CN103926505A - 定子绕组诊断系统和方法 - Google Patents

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CN103926505A CN201410011607.XA CN201410011607A CN103926505A CN 103926505 A CN103926505 A CN 103926505A CN 201410011607 A CN201410011607 A CN 201410011607A CN 103926505 A CN103926505 A CN 103926505A
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Abstract

本发明涉及定子绕组诊断系统和方法。提供用于诊断电动马达中的定子绕组的系统和方法。用于诊断电动马达中的定子绕组的示例性方法包括：确定在所述电动马达的电气周期中跨过所述定子绕组的相位的输入能量不平衡程度；以及当所述输入能量不平衡程度大于第一阈值时识别故障状况。在一些实施例中，跨过定子绕组的相位的输入能量比也针对该电气周期被确定，其中当所述输入能量比大于第二阈值并且所述输入能量不平衡程度大于所述第一阈值时，所述故障状况被识别为相位间短路故障状况；或替代性地当所述输入能量比小于第二阈值时，所述故障状况被识别为相位内短路故障状况。

Description

定子绕组诊断系统和方法
技术领域
本文描述的主题内容的实施例总体上涉及车辆电气系统，且更具体地涉及在机动车辆的操作期间用于诊断电动马达的定子绕组中的故障状况的系统和方法。 
背景技术
近年来，技术的进步以及一直在发展的款式品位导致机动车设计的显著变化。电动马达（或电机）正在机动车行业中找到增长数量的应用，这是由于机动车驱动系统的电气化。电动和/或混合动力车辆将电动马达用作机动车驱动系统中的主要或补充扭矩源。这些电动马达预期在极端操作状况下高可靠地运行延长时间段。但是，随着时间的经过，施加到电动马达的操作应力可能使得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，这继而可能导致定子绕组的单独匝数的局部短路和/或开路。因此，期望检测定子绕组的降级，以有利于维护该马达并且确保在车辆的寿命期间马达的可靠操作。 
为了诊断定子绕组，一些常见的现有技术采用电压注入（或电流注入（injection）），所述电压注入可能潜在地影响马达的操作。替代性技术采用基于傅里叶的分析或其他频域分析，这需要相对较大量的计算资源和响应时间的相应延迟。已经提出了基于神经网络的诊断技术，但是这些技术通常受限于马达的具体类型和/或需要不期望量的时间和/或数据来训练该神经网络（例如，机器学习）。因此，期望提供允许定子绕组中的故障状况被尽可能快地识别而不需要显著地增加计算资源或者潜在地干扰马达的在其它方面正常操作的系统和方法。此外，本发明的其他期望特征和特性从后面的详细说明和所附权利要求书结合附图以及前述技术领域和背景技术将显而易见。 
发明内容
在各个示例性实施例中的一个中，提供一种用于诊断电动马达中的定子绕组的方法。在各个实施例中的一个中，所述方法包括：确定在所述电动马达的电气周期中跨过所述定子绕组的相位的输入能量不平衡程度；以及当所述输入能量不平衡程度大于第一阈值时识别故障状况。 
根据各个示例性实施例中的另一实施例，还提供一种适合用于机动车辆的电气系统。在一个实施例中，该系统包括：具有定子绕组的电动马达，每个定子绕组对应于所述电动马达的相应相位；逆变器模块，所述逆变器模块联接到所述定子绕组以响应于与所述电动马达的相位对应的电压指令将指令电压从能量源提供至所述电动马达的定子绕组；多个电流传感器，所述电流传感器联接在所述逆变器模块和所述定子绕组之间，以获得通过所述定子绕组的测量电流；以及控制模块，所述控制模块联接到所述逆变器模块和所述多个电流传感器。所述控制模块基于所述测量电流与指令电流之间的差来产生与所述指令电压对应的电压指令，基于所述电压指令和测量电流来确定所述电动马达的相位之间的输入能量差，以及基于所述输入能量差来识别所述定子绕组中的故障状况。 
方案1. 一种用于诊断电动马达中的定子绕组的方法，所述方法包括： 
确定在所述电动马达的电气周期中跨过所述定子绕组的相位的输入能量不平衡程度；以及
当所述输入能量不平衡程度大于阈值时识别故障状况。
方案2. 根据方案1所述的方法，还包括：确定在所述电气周期中跨过所述定子绕组的相位的输入能量比，其中，识别故障状况还包括：当所述输入能量比大于第二阈值并且所述输入能量不平衡程度大于所述阈值时，识别相位间短路故障状况。 
方案3. 根据方案1所述的方法，其中，确定所述输入能量不平衡程度还包括：确定在所述电动马达的定子绕组的相应相位对之间的最大输入能量差。 
方案4. 根据方案1所述的方法，其中，确定所述输入能量不平衡程度还包括：确定所述定子绕组的第一相位与所述定子绕组的第二相位之间的输入能量差。 
方案5. 根据方案4所述的方法，还包括：当所述输入能量差大于所述阈值时确定在所述电气周期中所述第一相位相对于所述第二相位的输入能量比，其中，识别故障状况还包括：当所述输入能量比大于第二阈值时识别相位间短路故障状况。 
方案6. 根据方案4所述的方法，还包括：确定所述第一相位的第一相位输入能量相对于所述第二相位的第二相位输入能量的比，其中，识别故障状况还包括： 
当所述输入能量差大于所述阈值并且所述比大于第二阈值时识别相位间短路故障状况；以及
当所述输入能量差大于所述阈值并且所述比小于第二阈值时识别相位内短路故障状况。
方案7. 根据方案1所述的方法，其中，确定所述输入能量不平衡程度还包括： 
确定在所述电气周期中所述定子绕组的第一相位的第一相位输入能量量度；
确定在所述电气周期中所述定子绕组的第二相位的第二相位输入能量量度；以及
将所述输入能量不平衡程度确定为所述第一相位输入能量量度与所述第二相位输入能量量度之间的差。
方案8. 根据方案7所述的方法，其中： 
