时识别故障状态。
方案20、如方案17所述的方法，进一步包括对所述负的同步参考帧电压进行低通滤波，从而形成所述负的同步参考帧电压的DC分量。
本发明内容简略地介绍了可供选择的理念，其将在以下详细说明中进一步描述。本发明内容并非旨在确定要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是用来确定要求保护的主题的范围。
附图说明
当结合附图进行考虑时，通过参考详细说明和权利要求，可以更完整地理解本发明的主题，其中在所有附图中相同的参考标记表示相同的部件。
图1为根据一个实施例的适合用于车辆的电气系统的结构图；和
图2为根据一个实施例的适合与图1中的电气系统结合使用的示例性定子诊断过程的流程图。
具体实施方式
以下详细说明本质上仅仅是说明性的，且并非旨在限制本发明主题的实施例或其应用以及这些实施例的使用。如这里使用的，词语“示例性的”表示“用作示例、例子或说明”。在这里作为示例性描述的任何实施方案都不是必须被认为是优选于或有利于其他实施方案的。此外，在之前的技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细说明中提出的任何明示或暗示的理论都不对本发明构成限制。
技术和工艺在这里可能从功能性和/或逻辑块部件的角度进行描述，并参照通过各种计算部件和装置实现的操作、处理任务和功能的符号表示。图中所示的各种块部件可通过多个配置为执行特定作用的硬件、软件、和/或固件部件来实现。例如，系统或部件的实施例可使用各种集成电路部件，如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表等等，其在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下可执行多种功能。
以下说明表示“连接”或“连结”在一起的元件或节点或特征。如在这里所使用的，除非特别声明，“连接”表示一个元件/节点/特征直接与另一个元件/节点/特征连接(直接连通)，未必是机械地连接。同样地，除非特别声明，“连结”表示一个元件/节点/特征直接或间接与另一个元件/节点/特征连接(直接或间接连通)，而未必是机械地连接。因此，尽管附图示出了元件的一个示例性布置，另外的插入元件、装置、特征或部件可在所描述的主题的实施例中出现。此外，特定的术语仅仅出于参考的目的还可使用在以下说明中，因此不受限制。表示结构的术语“第一、“第二”和其他数字化术语不暗示顺序或次序，除非在上下文中清楚指出。
为了简洁起见，涉及电动机结构和/或操作、信号传输、感应、脉宽调制(PWM)和该系统其他作用方面(和该系统的独立操作部件)的传统技术不在这里详述。此外，在这里包含的各图中所示连接线旨在表示示例性的作用关系和/或在各元件之间的物理连结。要注意很多可选择的或额外的作用关系或物理连接可出现在本发明主题的实施例中。
这里讨论的技术和概念通常涉及用于诊断运行在电流调节控制回路的控制下的电动机的定子线圈内的故障状态。用于电动机的负序分量，是基于施加在定子线圈上的电流调节指令电压来进行识别的。然后分析负序分量并确定负序分量是否可归因于定子线圈内的故障状态。初始故障状态可在有限量时间内识别，从而减轻故障状态对电动机的影响。如这里使用的，下标和上标的含义如下：
下标d和q：d-q帧的量。在笛卡尔坐标系中，基准的d-q帧在电动机内是与转子特征(如转子通量角)的旋转是同步的。
上标s：在静止参考帧中的电动机的定子线圈的量。
上标e：旋转(同步)参考帧的量。
上标*：指令的量。
