CN103743961A - 一种三相永磁同步电机的缺相检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于三相电机领域，提供了一种三相永磁同步电机的缺相检测方法及检测装置，该方法包括：控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；检测B和C相绕组电流；通过B和C相绕组电流判断电机的B和C相绕组是否缺相；若B或C缺相，则输出故障报警信号；若B和C绕组均不缺相，则控制电机旋转至转子位置角为30°处，并记录电机的旋转角度；根据电机旋转角度判断电机A相绕组是否缺相；若是，则输出故障报警信号。本发明先控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，对B和C相绕组进行缺相判断，再将电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，从而实现对永磁同步电机中星型连接的三相绕组的缺相检测。

Description

一种三相永磁同步电机的缺相检测方法及检测装置

技术领域

本发明属于三相电机领域，尤其涉及一种三相永磁同步电机的缺相检测方法及检测装置。

背景技术

众所周知，电机在启动时，如果缺相会发出异常声音导致电机无法启动，而电机在运行时缺相的话则会致使非缺相绕组电流增大，若不及时停机，则会导致电机绕组被烧毁，造成重大安全隐患，因此通常采用缺相保护电路对电机进行缺相保护。

但是，目前的缺相保护电路，要么只能针对交流感应电机的绕组检测是否存在缺相，而无法对永磁同步电机的绕组进行缺相检测，要么只能针对无刷直流电机三相绕组实现其中两相的缺相检测，而无法检测第三相绕组是否存在缺相，存在安全检测漏洞。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种三相永磁同步电机的缺相检测方法，旨在解决目前无法对永磁同步电机三相绕组实现缺相检测的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种三相永磁同步电机的缺相检测方法，包括下述步骤：

控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；

检测B相绕组电流和C相绕组电流；

通过所述B相绕组电流和所述C相绕组电流判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相；

若B相绕组或C相绕组缺相，则输出故障报警信号；

若B相绕组和C相绕组均不缺相，则控制电机旋转至转子位置角为30度处，并记录电机的旋转角度；

根据电机旋转角度判断电机A相绕组是否缺相；

若是，则输出故障报警信号；

若否，则电机无缺相故障，正常启动电机。

本发明实施例的另一目的在于提供一种三相永磁同步电机的缺相检测装置，所述装置包括：

控制单元，用于根据第一参考值控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，或根据第二参考值控制电机旋转至转子位置角θ=30°处；

检测单元，用于检测B相绕组电流和C相绕组电流，所述检测单元的第一检测端与所述控制单元的第一输出端连接，所述检测单元的第二检测端与所述控制单元的第二输出端连接，所述检测单元的第一电流输出端与所述控制单元的第一电流反馈端连接，所述检测单元的第二电流输出端与所述控制单元的第二电流反馈端连接，所述检测单元的转子位置角输出端与所述控制单元的转子位置角反馈端连接；

处理单元，用于设置所述第一参考值，并通过B相绕组电流和C相绕组电流判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相，在B相绕组或C相绕组缺相时输出故障报警信号，在B相绕组和C相绕组均不缺相时设置第二参考值，并记录电机旋转至转子位置角θ=30°后的旋转角度△θ，根据电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相，在A相绕组缺相时输出故障报警信号，在三相绕组均不缺相时启动电机，所述处理单元的第一输入端与所述检测单元的第一检测端连接，所述处理单元的第二输入端与所述检测单元的第二检测端连接，所述处理单元的第一输出端与所述控制单元的第一参考端连接，所述处理单元的第二输出端与所述控制单元的第二参考端连接。

本发明实施例先控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测方法的流程图；

图2为本发明第二实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测方法的流程图；

图3为本发明第三实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测方法的流程图；

图4为本发明第四实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测方法的流程图；

图5为本发明第五实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测装置的结构图；

图7为本发明实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测装置的优选示例结构图；

图8为本发明实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测装置中驱动模块的优选示例电路结构图；

图9为三相永磁同步电机在转子位置角为0°时，三相绕组均不缺相时三相绕组合成的电流矢量坐标示意图；

图10为三相永磁同步电机在转子位置角为30°时，三相绕组均不缺相时三相绕组合成的电流矢量坐标示意图；

图11为三相永磁同步电机在转子位置角为30°时，A相绕组缺相时三相绕组合成的电流矢量坐标示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例先控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

图1示出了本发明第一实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测方法的流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该三相电机的缺相检测方法包括下述步骤：

