CN105429526A - 电机的监视装置、电机的控制装置及监视电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露了一种电机的监视装置，包括一第一检测装置，用于检测供给所述电机的电功率；包括一第二检测装置，用于基于所述电机的换相检测出所述电机所输出的理论机械功率；以及包括一计算装置，用于基于所述测得的电功率和理论机械功率计算所述电机的效率，并在计算出的效率大于1时发出报错信号。本发明还进一步提供了一种电机控制装置以及一种监视电机的方法。

Description

电机的监视装置、电机的控制装置及监视电机的方法

【技术领域】

本发明涉及到一电机的监视装置、电机的控制装置和对于电机的监视方法。

【背景技术】

现有电机具有许多不同用途。由于不存在换向刷受磨损的问题，无刷电机高可用性和长使用寿命在某些应用中是有优势的。

例如，上述类型的电机可用于车辆中，例如作为车辆空调的风扇电机等。

在电机运行过程中，电机转子可能由于电机本身缺陷或外界影响堵转。电机转子堵转时需由电子驱动装置检测出，此时需切断电机供电，以避免对用电设备或电机造成永久性损坏。

现今有各种检测电机转子堵转的手段。鉴于此，检测转子堵转时最好无需另设位置传感器，以避免增加系统的复杂性和成本。

例如，堵转情况可根据一使用于电机控制的卡尔曼(Kalman)滤波器的转速检测出，然而，此种检测方式精确性很差，且可能因此导致电机转子堵转情况的漏检。

可替换地，还可用基于模型(model-based)的方法检测电机转子堵转。然而，由于在电机低转速范围时可测量的反电动势(backEMF)非常低，这些方法仅在电机处于高转速范围时可靠。

【发明内容】

本发明解决了检测电机转子堵转的问题，提供一种可供选择的简单方法。

因此，本发明依据权利要求1揭露一种监视装置，依据权利要求7揭露一种控制装置，依据权利要求9揭露一种方法。

因此，有以下内容：

一种电机的监视装置包括：一用于检测供给所述电机的电功率的第一检测装置、一用于基于所述电机的换相检测所述电机所输出的理论机械功率的第二检测装置、一用于根据测得的电功率及理论机械功率计算得出所述电机的效率，并在效率大于1时发出一报错信号的计算装置。

进一步地，有如下内容：

一电机的控制装置，包括用于基于一预设转速驱动所述电机的电子驱动装置，以及包括本发明的监视装置，其中当所述监视装置发出一报错信号时所述电子驱动装置断开所述电机的电压和/或电流。

最后，有如下内容：

一种监视电机的方法：包括检测供给所述电机的电功率、基于所述电机的换相检测所述电机输出的理论机械功率、根据测得的电功率及理论机械功率计算出所述电机的效率，在计算的效率大于1时发出一报错信号。

本发明优点

本发明的理论基础为：对于一电机的堵转转子而言，电功率和理论机械功率的值不一致。

在此，理论机械功率指：至少以转速或基于所述电机的换相(commutation)所预设的转速为基础理论计算出的机械功率。

本发明的概念主要在于考虑到上述的理论并基于电机的电功率和理论机械功率的差异提供了一种检测电机转子堵转的选项。

因此，本发明提供了一种监视装置，此监视装置中有检测供给所述电机的电功率的第一检测装置和检测所述电机输出的理论机械功率的第二检测装置。

根据本发明，一计算装置是基于检测得到的电功率及理论机械功率计算出所述电机的效率，并在所述效率大于1时发出一报错信号。

本发明中采用的方法特别适用于无刷电机，例如永磁同步电动机(PMSM)。

即使电机转子堵转时，驱动电机的电子驱动装置仍可继续所述电机的换相，本发明即利用了此原理。

因此，如果所述电机的转子发生堵转，计算的理论机械功率值高于电功率，会导致电机的效率大于1。

本发明的控制装置中，所述监视装置联接在电子驱动装置上，所述电子驱动装置基于报错信号切断电机的电压和/或电流，即上述电子驱动装置终止电机的驱动。

优选实施例及相关改进见于从属权利要求和附图的详细说明。

在一实施例中，所述第一检测装置基于供给电机的电压及电流计算所述电机的电功率，以此方法计算电机的电功率非常简便。

在一实施例中，所述第一检测装置包括：一检测供给电机电压的电压传感器。因此，此检测装置可直接测量供给电机的电压。

在一实施例中，所述第一检测装置包括：一检测供给电机的电流的电流传感器。因此，此检测装置可直接测量供给电机的电流。

在一实施例中，所述第一检测装置包括一测量数据接口，以此测量数据接口检测供给电机电压和/或电流。因此，控制装置电子驱动装置中已测得的供给电机的电压和电流数据结果可重复使用，不必单独检测。

在一实施例中，所述第二检测装置以电机转矩和基于电机的换相预设的转速，计算电机输出的理论机械功率。此方法使机械功率的计算简单有效。

例如，机械功率可用以下公式计算：

P_mach＝2*π*M*n

M为转矩，n为转速。转速是由电机的换相预设。电机在无磁场减弱的情况下运转时，转矩可以由以下公式进行计算：

$M=\frac{3}{2}*numberofpolepairs*I_q*\mathrm{\Ψ}$

其中，I_q为转子-固定(rotor-fixed)坐标系q轴电流，Ψ为磁通量。

在一实施例中，所述计算装置是在一预设时间段内计算效率，并在此时间段内于计算得出的效率大于1时，发出所述报错信号。因此，电机不会因为轻微堵转或所述计算装置故障发生计算错误而停机。