图1示出了用于车辆的电气系统100的示例性实施例。电气系统100包括但不限于，能量源102、逆变器模块104、电动机106、分解器系统108，控制模块110和多个电流传感器112。在示例性实施例中，控制模块110产生与从能量源102经由逆变器模块104施加到电动机106的定子线圈的电压相应的电压指令。在这点上，逆变器模块104和控制模块110共同配置为使用脉宽调制(PWM)技术以调节逆变器模块104的相位并且施加或向电动机106提供指令电压。可以理解的是，图1是电气系统100的简略示图，旨在阐述本发明主题，而非以任何方式限制本发明主题的方位或适用性。在这点上，尽管图1描述控制模块110和逆变器模块104作为截然不同的且单独的元件，实际上，控制模块110可与逆变器模块104集成(结合)在一起。
在示例性实施例中，逆变器模块104连结在能量源102和电动机106之间。在示例性实施例中，电流传感器112连结在逆变器模块104和电动机106之间并配置为测量从逆变器模块104流经电动机106的定子线圈的电流，如下详细描述。控制模块110连接到电流传感器112并从电流传感器112获得通过电动机106的定子线圈的测量电流。分解器系统108连接在电动机106和控制模块110之间，且分解器系统108适合配置为测量、感应或获取电动机106的转子位置。如下详细描述，在示例性实施例中，控制模块110配置为通过控制从能量源102提供给电动机106的电压来调节通过定子线圈的电流。在示例性实施例中，控制模块110配置为基于提供给电动机106的电压的负序分量识别电动机106的定子线圈内的故障状态，以下将更详细地描述。
在示例性实施例中，车辆为汽车。在可选择的实施例中，车辆可以是各种不同类型的汽车的任何一种，例如，轿车、货车、或运动型车辆(SUV)，且可以是两轮驱动(2WD)(后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)、或全轮驱动(AWD)。车辆还可以任何一种或多种不同类型的发动机的组合，例如，汽油或柴油发动机、“flex燃油车辆”(FFV)发动机(如，使用汽油和酒精的混合物)、气体混合物(如氢气和天然气)发动机、燃烧/电机混合发动机和电动机。在可选择的实施例中，车辆可以是插入式混合车辆、纯电动车辆、燃料电池车辆(FCV)或其他适合选择的燃油车辆。
在示例性实施例中，能量源102(或动力源)能向逆变器模块104提供直流(DC)电压以操作电动机106。依据实施例，能量源102可以是电池、燃料电池、可充电高压电池组、超电容或其他本领域已知的适合的能量源。
在图1所示的实施例中，电动机106优选为感应电动机，然而，这里描述的本发明主题不应被认为限制使用其他特殊类型的电动机。在其他实施例中，电动机106可认为是内部永磁体电动机，同步磁阻电动机或其他本领域已知的合适的电动机。在这点上，电动机106可认为是具有空间阻抗的独立于转子位置的隐极电动机(例如，感应电动机、永久表面贴装电动机)或具有空间阻抗的相对于定子线圈依赖于转子位置的凸极电动机(例如，同步磁阻电动机、内部永磁体电动机)，这将在本文中被理解。
在示例性实施例中，电动机106是具有转子和定子线圈(线组)的三相交流(AC)电机。在示例性实施例中，作为三相电机，定子线圈以三组线圈布置，其中每组线圈相应于电动机106的相位布置。在这点上，每个电流传感器112与电动机106的特殊相位关联并以传统的方式获取用于电动机各个相位的电流。可以理解的是，尽管对本发明主题的描述是在使用三相电动机的情况下，本发明主题不限于三相电机且可适合于具有多个相位的电动机或具有多个电流传感器的电气系统。
在示例性实施例中，逆变器模块104包括配置为从能量源102将DC电源转换为以传统方式驱动电动机106的AC电源的功率变换器，这将在本文中被理解。在这点上，逆变器模块104包括一个或多个相应于电动机106的一个或多个相位的相位引线。其中，在特定的转化频率下调节相位引线的转换(打开或关闭)以产生穿过电动机106的定子线圈的AC电压，其反过来在定子线圈内产生扭矩生成电流并操作电动机106，这将在本文中被理解。