在步骤S101中，控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；

在步骤S102中，检测B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c；

在步骤S103中，通过B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相；

若B相绕组或C相绕组缺相，则执行步骤S104，输出故障报警信号；

若B相绕组和C相绕组均不缺相，则执行步骤S105，控制电机旋转至转子位置角θ=30°处，并记录电机的旋转角度△θ；

在步骤S106中，根据电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相；

若是，则执行步骤S104，输出故障报警信号；

若否，则执行步骤S108，电机无缺相故障，正常启动电机。

在本发明实施例中，首先控制电机转子的d轴定位至电枢绕组A相绕组的轴中心处，检测此时电机B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c，将B相绕组电流I_b与预设阈值范围比较，若B相绕组电流I_b处于设置的阈值范围之外，则认为电机B相绕组缺相，输出故障报警信号，否则，认为电机B相绕组不缺相，继续对C相绕组电流I_c进行判断，将C相绕组电流I_c与预设阈值范围比较，若C相绕组电流I_c处于设置的阈值范围之外，则认为电机C相绕组缺相，输出故障报警信号，否则，认为C相绕组不缺相，控制电机旋转至转子位置角θ=30°处，并记录电机的旋转角度△θ，通过电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相，若△θ与缺相角度值相等，或处于缺相角度值的预设范围中，则认为电机A相绕组缺相，输出故障报警信号，否则，认为电机A相绕组不缺相，正常启动电机。

此处，阈值可以通过计算设定，在实际情况中，由于无法准确对采样变量I_b或I_c是否相等进行准确判断，通常将阈值做增减一定范围的余量考虑，该余量的设置可以根据实际需求的精确程度进行设定，例如，B相绕组电流I_b、C相绕组电流I_c的阈值可以设定±10%的余量，使阈值范围变为：90%的阈值至110%的阈值之间，而缺相角度值可以设定±5%的余量，使缺相角度值的范围变为：95%的缺相角度值至105%的缺相角度值之间。

本发明实施例先控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现了对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

图2示出了本发明第二实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测方法的流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该三相电机的缺相检测方法包括下述步骤：

在步骤S201中，令I_d＞0，I_q＝0，θ=0°；

在步骤S202中，将I_d、I_q以及θ作为参考值进行矢量变换，生成PWM信号；

在步骤S203中，根据所述PWM信号驱动电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；

在步骤S204中，检测B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c；

在步骤S205中，通过B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相；

若B相绕组或C相绕组缺相，则执行步骤S206，输出故障报警信号；

若B相绕组和C相绕组均不缺相，则执行步骤S207，记录电机的旋转角度△θ；

在步骤S208中，根据电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相；

若是，则执行步骤S206，输出故障报警信号；

若否，则执行步骤S209，电机无缺相故障，正常启动电机。

在本发明实施例中，电机启动前，令直轴电流I_d＞0，交轴电流I_q＝0，转子位置角θ=0。

比例积分器将I_d、I_q以及转子位置角θ进行比例积分后，生成交轴电压U_q和直轴电压U_d，再通过PARK逆变换生成固定坐标U_α、U_β，通过矢量变换，生成PWM信号，以驱动电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处。

本发明实施例先控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现了对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

图3示出了本发明第三实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测方法的流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该三相电机的缺相检测方法包括下述步骤：

在步骤S301中，控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；

在步骤S302中，检测B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c；

在步骤S303中，设置B相绕组电流I_b的上限阈值和下限阈值；

在步骤S304中，判断B相绕组电流的绝对值|I_b|是否大于等于B相绕组电流I_b的上限阈值的绝对值，或小于等于B相绕组电流I_b的下限阈值的绝对值；

若是，则判定B相绕组缺相，执行步骤S305，输出故障报警信号；

若否，则执行步骤S306，设置C相绕组电流I_c的上限阈值和下限阈值；

在步骤S307中，判断C相绕组电流的绝对值|I_c|是否大于等于C相绕组电流I_c的上限阈值的绝对值，或小于等于C相绕组电流I_c的下限阈值的绝对值；

若是，则判定C相绕组缺相，执行步骤S305，输出故障报警信号；

若否，则判定B相绕组和C相绕组均不缺相，执行步骤S308，并记录电机的旋转角度△θ；

在步骤S309中，根据电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相；

若是，则执行步骤S305，输出故障报警信号；

若否，则执行步骤S310，电机无缺相故障，正常启动电机。

作为本发明一实施例，所述B相绕组电流I_b的上限阈值和所述C相绕组电流I_c的上限阈值均为

所述B相绕组电流I_b的下限阈值和所述C相绕组电流I_c的下限阈值均为 $\frac{1}{2}\left|I_d\right|\·90\%;$

其中I_d为电机的直轴电流。

在本发明实施例中，令I_d＞0，I_q＝0，θ=0°，无论电机的三相绕组为星型连接或是角形连接，均可根据公式：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}=I_d\cos \mathrm{\θ}-I_q\sin \mathrm{\θ}\\ I_{\mathrm{\β}}=I_d\sin \mathrm{\θ}+I_q\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

和公式：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a=I_{\mathrm{\α}}\\ I_b=\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_{\mathrm{\β}}-\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_c=-I_a-I_b\end{array}\right.---\left(2\right)$

