CN104753422A - 用于确定电压传感器的故障状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定电压传感器的故障状态的方法。根据本发明的示例性实施方式的用于确定测量逆变器的输入端的电压的电压传感器的故障状态的方法可以包括：如果逆变器被应用于电动机，则检查输出电压命令；基于多个设计参数和三相电流使用电动机电压方程式计算估计的电压命令；将在输出电压命令与估计的电压命令之间的绝对值与容许误差基准进行比较；如果绝对值大于容许误差基准，则在绝对值超过容许误差基准之后对经过的时间进行计数；并且如果经过的时间大于基准时间，则确定电压传感器处于故障状态。

Description

用于确定电压传感器的故障状态的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年12月30日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0167832号的优先权，通过引用将其全部内容结合于本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于确定电压传感器的故障状态的方法。

背景技术

配备有用于使用电池的电能生成驱动力的驱动电动机的车辆设置有诸如用于驱动水泵的电动机、用于驱动鼓风机的电动机等的各种类型的电动机。

通常，DC电压作为驱动电压被供应给用于驱动电动机的逆变器。设置电压传感器或使电压感测电路形成在基板上以测量DC电压。当电压传感器(或电压感测电路)出故障时，则不能测量DC电压，从而降低逆变器的电动机控制性能。

图8A和图8B是其中比较普通传感器与电压传感器的示图。

如图8A和图8B中所示，当普通传感器(例如，压力传感器)生成0V至5V的输出电压范围时，仅0.5V至4.5V的电压输出范围被用于确定压力传感器的断开或短路。即，如果输出0V或5V，则确定压力传感器断开或短路。

然而，在电压传感器的情况下，即使发生诸如电压传感器的断开或短路的故障，0V至5V的整体输出电压范围将会被用于感测电压，从而不能检测这类故障。由于电压传感器的断开或短路，即使驱动电压被正常供应给逆变器的输入端，其能够确定没有供应驱动电压(即，输出电压＝0V)或驱动电压超过所供应的电压(即，输出电压＝5V)。即，即使正常供应驱动电压，电动机的输出和动力特性劣化并且在更坏的情况下应当停止电动机的运行。

本部分中公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景技术的理解，并且因此它可包括不形成此国家中本领域的普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

已经努力制成本发明以提供用于确定具有通过测量逆变器输入端的电压确定电压传感器故障状态的优点的电压传感器故障状态的方法。

根据本发明示例性实施方式的用于确定测量逆变器输入端的电压的电压传感器故障状态的方法可以包括：如果将逆变器应用于电动机，则检查输出电压命令；基于多个设计参数和三相电流使用电动机电压方程式来计算估计的电压命令；将在输出电压命令与估计的电压命令之间的绝对值与容许误差基准进行比较；如果绝对值大于容许误差基准，则在绝对值超过容许误差基准之后对经过的时间进行计数(count)；并且如果经过的时间大于基准时间，则确定电压传感器处于故障状态。

如果经过的时间小于或等于基准时间，则再次执行检查输出电压命令。

该方法可以进一步包括：如果绝对值小于或等于容许误差基准，则将经过的时间的计数重置为零。

该方法可以进一步包括：如果确定电压传感器处于故障状态，则将电压传感器的感测电压与最小基准电压和最大基准电压进行比较；如果感测电压小于或等于最小基准电压，则确定电压传感器的配线断开或对地短路；并且如果感测电压大于或等于最大基准电压，则确定电压传感器的配线与电力线短路。

该方法可以进一步包括如果确定电压传感器处于故障状态并且感测电压大于最小基准电压并且小于最大基准电压，则确定电压传感器处于合理故障状态。

该方法可以进一步包括如果确定电压传感器处于故障状态，则使用预先设置的特定电压代替感测电压在故障安全模式下控制电动机。

输出电压命令可以包括d轴电压命令和q轴电压命令，估计的电压命令可以包括估计的d轴电压命令V_{d_Est}和估计的q轴电压命令V_{q_Est}，电动机电压方程式可以包括基于同步坐标系的电动机电压方程式 $V_{d\_\mathrm{Est}}=R_s{I}_d+L_d\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_d-{\mathrm{\ω}}_e{L}_q{I}_q,V_{q\_\mathrm{Est}}=R_s{I}_q+L_q\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_q+{\mathrm{\ω}}_e{L}_d{I}_d+{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f,$ 并且可以从基于同步坐标系的电动机电压方程式计算估计的d轴电压命令V_{d_Est}和估计的q轴电压命令V_{q_Est}，在此，I_d是d轴反馈电流，I_q是q轴反馈电流，R_s是电动机电枢的线圈电阻，L_d是d轴电感，ω_e是角速度，L_q是q轴电感，并且Ψ_f是电动机电枢的交链磁通。