确定所述第一相位输入能量量度还包括累加在所述电气周期期间用于所述第一相位的多个第一即时输入功率值；以及
确定所述第二相位输入能量量度还包括累加在所述电气周期期间用于所述第二相位的多个第二即时输入功率值。
方案9. 根据方案8所述的方法，其中，累加所述多个第一即时输入功率值还包括： 
基于在所述电气周期期间第一时间施加到所述第一相位的第一即时电压以及通过所述第一相位的第一即时电流来计算用于所述第一相位的第一即时输入功率值；
基于在所述电气周期期间第二时间施加到所述第一相位的第二即时电压以及通过所述第一相位的第二即时电流来计算用于所述第一相位的第二即时输入功率值；以及
将所述第一即时输入功率值和所述第二即时输入功率值相加。
方案10. 根据方案8所述的方法，其中，累加所述多个第一即时输入功率值还包括： 
获得在所述电气周期期间第一时间施加到所述第一相位的即时电压；
获得在所述电气周期期间第一时间施加到所述第一相位的即时电流；
基于所述即时电压和所述即时电流来计算用于所述第一相位的即时输入功率值；以及
将所述即时输入功率值与先前即时输入功率值相加以获得所述第一相位输入能量量度。
方案11. 根据方案1所述的方法，还包括： 
获得在所述电气周期期间第一时间用于所述定子绕组的第一相位的第一电压指令；
获得所述第一时间用于所述定子绕组的第二相位的第二电压指令；
获得所述第一时间通过所述第一相位的第一测量电流；以及
获得所述第一时间通过所述第二相位的第二测量电流，其中，确定所述输入能量不平衡程度还包括：
至少部分地基于所述第一电压指令和所述第一测量电流来确定用于所述第一相位的第一相位输入能量量度；
至少部分地基于所述第二电压指令和所述第二测量电流来确定用于所述第二相位的第二相位输入能量量度；以及
将所述输入能量不平衡程度确定为所述第一相位输入能量量度与所述第二相位输入能量量度之间的差。
方案12. 一种车辆，所述车辆包括： 
具有定子绕组的电动马达，每个定子绕组对应于所述电动马达的相应相位；
逆变器模块，所述逆变器模块联接到所述定子绕组以响应于与所述电动马达的相位对应的电压指令将指令电压从能量源提供至所述电动马达的定子绕组；
多个电流传感器，所述电流传感器联接在所述逆变器模块和所述定子绕组之间，以获得通过所述定子绕组的测量电流；以及
控制模块，所述控制模块联接到所述逆变器模块和所述多个电流传感器，以：
基于所述测量电流与指令电流之间的差来产生与所述指令电压对应的电压指令；
基于所述电压指令和测量电流来确定所述电动马达的相位之间的输入能量差；以及
基于所述输入能量差来识别所述定子绕组中的故障状况。
方案13. 根据方案12所述的车辆，其中，所述输入能量差包括在所述电动马达的相位之间的最大输入能量差。 
方案14. 根据方案12所述的车辆，其中，当所述输入能量差超过第一阈值时，所述控制模块识别故障状况。 
方案15. 根据方案12所述的车辆，其中，所述控制模块： 
基于所述电压指令和测量电流来确定所述电动马达的相位之间的输入能量比；
当所述输入能量差大于第一阈值并且所述输入能量比大于第二阈值时将所述故障状况识别为相位间短路故障状况；以及
当所述输入能量差大于第一阈值并且所述输入能量比小于第二阈值时将所述故障状况识别为相位内短路故障状况。
方案16. 根据方案12所述的车辆，其中，所述控制模块通过下述方式来确定所述输入能量差： 
确定在所述电动马达的电气周期中用于所述相位中的每个相位的输入能量值，从而得到多个输入能量值；
识别所述多个输入能量值中的最大输入能量值；
识别所述多个输入能量值中的最小输入能量值；以及
从所述最大输入能量值减去所述最小输入能量值以确定所述输入能量差。
方案17. 根据方案12所述的车辆，还包括电子控制单元，所述电子控制单元联接到所述控制模块，以从所述控制模块接收所述故障状况的指示并且响应于所述故障状况来启动补救动作。 
方案18. 一种用于诊断电动马达中的定子绕组的方法，所述方法包括： 
通过累加在所述电动马达的电气周期期间用于所述电动马达的定子绕组的第一相位的多个第一即时输入功率值来针对所述第一相位确定用于所述电气周期的第一马达相位输入能量量度；
通过累加在所述电动马达的电气周期期间用于所述电动马达的定子绕组的第二相位的多个第二即时输入功率值来针对所述第二相位确定用于所述电气周期的第二马达相位输入能量量度，其中，所述多个第二即时输入功率值中的每个相应即时输入功率值与所述多个第一即时输入功率值中的相应即时输入功率值是同时发生的；以及
当所述第一马达相位输入能量量度与所述第二马达相位输入能量量度之间的差大于阈值时识别短路故障状况。
方案19. 根据方案18所述的方法，还包括：响应于识别所述短路故障状况而进行下述操作： 
确定所述第一马达相位输入能量量度与所述第二马达相位输入能量量度之比；
当所述比大于第二阈值时识别相位间短路故障状况；以及
当所述比小于所述第二阈值时识别相位内短路故障状况。
方案20. 根据方案18所述的方法，其中： 
确定所述第一马达相位输入能量量度还包括：
获得在所述电气周期期间第一时间用于所述第一相位的第一电压指令；
与获得所述第一电压指令同时地获得通过所述第一相位的第一测量电流；
获得在所述电气周期期间第二时间用于所述第一相位的第二电压指令；
与获得所述第二电压指令同时地获得通过所述第一相位的第二测量电流；以及
通过将所述第一电压指令与所述第一测量电流之积和所述第二电压指令与所述第二测量电流之积相加来确定所述第一马达相位输入能量量度；以及
确定所述第二马达相位输入能量量度还包括：
与获得所述第一电压指令同时地获得用于所述第二相位的第三电压指令；
与获得所述第三电压指令同时地获得通过所述第二相位的第三测量电流；
与获得所述第二电压指令同时地获得用于所述第二相位的第四电压指令；
与获得所述第四电压指令同时地获得通过所述第二相位的第四测量电流；以及
通过将所述第三电压指令与所述第三测量电流之积和所述第四电压指令与所述第四测量电流之积相加来确定所述第二马达相位输入能量量度。
附图说明
示例性实施例将在下文结合下述附图被描述，其中相同的附图标记指代相同的元件，且其中： 