有结论：

$\left\{\begin{array}{c}\\ I_a=I_d\\ I_b=-\frac{1}{2}{I}_d\\ I_c=-\frac{1}{2}{I}_d\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，I_a、I_b、I_c分别为电机A相绕组的电流、B相绕组的电流、C相绕组的电流；I_α、I_β为两相静止坐标系下α轴的电流和β轴的电流，I_d为两相旋转坐标系下的直轴电流、I_q为两相旋转坐标系下的交轴电流。

此时，若电机绕组无缺相，则电机A、B、C三相绕组电流合成的电流矢量I_s幅值应为1.5I_d，方向与A相绕组轴线同相，如图9所示。

首先检测B相绕组电流I_b，若B相绕组不缺项，则根据公式（3）得知，

因此将作为B相绕组电流I_b的参考阈值，理论上若B相绕组电流I_b与参考阈值相等，则认为B相绕组不缺项，但是，在实际情况中，特别是在嵌入式软件控制系统中，由于无法准确的判断两个采样值变量是否相等，通常对该参考阈值设定一定的余量，形成参考阈值范围，而该余量的设定则根据实际用户对于检测精度的需求进行设定，通常可以将余量设置为±10%，此时，参考阈值范围的上限阈值则变为

下限阈值则变为

将B相绕组电流I_b分别与上限阈值和下限阈值比较，若|I_b|≥0.55|I_d|或|I_b|≤0.45|I_d|，则可判定B相绕组缺相，否则，继续对C相绕组电流I_c进行判断；

同样，根据公式（3）得知，若C相绕组不缺项，则C相绕组电流I_c应为同样，为了便于实际操作，对参考阈值作±10%的余量考虑，设定参考阈值范围的上限阈值则为 $\frac{1}{2}\left|I_d\right|\×110\%=0.55\left|I_d\right|,$ 下限阈值则为 $\frac{1}{2}\left|I_d\right|\×90\%=0.45\left|I_d\right|,$ 将C相绕组电流I_c分别与上限阈值和下限阈值比较，若|I_c|≥0.55|I_d|或|I_c|≤0.45|I_d|，则可判定C相绕组缺相，输出故障报警信号，否则，控制电机旋转至转子位置角θ=30°处，继续判断电机A相绕组是否缺相。

本发明实施例先控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现了对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

图4示出了本发明第四实施例提供的三相电机的缺相检测方法的流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该三相电机的缺相检测方法包括下述步骤：

在步骤S401中，控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；

在步骤S402中，检测B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c；

在步骤S403中，通过B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相；

若B相绕组或C相绕组缺相，则执行步骤S404，输出故障报警信号；

若B相绕组和C相绕组均不缺相，则执行步骤S405，令I_d＞0，I_q＝0，θ=30°；

在步骤S406中，将I_d、I_q以及θ作为参考值进行矢量变换，生成PWM信号；在步骤S407中，根据PWM信号驱动电机旋转至转子位置角θ=30°处并记录电机的旋转角度△θ；

在步骤S408中，根据电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相；

若是，则执行步骤S404，输出故障报警信号；

若否，则执行步骤S409，电机无缺相故障，正常启动电机。

在本发明实施例中，在判断B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c均不缺相后，令直轴电流I_d＞0，交轴电流I_q＝0，转子位置角θ=30°，经过比例积分以及PARK逆变换后生成固定坐标U_α、U_β，通过矢量变换，生成PWM信号，以驱动电机旋转至转子位置角θ=30°处并记录电机的旋转角度△θ。

本发明实施例先控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现了对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

图5示出了本发明第五实施例提供的三相电机的缺相检测方法的流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该三相永磁同步电机的缺相检测方法包括下述步骤：

在步骤S501中，控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；

在步骤S502中，检测B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c；

在步骤S503中，通过B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相；

若B相绕组或C相绕组缺相，则执行步骤S504，输出故障报警信号；

若B相绕组和C相绕组均不缺相，则执行步骤S505，控制电机旋转至转子位置角θ=30°处，并记录电机的旋转角度△θ；

在步骤S506中，通过计算得出缺相角度值为60°；

在步骤S507中，设置缺相角度值的上限值和下限值；

在步骤S508中，判断电机当前旋转角度△θ是否小于等于缺相角度值的上限值，且大于等于缺相角度值的下限值；

若相同，则判定A相绕组缺相，执行步骤S504，输出故障报警信号；

若不同，则判定A相绕组不缺相，执行步骤S509，电机无缺相故障，正常启动电机。

在本发明实施例中，若B相绕组和C相绕组均不缺相，再令直轴电流I_d＞0，交轴电流I_q＝0，转子位置角θ=30°，记录此时电机旋转过的角度△θ，根据公式(1)和(2)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a=\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_d\\ I_b=0\\ I_c=-\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_d\end{array}\right.$

