CN102520351B - 诊断电动马达转子故障的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及诊断电动马达转子故障的方法和系统。用传感器获得用于变换器的电流。通过控制单元或处理器采用转子的解算器角度确定预备角。通过控制单元或处理器采用等于乘数乘以预备角的变换角度来执行变换。通过控制单元或处理器采用该变换来识别故障状况。

Description

诊断电动马达转子故障的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及电动马达领域，更具体地涉及用于诊断电动马达转子故障的方法和系统。
背景技术
电动马达(或电机)在多种领域具有越来越多的应用，这些领域包括汽车工业，这是因为例如汽车驱动系统的电气化。电动和/或混合动力车辆使用电动马达作为汽车驱动系统的主要或辅助扭矩源。人们期望这些电动马达在极端工作条件下以高可靠性长时间地工作。然而，经历一段时间之后，施加到电动马达上的工作应力会使电动马达的一个或多个转子的状况劣化。
因此，例如在汽车工业中，期望提供一种用于执行电动马达转子的故障诊断的改进的方法，例如这种方法可以提供改进的结果，并且可需要较少的传感器和/或其他装置，并且/或者可更容易和/或更节省成本地实施。还期望提供一种用于例如在汽车工业中执行电动马达转子的故障诊断的改进的系统，例如这种系统可以提供改进的结果，并且可需要较少的传感器和/或其他装置，并且/或者可更容易并且/或者更节省成本地实施。此外，从下面的详细描述和所附权利要求，并结合附图和前述技术领域和背景技术，本发明的其他有利特征和特点将变得清楚。
发明内容
根据一个示例实施方式，提供一种用于电动马达转子的故障诊断的方法，该电动马达还具有变换器。该方法包括如下步骤：获得用于变换器的电流，用转子的解算器角度确定预备角，用等于乘数乘以预备角的变换角度执行电流的变换，和通过处理器采用该变换来识别故障状况。
根据另一个示例实施方式，提供一种用于电动马达转子的故障诊断的方法，该电动马达还具有变换器。该方法包括如下步骤：获得用于变换器的电流，用转子的解算器角度确定预备角，将该预备角乘以第一乘数来产生第一变换角度，将该预备角乘以第二乘数来产生第二变换角度，用第一变换角度执行电流的第一变换，用第二变换角度执行电流的第二变换，和通过处理器采用该第一变换和第二变换来识别故障状况。
根据又一个示例实施方式，提供一种供电气系统使用的系统，该电气系统包括具有转子和定子的电动马达，和联接在能量源和定子之间的变换器模块，该变换器模块构造成从能量源向定子提供命令电压。该系统包括电流传感器和控制模块。该电流传感器联接在能量源和变换器模块之间。该电流传感器构造成测量变换器模块的输入电流。该控制模块联接到变换器模块和电流传感器。该控制模块构造成：用转子的解算器角度确定预备角，用等于第一乘数乘以预备角的第一变换角度来执行该输入电流的第一变换，用等于第二乘数乘以该预备角的第二变换角度来执行该输入电流的第二变换，和用第一变换和第二变换来识别故障状况。
本申请还提供如下方案：
方案1.一种用于电动马达的转子的故障诊断的方法，所述电动马达还具有变换器，所述方法包括如下步骤：
获得变换器的电流；
用转子的解算器角度确定预备角；
用变换角度执行所述电流的变换，所述变换角度等于所述预备角与乘数的乘积；以及
通过处理器采用所述变换来识别故障状况。
方案2.如方案1所述的方法，其中所述预备角包括所述解算器角度。
方案3.如方案1所述的方法，其中所述预备角包括所述转子的滑移角度，以及确定所述预备角的步骤包括如下步骤：
计算所述转子的通量角度；
计算所述转子的所述解算器角度；和
从所述通量角度减去所述解算器角度，由此计算出滑移角度。
方案4.如方案1所述的方法，还包括如下步骤：
用第二变换角度执行所述电流的第二变换，所述第二变换角度等于所述预备角与第二乘数的乘积；
其中，识别所述故障状况的步骤包括如下步骤：通过所述处理器用所述变换和所述第二变换来识别故障状况。
方案5.如方案4所述的方法，其中：
执行所述变换的步骤包括用故障参考系执行所述变换的步骤；和
执行所述第二变换的步骤包括；用所述故障参考系执行所述第二变换的步骤。
方案6.如方案4所述的方法，其中：
所述第二乘数具有正值；以及
所述乘数具有负值，该负值的绝对值等于所述正值。
方案7.如方案4所述的方法，其中识别所述故障状况的步骤包括如下步骤：
通过数字滤波器处理所述变换的结果，产生第一故障分量；
通过该数字滤波器处理所述第二变换的结果，产生第二故障分量；
用所述第一故障分量和第二故障分量来产生故障指标；和
用所述故障指标识别所述故障状况。
方案8.一种用于电动马达的转子的故障诊断的方法，所述电动马达还具有变换器，所述方法包括如下步骤：
获得变换器的电流；
用转子的解算器角度确定预备角；
将所述预备角乘以第一乘数来产生第一变换角度；
将所述预备角乘以第二乘数来产生第二变换角度；
用所述第一变换角度执行所述电流的第一变换；
用所述第二变换角度执行所述电流的第二变换；和
通过处理器用所述第一变换和第二变换来识别故障状况。
方案9.如方案8所述的方法，其中：
执行所述第一变换的步骤包括用故障参考系执行所述第一变换的步骤；和
执行所述第二变换的步骤包括；用故障参考系执行所述第二变换的步骤。
方案10.如方案8所述的方法，其中：
所述第二乘数具有正值；以及
所述第一乘数具有负值，该负值的绝对值等于所述正值。
方案11.如方案8所述的方法，其中所述预备角包括所述解算器角度。