图1是根据实施例的适合用于车辆的示例性电气系统的框图；以及
图2是示出根据实施例的适合由图1的电气系统实施的示例性定子绕组诊断过程的流程图。
具体实施方式
下述详细说明本质上仅仅是描述性的，并且不旨在限制主题内容或应用的实施例以及这种实施例的使用。如本文所使用的，词语“示例性”意味着“用作示例、范例或描述”。本文被描述为示例性的任何实施方式都不必被认为与其他实施方式相比是优选或有利的。此外，并不旨在受在前述技术领域、背景技术、发明内容或下述详细说明中呈现的任何明示或暗示的理论约束。 
本文所述的主题内容的实施例涉及基于电动马达的各相位之间的输入能量不平衡程度来诊断电动马达的定子绕组中的故障状况。由此，对于在正常操作期间的健康马达来说，预期马达相电流是平衡且对称的，使得输入能量在电气循环中在全部马达相位上应当是大致相等的。如将在下文更详细地描述的，在示例性实施例中，通过累加在电气循环期间在多个采样时间确定的每个相应相位的即时输入功率值来针对电动马达的每个相应相位确定电动马达的电气循环中的输入能量量度（或值）。然后，在该电气循环中输入能量不平衡程度的值被确定为跨过马达相位的输入能量之间的最大差，例如通过将在该电气循环中的最大马达相位输入能量量度减去在该电气循环中的最小马达相位输入能量量度。当输入能量不平衡程度超过代表健康马达的额定最大输入能量不平衡程度的阈值时，检测到短路定子绕组故障状况。一旦检测到短路定子绕组故障状况，那么该故障状况可基于最大马达相位输入能量量度和最小马达相位输入能量量度之间的关系被识别为相位内短路故障状况或相位间短路故障状况，如将在下文更详细地描述的。通过在每个电气循环中诊断电气马达，可在有限量的时间中识别初期故障状况，由此允许快速地启动补救动作，以减轻该故障状况对电动马达的影响。 
在示例性实施例中，本文描述的主题内容采用由变频驱动器控制的三相同步电动马达，该变频驱动器提供对机动车辆中的电动马达的速度和扭矩的电流调节的闭环控制，如在图1的上下文中在下文更详细地描述的。也就是说，本文所述的主题内容不局限于使用同步马达、三相马达、变频和/或电流调节的闭环控制的马达、和/或机动车应用，并且在实践中本文所述的主题内容可用于在任何应用中采用的任何多相电动马达（例如，具有不止一个相位的定子绕组的电动马达）。 
如本文所使用的，下标和上标的含义如下： 
下标d和q：在d-q坐标中的数量。在笛卡尔坐标系中，d-q参考坐标与在电动马达内的转子的特征（例如，转子磁通角度）的旋转同步。
上标s：在静止（或固定）参考坐标中电动马达的定子绕组中的数量。 
上标e：在旋转（同步）参考坐标中的数量。 
上标*：被指令的数量。 
现转到图1，适用于机动车辆150的示例性电气系统100以非限制性的方式包括电子控制单元（ECU）101、能量源102、逆变器模块104、电动马达106、解析器系统108、控制模块110以及多个电流传感器112。ECU 101对接收自车辆150的驾驶员（例如，经由加速器踏板）的指令作出响应，并且产生相应速度( )和转子磁通()指令以使得车辆150的电动马达106以期望的方式操作。控制模块110联接到ECU 101以接收速度和磁通指令，并且继而产生代表待从能量源102经由逆变器模块104施加到电动马达106的定子绕组的电压的相应电压指令，以实现所指令的速度和转子磁通。由此，逆变器模块104和控制模块110协作地构造成采用脉宽调制（PWM）技术来调制逆变器模块104的相位支路以及将指令电压从能量源102施加或以其他方式提供至电动马达106。如在图2的上下文中将在下文更详细地描述的，在示例性实施例中，控制模块110基于被提供给电动马达106的不同相位的输入能量之间的差来识别电动马达106的定子绕组中的故障状况。 
应当理解的是，图1是用于阐述目的的电气系统100的简化示意图，并且不旨在以任何方式限制本文所述的主题内容的范围或应用。由此，虽然图1将控制模块110和逆变器模块104描述为不同且独立的元件，但是在实践中控制模块110可以整体形成（或合并）在逆变器模块104中，或替代性地，控制模块110可整体形成（或合并）在ECU 101中。此外，虽然图1描述为电流传感器的数量等于马达相位的数量，但是在实践中相对于马达相位的数量来说可采用更少的电流传感器。例如，两个电流传感器可用于三相马达，三个马达相电流基于Kirchhoff定律被计算，如本领域所理解的那样。 
在示例性实施例中，车辆150被实现为机动车，并且取决于实施例，车辆150可以是许多不同类型的机动车中的任一种，例如轿车、货车、卡车或运动型多功能车（SUV），并且可以是两轮驱动(2WD)（即，后轮驱动或前轮驱动）、四轮驱动(4WD)或全轮驱动(AWD)的。车辆150还可包括许多不同类型的发动机的任一种或组合，例如汽油或柴油燃料的燃烧发动机、“灵活燃料车辆”（FFV）发动机（即，使用汽油和乙醇的混合物）、气体化合物（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。在替代性实施例中，车辆150可以是插电式混合动力车辆、纯电动车辆、燃料电池车辆（FCV）或其他合适的替代燃料车辆。 
在示例性实施例中，能量源102(或功率源)能够提供直流（DC）电压至逆变器模块104，以用于操作电动马达106。取决于实施例，能量源102可被实现为蓄电池、燃料电池、可再充电高压蓄电池组、超级电容或本领域公知的其他合适能量源。逆变器模块104被联接在能量源102和电动马达106之间，并且包括功率逆变器，该功率逆变器构造成将来自能量源102的DC功率转换为用于驱动电动马达106的交流（AC）功率。由此，逆变器模块104包括多个相位支路，每个相位支路对应于电动马达106的相应相位。通常，相位支路的开关在特定切换频率下被调制（断开或闭合），以在电动马达106的定子绕组的相关相位上产生AC电压，该AC电压继而在这些定子绕组中形成产生扭矩的电流并且操作电动马达106。 