在示例性实施例中，分解器系统108包括连接到电动机106的分解器，且分解器的输出连接到分解器-数字转换器。分解器(或相似的感应装置)感应电动机106的转子位置(θγ)。分解器-数字转换器将来自分解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通常代表被适合地配置为通过控制和/或操作逆变器模块104完成电动机106的现场导向控制或电流调节控制以提供从能量源到电动机106的指令电压的构件。在这点上，指令电压为电流调节电压，也就是，配置为调节电动机106的定子线圈内的电流为特定值的电压，以下将更详细地描述。根据本实施例，控制模块110可由通用处理器、内容可寻址存储器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、离散硬件部件、或其任意组合来执行或实现这里所述的功能。在这点上，控制模块110可以是微处理器、控制器、微控制器、状态机等等。控制模块110还可以作为计算装置的组合执行，例如数字信号处理器和微处理器组合，多个微处理器的组合，一个或多个微处理器连同数字信号处理器核心的组合，或其他这样的配置。实际上，控制模块110包括配置为执行与操作电气系统100相关的功能、技术和处理任务的处理逻辑，这将在以下详细描述。此外，结合这里所公开的实施例进行描述的方法或算法步骤直接包含在控制模块110执行的硬件、固件、软件模块或其特殊组合中。
在示例性实施例中，控制模块110在d-q同步参考帧内执行，也就是，参考帧的d-q轴前后紧接电动机106的转子的参考特征(如转子位置、转子通量角)转动，这样转子特性的转动(角位移)产生d-q轴相应的转动(角位移)。在示例性实施例中，控制模块110在逆时针方向的同步参考帧内执行，这样转子特性的转动产生d-q轴相应的逆时针方向的转动。如图1所示的实施例，在感应电动机的情况下，同步参考帧优选相对于转子通量角(θe)确定。
在示例性实施例中，控制模块110包括速度调节器114、通量调节器116、电流调节器118、第一转换块120、第二转换块122、速度计算器124、通量估计器126、和定子线圈诊断块128。控制模块110的元件适合配置为产生电流调节控制回路130(或可选择地，现场导向控制回路或电流控制反馈回路)，以下将更详细地描述。在示例性实施例中，定子线圈诊断块128配置为基于施加到电动机106的定子线圈的电压的负序分量来识别或检测电动机106的定子线圈内故障状态，以下将更详细地描述。
在所示实施例中，第一相加点113连接到速度调节器114的输出，且速度调节器的输出连接到第二相加点115。第三相加点117的输出连接到通量调节器116的输入，并且通量调节器116的输出连接到第四相加点119。第二相加点115的输出和第四相加点119的输出均与电流调节器118的输入连接。电流调节器118的输出与第一转换块120连接，且第一转换块120的输出与逆变器模块104连接。第二转换块122与电流传感器112连接，且第二转换块122的各自输出与第二相加点115和第四相加点119连接，以下将更详细地描述。在示例性实施例中，通量估计器126的输入连接到第二转换块122和电流调节器118的输出，以下将更详细地描述。通量估计器126的第一输出连接到第三相加点117，通量估计器126的第二输出连接到转换块120、122和定子线圈诊断块128。在示例性实施例中，定子线圈诊断块128还与电流调节器118的输出连接，以下将更详细地描述。
在示例性实施例中，第一相加点113配置为接收代表电动机106的转子的理想速度(或指令速度)的速度指令(ωγ *)。速度指令可通过车辆内的其他模块提供，例如电控单元(ECU)。速度计算器124基于转子位置(θγ)相对于时间的变化计算或确定观测(或测量)的转子速度(ωγ)，这将在本文被理解。第一相加点113配置为确定速度指令(ωγ *)和观测到的转子速度(ωγ)之间的差值并向速度调节器114提供该差值。基于速度指令(ωγ *)和观测到的转子速度(ωγ)之间的差值，速度调节器114确定和/或产生q轴线同步帧电流指令
Figure BSA00000230069200101