方案12.如方案11所述的方法，其中：
所述第一乘数等于负1；和
所述第二乘数等于1。
方案13.如方案8所述的方法，其中所述预备角包括所述转子的滑移角度，并且确定所述预备角的步骤包括如下步骤：
计算所述转子的通量角度；
计算所述转子的所述解算器角度；和
从所述通量角度减去所述解算器角度，由此计算出滑移角度。
方案14.如方案13所述的方法，其中：
所述第一乘数等于负2；和
所述第二乘数等于2。
方案15.如方案8所述的方法，其中识别所述故障状况的步骤包括如下步骤：
通过数字滤波器处理所述第一变换的结果，产生第一故障分量；
通过该数字滤波器处理所述第二变换的结果，产生第二故障分量；
用所述第一故障分量和第二故障分量来产生故障指标；和
用所述故障指标识别所述故障状况。
方案16.一种供电气系统使用的系统，该电气系统包括具有转子和定子的电动马达，和联接在能量源和所述定子之间的变换器模块，所述变换器模块构造成从所述能量源向所述定子提供命令电压，所述系统包括：
电流传感器，联接在所述能量源和所述变换器模块之间，所述电流传感器构造成测量所述变换器模块的输入电流；和
控制模块，联接到所述变换器模块和所述电流传感器，所述控制模块构造成：
用所述转子的解算器角度确定预备角；
用等于第一乘数乘以所述预备角的第一变换角度来执行所述输入电流的第一变换；
用等于第二乘数乘以所述预备角的第二变换角度来执行所述输入电流的第二变换；和
用所述第一变换和所述第二变换来识别故障状况。
方案17.如方案16所述的系统，其中所述预备角包括所述解算器角度。
方案18.如方案17所述的系统，其中：
所述第一乘数等于负1；和
所述第二乘数等于1。
方案19.如方案16所述的系统，其中所述预备角包括所述转子的滑移角度。
方案20.如方案19所述的系统，其中：
所述第一乘数等于负2；和
所述第二乘数等于2。
附图说明
下面将结合附图描述本发明，附图中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
图1是根据一个示例实施方式的适于在车辆中使用的电气系统的框图；
图2是根据一个示例实施方式的适于与图1的电气系统一起使用的示例转子诊断过程的流程图；
图3是根据一个示例实施方式的设计成用于诊断断裂转子条并且还可与图2的电气系统一起使用的图2的转子诊断过程的一个变型的流程图；以及
图4是根据一个示例实施方式的设计成用于诊断转子偏心故障并且还可与图2的电气系统一起使用的图2的转子诊断过程的另一个变型的流程图。
具体实施方式
下面的详细描述本质上仅是示例性的，而不是用来限制本发明或者本发明的应用或用途。此外，也没有任何意图被前面的背景技术或下面的详细描述中所提出的任何理论限制。
图1示出了适于在车辆中使用的电气系统100的一个示例实施方式。电气系统100包括但不限于：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和多个电流传感器112。控制模块110优选产生对应于将通过变换器模块104从能量源102施加到电动马达106的定子的电压的马达电流。在此方面，变换器模块104和控制模块110以配合方式构造成使用脉冲宽度调制(PWM)技术来调制变换器模块104的相脚(phase leg)并且向电动马达106施加或者以其他方式提供命令电压。应当理解，图1是电气系统100的简化图，其目的是用于解释而不是用于以任何方式限制这里描述的主题的范围或者应用。在此方面，尽管图1示出控制模块110和变换器模块104是彼此区别并且分开的元件，但实际上，控制模块110可与变换器模块104制成一个整体(或者结合在其中)。
变换器模块104联接在能量源102和电动马达106之间。电流传感器112联接在能量源102和变换器模块104之间，并且构造成测量变换器模块104的输入电流(也就是，到变换器模块104的直流)。控制模块110联接到电流传感器112并且从电流传感器112获得测量到的变换器模块104的输入电流。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合适地构造成用于测量、感测或者以其他方式获取电动马达106的转子的位置。如下面更详细所述的，控制模块110构造成通过控制从能量源102提供至电动马达106的电压来将通过定子的电流调节到命令值。控制模块110构造成基于下面更详细描述的转子故障诊断方法来识别电动马达106的转子中的故障状况。
在一个示例中，车辆包括汽车。然而，车辆可以包括多种不同类型的汽车中的任一种，例如轿车、货车、卡车或者运动型多功能汽车(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(即后轮驱动或者前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或者全轮驱动(AWD)。车辆还可以结合多种不同类型发动机中的任一种或者其组合，例如汽油或者柴油燃料燃烧发动机、“柔性燃料车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油和乙醇的混合物)、气体混合物(例如氢气和天然气)燃料发动机、内燃机/电动马达混合动力发动机、以及电动马达。替代的是，车辆可以是插电式混合动力车辆、纯电动车辆、燃料电池车辆(FCV)或者其他合适的替代燃料车辆。
能量源102(或动力源)优选能够向变换器模块104提供直流(DC)电压用于操作电动马达106。然而，能量源102可以包括蓄电池、燃料电池、可再充电高压电池组、超级电容器或者本领域已知的其他合适能量源。