在一个示例性实施例中，电动马达106被实现为感应马达，但是本文所述的主题内容应当被认为不局限于结合任何具体类型的电动马达来使用。在其他实施例中，电动马达106可被实现为内置永磁体（IPM）马达、同步磁阻马达、或本领域公知的其他合适马达。虽然在图1中未被示出，但是马达106可包括整体形成在其中的变速器，使得马达106和变速器通过一个或多个驱动轴被机械地联接到车辆150的至少一些车轮，使得马达106的速度影响车辆150的速度。 
电动马达106被实现为具有转子和定子绕组（或线圈）的多相AC电机，其中每组定子绕组对应于马达106的不同电气相位。在图1的示出实施例中，马达106被实现为三相AC马达，其具有绕组的三相组，包括第一（例如，相A）定子绕组132、第二（例如，相B）定子绕组134和第三（例如，相C）定子绕组136。应当理解的是，相A、B和C的标记是为了便于描述并且不旨在以任何方式限制主题内容，并且此外，该主题内容并不局限于三相电机，并且可适于具有任何数量的相位的电动马达。在所示实施例中，定子绕组132、134、136以Y形连接构造，其中每个绕组的端部连接到其他绕组的端部或者以其他方式端接于公共节点138。 
仍参考图1，电气系统100包括联接在逆变器模块104和电动马达106之间的电流传感器112，以测量从逆变器模块104流动并且通过电动马达106的定子绕组132、134、136的相应相位的电流。由此，第一相电流传感器构造成测量流经相A绕组132的电流()（例如，相A马达电流），第二相电流传感器构造成测量流经相B绕组134的电流()（例如，相B马达电流），第三相电流传感器构造成测量流经相C绕组136的电流()（例如，相C马达电流）。在示例性实施例中，解析器系统108包括联接到电动马达106的解析器，解析器的输出被联接到解析器-数字逆变器。解析器（或类似感测装置）感测电动马达106的转子位置()。解析器-数字逆变器将来自解析器的模拟信号转换为被提供至控制模块110的数字信号（例如，数字转子位置信号）。 
控制模块110通常代表电气系统100的硬件，其合适地构造成通过控制和/或操作逆变器模块104以将指令电压从能量源102提供到电动马达106来执行电动马达106的磁场定向控制或电流调节的控制。由此，控制模块110联接到电流传感器112以从电流传感器112获得通过电动马达106的定子绕组132、134、136的测量电流，并且控制模块110通过控制从能量源102提供至马达106的电压将通过马达106的电流调节至指令值。因此，指令电压是电流调节电压，即，构造成将电动马达106的定子绕组132、134、136中的电流调节至特定值的电压。 
取决于实施例，控制模块110可借助被设计成执行本文所述的功能的通用目的处理器、内容可寻址的存储器、数字信号处理器、专用集成电路、可现场编程的门阵列、任何合适可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件、或其任何组合来实施或实现。由此，控制模块110可实现为微处理器、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、一个或多个微处理器结合数字信号处理器内核、或任何其他这种构造。实践中，控制模块110包括处理逻辑，其可构造成实施与电气系统100的操作相关的功能、技术和处理任务，如将在下文更详细地描述的。此外，结合本文所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可在硬件中、在固件中、在由控制模块110执行的软件模块中、或其任何实际组合中被直接实施。
在示例性实施例中，控制模块110被实施在d-q同步参考坐标中，即，参考坐标的d-q轴与电动马达106的转子的参考特征（例如，转子位置、转子磁通角度）相一致地旋转，使得转子特征的旋转（或角位移）产生d-q轴的相应旋转（或角位移）。在示例性实施例中，控制模块110被实施在逆时针同步参考坐标中，使得转子特征的旋转产生d-q轴的相应逆时针旋转。如在图1的所示实施例中示出的，在感应马达的情况下，同步参考坐标相对于转子磁通角度()被确定。 
在图1的示出实施例中，控制模块110包括速度调节器114、磁通调节器116、电流调节器118、电压转换块120、第二转换块122、速度计算器124、磁通估计器126和定子绕组诊断块128。控制模块110的元件合适地构造成形成电流调节控制回路130（或替代性地，磁场定向控制回路或电流控制反馈回路），如将在下文更详细地描述的。在示例性实施例中，定子绕组诊断块128联接到电压转换块120的输出，以获得与施加到电动马达106的相应相位的即时电压对应的静止坐标电压指令，定子绕组诊断块128还联接到电流传感器112的输出，以获得流经电动马达106的相应相位的测量静止坐标电流。如在图2的上下文中在下文将更详细地描述的，定子绕组诊断块128确定在马达106的每个电气周期（或循环）内马达106的相应相位的输入能量量度，并且基于在该电气循环中相应相位的输入能量量度的相对值来检测或以其他方式识别电动马达106的定子绕组中的故障状况。如本文所使用的，电气周期、电气循环或其任何变形应当被理解为指代这样的时间周期，其等于施加到定子绕组的AC电压的频率的倒数（例如，马达电气频率的倒数），其中电动马达的速度()是供应到定子绕组的AC电压的电气频率的倍数。在示例性实施例中，控制模块110以是电动马达106的电气频率的至少十倍的采样频率操作，由此允许定子绕组诊断块128在马达106的电气循环期间获得施加到电动马达106的定子绕组132、134、136的多个电压采样值(、、)以及通过定子绕组132、134、136的测量马达相电流(、、)。 
在所示实施例中，第一相加点113联接到ECU 101，以接收代表电动马达106的转子的期望速度（或指令速度）的速度指令()。第一相加点113还联接到速度计算器124的输出，该计算器基于转子位置()对比时间的变化来计算或以其他方式确定观察（或测量）的转子速度()。第一相加点113确定速度指令()与观察转子速度()之间的差并且将该差提供至速度调节器114。基于速度指令()与转子速度()之间的差，速度调节器114确定和/或产生q轴同步坐标电流指令()（例如，产生扭矩的q轴电流指令）。速度调节器114可被实现为比例积分（PI）控制器或本领域公知的其他合适元件。 