此时，若电机A相绕组也无缺相，则电机A、B、C三相绕组电流合成的电流矢量I_s幅值应为1.5I_d，方向超前A相绕组轴线30°，如图10所示。

若A相绕组缺相，即I_a=0，则此时电机A、B、C三相绕组电流合成的电流矢量I_s幅值为

方向超前A相绕组轴线60°，如图11所示。

因此，设置缺相角度值为60°，将记录的电机旋转过的角度△θ与缺相角度值相比，若相同，则判定电机A相绕组缺相，在单片机中关断PWM信号的发出，使电机停机并进行故障报警，若不同，则判定A、B、C相均无缺相故障，则正常启动电机。

但是，在实际情况中，由于计算或者检测的过程中均会出现误差，因此通常将缺相角度值做增减一定范围的余量考虑，该余量的设置可以根据实际需求的精确程度进行设定，例如，设定±5%的余量，使缺相角度值的范围变为：95%的缺相角度值至105%的缺相角度值之间。

再判断电机当前旋转角度△θ是否处于该95%的缺相角度值至105%的缺相角度值之间，若电机当前旋转角度△θ处于缺相角度值的预设范围中，则判定电机A相绕组缺相，在单片机中关断PWM信号的发出，使电机停机并进行故障报警，若电机当前旋转角度△θ不处于缺相角度值的预设范围中，则判定A、B、C相均无缺相故障，则正常启动电机。

本发明实施例先控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现了对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

图6示出了本发明实施例提供的三相永磁同步电机的缺相检测装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，该三相电机的缺相检测装置包括：

控制单元11，用于根据第一参考值控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，或根据第二参考值控制电机旋转至转子位置角θ=30°处；

检测单元12，用于检测B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c，检测单元12的第一检测端与控制单元11的第一输出端out1连接，检测单元12的第二检测端与控制单元11的第二输出端out2连接，检测单元12的第一电流输出端Out_I1与控制单元11的第一电流反馈端连接，检测单元12的第二电流输出端Out_I2与控制单元11的第二电流反馈端连接，检测单元12的转子位置角输出端Out_θ与控制单元11的转子位置角反馈端连接；

处理单元13，用于设置所述第一参考值，并通过B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c判断电机M的B相绕组和C相绕组是否缺相，在B相绕组或C相绕组缺相时输出故障报警信号，在B相绕组和C相绕组均不缺相时设置第二参考值，并记录电机旋转至转子位置角θ=30°后的旋转角度△θ，根据电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相，在A相绕组缺相时输出故障报警信号，在三相绕组均不缺相时启动电机，处理单元13的第一输入端与检测单元12的第一检测端连接，处理单元13的第二输入端与检测单元12的第二检测端连接，处理单元13的第一输出端与控制单元11的第一参考端连接，处理单元13的第二输出端与控制单元11的第二参考端连接。在本发明实施例中，首先通过处理单元13设置第一参考值，并将第一参考值输入至控制单元11中，由控制单元11控制电机转子的d轴定位至电枢绕组A相绕组的轴中心处，此时，检测单元12检测此时电机B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c，处理单元13将B相绕组电流I_b与预设阈值范围比较，若B相绕组电流I_b处于设置的阈值范围之外，则认为电机B相绕组缺相，输出故障报警信号，否则，认为电机B相绕组不缺相，继续对C相绕组电流I_c进行判断，将C相绕组电流I_c与预设阈值范围比较，若C相绕组电流I_c处于设置的阈值范围之外，则认为电机C相绕组缺相，输出故障报警信号，否则，认为电机C相绕组不缺相，再次由处理单元13设置第二参考值给控制单元11，通过控制单元11控制电机旋转至转子位置角θ=30°处，并由处理单元13记录电机的旋转角度△θ，处理单元13通过电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相，若△θ与缺相角度值相等，或处于缺相角度值的预设范围中，则认为电机A相绕组缺相，输出故障报警信号，否则，认为电机A相绕组不缺相，正常启动电机。

此处，阈值可以通过计算设定，在实际情况中，特别是在嵌入式软件控制系统中，由于无法准确对采样变量I_b或I_c是否相等进行准确判断，通常将阈值做增减一定范围的余量考虑，该余量的设置可以根据实际需求的精确程度进行设定，例如，B相绕组电流I_b、C相绕组电流I_c的阈值可以设定±10%的余量，使阈值范围变为：90%的阈值至110%的阈值之间，而缺相角度值可以设定±5%的余量，使缺相角度值的范围变为：95%的缺相角度值至105%的缺相角度值之间。

本发明实施例通过控制单元控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，由检测单元检测此时的B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c，并通过处理单元对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现了对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

图7示出了本发明实施例提供的三相电机的缺相检测装置的优选示例结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，所述控制单元11包括：

空间矢量生成模块111，用于根据第一参考值或第二参考值进行矢量变换，生成对应的PWM信号，空间矢量生成模块111的第一电流输入端为控制单元11的第一电流反馈端，空间矢量生成模块111的第二电流输入端为控制单元11的第二电流反馈端，空间矢量生成模块111的转子位置角输入端为控制单元11的转子位置角反馈端，所述空间矢量生成模块的第一参考输入端为所述控制单元的第一参考端，所述空间矢量生成模块的第二参考输入端为所述控制单元的第二参考端；