电动马达106优选包括感应马达。然而，电动马达106还可以包括多种不同类型的马达中的一种。这里描述的主题不应当解释为限制于使用任何特定类型的电动马达。例如，电动马达106可以包括内部永磁(IPM)马达、同步磁阻马达或者本领域已知的其他任何合适的马达。在此方面，电动马达106可以实现为隐极电机(例如感应马达、永磁表面安装电机)，这种电机具有不依赖于转子位置的空间阻抗，或者电动马达106可以实现为凸极电机(例如同步磁阻马达、内部永磁马达)，这种电机具有依赖于转子相对于定子的位置的空间阻抗，正如本领域所很容易理解的那样使用其他可能的不同类型的马达来实现。
在一个示例中，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。定子以三组绕组设置，其中每组绕组对应于电动马达106的一个相。应当理解，尽管该主题可在此结合三相电动马达的内容描述，但是该主题不限于三相电机，并且可以适用于具有任何相数的电动马达或者具有任何数量的电流传感器的电气系统。
变换器模块104优选包括功率变换器，该功率变换器构造成将来自能量源102的DC功率转换成AC功率，用于以传统方式驱动电动马达106，这在本领域将容易理解。在此方面，变换器模块104包括对应于电动马达106的一相或多相的一个或多个相脚，其中相脚的切换以特定的切换频率被调制(打开或关闭)以产生通过电动马达106的定子的AC电压和通过变换器模块104的DC电压，其继而在定子内产生生成扭矩的电流并且运转电动马达106，这在本领域将容易理解。
解算器系统108优选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-数字变换器(resolver-to-digital converter)。解算器(或类似的感测设备)感测电动马达106的转子位置(θr)。解算器-数字变换器将来自解算器的信号转换为数字信号(例如，数字转子位置信号)，该数字信号被提供给控制模块110。
控制模块110总体上代表如下硬件：该硬件合适地构造成通过腔制和/或操作变换器模块104以将来自能量源102的命令电压提供给电动马达106从而实施电动马达106的场定向控制或者电流调节控制。在此方面，命令电压是电流调节电压，即配置成将变换器模块104的输入电流调节到特定值的电压，这将在下面进行更详细地描述。控制模块110可利用设计成用来执行这里描述的功能的通用处理器、内容可访问存储器、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设备、离散门或者晶体管逻辑电路、离散硬件部件或者它们的任意组合来实施或者使用这些来实现。在此方面，控制模块110可实现为微处理器、控制器、微控制器、状态机或类似装置。控制模块110还可实施为计算设备的组合，例如数字信号处理器和微处理器的组合、多个微处理器、与数字信号处理器芯结合的一个或多个微处理器、或任何其他这种构造。实践中，控制模块110包括处理逻辑，该处理逻辑可配置为执行与电气系统100的操作相关联的功能、技术和处理任务，这在下面将更详细地描述。此外，结合这里公开的实施方式描述的方法或算法的步骤可直接在硬件、固件、由控制模块110执行的模块或它们的任何实用组合中实施。
控制模块110优选在d-q同步参考系中实施，即参考系的d-q轴与电动马达106的转子的参考特征(例如转子位置、转子通量角度)一致地转动，从而转子特征的转动(或角位移)产生d-q轴的对应转动(或角位移)。控制模块110在逆时针同步参考系中实施，从而转子特征的转动产生d-q轴的对应逆时针转动。如图1所示，在感应马达的情况下，同步参考系优选地相对于转子通量角度(θe)确定。
控制模块110包括速度调节装置114、通量调节装置116、电流调节装置118、第一变换块120、第二变换块122、速度计算装置124、通量估计装置126和转子诊断块128。控制模块110的元件合适地构造成产生电流调节控制环(或替代地，场定向控制环或电流控制反馈环)，这在下面将更详细地描述。转子诊断块128构造成识别或检测电动马达106的转子内的故障状况的存在(例如断裂转子故障或转子偏心故障)，这在下面将更详细地描述。转子诊断块128包括控制模块129，控制模块129具有处理器130，处理器130执行计算、判断或转子诊断块128的其他功能、步骤和过程。转子诊断块128接收通量角度(θe)168、解算器角度(θr)180和变换器模块104的输入电流的一个或多个直流测量值173。
第一求和点113的输出132联接到速度调节装置114的输入，而速度调节装置114的输出134(ie q *)联接到第二求和点115。第三求和点227的输出136联接到通量调节装置116的输入，而通量调节装置116的输出138(ie d *)联接到第四求和点119。第二求和点115的输出140(ie* q_err)和第四求和点119的输出142(ie* d_err)均作为输入联接到电流调节装置118的输入。电流调节装置118的输出144(ve q*)、146(ve d*)联接到第一变换块120，而第一变换块120的输出148(vs a *)、150(vs c *)、152(vs b *)联接到变换器模块104。第二变换块122联接到电流传感器112，而第二变换块122的各输出154(ie q)、156(ie d)联接到第二求和点115和第四求和点119，这在下面将更详细地描述。通量估计装置126的输入包括第二变换块122的输出154(ie q)、156(ie d)和电流调节装置118的输出144(ve q*)、146(ve d*)，这在下面将更详细地描述。通量估计装置126的第一输出166(估算的转子通量，λe)联接到第三求和点117，而通量估计装置126的第二输出168(通量角度，θe)联接到变换块120、122和转子诊断块128。