第二相加点117联接到ECU 101，以接收代表电动马达106的期望转子磁通的磁通指令()。第二相加点117也联接到磁通估计器126的输出，该磁通估计器基于同步马达电流(、)与同步马达电压(、)之间的关系来计算或以其他方式估计转子磁通()，如将在下文更详细地描述的。第二相加点117确定磁通指令()与估计转子磁通()之间的差，并且将该差提供至磁通调节器116。基于磁通指令与估计磁通之间的差，磁通调节器116确定和/或产生d轴同步坐标电流指令()（例如，产生磁通的d轴电流指令）。磁通调节器116还可被实现为比例积分（PI）控制器或本领域公知的其他合适元件。 
电流调节器118通过产生和/或提供与用于电动马达106的定子绕组的指令电压对应的逆变器模块104的电压指令来调节通过定子绕组的电流，使得通过定子绕组的测量电流被调节至指令马达电流（或电流指令）或者以其他方式跟踪该指令马达电流。在示例性实施例中，电流调节器118被实现为同步坐标电流调节器，其构造成基于指令电流(、)（替代性地，在本文被称为同步坐标电流指令）和测量马达电流(、)（替代性地，在本文被称为同步坐标马达电流）之间的差来产生同步参考坐标中的电压指令(、)（替代性地，在本文称为同步坐标电压指令）。由此，根据一个或多个实施例，第三相加点115联接到速度调节器114的输出以及第二转换块122的输出，以基于q轴电流指令()和测量q轴马达电流()之间的差来确定q轴电流误差指令()，第四相加点119联接到磁通调节器116的输出以及第二转换块122的输出，以基于d轴电流指令()和测量d轴马达电流()之间的差来确定d轴电流误差指令()。电流调节器118基于同步坐标电流误差指令(、)来产生同步坐标电压指令(、)，所述同步坐标电流误差指令反映在同步参考坐标中表述的指令电流与测量马达电流之间的差。由此，电流调节器118可实现为比例积分微分（PID）控制器、滞后电流控制器、复杂矢量电流调节器、或本领域公知的其他合适电流调节元件。应当注意的是，在定子绕组132、134、136内不存在故障状况时，电流调节器118将马达相电流调节成大致平衡且对称的。 
在示例性实施例中，磁通估计器126基于同步马达电流(、)和同步马达电压(、)之间的关系来计算或以其他方式估计电动马达106的转子的转子磁通角度()。在图1的示出实施例中，转子磁通角度()被用作控制环130的转换角度，即，将同步参考坐标中的数量转换和/或变换为静止参考坐标中的对应数量时所使用的角度，并且反之亦然（例如，将‘dqo’或‘dq0’转换为‘abc’，反之亦然）。在替代性实施例中，转换角度可包括转子角位置()或其他合适角位置。磁通估计器126的输出构造成将估计转子磁通角度()提供给转换块120、122。第二转换块122联接到电流传感器112并且构造成基于转换角度（即，估计转子磁通角度()）将测量定子电流从静止参考坐标(、、)转换至同步参考坐标(、)。以类似的方式，电压转换块120构造成基于估计转子磁通角度()将来自电流调节器118的输出的同步坐标电压指令(、)从同步参考坐标转换至静止参考坐标，从而得到与电动马达106的定子绕组132、134、136的相应相位的指令电压对应的三相静止坐标电压指令(、、)。 
仍参考图1，逆变器模块104构造成处理静止坐标电压指令(、、)，并且产生用于操作功率逆变器的相位支路的PWM指令信号，以按照常规方式将所述指令信号提供给定子绕组的相应相位。由此，基于逆变器模块104正在精确地再现跨过定子绕组132、134、136的指令电压(、、)的假定，定子绕组诊断块128可联接到电压转换块120的输出以获得施加到定子绕组132、134、136的相应相位的输入电压，从而代替使用电压传感器来感测跨过定子绕组132、134、136的电压或者执行其他计算密集的任务来获得马达电压。类似地，借助如下事实，同步坐标电压指令(、)可由磁通估计器126使用以估计转子磁通()和转换角度()（例如，、)：同步坐标电压指令(、)的变化产生静止坐标电压指令以及因此用于调制逆变器相位支路的开关的PWM指令的占空比的相应变化。但是应当注意的是，在替代性实施例中，电气系统100可包括构造成测量跨过马达106的定子绕组132、134、136的相应相位的电压的电压传感器，在该情况下，定子绕组诊断块128可联接到电压传感器，以从电压传感器获得施加到定子绕组132、134、136的相应相位的输入电压，且类似地，磁通估计器126可基于同步马达电压来估计转子磁通，通过转换由电压传感器测量的静止坐标马达电压来计算该同步马达电压。 
图2示出了用于检测或以其他方式识别电动马达的定子绕组中的故障状况的定子绕组诊断过程200的示例性实施例。在示例性实施例中，定子绕组诊断过程200由图1的电气系统100中的控制模块110来执行，以检测或以其他方式识别电动马达106中的绕组故障状况。结合所示过程200执行的各种任务可以由硬件、合适地构造的模拟电路、由处理电路执行的软件、可由处理电路执行的固件或其任何组合来执行。出于描述目的，下述说明可以指代结合图1在上文提及的元件。在实践中，定子绕组诊断过程200的各部分可由电气系统100的不同元件来执行，所述元件例如是ECU 101、控制模块110、和/或定子绕组诊断块128。应当理解的是，定子绕组诊断过程200的实际实施例可包括任何数量的附加或替代性任务，所述任务不必按照所示顺序被执行和/或所述任务可以被并行地执行，和/或定子绕组诊断过程200可结合到具有在本文未详细地描述的附加功能的更复杂的程序或过程中。此外，在图2的上下文中示出并描述的一个或多个任务可从定子绕组诊断过程200的实际实施例被省除，只要旨在的总体功能性保持完好无损即可。 