(例如，扭矩生成q轴线电流指令)。速度调节器114可以是比例积分(PI)控制器或在本领域中已知的其他合适的元件。
在示例性实施例中，第三相加点117配置为接收代表电动机106理想的转子通量的通量指令
Figure BSA00000230069200102
通量指令可通过车辆内的其他模块提供，例如，电控单元(ECU)。通量估计器126基于同步电机电流(id e，iq e)和同步电机电压(vd e，vq e)之间的关系计算或估计转子通量(λe)，这将在本文中被理解并在以下更详细地描述。第三相加点117配置为确定通量指令和估计的转子通量(λe)之间的差值并向通量调节器116提供该差值。基于通量指令
Figure BSA00000230069200104
和估计的转子通量(λe)之间的差值，通量调节器116确定和/或产生q轴线同步帧电流指令
Figure BSA00000230069200105
(例如，通量生成d轴线电流指令)。通量调节器116可以是比例积分(PI)控制器或在本领域中已知的其他合适的元件。
在示例性实施例中，通量估计器126还基于同步电机电流(id e，iq e)和同步电机电压(vd e，vq e)之间的关系计算或估计电动机106的转子的转子通量角(θe)。在图1所示实施例中，转子通量角(θe)被用于控制回路130的转换角，这将在本文中被理解。在这点上，转换角表示当在同步参考帧内的质量转换和/或转化为静止参考帧内的相应质量时使用的角度，反之亦然(例如，“dqo”或“dq0”到“abc”转换，反之亦然)。在可选的实施例中，转换角可包括角转子位置(θr)或另一个合适的角位置。通量估计器126的输出配置为向第一转换块120、122提供估计的转子通量角(θe)。第二转换块122与电流传感器112连接并配置为基于转换角，例如，估计的转子通量角(θe)，将测量到的定子电流从静止参考帧(ia s，ib s，ic s)转换到同步参考帧(id e，iq e)。在相似的方式中，第一转换块120配置为基于估计的转子通量角(θe)将指令电压(或电压指令)从同步参考帧
Figure BSA00000230069200106
Figure BSA00000230069200111
转换到静止参考帧以下将更详细地描述。
电流调节器118通过为逆变器模块104生成和/或提供相应于用于电动机106定子线圈的指令电压的电压指令来调节穿过定子线圈的电流，以便将穿过定子线圈的测量电流调节为或追踪为指令电机电流(或电流指令)。在示例性实施例中，电流调节器118被认为是配置为基于指令电流(id e，iq e)(这里可选地表示为同步参考帧电流指令)和测量电机电流(id e，iq e)(这里可选地表示为同步帧电机电流)之间的差值在同步参考帧
Figure BSA00000230069200113
(这里可选地表示为同步参考帧电压指令)内产生电压指令的同步帧电流调节器。在这点上，根据一个或多个实施例，第二相加点115基于q-轴线电流指令
Figure BSA00000230069200114
和测量q轴线电机电流(iq e)之间的差值确定q轴线电流错误指令
Figure BSA00000230069200115
并且第四相加点119基于d轴线电流指令和测量d轴线电机电流(id e)之间的差值确定d轴线电流错误指令
Figure BSA00000230069200117
电流调节器118基于反映在同步参考帧内的指令电流和测量电机电流之间的差值的同步帧电流错误指令
Figure BSA00000230069200118
产生同步帧电压指令
Figure BSA00000230069200119
在这点上，电流调节器118可以认为是比例积分导函数(PID)控制器、滞后电流控制器、复向量电流调节器、或在本领域中已知的其他合适的电流调节元件。值得注意的是，电流调节器118在电动机106内产生完全平衡和对称的电流。因此，通常因响应定子线圈内故障状态(例如，定子线圈的其中至少一个相位相对于其他相位的电阻和/或电感的变化导致的定子线圈的相位阻抗的不平衡)而出现在测量电机电流内的任意负序分量都将反映在电流调节器118的输出上(例如，电压指令和/或电机相位电压)，以下将更详细地描述。