第一求和点113构造成接收速度命令(ωr *)170，该速度命令表示电动马达106的转子的期望速度(或命令速度)。速度命令可通过车辆中的另一模块提供，该模块例如是电子控制单元(ECU)。速度计算装置124基于转子位置(θr)180相对于时间的变化来计算或者以其他方式确定观测到的(或测量到的)转子速度(ωr)182，这在本领域将容易理解。第一求和点113构造成确定速度命令(ωr *)和观测到的转子速度(ωr)之间的差并且将该差值提供给速度调节装置114。基于速度命令(ωr *)和转子速度(ωr)之间的差，速度调节装置114确定和/或产生q-轴同步系电流命令(iq e*)(例如产生扭矩的q-轴电流命令)。速度调节装置114可实现为比例积分(PI)控制器或者本领域已知的其他合适元件。
第三求和点117构造成接收通量命令(λe*)172，该通量命令表示电动马达106的期望的转子通量。该通量命令可由车辆中的另一模块提供，该模块例如是电子控制单元(ECU)。通量估计装置126基于同步马达电流(id e，iq e)和同步马达电压(vd e，vq e)之间的关系计算或者以其他方式估计转子通量(λe)166，这在本领域将容易理解并且在下面将更详细地描述。第三求和点117构造成确定通量命令(λe*)和估计的转子通量(λe)之间的差，并且将该差值136提供给通量调节装置116。基于通量命令和估计的通量之间的差，通量调节装置116确定并且/或者产生d轴同步系电流命令(id e*)138(例如产生通量的d轴电流命令)。通量调节装置116可实现为比例积分(PI)控制器或本领域已知的其他合适元件。
通量估计装置126还基于同步马达电流(id e，iq e)和同步马达电压(vd e，vq e)之间的关系计算或者以其他方式估计电动马达106的转子的转子通量角度(θe)168。在图1的示例实施方式中，转子通量角度(θe)被用作控制环的变换角度，这在本领域将容易理解。在此方面，变换角度表示当将同步参考系中的量转换和/或转化为静态参考系中的对应量时使用的角度，反之亦然(例如，“dqo”或“dq0”到“abc”的转换，反之亦然)。在替代实施方式中，变换角度可包括转子角位置(θr)或者其他合适的角位置。通量估计装置126的输出配置为向第一变换块120、122提供估计的转子通量角度(θe)。第二变换块122联接到电流传感器112并且构造成基于变换角度，即估计的转子通量角度(θe)将来自静态参考系的测量变换器电流(ia s，ib s，ic s)174-178变换到同步参考系(id e，iq e)154、156。以类似的方式，第一变换块120构造成基于估计的转子通量角度(θe)将来自同步参考系的命令电压(或电压命令)(vd e*，vq e*)144、146变换到静态参考系(va s*，vb s*，vc s*)148-152，这将在下面更详细地描述。
电流调节装置118通过产生并且/或者提供对应于变换器模块104的命令电压的用于变换器模块104的电压命令来调节变换器模块104的输出电流，使得变换器模块104的测量输出电流被调节到命令马达电流(或电流命令)或者以其他方式跟踪该命令马达电流。电流调节装置118优选实现为同步系电流调节装置，其构造为基于命令电流(id e*，iq e*)(替代地在这里称为同步系电流命令)和测量马达电流(id e，iq e)(替代地在这里称为同步系马达电流)之间的差产生同步参考系中的电压命令(vd e*，vq e*)(替代地在这里称为同步系电压命令)。在此方面，第二求和点115基于q-轴电流命令(iq e*)134和测量的q-轴马达电流(iq e)154之间的差确定q-轴电流误差命令(iq e* _err)140，而第四求和点119基于d-轴电流命令(id e*)138和测量的d-轴马达电流(id e)156之间的差确定d-轴电流误差命令(id e* _err)142。电流调节装置118基于同步系电流误差命令(id e* _err，iq e* _err)142、140产生同步系电压命令(vd e*，vq e*)146、144，同步系电流误差命令(id e* _err，iq e* _err)142、140反映了在同步参考系中表示的命令电流和测量马达电流之间的差。在此方面，电流调节装置118可实现为比例积分微分(PID)控制器、滞后电流控制器、复合矢量电流调节装置或者本领域已知的其他合适的电流调节元件。应当指出，电流调节装置118在电动马达106中产生了基本平衡且对称的电流。
如上所述，第一变换块120将来自电流调节装置118的输出的同步系电压命令(vd e*，vq e*)146、144变换到静态参考系，从而产生对应于变换器模块104的命令电压的三相静态电压命令(va s*，vb s*，vc s*)148、150、152。变换器模块104构造为处理静态电压命令148-152并且产生用于操作功率变换器的相脚的PWM命令信号以便将命令电压以传统方式提供给定子的各相，这在本领域将容易理解。以此方式，同步系电压命令(vd e*，vq e*)144、146的变化在静态电压命令中产生相应的变化，由此产生PWM命令的占空因数以用来调制变换器相脚的切换。在此方面，同步系电压命令(vd e*,vq e*)可被用来估计转子通量(λe)和变换角度(θe)(例如，vd e*≈vd e，vq e*≈vq e)，这基于如下假设：变换器模块104准确地复制定子中的命令电压(va s*，vb s*，vc s*)，并且代替使用电压传感器来感测穿过定子的电压，或者执行其他密集的计算任务以获得马达电压。