在示例性实施例中，定子绕组诊断过程200这样开始，获得施加到电动马达的相应相位的电压（在202）和在最初采样时间中流经电动马达的相应相位的电流（在204）。由此，在某个最初时间（t0），定子绕组诊断块128从电压转换块120的输出采样或以其他方式获得施加到定子绕组132、134、136的相应相位的静止坐标马达电压(、、)。此外，在该最初采样时间（t0）与获得静止坐标马达电压同时地，定子绕组诊断块128从电流传感器112采样或以其他方式获得通过定子绕组132、134、136的相应相位的静止坐标马达电流(、、)。由此，对于定子绕组132、134、136的每个相位来说，定子绕组诊断块128获得在该最初采样时间（t0）施加到相应相位的即时电压以及在该最初采样时间（t0）同时地流经该相应相位的即时电流。 
在获得施加到定子绕组的每个相应相位的电压以及通过定子绕组的每个相应相位的电流之后，定子绕组诊断过程200在206继续基于针对定子绕组的相应相位获得的即时电压和电流来计算或以其他方式确定被传输到定子绕组的每个相应相位的即时输入功率。例如，对于相A绕组132来说，定子绕组诊断块128通过将在最初采样时间施加到相A绕组132的即时电压()乘以在最初采样时间通过相A绕组132的即时电流()来计算在最初采样时间（t0）传输到相A绕组132的即时输入功率。以类似的方式，定子绕组诊断块128计算用于相B绕组的即时输入功率()以及用于相C绕组136的即时输入功率()。 
在示例性实施例中，通过加上或以其他方式累加在电气循环期间获得的定子绕组的该相应相位的即时输入功率值，定子绕组诊断过程200在208确定在该电气循环中定子绕组的每个相应相位的输入能量量度（或值）。由此在210，定子绕组诊断过程200确定自最初采样时间以来是否已经经过与马达106的电气循环的周期对应的时间量（例如，Te），并且直到自最初采样时间已经经过电气循环的周期，定子绕组诊断过程200重复下述步骤：获得在电气循环期间的后续采样时间施加到电动马达的相应相位的电压以及流经电动马达的相应相位的电流（在202和204）；计算在所述后续采样时间传输到定子绕组的每个相应相位的对应即时输入功率（在206）；以及将在所述后续采样时间用于电动马达的相应相位的即时输入功率值加上到在先前采样时间用于电动马达的相应相位的即时输入功率值（在208）以在电气循环中累加用于电动马达的每个相应相位的输入能量量度。例如，在该最初采样时间之后的第二采样时间（t1），定子绕组诊断块128从电压转换块120获得施加到相A绕组132的即时电压()、从相应电流传感器112获得通过相A绕组132的即时电流()、通过将该即时电压和电流相乘来计算用于相A绕组132的即时输入功率、以及将在第二采样时间的即时输入功率加上到在最初采样时间的输入功率以累加在当前电气循环中用于相A绕组132的输入能量量度（例如，)。由此，用于相A绕组132的输入能量量度()可由方程来表示，其中Te是马达106的电气循环的周期，t0是最初采样时间。以类似的方式，通过将在每个后续采样时间的计算即时输入功率加上到用于该相应相位的输入能量量度的先前值，定子绕组诊断块128累加在电气循环中用于相B和相C绕组134、136的输入能量量度。因此，用于相B绕组134的输入能量量度()可由方程表示，用于相C绕组136的输入能量量度()可由方程表示。 
仍参考图2，在示例性实施例中，在210在已经经过电气循环之后，定子绕组诊断过程200这样继续：基于在先前电气循环中用于相应定子绕组的输入能量量度的值来检测或以其他方式识别电动马达的定子绕组中的故障状况。在所示实施例中，定子绕组诊断过程200识别或以其他方式确定用于定子绕组的任何相位的输入能量量度对于先前电气循环来说是否等于零，并且响应于在212识别在电气循环中用于电动马达的定子绕组的相位的输入能量量度的值等于零（在现实和/或实际操作公差内），定子绕组诊断过程200在224将定子绕组的该相位识别为具有开路故障状况，并且在230基于该开路故障状况来启动补救动作。由此，定子绕组诊断块128的输出被联接到ECU 101，以在212发送信号或以其他方式指示具有等于零的输入能量量度的电动马达106的定子绕组的具体相位中的开路故障状况，其中响应于在224接收到定子绕组的具体相位的开路故障状况的指示，ECU 101在230采取补救动作，例如通过产生修改速度和/或磁通指令以停止电动马达106的操作或者以其他方式安全地操作电动马达106，如将在下文更详细地描述的那样。 
当定子绕组诊断过程200在212确定在电动马达内不存在开路故障状况时，定子绕组诊断过程200这样继续：识别在电气循环中跨过马达相位的最大输入能量不平衡程度；以及基于输入能量不平衡程度的幅值来检测短路故障状况。例如，在所示实施例中，定子绕组诊断过程200在214识别相对于其他马达相位在先前电气循环中具有最大输入能量的马达相位，在216识别相对于其他马达相位在先前电气循环中具有最少输入能量的马达相位，以及在218确定具有最大输入能量的马达相位的输入能量量度的值与具有最小输入能量的马达相位的输入能量量度的值之间的差是否大于绕组短路阈值。当定子绕组诊断过程200确定电气循环中跨过马达相位的输入能量之间的最大差小于绕组短路阈值时，定子绕组诊断过程200在220将该电动马达确定或以其他方式识别为健康的并且继续电动马达的正常操作。在示例性实施例中，定子绕组诊断过程200通过反复进行下述任务来针对绕组故障状况持续地监测电动马达的输入能量：获得马达相电压和相电流；确定用于相应马达相位的输入能量量度；以及确定任何马达相位的输入能量是否等于零或者用于任何两个马达相位的输入能量之间的差是否超过绕组短路阈值，如在图2中所示的。 