如果I_d、I_q、R_s、L_d、ω_e以及L_q分别小于设置基准值，则可以仅计算ω_eΨ_f以计算估计的q轴电压命令。

输出电压命令可以进一步包括三相电压命令、D轴电压命令以及Q轴电压命令，估计的电压命令可以进一步包括估计的三相电压命令、估计的D轴电压命令以及估计的Q轴电压命令，并且基于多个设计参数和三相电流使用电动机电压方程式来计算估计的电压命令可以包括：将估计的d轴电压命令和估计的q轴电压命令变换为与固定坐标系相对应的估计的D轴电压命令和估计的Q轴电压命令；并且将估计的D轴电压命令和估计的Q轴电压命令变换为与三相坐标系的估计相对应的三相电压命令。

将在输出电压命令与估计的电压命令之间的绝对值与容许误差基准进行比较可以包括将三相电压命令的向量和与估计的三相电压命令的向量和进行比较。

将在输出电压命令与估计的电压命令之间的绝对值与容许误差基准进行比较可以包括将D轴电压命令和Q轴电压命令的向量和与估计的D轴电压命令和估计的Q轴电压命令的向量和进行比较。

将在输出电压命令与估计的电压命令之间的绝对值与容许误差基准进行比较可以包括仅在除了关于所述输出电压命令变为零的点而设置的预定时间段之外的时间段，将所述输出电压命令与所述估计的电压命令进行比较。

输出电压命令可以包括三相电压命令，估计的电压命令可以包括估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}，电动机电压方程式可以包括基于三相坐标系的电动机电压方程式 $\left[\begin{array}{c}{V}_{a\_\mathrm{Est}}\\ V_{b\_\mathrm{Est}}\\ V_{c\_\mathrm{Est}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_a& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ab}}& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ca}}\\ \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ab}}& R_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_b& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{bc}}\\ \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ca}}& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{bc}}& R_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\sin \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ {\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right],$ 并且从基于三相坐标系的电动机电压方程式计算估计的三相电压命令，在此，I_a、I_b和I_c是三相电流，R_s是电动机电枢的线圈电阻，L_a,b,c是相应相位的励磁电感(magnetic inductance)，M_ab,bc,ca是相位间的互感，ω_e是电角速度(electricalangular velocity)，Ψ_f是电动机电枢的交链磁通，并且θ是在d轴与a相之间的角度。

如果I_a、I_b、和I_c、R_s、L_a,b,c、M_ab,bc,ca以及ω_e分别小于设置基准值，则仅计算 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\sin \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ {\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_f\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]$ 以计算估计的三相电压命令。

将在输出电压命令与估计的电压命令之间的绝对值与容许误差基准进行比较可以包括将三相电压命令的向量和与估计的三相电压命令的向量和进行比较。

将在输出电压命令与估计的电压命令之间的绝对值与容许误差基准进行比较可以包括仅在除了关于所述输出电压命令变为零的点而设置的预定时间段之外的时间段，将所述输出电压命令与所述估计的电压命令进行比较。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施方式的用于扭矩控制的电动机控制系统的框图。

图2是根据本发明的示例性实施方式的用于速度控制的电动机控制系统的框图。

图3是根据本发明的示例性实施方式的逆变器的电路结构。

图4A和图4B是根据本发明的示例性实施方式的电动机控制系统的框图。

图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的在三相坐标系与固定坐标系之间的关系的示图。

图6是示出了根据本发明的示例性实施方式的在固定坐标系与同步坐标系之间的关系的示图。

图7是根据本发明的示例性实施方式的用于确定电压传感器故障状态的方法的流程图。

图8A和图8B是其中比较普通传感器与电压传感器的示图。

<符号的说明>

10：电源                                20：逆变器(Inverter)

30：电动机控制器                        32：传感器监测单元

40：电动机                              50：位置传感器

60：电流传感器                          70：电压传感器

310：电流命令生成器                     320：电流控制器

330：坐标变换器(Coordinate transformer) 340：PWM信号生成器

具体实施方式

下文中将参照附图对本发明进行更加完整的描述，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。本领域技术人员应当认识到，在没有背离本发明的精神或者范围的情况下，可以对所描述的实施方式进行各种不同形式的变形。因此，附图和说明从本质上被认为是说明性的而非限制性的。通篇说明书的相同参考标号指代相同的元件。

