CN103701372A - 一种同步电机的失步检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种同步电机的失步检测方法，包括以下步骤：检测同步电机的电角度，其中，电角度至少包括间隔预定时间检测的第一和第二电角度且第二电角度的检测时间晚于第一电角度的检测时间；比较第一电角度和第二电角度；以及当比较结果满足预定条件时，判定同步电机失步。根据本发明的实施例，根据测量的电角度，实时计算出电角度的变化量。正常情况下正转时的电角度应该为递增的。当判断出现电角度不变或递减、或者变化量较小时即可以判断为电机已经失步，从而可进行关波等进一步保护处理，由此防止故障损害的进一步扩大，降低损失并提高安全性。

Description

一种同步电机的失步检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域。特别涉及一种同步电机的失步检测方法。

背景技术

永磁同步电机（PMSM）的控制方法分为有位置传感器控制和无位置传感器控制，对于有位置传感器的电机控制来说，电机的磁场位置是通过位置传感器检测确定的。而无位置传感器控制的转子位置是通过软件中的位置估算模块来估算的。失步是相对于同步来定义的，即定子的旋转磁场和转子磁钢磁场转动不同步。在PMSM系统中，系统负载过高或电机本身性能下降等原因会导致失步出现，电机失步后，其转速一般是不可控的，会产生严重后果，从而来带严重的损失以及安全隐患。通常而言，电机失步包括以下三种情况：

1、失步后无旋转磁场：即定子磁场和转子都不旋转。

2、失步后电机反转：因负载冲击或其他原因，致使电机转子出现了反转现象。

3、失步后转子堵转：即转子堵转而定子磁场旋转。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种可精确判断同步电机是否发生失步的同步电机的失步检测方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供了一种同步电机的失步检测方法，包括以下步骤：检测同步电机的电角度，其中，所述电角度至少包括间隔预定时间检测的第一和第二电角度且所述第二电角度的检测时间晚于第一电角度的检测时间；比较所述第一电角度和第二电角度；以及当比较结果满足预定条件时，判定所述同步电机失步。

根据本发明实施例的同步电机的失步检测方法，根据测量的电角度，实时计算出电角度的变化量。正常情况下正转时的电角度应该为递增的。当判断出现电角度不变或递减、或者变化量较小时即可以判断为电机已经失步，从而可进行关波等进一步保护处理，由此防止故障损害的进一步扩大，降低损失并提高安全性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法中同步电机正常运行时的电角度的波形图；

图3是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法中同步电机发生第二失步类型的失步时的电角度的波形图；

图4是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法的流程图；以及

图5是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法中同步电机发生第三失步类型的失步时的三相电流的波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的同步电机的失步检测方法。

图1是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法的流程图。

如图1所示，根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法，包括以下步骤：

步骤S101，检测同步电机的电角度，其中，电角度至少包括间隔预定时间检测的第一和第二电角度且第二电角度的检测时间晚于第一电角度的检测时间，在该实例中，预定时间可以为但不限于：在位位置控制算法中的一个程序控制周期，即一个程序周期，第一电角度为一个周期内的电角度，而第二电角度为下一周期内的电角度。检测电角度的条件为在控制进入闭环控制之后，例如，首先判断是否对同步电机的控制进入了闭环控制阶段，如果是则检测用于同步电机控制的电角度（Theta）。具体地，检测同步电机的电角度的步骤包括：

第一步，获取α-β坐标系中α轴的第一电压和第一电流以及β轴的第二电压和第二电流。即在无位置控制算法中，经过电流内环的PI调节和坐标变换，可以得到α、β轴的电压V_α和V_β、电流I_α和I_β，其中，第一电压为V_α、第一电流为I_α，第二电压为V_β、第二电流为I_β。

第二步，根据第一电压V_α、第一电流I_α、第二电压V_β和第二电流I_β得到感应电动势。例如根据公式： $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}=I_{\mathrm{\α}}R+L\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}+E_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}=I_{\mathrm{\β}}R+L\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}+E_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.,$ 计算得到感应电动势，感应电动势包括E_α和E_β。

第三步，根据感应电动势和同步电机的感应电动势常数得到同步电机的瞬时角速度。具体地，将感应电动势E_α和E_β转成Ed和Eq，其中，Ed为d轴的感应电动势，Eq为q轴的感应电动势；对Eq进行校正后除以感应电动势常数便得到同步电机的瞬时角速度，其中，对Eq的校正方法为：当Eq大于零时，将Eq减Ed，小于零则加Ed。在该实例中，取同步电机在额定转速下的定子绕组的感应电压作为感应电动势常数。

第四步，对瞬时角速度进行积分以得到电角度。换言之，瞬时角速度经过时间积分，便可以得到电角度。第一至第四步阐述了电角度的计算方法，而第一电角度和第二电角度均可采用该方法计算得到。