现在参考图2，电气系统可构造成执行转子诊断过程200和如下将描述的额外的任务、功能、和操作。所述多种任务可通过软件、硬件、固件或它们的任意组合来执行。为解释目的，下面的描述可参考结合图1在上面提到的元件。实际上，任务、功能和操作可通过所述系统的不同元件，例如变换器模块104、控制模块110、电流调节装置118、通量估计装置126和/或转子诊断模块128，来执行。应当理解，其中可包括任意数量的额外或替代任务，并且任意数量的额外或替代任务可结合到具有这里没有详细描述的额外功能的更综合的过程或程序中。
再参考图2，并继续参考图1以及图3和4，转子诊断过程200被执行以在电流调节控制环的控制下在电动马达操作过程中诊断电动马达的转子。图3和4讨论了转子诊断过程200的示例性变型，其具体调适为分别诊断断裂转子条故障(即，图3和其中示出的第一变型算法300)以及诊断转子偏心故障(即，图4和其中示出的第二变型算法400)，这将在下面进行更详细的描述。
如图2所示，转子诊断过程200开始于产生马达的变换器的输入电流(步骤202)。测量的电流由图1的处理器130基于从图1的电流传感器112所获得的直流(DC)链电流产生。
此外，获取解算器角度(θr)(步骤204)。解算器角度(θr)表示转子的角度。解算器角度(θr)通过图1的解算器系统108由图1的转子诊断块128获得，如图1中的参考标记180所示。解算器角度(θr)来自解算器系统108。解算器角度(θr)以机械弧度为单位表示。解算器角度(θr)用作或用于预备角来计算第一和第二变换角度，如下面结合图3和4更详细地描述的。在图3的实施方式中，解算器角度(θr)用于计算以电弧度为单位所表示的变换角度。这可以通过将以机械弧度为单位的解算器角度(θr)乘以马达的极对311以得出以电弧度为单位的解算器角度。相反，对于图4的特定故障检测，用来计算变换角度的解算器角度以机械弧度为单位进行表示。
还获取通量角度(θe)(步骤206)。通量角度(θe)表示转子的通量的角度。通量角度(θe)从图1的通量估计装置126由图1的转子诊断块128获得，如图1的参考标记168所示。在图3的实施例中，通量角度(θe)还用于计算变换角度。
然后计算第一变换角度(步骤208)。第一变换角度被计算作为使用解算器角度(θr)计算的预备角的第一乘数。第一变换角度优选通过图1的转子诊断块128计算，优选通过图1的其处理器130计算。
还计算第二变换角度(步骤210)。第一变换角度被计算作为用解算器角度(θr)计算的预备角的第一乘数。第一变换角度优选通过图1的转子诊断块128计算，优选通过图1的其处理器130计算。
在图3的实施例中，第一变换角度(在图3中用参考标记350表示)被计算作为滑移角度(θslip)(在图3中表示为参考标记352)的第一倍，该滑移角度(θslip)包括解算器角度(θr)和通量角度(θe)之间的差。还是在这个实施例中，第二变换角度(在图3中表示为参考标记356)被计算作为包括解算器角度(θr)和通量角度(θe)之间的差的滑移角度(θslip)(在图3中表示为参考标记352)的第二倍。在这个实施例中，第一乘数具有负值，第二乘数具有正值，并且第一和第二乘数具有彼此相等的绝对值。在图3的实施例中优选第一乘数等于负2，而第二乘数等于2。
在图4的实施例中，第一变换角度(在图4中表示为参考标记450)被计算作为解算器角度(θr)(在图4中表示为参考标记452)的第一倍。还是在这个实施例中，第二变换角度(在图4中表示为参考标记456)被计算作为解算器角度(θr)452的第二倍。在这个实施例中，第一乘数具有负值，第二乘数具有正值，并且，第一和第二乘数具有彼此相等的绝对值。在图4的实施例中优选第一乘数等于负1，而第二乘数等于1。
如上所述，在图3的实施方式中，用来计算变换角度的解算器角度(θr)以电弧度为单位表示。这可以通过将以机械弧度为单位的解算器角度(θr)乘以马达的极对311以给出电弧度的角度来获得。相反，对于图4的特定故障检测，用来计算变换角度的解算器角度以机械弧度为单位表示。
随后使用第一和第二变换角度对步骤202的马达电流执行变换(步骤212)。优选地对测量的DC链电流，也就是变换器模块的输入电流，进行变换。优选通过图1的转子诊断块128进行变换，最优选通过图1的其处理器130进行变换。
使用不同的变换计算多个故障分量(步骤214)。优选通过图1的转子诊断块128、优选通过图1的其处理器130计算故障分量。
这些故障分量随后被用来计算转子的故障指标(步骤216)。故障指标包括如下所述的值：该值随后被用来与已知的数表或其他数值组对比，以便识别转子中是否存在任何故障，该值还可被用来识别任何这种故障的具体性质和严重性。优选通过图1的转子诊断块128，优选通过图1的其处理器130，计算故障指标。
具体而言，首先进行判定以确定是否具有存在故障的转子(步骤217)。该判定优选通过图1的转子诊断块128进行，最优选通过图1的其处理器130进行，其中使用了步骤216中计算的故障指标并且将故障指标值与对应于转子中的可能故障的已知的数表或者其他数值组对比，这些数表或数值组例如基于现有知识、公开文献和/或实验数据。