如上所述，对于在正常操作期间的健康马达来说，马达相电流是平衡且对称的，使得马达相位输入能量应当跨过全部马达相位是大致相等的。因此，在不存在故障状况时，在电气循环中用于相A绕组132的输入能量量度的值应当大致等于在电气循环中用于相B绕组134的输入能量量度的值，并且还大致等于在电气循环中用于相C绕组136的输入能量量度的值。但是在其中一个马达相位中的定子绕组中存在短路则导致在各个电气循环中跨过马达相位的输入能量的不平衡。因此，绕组短路阈值被选择成使得在各个电气循环中跨过马达相位的输入能量之间的差指示所述马达相位绕组中的一个的绕组短路故障状况。换言之，该阈值大于很可能由健康马达呈现的最大输入能量不平衡程度。由此，定子绕组诊断过程200在218基于电动马达的两个相位之间的输入能量的最大差来检测或以其他方式识别电动马达的定子绕组中的绕组短路故障状况。例如，电动马达106的两个相位之间的输入能量的最大差可由方程来表示，其中d是跨过电动马达106的全部三个马达相位的输入能量的最大差，当可检测到短路故障状况，其中dSC是绕组短路阈值，其大于在不存在短路故障状况的情况下很可能由电动马达106呈现的最大输入能量不平衡程度。 
在示例性实施例中，响应于在218检测到超过绕组短路阈值的在电气循环期间的马达相位输入能量的差，定子绕组诊断过程200在222这样继续：基于代表利用在该电气循环期间的最大和最小马达相位输入能量确定的电动马达的相位之间的相对输入能量不平衡程度的输入能量比，确定或以其他方式识别定子绕组短路状况的类型。由此，定子绕组诊断过程200当在电气循环中最大马达相位输入能量与最小马达相位输入能量之比大于相位间短路阈值时在226检测或以其他方式识别电动马达中的相位间短路状况，或替代性地当在电气循环中最大马达相位输入能量与最小马达相位输入能量之比小于相位间短路阈值时在228检测或以其他方式识别相位内短路状况。由此，相位间短路导致电动马达中的更大不平衡程度，使得当在电动马达中存在相位间短路状况时最大马达相位输入能量与最小马达相位输入能量之比显著地大于当在电动马达中存在相位内短路状况时最大马达相位输入能量与最小马达相位输入能量之比。例如，对于以大约1000转每分操作的电动马达来说，当存在相位间短路状况时最大与最小马达相位输入能量之比在大约7%的绕组匝数短路的情况下可以是相位内短路状况的最大与最小马达相位输入能量之比的大约十倍的量级，并且在大约50%的绕组匝数短路的情况下可以是相位内短路状况的最大与最小马达相位输入能量之比的大约五倍的量级。因此，相位间短路阈值被选择成大于在电气循环内在相位内短路状况中很可能观察的最大比。例如，相位间短路值在电动马达的最大允许旋转速度（例如，大约12000转每分）下大约50%的绕组匝数短路的情况下可被选择为相位内短路状况的最大与最小马达相位输入能量之比的大约两倍。 
因此，当输入能量中的最大差超过绕组短路阈值并且在电气循环中最大马达相位输入能量与最小马达相位输入能量之比大于相位间短路阈值时，在226识别相位间短路故障状况；且相反地，当输入能量中的最大差超过绕组短路阈值但是最大马达相位输入能量与最小马达相位输入能量之比小于相位间短路阈值时，则在228识别相位内短路故障状况。对于相位内短路故障状况来说，定子绕组诊断过程200还可将在电气循环中与最小输入能量量度相关的马达相位识别为展现相位内短路状况的马达相位。类似地，对于相位间短路故障状况来说，定子绕组诊断过程200可将在电气循环中与更少输入能量量度相关的马达相位识别为展现相位间短路状况的马达相位。 
参考图1-2，如上所述，定子绕组诊断块128的输出被联接到ECU 101，以发送信号或以其他方式指示基于最大和最小马达相位输入能量之比检测到的短路故障状况的类型。例如，当输入能量中的最大差超过绕组短路阈值并且在电气循环中最大马达相位输入能量与最小马达相位输入能量之比小于相位间短路值时，定子绕组诊断块128可向ECU 101识别出相位内短路故障状况。在一些实施例中，定子绕组诊断块128还可将与最小马达相位输入能量相关的马达相位识别为展现相位内短路状况的马达相位，由此允许电动马达106以减轻相位内短路状况的方式（例如，通过产生或以其他方式提供修改电压指令来实现，所述修改电压指令增加施加到健康马达相位的电压并且同时降低展现相位内短路状况的马达相位的电压，以防止过大电流通过短路的马达相位和/或其逆变器模块104的相应相位支路和/或通过提供受影响的马达相位的通知来加快任何后续维护和/或修复）来操作。类似地，当输入能量中的最大差超过绕组短路阈值并且在电气循环中最大马达相位输入能量与最小马达相位输入能量之比大于相位间短路值时，定子绕组诊断块128可向ECU 101识别相位间短路状况。在一些实施例中，定子绕组诊断块128还可将与较少马达相位输入能量相关的马达相位识别为被短接到一起的马达相位。 
仍参考图2，在示例性实施例中，定子绕组诊断过程200在230这样继续：基于识别的定子绕组故障状况来采取一个或多个补救动作和/或其他措施以确保车辆的安全和/或有效操作。应当理解的是，在任何实际实施例中可采用任何数量的补救动作及其各种组合，并且本文所述的主题内容并不局限于任何具体类型或数量的补救动作。根据一个或多个示例性实施例，定子绕组诊断过程200响应于识别故障状况来防止电动马达操作。例如，控制模块110可产生修改电压指令，该修改电压指令被提供至逆变器模块104，以将逆变器模块104的全部开关设置为断开状态，以防止电流从能量源102流动至定子绕组132、134、136，并且由此禁止和/或停止操作电动马达106。在另一实施例中，定子绕组诊断过程200和/或ECU 101可构造成在存在故障状况的情况下物理地限制转子的运动。此外，定子绕组诊断过程200可通过例如ECU 101或车辆150中的其他部件向车辆150的驾驶员提供故障状况的通知，从而产生车辆150内的听觉和/或视觉警告（例如，通过接通检查发动机灯）。 
在一些实施例中，定子绕组诊断过程200可通过操作具有降低能力的电动马达106来采取补救动作，例如修改控制方案以限制通过电动马达106的电流或者限制扭矩生成和/或转子速度。例如，响应于各个马达相位中的开路故障状况或相位内短路故障状况，控制模块110和/或ECU 101可执行修改控制方案，其导致对于该识别出的马达相位来说为零的指令电压，以由此防止电流从能量源102流动至展现该故障状况的马达相位。由此，定子绕组诊断过程200可通过基于由定子绕组诊断块128识别为展现故障状况的马达相位通过操作具有降低能力的马达106来减轻电动马达106中的故障状况。 