通篇说明书和权利要求遵循当描述成元件被“耦接”至另一元件时，该元件可以示“直接耦接”至其他元件或者通过第三元件“电气耦接”至其他元件。此外，除非明确说明并非如此，否则词语“包括(comprise)”及诸如“包含(comprises)”或“含有(comprising)”等变形将被理解为暗指包括所述的元件但并不排除任何其它元件。

图1是根据本发明的示例性实施方式的用于扭矩控制的电动机控制系统的框图。图2是根据本发明的示例性实施方式的用于速度控制的电动机控制系统的框图。

如图1中所示，根据本发明的示例性实施方式的用于扭矩控制的电动机控制器30可以包括电流命令生成器310、电流控制器320、坐标变换器330以及PWM信号生成器340。即，当电动机40是用于生成车辆驱动力的驱动电动机时，电动机控制器30可以包括扭矩命令被施加至其的电流命令生成器310。

可替换地，如图2中所示，根据本发明的示例性实施方式的用于速度控制的电动机控制器35可以包括速度控制器315、电流控制器325、坐标变换器335以及PWM信号生成器345。即，当电动机45是用于驱动水泵或鼓风机的电动机时，电动机控制器35可以包括速度命令被施加至其的速度控制器315。

现在将基于用于扭矩控制的电动机控制器30给出描述。因为用于速度控制的电动机控制器35类似于用于控制驱动电动机的电动机控制器30，除了进一步包括速度命令施加至其的用于速度控制的速度控制器315而不是电流命令生成器310之外，故将省略其详细描述。

图3是根据本发明的示例性实施方式的逆变器的电路结构的示图。

如图3中所示，驱动电压V_DC被施加至逆变器20。逆变器20包括多个开关元件S₁至S₆，并且根据开关元件S₁至S₆的开关操作而将电压供应给三相负载Z₁至Z₃。

开关元件S₁、开关元件S₄以及负载Z₁耦接至节点N₁。开关元件S₁和开关元件S₄互补地执行开关操作。即，当开关元件S₁处于接通状态时，开关元件S₄处于断开状态。当开关元件S₁接通时，DC电压V_DC/2被供应给负载Z₁。当开关元件S₄接通时，DC电压-V_DC/2被供应给负载Z₁。根据开关元件S₁和S₄的开关操作，节点N₁的AC电压V_a被供应给负载Z₁，并且生成流动通过负载Z₁的电流I_a。

开关元件S₃、开关元件S₆以及负载Z₂耦接至节点N₂。开关元件S₃和开关元件S₆互补地执行开关操作。即，当开关元件S₃处于接通状态时，开关元件S₆处于断开状态。当开关元件S₃接通时，DC电压V_DC/2被供应给负载Z₂。当开关元件S₆接通时，DC电压-V_DC/2被供应给负载Z₂。根据开关元件S₃和S₆的开关操作，节点N₂的AC电压V_b被供应给负载Z₂，并且生成流动通过负载Z₂的电流I_b。

开关元件S₅、开关元件S₂以及负载Z₃耦接至节点N₃。开关元件S₅和开关元件S₂互补地执行开关操作。即，当开关元件S₅处于接通状态时，开关元件S₂处于断开状态。当开关元件S₅接通时，DC电压V_DC/2被供应给负载Z₃。当开关元件S₂接通时，DC电压-V_DC/2被供应给负载Z₃。根据开关元件S₅和S₂的开关操作，节点N₃的AC电压V_c被供应给负载Z₃，并且生成流动通过负载Z₃的电流I_c。

负载Z₁至Z₃耦接至中性节点。开关元件S₁至S₆的开关操作生成在负载Z₁的线与负载Z₂的线之间的线间电压V_ab、在负载Z₂的线与负载Z₃的线之间的线间电压V_bc以及在负载Z₃的线与负载Z₁的线之间的线间电压V_ca。

开关元件S₁、S₃和S₅的开关操作相对于彼此具有120°的相位差。在开关元件S₁与开关元件S₃的开关操作之间的相位差是120°，在开关元件S₃与开关元件S₅的开关操作之间的相位差是120°，并且在开关元件S₅与开关元件S₁的开关操作之间的相位差是120°。因此，在开关元件S₄与开关元件S₆的开关操作之间的相位差是120°，在开关元件S₆与开关元件S₂的开关操作之间的相位差是120°，并且在开关元件S₂与开关元件S₄的开关操作之间的相位差是120°。