如上所述，第一转换块120将同步帧电压指令
Figure BSA000002300692001110
从电流调节器118的输出转换到静止参考帧，产生相应于电动机106的定子线圈的各自相位的指令电压的三相静止电压指令
Figure BSA000002300692001111
在示例性实施例中，逆变器模块104配置为处理静止电压指令和产生用于操作电源逆变器的相位引线以传统的方式向定子线圈的各自相位提供指令电压的PWM指令信号，在本文中将被理解。照这样，同步帧电压指令的变化产生相应的静止电压指令
Figure BSA000002300692001112
的变化，因此，PWM指令的负载周期用来调节逆变器相位引线的转换。在这点上，假定逆变器模块104精确地在定子线圈内再生指令电压
Figure BSA000002300692001113
而非使用电压传感器来感应穿过定子线圈的电压或执行其他计算上强化任务以获得电机电压，可以使用同步帧电压指令来估计转子通量(λe)和转换角(θe)(例如，
Figure BSA00000230069200121
Figure BSA00000230069200122
)。
现在参考图2，在示例性实施例中，电气系统可配置为执行定子诊断过程200和其他任务、作用、和以下描述的操作。各种任务可通过软件、硬件、固件、或其组合来完成。为了说明的目的，以下说明可表示与图1相关的上述元件。实际上，任务、作用、和操作可通过上述系统的不同元件完成，如逆变器模块104、控制模块110、电流调节器118、通量估计器126、和/或定子线圈诊断块128。需要理解的是，多个额外的或可选择的任务可以被包括其中，且也以被一个更全面的具有此处未描述的额外功能的程序或功能所合并。
再次参考图2，并继续参考图1，在示例性实施例中，定子诊断过程200在电流调节控制回路的控制下的电动机的操作期间执行诊断电动机的定子线圈。定子诊断过程200始于通过从电流调节控制回路(任务202)的电流调节器的输出获得穿过电动机的定子线圈的电压(电机电压)。在示例性实施例中，定子诊断过程200和/或定子线圈诊断块128通过从电流调节器118的输出获取同步帧电压指令
Figure BSA00000230069200123
来获取同步帧电机电压。如上所述，只要逆变器模块104精确地在定子线圈内产生相应的指令电压
Figure BSA00000230069200124
来自电流调节器118的电压指令基本等于穿过电动机106的定子线圈的实际同步帧电压(例如，
Figure BSA00000230069200126
)。
在示例性实施例中，定子诊断过程200通过获取转换角用于将电压指令从同步参考帧转化为静止参考帧(任务204)继续。如上所述，在图1所示的实施例中，转换角可认为是估计的转子通量角(θe)，其中定子诊断过程200和/或定子线圈诊断块128可从估计器126获取转换角(θe)。在可选实施例中，转换角可基于电动机106的其他特征。例如，如果转换角基于转子位置(θr)，控制模块110和/或定子线圈诊断块128可从分解器系统108获取转子位置(θr)并确定基于转子位置(θr)的转换角。
在示例性实施例中，定子诊断过程200通过基于获得的转换角将同步帧电机电压转换为负的同步参考帧继续，导致同步帧电机电压(任务206)为负。在这点上，负的同步参考帧的转动与转子的参考特征的转动同步，并与同步参考帧(正序同步参考帧)的转动反向。例如，如果正序同步参考帧被认为是逆时针同步参考帧，则负序同步参考帧包括逆时针同步参考帧。在示例性实施例中，同步参考电压指令
Figure BSA00000230069200131
在逆时针同步参考帧内表示。定子诊断过程200和/或定子线圈诊断块128将电压指令基于转换角从逆时针(正序)同步参考帧