步骤S102，比较第一电角度和第二电角度。由于在基于无位置控制算法中永磁同步电机在正常工作时，每个程序周期之后，在同步电机正转时，电角度应该是递增的且增量应满足一定的条件，因此，可通过判断第一电角度和第二电角度的大小，或者判断第二电角度与第一电角度之间的差值或者变化量大小来确定电角度的增量是否为正值的方式判断同步电机是否发生失步。例如，比较第一电角度和第二电角度的步骤包括：

第一步，将第二电角度与第一电角度做差。

第二步，判断差值是否小于第一预定角度，换言之，判断每个程序周期内电角度增量是否大于第一预定角度。在正常情况下，每个程序周期内电角度的增强应大于一个理论上最小的变化量，即第一预定角度。在该实例中，第一预定角度可由以下公式得到：

θ=PωT，

其中，θ为第一预定角度，P为同步电机极对数，ω为机械角速度，T为预定时间（程序周期）。

第三步，如果差值小于第一预定角度，则判断比较结果满足预定条件。

如图2所示，是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法中同步电机正常运行时的电角度的波形图。从图2中可以看出，同步电机正常运行时，电角度（Theta）呈递增趋势。

步骤S103，当比较结果满足预定条件时，判定同步电机失步。换言之，当每个程序周期内电角度增量较小时（小于第一预定角度），可判定同步电机失步，在本发明的一个实施例中，为了提高判准确性，可以判断在连续的多个程序周期内，例如10个程序周期中，每相邻两个程序周期内电角度的增量均小于该第一预定角度后，判定为同步电机失步，由此，提高失步判断的准确性。

根据本发明实施例的同步电机的失步检测方法，根据测量的电角度，实时计算出电角度的变化量。正常情况下正转时的电角度应该为递增的。当判断出现电角度不变或递减、或者变化量较小时即可以判断为电机已经失步，从而可进行关波等进一步保护处理，由此防止故障损害的进一步扩大，降低损失并提高安全性。

对于同步电机的失步而言，失步包括多种类型。例如：(1)无旋转磁场的失步，即定子磁场和转子均不旋转的失步。（2）电机反转的失步，即同步电机的转子反转的失步。（3）转子堵转的失步，即转子堵转而定子磁场旋转的失步。针对上述三种情况，本发明实施例的方法还能够判断同步电机失步类型，由此方便查找导致失步的原因，从而进行相应的处理，避免类似失步的再次发生，提高安全性并降低损失。

具体地，在本发明的一个实施例中，根据比较结果判断同步电机失步类型，其中，同步电机失步类型包括第一失步类型和第二失步类型。以下以第一失步类型为无旋转磁场的失步，即定子磁场和转子均不旋转的失步，第二失步类型为电机反转的失步，即同步电机的转子反转的失步进行类型判断。

更为具体地，当判断差值小于第一预定角度之后，可通过以下步骤判断失步类型。

第一步，判断差值是否大于或等于第二预定角度。第二预定角度为0。

第二步，如果判断差值大于第二预定角度，则判定为第一失步类型。这是由于在无旋转磁场的失步，即定子磁场和转子均不旋转的失步时，失步时的出现特殊位置和负载情况，推算出来的感应电动势的值不正常。此时，根据无位置算法的速度估算和角度推算，得到速度增量为零，故角度的增量也为零或者趋近于零，直接导致每个程序周期内电角度的增量很小并且大于或等于0。因此，当判定每个程序周期中电角度的增量大于或等于0而又小于没有失步时的最小变化量（第一预定角度）时，则可判定是由于定子磁场和转子均不旋转导致的失步。

第三步，如果判断差值小于第二预定角度，则判定为第二失步类型。由于第二预定角度为0，则可认为当程序周期内电角度的变化量为负值时，判定为第二失步类型，具体地，由于负载冲击或其他原因，致使电机转子出现了反转现象。当转子反转之后，计算得到的电动势也变成负数，程序中估算出来的电角度的步进值就变成了负值，其累加的结果就是电角度变成了递减。因此，当判定每个程序周期中电角度的增量为负数时，则可判定失步后转子反转了。

如图3所示，是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法中同步电机发生第二失步类型的失步时的电角度的波形图。从图3中可以看出，当发生第二失步类型的失步后，电角度（Theta）呈递减趋势。

同步电机失步类型还包括第三失步类型。以下以第三失步类型为转子堵转的失步，即转子堵转而定子磁场旋转的失步为例进行类型判断。如图4所示，根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法，包括以下步骤：

步骤S401，如果判断比较结果不满足预定条件，则进一步获取同一周期内同步电机的三相电流。具体地，通过电流霍尔传感器检测电流，将三相中任意两相的引线分别穿过一个霍尔传感器，当线束中有电流经过时，在霍尔传感器中就会感应出与实际电流等比例的电压信号，通过DSP对电压信号进行采样，然后根据变换比例将电压信号还原成实际的电流，在得到上述任意两相的电流后，根据以下公式计算另外一相电流，该公式为：