驱动模块112，用于根据PWM信号驱动电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处或驱动电机旋转至转子位置角θ=30°处，驱动模块112的一个或多个输入端与空间矢量生成模块111的一个或多个输出端连接，驱动模块112的第一输出端为控制单元11的第一输出端out1，驱动模块112的第二输出端为控制单元11的第二输出端out2；

所述第一参考值为：I_d＞0，I_q＝0，θ=0°；

所述第二参考值为：I_d＞0，I_q＝0，θ=30°；

所述I_d为直轴电流，所述I_q为交轴电流，所述θ为转子位置角。

作为本发明一优选实施例，空间矢量生成模块111包括：

第一比例积分器PI1，第一比例积分器PI1的输入端具有一第一节点D1，该第一节点D1的一端为空间矢量生成模块111的第一参考输入端ref1，第一节点D1的另一端为空间矢量生成模块111的转子位置角输入端；

第二比例积分器PI2，第二比例积分器PI2的输入端具有一第二节点D2，该第二节点D2的一端与第一比例积分器PI1的输出端连接，第二节点D2的另一端为空间矢量生成模块111的第二电流输入端；

第三比例积分器PI3，第三比例积分器PI3的输入端具有一第三节点D3，该第三节点PI3的一端为空间矢量生成模块111的第二参考输入端ref2，第三节点D3的另一端为空间矢量生成模块111的第一电流输入端；

PARK逆变换发生器1111，PARK逆变换发生器1111的第一输入端与第二比例积分器PI2的输出端连接，PARK逆变换发生器1111的第二输入端与第三比例积分器PI3的输出端连接；

矢量生成器1112，矢量生成器1112的两输入端分别与PARK逆变换发生器1111的两输出端连接，矢量生成器1112的输出端为空间矢量生成模块111的输出端。

作为本发明一实施例，检测单元12包括：

CLARKE变换发生器121，CLARKE变换发生器121的第一输入端和第二输入端分别为检测单元12的第一检测端和第二检测端；

PARK变换发生器122，PARK变换发生器122的两输入端分别与CLARKE变换发生器121的两输出端连接，PARK变换发生器122的第一输出端和第二输出端分别为检测单元的第一电流输出端Out_I1和第二电流输出端Out_I2；

位置传感器123，位置传感器123的输出端为检测单元的转子位置角输出端Out_θ与PARK变换发生器122的角度输入端连接。

作为本发明一优选实施例，处理单元13可以采用单片机或微处理器实现。

在本发明实施例中，电机启动前，对处理单元13设置第一参考值，包括：直轴电流I_d＞0，交轴电流I_q＝0，转子位置角θ=0，将该转子位置角θ作为角度参考值θ_ref输入给第一比例积分器PI1，将直轴电流I_d＞0作为直轴电流参考值I_dref输入给第三比例积分器PI3，比例积分器将I_d、I_q以及转子位置角θ进行比例积分后，生成交轴电压U_q和直轴电压U_d，再通过PARK逆变换发生器1111进行PARK逆变换，生成固定坐标U_α、U_β，通过矢量生成器1112进行矢量变换，生成PWM1-PWM6信号，以驱动电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处。

由于I_d＞0，I_q＝0，θ=0°，根据公式：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}=I_d\cos \mathrm{\θ}-I_q\sin \mathrm{\θ}\\ I_{\mathrm{\β}}=I_d\sin \mathrm{\θ}+I_q\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

和公式：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a=I_{\mathrm{\α}}\\ I_b=\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_{\mathrm{\β}}-\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_c=-I_a-I_b\end{array}\right.---\left(2\right)$

有结论：

$\left\{\begin{array}{c}\\ I_a=I_d\\ I_b=-\frac{1}{2}{I}_d\\ I_c=-\frac{1}{2}{I}_d\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，I_a、I_b、I_c分别为电机A相绕组的电流、B相绕组的电流、C相绕组的电流；I_α、I_β分别为两相静止坐标系中α轴电流和β轴电流，I_d为两相旋转坐标系中的直轴电流、I_q为两相旋转坐标系中的交轴电流。

此时，若电机绕组无缺相，则电机A、B、C三相绕组电流合成的电流矢量I_s幅值应为1.5I_d，方向与A相绕组轴线同相，如图9所示。

通过检测单元12检测B相绕组电流I_b，若B相绕组不缺项，则根据公式（3）得知，

因此将

作为B相绕组电流I_b的参考阈值，理论上若B相绕组电流I_b与参考阈值相等，则认为B相绕组不缺项，但是，在实际情况中，由于无法准确的判断两个采样值变量是否相等，通常对该参考阈值设定一定的余量，形成参考阈值范围，而该余量的设定则根据实际用户对于检测精度的需求进行设定，通常可以将余量设置为±10%，此时，参考阈值范围的上限阈值则变为 $\frac{1}{2}\left|I_d\right|\×110\%=0.55\left|I_d\right|,$ 下限阈值则变为 $\frac{1}{2}\left|I_d\right|\×90\%=0.45\left|I_d\right|,$ 处理单元13将B相绕组电流I_b分别与上限阈值和下限阈值比较，若|I_b|≥0.55|I_d|或|I_b|≤0.45|I_d|，则可判定B相绕组缺相，否则，继续对C相绕组电流I_c进行判断；