如果转子诊断过程200在步骤218中判定不存在故障状况，则该过程返回步骤202，并且步骤202-217重复进行，直至在步骤218的重复中判定发动机的转子中存在故障。如果在步骤218的任何重复中判定转子中存在故障，那么在步骤219中使用在步骤216中计算的故障指标并且比较该故障指标与对应于转子中的可能故障及其严重性的已知数表或者其他数值组来判定故障的具体性质和严重性，上述数表或数值组例如基于现有知识、公开文献和/或实验数据。优选通过图1的转子诊断块128做出这些判定，最优选通过图1的其处理器130进行判定。
优选执行一个或多个补救措施以帮助补救转子的这种故障(步骤220)。补救措施优选适应于在上述步骤219中确定的具体故障及其严重性。此外，通过图1的转子诊断块128启动上述补救措施，优选通过图1的其处理器130启动上述补救措施。
如上所述，图3和4讨论了转子诊断过程200的示例性变型。具体地说，图3示出了用于诊断断裂转子条故障的第一具体改型的第一变型算法，而图4示出了用于诊断转子偏心故障的第二具体改型的第二变型算法，二者均根据示例实施方式给出。下面将先后讨论图3和图4。
在图3的第一变型算法300中，计算用于转子的滑移角度(θslip)(步骤301)。具体而言，在步骤301中从通量角度(θe)减去解算器角度(θr)(如上所述分别变换到图3和4每个不同的实施例的适当的测量单位)以产生该滑移角度(θslip)。这个计算优选由图1的转子诊断块128执行，最优选图1的其处理器130。
通过将第一乘数乘以滑移角度(θslip)来计算第一变换角度(参考图2的步骤208)(步骤302)。第一乘数优选具有负值。在所述的实施例中，第一乘数等于负2。这个计算优选由图1的转子诊断块128执行，最优选图1的其处理器130。
此外，第二变换角度(参考图2的步骤210)通过将第二乘数乘以滑移角度(θslip)来计算(步骤310)。第二乘数优选具有正值。第二乘数的绝对值优选等于第一乘数的绝对值。在所述的实施例中，第二乘数等于2。这个计算优选由图1的转子诊断块128执行，最优选图1的其处理器130。
在上述步骤202中获得并且在变换过程中使用的来自电流传感器112的测量的DC链电流(具体而言，变换器模块的输入电流)的变换(参照步骤212)随后针对步骤202的DC链电流相对于第一和第二变换角度分别根据图3的步骤303和312独立进行。具体地说，第一变换在图3的步骤303中使用同步参考系中的步骤303的第一变换角度并根据下列方程进行：ixcos(-θ)和ixsin(-θ)。此外，第二变换在图3的步骤312中使用故障参考系中的步骤310的第二变换角度并根据下列方程进行：ixcos(-θ)和ixsin(-θ)。步骤303和312的变换优选根据下列方程进行，该方程表示用于诊断转子断裂条故障的第一变型算法300的故障频率，这在下面将进一步讨论：
fbroken bar＝+/-2ksf1，
其中broken bar是断裂条的估计数目，f1是基础频率，s是滑移角度，而k是预定常数。此外，步骤303和312的第一和第二变换分别优选通过图1的转子诊断块128进行，最优选通过图1的其处理器130进行。
随后分别根据图3的步骤304、306、314和316针对步骤202的DC链电流相对于第一和第二变换角度独立地进行故障分量计算(参照步骤214)。具体地说，作为步骤303的第一变换的一部分或跟随步骤303的第一变换，使第一变换结果在步骤304中通过低通数字滤波器，并且第一故障分量在步骤306中被计算为相对于步骤301的第一变换角度和步骤303的第一变换的第一分量部分的平方和的平方根。此外，作为步骤312的第二变换的一部分或跟随步骤312的第二变换，使第二变换结果在步骤314中通过低通数字滤波器，并且第二故障分量在步骤316中被计算为相对于步骤310的第二变换角度和步骤312的第二变换的第二分量部分的平方和的平方根。步骤306的第一故障分量包括故障参考系中的下边带直流值(ILSB)，而步骤316的第二故障分量包括故障参考系中的上边带直流值(IUSB)。优选通过图1的转子诊断块128执行这些计算和步骤，最优选通过图1的其处理器130执行这些计算和步骤。
不同的故障分量随后在步骤318中组合在一起并在步骤319中被标准化以产生步骤320的故障指标。步骤306和316的故障分量优选在步骤318中根据下列方程求和：
IUSB+ILSB＝组合值，
其中ILSB表示下边带电流值(即步骤306的第一故障分量)，IUSB表示上边带电流值(即步骤316的第一故障分量)。因而产生的组合值随后优选在步骤319中相对于无负载电流被标准化。在优选实施方式中，通过图1的转子诊断块128来执行步骤318和319中的计算和标准化，优选通过图1的其处理器130。
随后已标准化的值被用于步骤320的故障指标(也对应于图2的步骤216)。步骤320的故障指标随后可用于在步骤322(也对应于图2的步骤218)中确定转子中一个或多个转子断裂条故障(如果有)的性质和严重程度，并且也能用作步骤324(也对应于图2的步骤220)中的执行补救措施的基础。这两个步骤优选通过图1的转子诊断块128来执行或启动，最优选通过图1的其处理器130。
在图4的第二变型算法400的实施方式中，计算第一变换角度(参照图2的步骤208)(步骤402)。具体而言，在步骤402中解算器角度(θr)(如上所述，其表示为机械弧度)乘以第一乘数以计算第一变换角度。第一乘数优选具有负值。在所述的实施例中，第一乘数等于负1。这个计算优选由图1的转子诊断块128来做出，最优选图1的其处理器130来做出。