简要地总结来说，上述系统和/或方法的一个优势在于，当电动马达正被操作时可诊断电动马达的定子绕组，而不必执行傅里叶变换分析或其他计算密集的频域分析，并且不必注入会潜在地影响马达的操作的信号。在数个电气循环内可容易地识别初期短路故障状况，由此允许迅速地采取补救动作以减轻该短路故障状况。此外，基于跨过马达的输入能量不平衡程度，短路故障状况的类型可被识别出，由此允许后续维护集中于解决短路故障状况的识别类型，而不是将维护资源致力于确定故障状况的类型。 
为了简明起见，涉及马达构造、马达控制、功率变换、采样以及主题内容的其他功能方面的常规技术可以在本文不被详细地描述。此外，一些术语在本文也可仅出于引用目的而被使用，并且因此不旨在是限制性的。例如，指代结构的术语“第一”、“第二”和其他这种数值术语并不暗含顺序或次序，除非在上下文被清楚地指明。此外，前述说明还指代被“连接”或“联接”到一起的元件或节点。如在本文使用的，除非以其他方式清楚地指明，“连接”是指一个元件被直接结合（或直接连通）至另一元件，并且不必是机械地。类似地，除非以其他方式清楚地指明，“联接”是指一个元件被直接或间接地结合（或直接或间接地连通）至另一元件，并且不必是机械地。因此，虽然在附图中示出的示意图可以描述电路元件和/或端子之间的直接电气连接，但是替代性实施例可采用中间电路元件和/或部件，并且同时以大致类似的方式运行。 
虽然在前述详细说明中已经示出了至少一个示例性实施例，但是应当理解的是，存在大量变型。还应当理解的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、应用或构造。而是，前述详细说明将向本领域技术人员提供实施示例性实施例或多个示例性实施例的便捷途径。应当理解的是，可对元件的功能和布置作出各种变化，而不脱离在所附权利要求书及其合法等同物中阐述的本公开的范围。因此，在没有相反的明确意图的情况下，上述示例性实施例或其他限制的细节并不被解释到权利要求书中。 

Claims (10)

1.一种用于诊断电动马达中的定子绕组的方法，所述方法包括：
确定在所述电动马达的电气周期中跨过所述定子绕组的相位的输入能量不平衡程度；以及
当所述输入能量不平衡程度大于阈值时识别故障状况。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定在所述电气周期中跨过所述定子绕组的相位的输入能量比，其中，识别故障状况还包括：当所述输入能量比大于第二阈值并且所述输入能量不平衡程度大于所述阈值时，识别相位间短路故障状况。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述输入能量不平衡程度还包括：确定在所述电动马达的定子绕组的相应相位对之间的最大输入能量差。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述输入能量不平衡程度还包括：确定所述定子绕组的第一相位与所述定子绕组的第二相位之间的输入能量差。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：当所述输入能量差大于所述阈值时确定在所述电气周期中所述第一相位相对于所述第二相位的输入能量比，其中，识别故障状况还包括：当所述输入能量比大于第二阈值时识别相位间短路故障状况。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括：确定所述第一相位的第一相位输入能量相对于所述第二相位的第二相位输入能量的比，其中，识别故障状况还包括：
当所述输入能量差大于所述阈值并且所述比大于第二阈值时识别相位间短路故障状况；以及
当所述输入能量差大于所述阈值并且所述比小于第二阈值时识别相位内短路故障状况。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述输入能量不平衡程度还包括：
确定在所述电气周期中所述定子绕组的第一相位的第一相位输入能量量度；
确定在所述电气周期中所述定子绕组的第二相位的第二相位输入能量量度；以及
将所述输入能量不平衡程度确定为所述第一相位输入能量量度与所述第二相位输入能量量度之间的差。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
确定所述第一相位输入能量量度还包括累加在所述电气周期期间用于所述第一相位的多个第一即时输入功率值；以及
确定所述第二相位输入能量量度还包括累加在所述电气周期期间用于所述第二相位的多个第二即时输入功率值。
9.一种车辆，所述车辆包括：
具有定子绕组的电动马达，每个定子绕组对应于所述电动马达的相应相位；
逆变器模块，所述逆变器模块联接到所述定子绕组以响应于与所述电动马达的相位对应的电压指令将指令电压从能量源提供至所述电动马达的定子绕组；
多个电流传感器，所述电流传感器联接在所述逆变器模块和所述定子绕组之间，以获得通过所述定子绕组的测量电流；以及
控制模块，所述控制模块联接到所述逆变器模块和所述多个电流传感器，以：
基于所述测量电流与指令电流之间的差来产生与所述指令电压对应的电压指令；
基于所述电压指令和测量电流来确定所述电动马达的相位之间的输入能量差；以及
基于所述输入能量差来识别所述定子绕组中的故障状况。
10.一种用于诊断电动马达中的定子绕组的方法，所述方法包括：
通过累加在所述电动马达的电气周期期间用于所述电动马达的定子绕组的第一相位的多个第一即时输入功率值来针对所述第一相位确定用于所述电气周期的第一马达相位输入能量量度；
通过累加在所述电动马达的电气周期期间用于所述电动马达的定子绕组的第二相位的多个第二即时输入功率值来针对所述第二相位确定用于所述电气周期的第二马达相位输入能量量度，其中，所述多个第二即时输入功率值中的每个相应即时输入功率值与所述多个第一即时输入功率值中的相应即时输入功率值是同时发生的；以及
当所述第一马达相位输入能量量度与所述第二马达相位输入能量量度之间的差大于阈值时识别短路故障状况。
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