同样，根据公式（3）得知，若C相绕组不缺项，则C相绕组电流I_c应为同样，为了便于实际操作，对参考阈值作±10%的余量考虑，设定参考阈值范围的上限阈值则为 $\frac{1}{2}\left|I_d\right|\×110\%=0.55\left|I_d\right|,$ 下限阈值则为 $\frac{1}{2}\left|I_d\right|\×90\%=0.45\left|I_d\right|,$ 处理单元13将C相绕组电流I_c分别与上限阈值和下限阈值比较，若|I_c|≥0.55|I_d|或|I_c|≤0.45|I_d|，则可判定C相绕组缺相，输出故障报警信号，否则，控制电机旋转至转子位置角θ=30°处，继续判断电机A相绕组是否缺相。

在判断B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c均不缺相后，再向处理单元设置第二参考值，包括：直轴电流I_d＞0，交轴电流I_q＝0，转子位置角θ=30°，将该转子位置角θ作为角度参考值θ_ref输入给第一比例积分器PI1，将直轴电流I_d＞0作为直轴电流参考值I_dref输入给第三比例积分器PI3，比例积分器将I_d、I_q以及角速度w进行比例积分后，生成交轴电压U_q和直轴电压U_d，再通过PARK逆变换发生器1111进行PARK逆变换，生成固定坐标U_α、U_β，通过矢量生成器1112进行矢量变换，生成PWM1-PWM6信号，以驱动电机旋转至转子位置角θ=30°处并记录电机的旋转角度△θ。

根据公式(1)和(2)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a=\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_d\\ I_b=0\\ I_c=-\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_d\end{array}\right.---\left(4\right)$

此时，若电机A相绕组也无缺相，则电机A、B、C三相绕组电流合成的电流矢量I_s幅值应为1.5I_d，方向超前A相绕组轴线30°，如图10所示。

若A相绕组缺相，即I_α=0，则此时电机A、B、C三相绕组电流合成的电流矢量I_s幅值为

方向超前A相绕组轴线60°，如图11所示。

因此，设置缺相角度值为60°，处理单元13将记录的电机旋转过的角度△θ与缺相角度值相比，若相同，则判定电机A相绕组缺相，控制矢量生成器1113关断PWM信号的发出，使电机停机并进行故障报警，若不同，则判定A、B、C相均无缺相故障，则正常启动电机。

但是，在实际情况中，由于计算或者检测的过程中均会出现误差，因此通常将缺相角度值做增减一定范围的余量考虑，该余量的设置可以根据实际需求的精确程度进行设定，例如，设定±5%的余量，使缺相角度值的范围变为：95%的缺相角度值至105%的缺相角度值之间。

再判断电机当前旋转角度△θ是否处于该95%的缺相角度值至105%的缺相角度值之间，若电机当前旋转角度△θ处于缺相角度值的预设范围中，则判定电机A相绕组缺相，在单片机中关断PWM信号的发出，使电机停机并进行故障报警，若电机当前旋转角度△θ不处于缺相角度值的预设范围中，则判定A、B、C相均无缺相故障，则正常启动电机。

在本发明实施例中，位置传感器123将检测到电机M的位置角θ反馈给第一比例积分器PI1，同时，CLARKE变换发生器121将检测到的B相绕组电流I_b、C相绕组电流I_c进行CLARKE变换，生成固定坐标I_α、I_β，再将固定坐标I_α、I_β通过PARK变换发生器122进行PARK变换，生成I_d为旋转坐标中的直轴电流、I_q为旋转坐标中的交轴电流反馈给第二比例积分器PI2和第三比例积分器PI3，空间矢量生成模块111根据反馈值对输出的PWM信号进行调整，进而通过驱动模块112调节电机M的输出电流，例如，若检测到输出电流过大，则控制PWM信号减小占空比，以降低电机M的电压输入，若检测到输出电流过小，则控制PWM信号增大占空比，以增大电机M的电压输入。

本发明实施例通过控制单元控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，由检测单元检测此时的B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c，并通过处理单元对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现了对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

图8示出了本发明实施例提供的三相电机的缺相检测装置中驱动模块的优选示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