图4A和图4B是根据本发明的示例性实施方式的电动机控制系统的框图。

如图4A中所示，根据本发明的示例性实施方式的电动机控制系统可以包括电源10、逆变器20、电压传感器70以及电动机控制器30。

将驱动力(DC电压)从电源10供应给逆变器20的输入端，并且将三相电压供应给电动机40。

如果其能够测量逆变器20的输入端的电压，则根据本发明示例性实施方式的电压传感器70会是足够的。例如，电压传感器70可以由形成在基板上的电压感测电路代替。因此，在本说明书和权利要求中，将理解的是电压传感器70可包括能够测量逆变器20的输入端的电压的任何装置。

电动机控制器30可以通过由预定程序执行的一个或多个微处理器来实施。预定程序可以包括用于执行被包括在根据本发明的示例性实施方式的用于控制逆变器20和电动机40的方法中的每个步骤的一系列命令。

电动机控制器30可以进一步包括用于确定电压传感器70的故障状态的传感器监测单元32。可替换地，传感器监测单元32可以不同于电动机控制器30的配置来实施。在随后将描述的根据本发明示例性实施方式的用于确定电压传感器70的故障状态的方法的处理之中，可以通过电动机控制器30执行一些处理并且可以通过传感器监测单元32执行一些其他处理。

如图4B中所示，根据本发明示例性实施方式的电动机控制器30可以进一步包括电流命令生成器310、电流控制器320、坐标变换器330以及PWM信号生成器340。

电流命令生成器310确定取决于车辆的驾驶条件的d轴电流命令I_{d_cmd}和q轴电流命令I_{q_cmd}。电流命令生成器310具有d轴电流映射和q轴电流映射。当接收作为在车辆的目前驾驶条件下所需要的扭矩命令T和电动机40的速度w时，电流命令生成器310输出对应于扭矩命令T和速度w的d轴电流命令I_{d_cmd}和q轴电流命令I_{q_cmd}。

电流控制器320包括d轴控制器321和q轴控制器322。d轴控制器321使用从电流命令生成器310接收的d轴电流命令I_{d_cmd}和从坐标变换器330接收的d轴反馈电流I_d来输出d轴电压命令V_d。q轴控制器322使用从电流命令生成器310接收的q轴电流命令I_{q_cmd}和从坐标变换器330接收的q轴反馈电流I_q来输出q轴电压命令V_q。d轴控制器321和q轴控制器322可以通过比例积分(PI)控制器来实施。

坐标变换器330将从电流控制器320接收的d轴电压命令V_d和q轴电压命令V_q变换为三相电压命令V_a、V_b、和V_c。此外，坐标变换器330将从逆变器20流动到电动机40的三相电流I_a、I_b和I_c变换为d轴反馈电流I_d和q轴反馈电流I_q。可以通过电流传感器60测量三相电流I_a、I_b和I_c。可替换地，电流传感器60可以从三相电流I_a、I_b和I_c测量两个相电流，并且电动机控制器30可以计算剩下的一个相电流。

坐标变换器330包括同步/固定坐标变换器331、固定/三相坐标变换器332、三相/固定坐标变换器333以及固定/同步坐标变换器334。为了容易地设计电动机控制器30，其中a相、b相以及c相以彼此120°的间隔形成的三相坐标系[a，b，c]是坐标变换的。

如图5中所示，基于缠绕在电动机40的定子处的三相线圈设置固定坐标系[D，Q]。就电气角度而言，D轴是定子a相的线圈方向并且Q轴是垂直于定子的a相的线圈方向的方向。

如图6中所示，同步坐标系[d，q]是与转子的永磁体同步的旋转坐标系。就电气角度而言，d轴是转子的永磁体的N极方向并且q轴是垂直于转子的永磁体的N极方向的方向。

基于从位置传感器50接收的电动机40的转子的位置，同步/固定坐标变换器331将d轴电压命令V_d和q轴电压命令V_q变换为对应于固定坐标系[D，Q]的D轴电压命令V_D和Q轴电压命令V_Q。

固定/三相坐标变换器332将D轴电压命令V_D和Q轴电压命令V_Q变换为对应于三相坐标系[a，b，c]的三相电压命令V_a、V_b和V_c。

三相/固定坐标变换器333将三相电流I_a、I_b和I_c变换为对应于固定坐标系[D，Q]的D轴电流I_D和Q轴电流I_Q。

基于从位置传感器50接收的电动机40的转子的位置，固定/同步坐标变换器334将D轴电流I_D和Q轴电流I_Q变换为对应于同步坐标系[d，q]的d轴反馈电流I_d和q轴反馈电流I_q。