Figure BSA00000230069200132
转换为静止参考帧(例如，
Figure BSA00000230069200133
)，然后再次利用转换角将电压指令从静止参考帧转换为负序同步参考帧，导致负序同步帧电机电压(vd -e，vq -e)。在这点上，负序同步帧电机电压可基于以下公式计算或确定：
Figure BSA00000230069200134
其中θ表示用于从静止参考帧转化为正序同步参考帧的转换角(例如，θe或θr)。
在示例性实施例中，定子诊断过程200根据负的同步帧电机电压(任务208)确定电机电压的负序分量(或可选地，负序电压分量)得以继续。如上所述，由于电动机106的完全平衡和对称的电流调节控制的优点，由定子线圈内的故障状态引发的任何负序电流分量将在电压指令中反映，其响应于由负序分量引起的同步帧电机电流(id e，iq e)中的不平衡。在这点上，电机电流的负序分量包括负的同步帧电机电压的DC分量和正序电压分量的AC谐波分量。在这点上，定子诊断过程200和/或定子线圈诊断块128通过数字滤波负的同步帧电机电压(vd -e，vq -e)确定电机电压的负序分量并计算滤波的负的同步帧电机电压的大小。在示例性实施例中，负的同步帧电机电压(vd -e，vq -e)被低通滤波以消除正序电压分量的AC谐波分量和其他噪声，只剩余DC分量(例如，具有零后其他微细的低频率的分量)。在这点上，数字滤波器的切断频率小于电机电流的激励(或基础)频率。
在示例性实施例中，定子诊断过程200通过基于电机电压的负序分量识别或确定故障状态是否存在于电动机的定子线圈内(任务210)。根据一个实施例，定子诊断过程200通过比较负序分量值和阈值并确定负序分量值是否大于阈值来识别故障状态。阈值选取表征故障状态的负序分量的大小。在这点上，阈值优选为足够大以便超过阈值的负序分量归因于故障状态(例如，短路和/或开路的定子线圈转动)而非噪声、瞬变、元件偏差或其他的线路影响，而同时，阈值优选为足够小以便检测初始的故障状态。换句话说，小于阈值的负序分量值归因于定子线圈的一个或多个相位相对于定子线圈的一个或多个其他相位的阻抗变化(例如，定子线圈的电阻和/或电感的变化)，并表明故障状态的存在(或故障状态的可能性)。根据一个实施例，阈值大约为整个电机电压的大小(例如，同步帧电压指令的大小)的百分之五。
根据一个实施例，定子诊断过程200通过计算负序分量大小的变化率并确定变化率是否大于变化率阈值来识别故障状态。变化率阈值选取表征故障状态的值，如上所述。在这点上，定子诊断过程200和/或定子线圈诊断块128可在给定的时间间隔内(基于示例)计算或确定负序分量大小的变化率(例如，负序分量的导数)。任何超过变化率阈值的负序分量大小的变化率归因于故障状态(例如，短路和/或开路的定子线圈转动)，而非噪声、瞬变、元件偏差或其他的线路影响。根据一个实施例，变化率阈值大约为每秒五伏特。
在示例性实施例中，如果定子诊断过程200确定故障状态不存在，由任务202、204、206、208和210定义的回路在整个电动机操作中按设定地重复直到故障状态被识别。照这样，电动机106的定子线圈可连续和/或不断地被监测(例如，基于示例或控制回路130每次更新时)。例如，由于控制回路130以10kHz的取样率运行，定子线圈可每隔0.1毫秒诊断，因此可以识别到初始的故障状态(例如，故障状态可在0.1毫秒内识别)。作为对识别故障状态的响应，定子诊断过程200通过补救动作和/或其他方式以保证电气系统的安全和/或有效操作来继续(任务212)。根据一个实施例，定子诊断过程200阻止电动机运转作为对识别故障状态的进一步响应。例如，控制模块110可设置逆变器模块104的所有转换为开启状态以防止电流流到定子线圈。在另一个实施例中，定子诊断过程200可使电动机以较低的性能运转，例如，通过改进控制配置以限制通过电动机的电流或通过限制扭矩形成和/或转子速度。此外，定子诊断过程200可配置为实施额外的补救措施，例如，向电气控制系统或车辆内其他可引起可听和/或可视的警告的其他部件提供故障状态通知。可以理解的是，多种补救措施及其各种组合可使用在任意示例性实施例中。