作为本发明一实施例，驱动模块112包括：

第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6，以及电阻R1、电阻R2；

第一开关管Q1至第三开关管Q3的电流输入端与电源电压连接，第一开关管Q1至第三开关管Q3的电流输出端与第四开关管Q4至第六开关管Q6的电流输入端连接，第四开关管Q4的电流输出端接地，第五开关管Q5、第六开关管Q6的电流输出端分别通过采样电阻R1、采样电阻R2接地，第一开关管Q1至第六开关管Q6的控制端分别为驱动模块112的多个输入端，第一开关管Q1的电流输出端与电机A相绕组连接，第二开关管Q2的电流输出端为驱动模块112的第二输出端out2与电机B相绕组连接，第三开关管Q3的电流输出端为驱动模块112的第一输出端out1与电机C相绕组连接。

作为本发明一优选实施例，第一开关管Q1至第六开关管Q6可以采用三极管，以NPN型三极管为例，NPN型三极管的集电极为第一开关管Q1至第六开关管Q6的电流输入端，NPN型三极管的发射极为第一开关管Q1至第六开关管Q6的电流输出端，NPN型三极管的基极为第一开关管Q1至第六开关管Q6的控制端。

第一开关管Q1至第六开关管Q6还可以采用MOS管实现，以N型MOS管为例，N型MOS管的漏极为第一开关管Q1至第六开关管Q6的电流输入端，N型MOS管的源极为第一开关管Q1至第六开关管Q6的电流输出端，N型MOS管的栅极为第一开关管Q1至第六开关管Q6的控制端。

在本发明实施例中，通过PWM信号控制开关管的导通或截止，实现对电机M的驱动控制，并可以通过调整PWM信号的占空比调节电机M的输入电压，该实现原理为本领域技术人员熟知，此处不再赘述。

本发明实施例通过控制单元控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，由检测单元检测此时的B相绕组电流I_b和C相绕组电流I_c，并通过处理单元对B相绕组和所述C相绕组进行缺相判断，在无缺相时，再控制电机旋转至转子位置角为30度处，对A相绕组进行缺相判断，实现了对永磁同步电机中星型绕组进行三相绕组的缺相检测，完善了缺相检测方法，提高电机在运行过程中的安全性。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种三相永磁同步电机的缺相检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；

检测B相绕组电流和C相绕组电流；

通过所述B相绕组电流和所述C相绕组电流判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相；

若B相绕组或C相绕组缺相，则输出故障报警信号；

若B相绕组和C相绕组均不缺相，则控制电机旋转至转子位置角为30度处，并记录电机的旋转角度；

根据电机旋转角度判断电机A相绕组是否缺相；

若是，则输出故障报警信号；

若否，则电机无缺相故障，正常启动电机。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处的步骤具体为：

令I_d＞0，I_q＝0，θ=0°；

将所述I_d、所述I_q以及所述θ作为参考值进行矢量变换，生成PWM信号；

根据所述PWM信号驱动电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处；

所述I_d为直轴电流，所述I_q为交轴电流，所述θ为转子位置角。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测B相绕组电流和C相绕组电流，并通过所述B相绕组电流和所述C相绕组电流判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相的步骤具体为：

检测B相绕组电流和C相绕组电流；

设置所述B相绕组电流的上限阈值和下限阈值；

判断所述B相绕组电流的绝对值是否大于等于所述B相绕组电流的上限阈值的绝对值，或小于等于所述B相绕组电流的下限阈值的绝对值；

若是，则判定B相绕组缺相；

若否，则设置所述C相绕组电流的上限阈值和下限阈值；

判断所述C相绕组电流的绝对值是否大于等于所述C相绕组电流的上限阈值的绝对值，或小于等于所述C相绕组电流的下限阈值的绝对值；

若是，则判定C相绕组缺相；

若否，则判定B相绕组和C相绕组均不缺相。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述B相绕组电流的上限阈值和所述C相绕组电流的上限阈值均为

所述B相绕组电流的下限阈值和所述C相绕组电流的下限阈值均为 $\frac{1}{2}\left|I_d\right|\·90\%;$

其中I_d为电机的直轴电流。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制电机旋转至转子位置角为30度处的步骤具体为：

令I_d＞0，I_q＝0，θ=30°；

将所述I_d、所述I_q以及所述θ作为参考值进行矢量变换，生成PWM信号；

根据所述PWM信号驱动电机旋转至转子位置角θ=30°处；

所述I_d为直轴电流，所述I_q为交轴电流，所述θ为转子位置角。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电机旋转角度判断电机A相绕组是否缺相的步骤具体为：

通过计算得出缺相角度值为60°；

设置所述缺相角度值的上限值和下限值；

判断电机当前旋转角度是否小于等于所述缺相角度值的上限值，且大于等于所述缺相角度值的下限值；

若是，则判定A相绕组缺相；

若否，则判定A相绕组不缺相。

7.一种三相永磁同步电机的缺相检测装置，其特征在于，所述装置包括：

控制单元，用于根据第一参考值控制电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处，或根据第二参考值控制电机旋转至转子位置角θ=30°处；