基于作为从坐标变换器340接收的三相电压命令V_a、V_b和V_c，PWM信号生成器340确定PWM调变值(PWM duties)Duty_a、Duty_b和Duty_c。当占空比(duty ratio)(开关元件的开关周期与接通时间的比例)是0％时，PWM调变值Duty_a、Duty_b、和Duty_c可以被设置为0，并且当占空比是100％时被设置为1。

逆变器20的开关元件S1至S6根据所确定的PWM调变值Duty_a、Duty_b和Duty_c执行开关操作，并且三相电流I_a、I_b和I_c从逆变器20流动到电动机40。

图7是根据本发明的示例性实施方式的用于确定电压传感器的故障状态的方法的流程图。

参考图7，传感器监测单元32根据开关元件S₁至S₆的开关操作确定逆变器20是否将电压施加于电动机40(S100)。如果电压未从逆变器20施加到电动机40，则不执行电动机控制，并且因此不能确定电压传感器70的故障状态。

如果逆变器20将电压施加到电动机40，则传感器监测单元32检查通过电动机控制器30确定的输出电压命令V_Out(S110)。输出电压命令V_Out可以包括三相电压命令V_a、V_b和V_c、D轴电压命令V_D、Q轴电压命令V_Q、d轴电压命令V_d以及q轴电压命令V_q。

传感器监测单元32基于多个设计参数和三相电流I_a、I_b和I_c使用电动机电压方程式来计算估计的电压命令V_Est(S120)。估计的电压命令V_Est可以包括估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}、估计的D轴电压命令V_{D_Est}、估计的Q轴电压命令V_{Q_Est}、估计的d轴电压命令V_{d_Est}以及估计的q轴电压命令V_{q_Est}。电动机电压方程式可以包括基于同步坐标系的电动机电压方程式和基于三相坐标系的电动机电压方程式。

传感器监测单元32可以基于多个设计参数和三相电流I_a、I_b和I_c使用基于同步坐标系的电动机电压方程式来计算估计的d轴电压命令V_{d_Est}和估计的q轴电压命令V_{q_Est}。方程式1是基于同步坐标系的电动机电压方程式。

[方程式1]

$V_{d\_\mathrm{Est}}=R_s{I}_d+L_d\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_d-{\mathrm{\&omega;}}_e{L}_q{I}_q$

$V_{q\_\mathrm{Est}}=R_s{I}_q+L_q\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_q+{\mathrm{\&omega;}}_e{L}_d{I}_d+{\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&Psi;}}_f$

本文中，R_s是电动机电枢的线圈电阻，L_d是d轴电感，ω_e是电角速度，L_q是q轴电感，并且Ψ_f是电动机电枢的交链磁通。

三相电流I_a、I_b和I_c坐标变换两次(三相坐标系[a，b，c]＝>固定坐标系[a，b，c]＝>同步坐标系[d，q])，从而获得d轴反馈电流I_d和q轴反馈电流I_q。

本文中，电动机电枢的线圈电阻R_s、d轴电感L_d、q轴电感L_q、电动机电枢的交链磁通Ψ_f可以实验性地预计算作为设计参数，并且可以从位置传感器50获得电角速度ω_e。

传感器监测单元32可以将通过使用方程式1计算出的估计的d轴电压命令V_{d_Est}和估计的q轴电压命令V_{q_Est}变换为对应于固定坐标系[D，Q]的估计的D轴电压命令V_{D_Est}和估计的Q轴电压命令V_{Q_Est}，并且可以将估计的D轴电压命令V_{D_Est}和估计的Q轴电压命令V_{Q_Est}变换为对应于三相坐标系[a，b，c]的估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}。

不同于坐标变换方法，传感器监测单元32可以基于多个设计参数和三相电流I_a、I_b和I_c使用基于三相坐标系的电动机电压方程式来计算估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}。方程式2是基于三相坐标系的电动机电压方程式。

[方程式2]

$\left[\begin{array}{c}{V}_{a\_\mathrm{Est}}\\ V_{b\_\mathrm{Est}}\\ V_{c\_\mathrm{Est}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_a& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ab}}& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ca}}\\ \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ab}}& R_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_b& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{bc}}\\ \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ca}}& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{bc}}& R_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin \mathrm{\&theta;}\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]$

本文中，R_s是电动机电枢的线圈电阻，L_a,b,c是相应相位的励磁电感，M_ab,bc,ca是相位间互感，ω_e是电角速度，Ψ_f是电动机电枢的磁通链接，并且θ是在d轴与a相位之间的角度。