I_A+I_B+I_C=0，

其中，I_A、I_B和I_C表示A、B和C三相电流中。

步骤S402，计算三相电流中每相电流的最大值。具体地，对于一个周期内三相电流取绝对值，求出每相的最大值，优选地，为了提高电流检测精度，可连续多次获取三相电流的每一项的最大值，例如取5次，然后将每一相电流对应的5个最大值进行排序，取中间值作为后续比较时的最大值，这样，提高电流检测的精度，避免误判的发生。

步骤S403，判断三个最大值中最大的一个和最小的一个的比值是否大于或等于预定阈值。该预设阈值通常设为1.3左右。为了进一步提高判断的准确性，可进行多次获取上述三个最大值和最小值，且每一次的比值均大于或等于该预定阈值后，判定为三相电失衡，即判定同步电机失步。具体地，因电机堵转后，转子位置静止不动，转子磁钢的磁场固定不变，而处于磁极位置处的磁场强度最大。如果在停止的那一瞬间，Q轴感应电动势仍存在的话，根据无位置角度和速度的算法，仍能计算出定子转速和角度增量，所以角度仍然会类似正常变化。角度的变化使合成磁场旋转，旋转磁场切割定子绕组后会产生感应电动势。根据以下公式可知在给定U相同的情况下，电流I的大小是由磁场强度B决定的，所以，三相定子线圈绕组处于不同的磁场下，直接造成了电流大小的不一样，从而出现了三相电流不平衡（三相电流失衡）的现象，而对于三相电流失衡的判定，为三个最大值中最大的一个和最小的一个的比值如果大于或等于1.3时，则可判定三相电流失衡，因此从电流的变换可判断出同步电机是否出现第三失步类型的失步。其中，公式为：

U=R*I+L*dI/dt+N*BLV。

步骤S404，如果是，则判定同步电机失步且为第三失步类型的失步。由此，根据三相电流值，实时计算出三相电流的关系。正常情况下三相电流应该为幅值相等相位互差120度的正弦波。当出现三相电流不平衡时，即可以判断为电机已经失步，从而能够及时处理后续的补救工作，避免事故的发生并降低损失。

如图5所示，是根据本发明一个实施例的同步电机的失步检测方法中同步电机发生第三失步类型的失步时的三相电流的波形图。图5中，仅仅示出了A、C相电流波形，从波形图中可以看出，发生第三失步类型的失步后，三相电流的幅值出现一大一小的情况，而相位仍正常变化。

进一步地，在判断同步电机失步之后，即无论何种类型的失步，本发明的实施例可进行关波处理，即关断PWM波以对同步电机进行保护，例如控制功率桥6路PWM波关断。由此，对同步电机进行保护且避免事故的发生，防止事故的进一步扩大，提升设备的可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种同步电机的失步检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测同步电机的电角度，其中，所述电角度至少包括间隔预定时间检测的第一和第二电角度且所述第二电角度的检测时间晚于第一电角度的检测时间；

比较所述第一电角度和第二电角度；以及

当比较结果满足预定条件时，判定所述同步电机失步。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定时间为一个程序周期。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测同步电机的电角度的步骤包括：

获取α-β坐标系中α轴的第一电压和第一电流以及β轴的第二电压和第二电流；

根据所述第一电压、第一电流、第二电压和第二电流得到感应电动势；

根据所述感应电动势和同步电机的感应电动势常数得到同步电机的瞬时角速度；以及

对所述瞬时角速度进行积分以得到所述电角度。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述比较第一电角度和第二电角度的步骤包括：

将所述第二电角度与所述第一电角度做差；

判断差值是否小于第一预定角度；以及

如果所述差值小于所述第一预定角度，则判断所述比较结果满足所述预定条件。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述比较结果判断所述同步电机失步类型，其中，所述同步电机失步类型包括第一失步类型和第二失步类型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其中，当判断所述差值小于所述第一预定角度之后，还包括：

判断所述差值是否大于第二预定角度；

如果判断所述差值大于或等于所述第二预定角度，则判定为第一失步类型；

如果判断所述差值小于所述第二预定角度，则判定为第二失步类型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一预定角度由以下公式得到：

θ=PωT，

其中，θ为所述第一预定角度，所述P为同步电机极对数，ω为机械角速度，T为所述预定时间，所述第二预定角度为0。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述同步电机失步类型还包括第三失步类型。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

如果判断所述比较结果不满足所述预定条件，则进一步获取同一周期内所述同步电机的三相电流；

计算所述三相电流中每相电流的最大值；

判断三个最大值中最大的一个和最小的一个的比值是否大于或等于预定阈值；

如果是，则判定所述同步电机失步且为第三失步类型的失步。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在判断所述同步电机失步之后，还包括：关断PWM波以对所述同步电机进行保护。

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