此外，计算第二变换角度(参考图2的步骤210)(步骤410)。具体而言，解算器角度(θr)(如上所述，其表示为机械弧度)在步骤410中乘以第二乘数以计算第二变换角度。该第二乘数优选具有正值。该第二乘数的绝对值优选等于第一乘数的绝对值。在所述实施例中，第二乘数等于一。这个计算优选由图1的转子诊断块128来做出，最优选图1的其处理器130来做出。
DC链电流的变换(参照步骤212)随后针对步骤202的DC链电流分别相对于第一和第二变换角度根据图4的步骤404和412独立进行。具体地说，第一变换在图4的步骤404中使用故障参考系中的步骤402的第一变换角度并根据下列方程进行：ixcos(-θ)和ixsin(-θ)。此外，第二变换在图4的步骤412中使用故障参考系中的步骤410的第二变换角度并根据下列方程进行：ixcos(-θ)和ixsin(-θ)。优选通过图1的转子诊断块128、最优选通过图1的其处理器130分别进行步骤404和412的第一和第二变换。步骤404和412的变换优选根据下列方程进行，该方程表示用于诊断转子的转子偏心故障的第二变型算法400的故障频率，这在下面将进一步讨论：
feccentricity＝+/-m(1-s)f1/(p/2)。
此外，步骤404和412的第一和第二变换也分别优选通过图1的转子诊断块128进行，最优选通过图1的其处理器130进行。
随后分别根据图4的步骤406、408、414和416针对步骤202的DC链电流分别相对于第一和第二变换角度进行故障分量计算(参照步骤214)。具体地说，作为步骤404的第一变换的一部分或跟随步骤404的第一变换，使第一变换结果在步骤406中通过低通数字滤波器，并且第一故障分量在步骤408中被计算为相对于步骤402的第一变换角度和步骤404的第一变换的第一分量部分的平方和的平方根。此外，作为步骤412的第二变换的一部分或跟随步骤412的第二变换，使第二变换结果在步骤414中通过低通数字滤波器，并且第二故障分量在步骤416中被计算为相对于步骤410的第二变换角度和步骤412的第二变换的第二分量部分的平方和的平方根。步骤408的第一故障分量包括故障参考系中的下边带电流值，而步骤416的第二故障分量包括故障参考系中的上边带电流值。优选通过图1的转子诊断块128、优选通过图1的其处理器130进行这些计算和步骤。
不同的故障分量随后在步骤417中组合在一起并且在步骤418中被标准化以产生步骤420的故障指标。步骤408和416的故障分量在步骤417中根据下列方程求和：
IUSB+ILSB＝组合值
其中ILSB表示下边带电流值(即步骤408的第一故障分量)，而IUSB表示上边带电流值(即步骤416的第二故障分量)。所产生的组合值随后优选在步骤418中相对于无负载电流被标准化。在一个优选实施方式中，通过图1的转子诊断块128、优选通过图1的其处理器130进行步骤417和418的计算和标准化。
被标准化的值随后用作步骤420(也对应于图2的步骤216)的故障指标。步骤420的故障指标随后可在步骤422(也对应于图2的步骤218)中用来确定转子中的一个或多个转子偏心故障(如果存在)的性质和严重性，并且还可在步骤424(也对应于图2的步骤220)中用作执行补救措施的基础。优选通过图1的转子诊断块128、最优选通过图1的其处理器130执行或启动这些步骤。
由于在上述系统和过程中使用的变换角度和技术，可针对电气系统(例如车辆马达中)的转子进行改进的诊断。例如，所公开的系统和过程提供了一种使用变换器输入DC链电流测量值在线诊断和状态监控感应电机中的转子故障的方法。所公开的系统和过程使用参考系理论方法(Reference Frame Theory approach)，并且设计成在场定向控制(FOC)操作下工作。
例如，在断裂转子条故障的情况下(对应于图3的第一变型算法300)，测量电流可在正确的参考系中根据下列方程变换：
fbroken bar＝+/-2ksf1。
具体地说，通过对存在于FOC系统中的可得信息信号(例如来自解算器或转子位置传感器的马达速度)进行杠杆调节，测量电流可被变换至以-2sf1转动的参考系。在此参考系中，处于-2sf1的各边带分量将表现为DC分量，而存在于DC链电流信号中的其余谐波项将表现为交流谐波分量。使用低通滤波器，该边带分量的幅值可被提取而用于故障严重性评价。
通过另一示例，在转子偏心故障的情况下(对应于图4的第二变型算法400)，所公开的方法和系统还可被扩展到使用在下列方程中提供其频率的正确故障参考系来诊断转子偏心故障：
feccentricity＝+/-m(1-s)f1/(p/2)。
通过监控在该上述方程给出的相应频率下的边带分量的幅值并将其与基线正常数据比较，可以基于边带幅值的变化率识别出是否存在偏心故障，并且还可获得关于这种转子偏心故障(如果存在)的严重性的信息。
因此，所公开的方法和系统提供了用于对在例如汽车工业中的电动马达的转子进行故障诊断的改进的技术。例如，所公开的方法和系统可提供改善的结果，可需要更少的传感器和/或其他装置，并且/或者与现有技术相比可更容易地和/或更节约成本地实施。此外，与现有技术相比，所公开的方法和系统提供了获取和识别故障指示频率分量的改进的技术。