电动机电枢的线圈电阻R_s、相应相位的励磁电感L_a,b,c、相位间的互感M_ab,bc,ca以及电动机电枢的交链磁通Ψ_f可以实验性地被预计算为设计参数，并且从位置传感器50可以获得电角速度ω_e和在d轴与a相之间的角度θ。

因为方程式3具有比方程式1多的设计参数，故其更有效地对使用方程式1计算出的估计的d轴电压命令V_{d_Est}和估计的q轴电压命令V_{q_Est}进行坐标变换。

当电动机40旋转时，方程式1的ω_eΨ_f和方程式2的 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin \mathrm{\&theta;}\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]$ 是反电动势部件,该反电动势部件生成作为穿过定子的线圈从转子的永磁体生成的磁通。当电动机电枢、电感部件的线圈电阻、流动通过三相的电流、以及电角速度较小时，仅反电动势部件成为主要的值。因此，当电动机电枢的线圈电阻R_s、电感部件L_d、L_q、L_a,b,c、三相电流I_a、I_b和I_c、d轴反馈电流I_d、q轴反馈电流I_q以及电角速度ω_e小于相应的设置基准值，除了反电动势部件之外忽略其他值，使得仅计算反电动势部件，从而计算估计的q轴电压命令V_{q_Est}和估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}。

估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}可以与实验性地测量的三相电压进行比较。由于涉及电动机40的设计或多个设计参数的非线性的问题，在通过使用方程式1或方程式2计算出的估计的三相电压命令与测量出的三相电压之间会出现误差。当估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}在测量出的三相电压的容许误差范围之外时，传感器监测单元32可以从电角速度、三相电流和三相电压命令的关系映射计算出估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}。通过重复的实验可以预先设置该映射。

传感器监测单元32将输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est进行比较(S130)。如果电动机40被正常控制，则输出电压命令V_Out应当对应于误差范围内的估计的电压命令V_Est。传感器监测单元32可以将在输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est之间的绝对值与容许误差基准α进行比较。由于传感器的测量误差、设计误差等，在输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est之间会存在差异。容许误差基准α可以通过实验确来定以具有本领域普通技术人员确定的值。

因为三相电压命令V_a、V_b和V_c和对应于三相坐标系[a，b，c]的估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}随着时间的流逝以正弦波表示，故即使电压传感器70出现故障，在输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est之间的绝对值没有维持大于容许误差基准α。这与对应于固定坐标系[D，Q]的D轴电压命令V_D、Q轴电压命令V_Q、估计的D轴电压命令V_{D_Est}和估计的Q轴电压命令V_{Q_Est}的情况相同。因此，在三相坐标系[a，b，c]和固定坐标系[D，Q]的情况下，可以通过以下两种方法将输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est进行比较。

传感器监测单元32可以计算输出电压命令V_Out的向量和(即，三相电压命令V_a、V_b和V_c的向量和)和估计的电压命令V_Est的向量和(即，估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}的向量和)。同样地，传感器监测单元32可以计算D轴电压命令V_D与Q轴电压命令V_Q的向量和与估计的D轴电压命令V_{D_Est}与估计的Q轴电压命令V_{Q_Est}的向量和。在步骤S130中，传感器监测单元32可以将输出电压命令V_Out的向量和与估计的电压命令V_Est的向量和进行比较。

不同于比较向量和的方法，在步骤S130中，仅在除了关于输出的电压命令V_Out变为零的点而设置的预定时间段之外的时间段，传感器监测单元32可以将输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est进行比较。

另一方面，同步坐标系[d，q]是与转子的永磁体同步的旋转坐标系，在输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est之间的绝对值可以直接与容许误差基准α进行比较。

为了将输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est进行比较，传感器监测单元32可以使用各种分析技术(例如，标准差、方差等)来代替绝对值和容许误差基准α。

当电压传感器70处于故障状态时，下面将描述为什么在输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est之间的绝对值大于其容许误差基准α的原因。电动机控制器30基于逆变器20的输入端的电压确定用于将所需的三相电压施加到电动机40的PWM调变值。当电压传感器70的感测电压被测量为小于逆变器20的输入端的实际电压时，输出的电压命令V_Out在步骤S110中减少，并且当电压传感器70的感测电压被测量为大于实际电压时，输出电压命令V_Out在步骤S110中增加。因此，生成在作为步骤S120中理论上计算出的估计的电压命令V_Est与输出电压命令V_Out之间的差值。

如果在输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est之间的绝对值大于容许误差基准α，则在绝对值超过容许误差基准α之后，传感器监测单元32对经过的时间T_elapsed进行计数(S140)。