简单地总结，上述本系统和/或方法的一个优点是电动机的定子线圈可连续监测，因此可以轻易地识别初始的或早期阶段的故障状态并减轻故障状态的不利影响。此外，即使在电机操作状态下的非静止瞬时，也可检测和/或诊断故障状态，因为识别故障状态不依赖于快速傅立叶序列或其他计算精确技术。此外，可避免使用额外的用于测量电机电压的传感器(其增加了整个电机诊断系统的成本并降低了其可靠性)。
尽管在前述详细说明中给出了至少一个示例性实施例，可以理解的是，还存在大量变型。同样可以理解的是，这里描述的示例性实施例并非旨在以任何方式限制要求保护的主题的范围、应用或配置。相反，前述详细说明将为本领域技术人员提供实施所述实施例的方便的路线图。可以理解的是，在不脱离权利要求界定的范围的情况下，可以对元件的功能和配置做出各种变化，前述范围包括在提交本专利申请时已知的等同物和可预见到的等同物。

Claims (10)

1.一种用于车辆中的电气系统，所述电气系统包括：
具有定子线圈的电动机；
能量源；
连接在所述能量源和所述定子线圈之间的逆变器模块，所述逆变器模块配置为从所述能量源向所述电动机的定子线圈提供指令电压；
连接在所述逆变器模块和所述定子线圈之间的多个电流传感器，所述多个电流传感器配置为测量通过所述定子线圈的电流，从而形成测得电流；和
连接到所述逆变器模块和所述多个电流传感器的控制模块，所述控制模块配置为：
获取与所述电动机的定子线圈的指令电流相对应的电流指令；
基于所述测得电流和所述指令电流之间的差值产生与所述指令电压相对应的电压指令；
基于所述电压指令确定用于所述定子线圈的负序电压；以及
基于负序电压分量识别所述定子线圈内的故障状态。
2.如权利要求1所述的电气系统，其中所述控制模块配置为通过以下方式识别所述定子线圈内的故障状态：
确定所述负序电压的DC分量；并且
当所述负序电压的DC分量的大小超过阈值时识别故障状态。
3.如权利要求1所述的电气系统，其中所述控制模块配置为通过以下方式识别所述定子线圈内的故障状态：
确定所述负序电压的DC分量；并且
当所述负序电压的DC分量的变化率超过阈值时识别故障状态。
4.如权利要求1所述的电气系统，其中所述控制模块包括配置为基于所述测得电流和所述指令电流之间的差值产生所述电压指令的电流调节器，使得所述测得电流被调节为所述指令电流。
5.如权利要求4所述的电气系统，所述电流调节器包括同步帧电流调节器，所述同步帧电流调节器配置为在逆时针同步参考帧内产生所述电压指令，从而形成同步帧电压指令。
6.如权利要求5所述的电气系统，其中所述控制模块配置为通过以下方式确定所述负序电压：
获取转换角；并且
基于所述转换角将所述同步帧电压指令转换为顺时针同步参考帧。
7.如权利要求6所述的电气系统，其中所述控制模块配置为基于所述测得电流和所述电压指令之间的关系确定所述转换角。
8.如权利要求6所述的电气系统，进一步包括连接在所述电动机和所述控制模块之间的分解器系统，所述分解器系统配置为获取所述电动机的转子位置，其中所述控制模块配置为基于所述转子位置确定所述转换角。
9.一种用于诊断车辆中的电动机内的定子线圈的方法，所述方法包括：
产生用于所述定子线圈的电压指令，所述电压指令配置为将通过所述定子线圈的电流调节为指令值；
基于所述电压指令确定负序电压；以及
基于所述负序电压识别故障状态。
10.一种用于诊断在电流调节控制回路的控制下操作的电动机内的定子线圈的方法，所述电流调节控制回路配置为向所述电动机提供指令电压，所述指令电压包括基于指令电流和通过所述定子线圈的测得电流之间的差值的电流调节电压，所述方法包括：
确定所述指令电压的负序分量；并且
当所述负序分量的特征值大于阈值时识别故障状态。
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