检测单元，用于检测B相绕组电流和C相绕组电流，所述检测单元的第一检测端与所述控制单元的第一输出端连接，所述检测单元的第二检测端与所述控制单元的第二输出端连接，所述检测单元的第一电流输出端与所述控制单元的第一电流反馈端连接，所述检测单元的第二电流输出端与所述控制单元的第二电流反馈端连接，所述检测单元的转子位置角输出端与所述控制单元的转子位置角反馈端连接；

处理单元，用于设置所述第一参考值，并通过B相绕组电流和C相绕组电流判断电机的B相绕组和C相绕组是否缺相，在B相绕组或C相绕组缺相时输出故障报警信号，在B相绕组和C相绕组均不缺相时设置第二参考值，并记录电机旋转至转子位置角θ=30°后的旋转角度△θ，根据电机旋转角度△θ判断电机A相绕组是否缺相，在A相绕组缺相时输出故障报警信号，在三相绕组均不缺相时启动电机，所述处理单元的第一输入端与所述检测单元的第一检测端连接，所述处理单元的第二输入端与所述检测单元的第二检测端连接，所述处理单元的第一输出端与所述控制单元的第一参考端连接，所述处理单元的第二输出端与所述控制单元的第二参考端连接。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括：

空间矢量生成模块，用于根据第一参考值或第二参考值进行矢量变换，生成对应的PWM信号，所述空间矢量生成模块的第一电流输入端为所述控制单元的第一电流反馈端，所述空间矢量生成模块的第二电流输入端为所述控制单元的第二电流反馈端，所述空间矢量生成模块的转子位置角输入端为所述控制单元的转子位置角反馈端，所述空间矢量生成模块的第一参考输入端为所述控制单元的第一参考端，所述空间矢量生成模块的第二参考输入端为所述控制单元的第二参考端；

驱动模块，用于根据PWM信号驱动电机转子的直轴定位至电机A相绕组的轴中心处或驱动电机旋转至转子位置角θ=30°处，所述驱动模块的一个或多个输入端与所述空间矢量生成模块的一个或多个输出端连接，所述驱动模块的第一输出端为所述控制单元的第一输出端，所述驱动模块的第二输出端为所述控制单元的第二输出端；

所述第一参考值为：I_d＞0，I_q＝0，θ=0°；

所述第二参考值为：I_d＞0，I_q＝0，θ=30°；

所述I_d为直轴电流，所述I_q为交轴电流，所述θ为转子位置角。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述空间矢量生成模块包括：

第一比例积分器，所述第一比例积分器的输入端具有一第一节点，所述第一节点的一端为所述空间矢量生成模块的第一参考输入端，所述第一节点的另一端为所述空间矢量生成模块的转子位置角输入端；

第二比例积分器，所述第二比例积分器的输入端具有一第二节点，所述第二节点的一端与所述第一比例积分器的输出端连接，所述第二节点的另一端为所述空间矢量生成模块的第二电流输入端；

第三比例积分器，所述第三比例积分器的输入端具有一第三节点，所述第三节点的一端为所述空间矢量生成模块的第二参考输入端，所述第三节点的另一端为所述空间矢量生成模块的第一电流输入端；

PARK逆变换发生器，所述PARK逆变换发生器的第一输入端与所述第二比例积分器的输出端连接，所述PARK逆变换发生器的第二输入端与所述第三比例积分器的输出端连接；

矢量生成器，所述矢量生成器的两输入端分别与所述PARK逆变换发生器的两输出端连接，所述矢量生成器的输出端为所述空间矢量生成模块的输出端。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述驱动模块包括：

第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管，以及电阻R1、电阻R2；

所述第一开关管至所述第三开关管的电流输入端与电源电压连接，所述第一开关管至所述第三开关管的电流输出端与所述第四开关管至所述第六开关管的电流输入端连接，所述第四开关管的电流输出端接地，所述第五开关管、所述第六开关管的电流输出端分别通过所述电阻R1、所述电阻R2接地，所述第一开关管至所述第六开关管的控制端分别为所述驱动模块的多个输入端，所述第一开关管的电流输出端与电机A相绕组连接，所述第二开关管的电流输出端为所述驱动模块的第二输出端与电机B相绕组连接，所述第三开关管的电流输出端为所述驱动模块的第一输出端与电机C相绕组连接。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述检测单元包括：

CLARKE变换发生器，所述CLARKE变换发生器的第一输入端和第二输入端分别为所述检测单元的第一检测端和第二检测端；

PARK变换发生器，所述PARK变换发生器的两输入端分别与所述CLARKE变换发生器的两输出端连接，所述PARK变换发生器的第一输出端和第二输出端分别为所述检测单元的第一电流输出端和第二电流输出端；

位置传感器，所述位置传感器的输出端为所述检测单元的转子位置角输出端与所述PARK变换发生器的角度输入端连接。

12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理单元为单片机或微处理器。

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