传感器监测单元32可以将经过的时间T_elapsed与基准时间T_ref进行比较(S150)。基准时间T_ref可以通过实验确定以具有本领域普通技术人员确定的值。

如果经过的时间T_elapsed大于基准时间T_ref，则传感器监测单元32可以确定电压传感器70处于故障状态(S160)。

如果经过的时间T_elapsed小于或等于基准时间T_ref，则传感器监测单元32从步骤S100重新开始。在步骤S130中，如果在输出电压命令V_Out与估计的电压命令V_Est之间的绝对值小于容许误差基准，则在S170中传感器监测单元32可以将计数出的经过的时间T_elapsed重置为零。

如果确定电压传感器70处于故障状态下，则传感器监测单元32将感测电压V_{dc_sensor}与最小基准电压V_{low_lim}进行比较(S180)。考虑到在其中电压传感器70的配线断开或对地短路GND的状态下检测到的感测电压，可以由本领域普通技术人员设置最小基准电压V_{low_lim}。

如果感测电压V_{dc_sensor}小于或等于最小基准电压V_{low_lim}，则传感器监测单元32可以确定电压传感器70的配线断开或对地短路GND(S190)。

如果确定电压传感器70处于故障状态，则传感器监测单元32将感测电压V_{dc_sensor}与最大基准电压V_{high_lim}进行比较(S200)。考虑到在其中电压传感器70的配线与电力线短路的状态下检测到的感测电压，可以通过本领域普通技术人员设置最大基准电压V_{high_lim}。

如果感测电压V_{dc_sensor}大于或等于最大基准电压V_{high_lim}，则传感器监测单元32可以确定电压传感器70的配线与电力线短路(S210)。

当确定电压传感器70处于故障状态并且感测电压V_{dc_sensor}大于最小基准电压V_{low_lim}并且小于最大基准电压V_{high_lim}时，传感器监测单元32可以确定电压传感器70处于合理故障状态(其中电压传感器在正常范围内输出感测电压但实际上输出错误的感测电压的故障)(S220)。如果电压传感器70处于合理故障状态，则难以使用感测电压V_{dc_sensor}准确地控制电动机40。电压传感器70的故障状态信息可以通过通信装置或显示装置提供至诸如驾驶员的用户。

如果确定电压传感器70处于故障状态，则传感器监测单元32可以使用预先设置的特定电压V_{dc_normal}来代替感测电压V_{dc_sensor}在故障安全模式下控制电动机40(S230)。考虑到电动机40的正常驱动，可以由本领域的普通技术人员设置预先设置的特定电压V_{dc_normal}。在这种情况下，相比于使用处于故障状态的电压传感器70的感测电压V_{dc_sensor}能够改善电动机控制性能。此外，为了安全，如果确定电压传感器70处于故障状态，则能够限制电动机40的最大输出速度和扭矩。

如上所述，根据本发明的示例性实施方式，能够有效地确定电压传感器70的故障状态。此外，即使电压传感器70出现故障，能够正常地控制电动机40，从而移除涉及使用错误的感测电压的电动机控制的风险。

虽然已经结合目前被认为是实用的示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是与此相反，旨在涵盖被包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种变形和等同配置。

Claims (16)

1.一种用于确定测量逆变器的输入端的电压的电压传感器的故障状态的方法，包括：

如果所述逆变器被应用于电动机，则检查输出电压命令；

基于多个设计参数和三相电流使用电动机电压方程式计算估计的电压命令；

将所述输出电压命令与所述估计的电压命令之间的绝对值与容许误差基准进行比较；

如果所述绝对值大于所述容许误差基准，则对所述绝对值超过所述容许误差基准之后的经过的时间进行计数；并且

如果所述经过的时间大于基准时间，则确定所述电压传感器处于故障状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

如果所述经过的时间小于或等于所述基准时间，则再次执行对所述输出电压命令的检查。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

如果所述绝对值小于或等于所述容许误差基准，则将计数出的经过的时间重置为零。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

如果确定所述电压传感器处于所述故障状态，则将所述电压传感器的感测电压与最小基准电压和最大基准电压进行比较；

如果所述感测电压小于或等于所述最小基准电压，则确定所述电压传感器的配线断开或对地短路；以及

如果所述感测电压大于或等于所述最大基准电压，则确定所述电压传感器的配线与电力线短路。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

如果确定所述电压传感器处于所述故障状态并且所述感测电压大于所述最小基准电压并且小于所述最大基准电压，则确定所述电压传感器处于合理故障状态。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

如果确定所述电压传感器处于所述故障状态，则使用预先设置的特定电压代替感测电压在故障安全模式下控制所述电动机。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述输出电压命令包括d轴电压命令和q轴电压命令，