例如，在现有技术中，故障指示频率分量绕电动马达定子电流的基频分量发展，该基频分量难以获取或辨别，特别是在极高的马达转速时，而存在马达定子电流采样极限，这可能潜在地模糊或降低故障指示频率分量的作用。在公开的方法和系统中，故障指示频率分量绕变换器dc链电流的dc(零)频率分量发展，该dc(零)频率分量是无频率相关的，因此可以容易地通过滤波除去。因此，这使得故障指示频率边带分量，也就是±2sf(断裂转子条)或±(1-s)f/(p/2)(偏心故障)，在变换器dc链电流的频谱中更易于辨识，因为没有任何其他别的主导分量在这些边带周围。
应当理解，所公开的方法和系统可从这些示出的附图和这里的描述中进行改变。例如，如上所述，图1的电气系统100的某些元件，例如转子诊断块128、一个或多个其他部件以及/或者其部分可进行改变，并且/或者可以是彼此的一部分并且/或者彼此联接，并且/或者联接到一个或多个其他系统和/或设备。此外，可以理解，转子诊断过程200的某些步骤、第一变型算法300、第二变型算法400以及/或者它们的步骤、部件和/或部分可从图24中的图示和/或这里结合附图进行的描述进行改变，并且/或者可以同时执行和/或以与图24中的图示和/或这里结合附图进行的描述不同的顺序执行。类似地可以理解，所公开的方法和系统可结合多种不同类型的车辆和/或其他设备来实施和/或使用。
虽然在前面的详细描述中提供了至少一个示例实施方式，但是应当理解，还存在大量的变型。还应当理解，这里描述的一个示例实施方式或多个示例实施方式不是用来以任何方式限制要求保护的发明主题的范围、应用或者构造。相反，前面的详细描述将为本领域普通技术人员提供实施所描述的一个实施方式或多个实施方式的方便的指导。应当理解，在不背离权利要求限定的范围的情况下，该范围包括在提交本专利申请时已知的等同方式和可预见的等同方式，可以对元件的功能和设置做出多种改变。

Claims (16)

1.一种用于电动马达的转子的故障诊断的方法，所述电动马达还具有变换器，所述方法包括如下步骤：
获得变换器的电流；
用转子的解算器角度确定预备角；
用变换角度执行所述电流的变换，所述变换角度等于所述预备角与第一乘数的乘积；以及
通过处理器采用所述变换来识别故障状况。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预备角包括所述解算器角度。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述预备角包括所述转子的滑移角度，以及确定所述预备角的步骤包括如下步骤：
计算所述转子的通量角度；
计算所述转子的所述解算器角度；和
从所述通量角度减去所述解算器角度，由此计算出滑移角度。
4.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：
用第二变换角度执行所述电流的第二变换，所述第二变换角度等于所述预备角与第二乘数的乘积；
其中，识别所述故障状况的步骤包括如下步骤：通过所述处理器用所述变换和所述第二变换来识别故障状况。
5.如权利要求4所述的方法，其中：
执行所述变换的步骤包括用故障参考系执行所述变换的步骤；和
执行所述第二变换的步骤包括：用所述故障参考系执行所述第二变换的步骤。
6.如权利要求4所述的方法，其中：
所述第二乘数具有正值；以及
所述乘数具有负值，该负值的绝对值等于所述正值。
7.如权利要求4所述的方法，其中识别所述故障状况的步骤包括如下步骤：
通过数字滤波器处理所述变换的结果，产生第一故障分量；
通过该数字滤波器处理所述第二变换的结果，产生第二故障分量；
用所述第一故障分量和第二故障分量来产生故障指标；和
用所述故障指标识别所述故障状况。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述预备角包括所述解算器角度。
9.如权利要求8所述的方法，其中：
所述第一乘数等于负1；和
所述第二乘数等于1。
10.如权利要求4所述的方法，其中所述预备角包括所述转子的滑移角度，并且确定所述预备角的步骤包括如下步骤：
计算所述转子的通量角度；
计算所述转子的所述解算器角度；和
从所述通量角度减去所述解算器角度，由此计算出滑移角度。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
所述第一乘数等于负2；和
所述第二乘数等于2。
12.一种供电气系统使用的系统，该电气系统包括具有转子和定子的电动马达，和联接在能量源和所述定子之间的变换器模块，所述变换器模块构造成从所述能量源向所述定子提供命令电压，所述系统包括：
电流传感器，联接在所述能量源和所述变换器模块之间，所述电流传感器构造成测量所述变换器模块的输入电流；和
控制模块，联接到所述变换器模块和所述电流传感器，所述控制模块构造成：
　　用所述转子的解算器角度确定预备角；
　　用等于第一乘数乘以所述预备角的第一变换角度来执行所述输入电流的第一变换；
　　用等于第二乘数乘以所述预备角的第二变换角度来执行所述输入电流的第二变换；和
　　用所述第一变换和所述第二变换来识别故障状况。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述预备角包括所述解算器角度。
14.如权利要求13所述的系统，其中：
所述第一乘数等于负1；和
所述第二乘数等于1。
15.如权利要求12所述的系统，其中所述预备角包括所述转子的滑移角度。
16.如权利要求15所述的系统，其中：
所述第一乘数等于负2；和
所述第二乘数等于2。
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