所述估计的电压命令包括估计的d轴电压命令V_{d_Est}和估计的q轴电压命令V_{q_Est}，

所述电动机电压方程式包括基于同步坐标系的电动机电压方程式：

$V_{d\_\mathrm{Est}}=R_s{I}_d+L_d\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_d-{\mathrm{\&omega;}}_e{L}_q{I}_q$

$V_{q\_\mathrm{Est}}=R_s{I}_q+L_q\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_q+{\mathrm{\&omega;}}_e{L}_d{I}_d+{\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&Psi;}}_f,$

并且从所述基于同步坐标系的电动机电压方程式计算所述估计的d轴电压命令V_{d_Est}和所述估计的q轴电压命令V_{q_Est}，

其中，I_d是d轴反馈电流，I_q是q轴反馈电流，R_s是电动机电枢的线圈电阻，L_d是d轴电感，ω_e是角速度，L_q是q轴电感，并且Ψ_f是所述电动机电枢的交链磁通。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，

如果所述I_d、所述I_q、所述R_s、所述L_d、所述ω_e以及所述L_q分别小于设置基准值，则仅计算ω_eΨ_f以计算所述估计的q轴电压命令。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，

所述输出电压命令进一步包括三相电压命令、D轴电压命令以及Q轴电压命令，

所述估计的电压命令进一步包括估计的三相电压命令、估计的D轴电压命令以及估计的Q轴电压命令，并且

基于所述多个设计参数和所述三相电流使用所述电动机电压方程式来计算所述估计的电压命令包括：

将所述估计的d轴电压命令和所述估计的q轴电压命令变换为与固定坐标系相对应的所述估计的D轴电压命令和所述估计的Q轴电压命令；并且

将所述估计的D轴电压命令和所述估计的Q轴电压命令变换为与三相坐标系相对应的所述估计的三相电压命令。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，

将在所述输出电压命令与所述估计的电压命令之间的绝对值与所述容许误差基准进行比较包括：

将所述三相电压命令的向量和与所述估计的三相电压命令的向量和进行比较。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，

将所述输出电压命令与所述估计的电压命令之间的绝对值与所述容许误差基准进行比较包括：

将所述D轴电压命令和所述Q轴电压命令的向量和与所述估计的D轴电压命令和所述估计的Q轴电压命令的向量和进行比较。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，

将在所述输出电压命令与所述估计的电压命令之间的绝对值与所述容许误差基准进行比较包括：

仅在除了关于所述输出电压命令变为零的点而设置的预定时间段之外的时间段，将所述输出电压命令与所述估计的电压命令进行比较。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述输出电压命令包括三相电压命令，

所述估计的电压命令包括估计的三相电压命令V_{a_Est}、V_{b_Est}和V_{c_Est}，

所述电动机电压方程式包括基于三相坐标系的电动机电压方程式，

$\left[\begin{array}{c}{V}_{a\_\mathrm{Est}}\\ V_{b\_\mathrm{Est}}\\ V_{c\_\mathrm{Est}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_a& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ab}}& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ca}}\\ \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ab}}& R_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_b& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{bc}}\\ \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{ca}}& \frac{d}{\mathrm{dt}}{M}_{\mathrm{bc}}& R_s+\frac{d}{\mathrm{dt}}{L}_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin \mathrm{\&theta;}\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]$

并且从所述基于三相坐标系的电动机电压方程式计算所述估计的三相电压命令，

其中，I_a、I_b和I_c是三相电流，R_s是电动机电枢的线圈电阻，L_a,b,c是相应相位的励磁电感，M_ab,bc,ca是相位间的互感，ω_e是电角速度，Ψ_f是所述电动机电枢的交链磁通，并且θ是在d轴与a相之间的角度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，

如果所述I_a、所述I_b和所述I_c、所述R_s、所述L_a,b,c、所述M_ab,bc,ca以及所述ω_e分别小于设置基准值，则仅计算 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin \mathrm{\&theta;}\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{\mathrm{\&psi;}}_f\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]$ 以计算所述估计的三相电压命令。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，

将所述输出电压命令与所述估计的电压命令之间的绝对值与所述容许误差基准进行比较包括：

将所述三相电压命令的向量和与所述估计的三相电压命令的向量和进行比较。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，

将在所述输出电压命令与所述估计的电压命令之间的绝对值与所述容许误差基准进行比较包括：

仅在除了关于所述输出电压命令变为零的点设置的预定时间段之外的时间段，将所述输出电压命令与所述估计的电压命令进行比较。