在一实施例中，电子驱动装置至少包括：一检测供给电机电压的电压传感器，并向监视装置传输此检测电压值。因此，在电子驱动装置中已有的电压传感器也可用于此监视装置中。

在一实施例中，电子驱动装置至少包括：一检测电机电流的电流传感器，并向监视装置传输此检测电流值。因此，在电子驱动装置中已有的电流传感器也可用于此监视装置中。

在可行的前提下，以上实施例及改进的实施例可以分别按需组合。本发明包含更多的实施例、改进例及应用例，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。特别地，本领域技术人员可在本发明的基本形式上添加其他方面，对本发明进行改进或补充。

【附图说明】

以下附图对本发明的基本实施例各个细节进行了详细描述。在附图中：

图1为根据本发明一实施例的监视装置的方块示意图；

图2为根据本发明一实施例的控制装置的方块示意图；

图3为根据本发明一实施例的方法流程图；及

图4为显示一电机的机械功率和电功的变化曲线图。

以上所有图中，除另有說明外，相似和功能上相似的元件和装置皆采用相同标号。

其中，部件编号列表为：

1监视装置

2电机

3第一检测装置

4电功率

5第二检测装置

6理论机械功率

7计算装置

8电机效率

9报错信号

10电压

11电流

12电压传感器

13电流传感器

14测量数据接口

15预设时间段

16控制装置

17电子驱动装置

18预设转速

19开关

t0，t1时间点

S1-S4本方法步骤

【具体实施方式】

图1为根据本发明一实施例的监视装置1的方块示意图。

图1中的监视装置1包括：一第一检测装置3，检测供给受控的所述电机2(电机2未显示在图1中)的电功率4。

为此，在一实施例中，所述第一检测装置3能够检测供给所述电机2的电压10及电流11。见图2。

进一步地，所述监视装置1包括：一第二检测装置5，检测供给所述电机2的机械功率6。在一实施例中，所述第二检测装置5可以以下公式为基础计算所述机械功率6：

P_mach＝2*π*M*n

M为转矩，n为转速18，转速18是由所述电机2的换相预设。

在一实施例中，所述电机2在无磁场减弱情况下运转时，转矩M可以由以下公式进行计算：

$M=\frac{3}{2}*numberofpolepairs*I_q*\mathrm{\Ψ}$

其中，I_q为转子-固定坐标系q轴电流，Ψ为磁通量。

如果所述电机2在有磁场减弱情况下运转时，转矩M由以下公式计算：

$M=\frac{3}{2}*numberofpolepairs*(I_q*\mathrm{\ψ}+I_q*I_d*(L_d-L_q))$

其中，I_q为转子-固定坐标系q轴电流；L_d及L_q分别为电感系数。所述第一检测装置3向所述监视装置1的计算装置7提供电功率4的值。而所述第二检测装置5向所述计算装置7提供所述电机2的理论机械功率6的值。

所述计算装置7根据4和6两个功率值计算电机的效率8。在一实施例中，此效率值可用电功率4除以机械功率6进行计算。

当出现故障即所述电机2转子堵转时，所述第二检测装置5仍会根据所述电机2的换相所预设的转速计算所述电机2的机械功率6。因此造成机械功率6会比所述电机2实际输出的机械功率大。

如果此时再由电功率4和机械功率6计算所述效率8，由于机械功率6增大，所得效率8的值将会大于1。然而，效率大于1是不符合实际的，所以可根据此效率8推断所述电机2发生了转子堵转。

在这种情况下，所述计算装置7发出一报错信号9，可用所述电机2的电机控制系统进行评估。

在一实施例中，所述监视装置1可设计为一单独的控制单元。在此种实施例中，所述监视装置1可联接在所述电机2的电机控制系统上，例如可用总线系统(例如CAN总线)进行联接。

而在另一实施例中，所述监视装置1可以作为所述电机2的控制装置16的一部分。

为此，可将所述监视装置1设计为一程序模块，由控制装置16的处理器执行程序。此程序模块可与其他所需的程序模块并行控制所述电机2。

所述监视装置1也可设计为控制装置16中的单独单元，以单线或总线系统与控制装置16中的其他部件进行联接。这样会增强整个系统的可靠性。

如果所述监视装置1用于车辆中，例如监视车辆空调系统风扇电机时，所述监视装置1可联接在车辆总线例如CAN总线或FlexRay总线上，报错信号9例如可传输至一高阶车辆控制机构进行评估并采取相应措施。例如可限制空调系统的功率。然而仍可加大其余风扇电机的功率，以弥补以上故障产生的负面影响。例如，也可由系统提醒驾驶员该车辆需要进行维护。

图2为根据本发明一实施例的控制装置16的方块示意图

图2中的控制装置16包括：一监视装置1，以图1中的监视装置1为基础。

与图1不同的是，图2中的监视装置1包括：一测量数据接口14，借助监视装置1检测供给所述电机2的电压10和电流11。进一步地，借助于借助测量数据接口14，监视装置1也可检测由所述电机2换相预设的转速18。在一实施例中，监视装置1也可借助于测量数据接口14检测电流I_q的值机磁通量ψ的值。

图2中的控制装置16还包括：可获取预设转速18并以预设转速18驱动的所述电机2的电子驱动装置17。

图2中并未表示出本专业技术人员所熟知的电子驱动装置17的组成部分，例如变换器或类似组成部分。为清晰起见，图中仅表示出电子驱动装置17中与解释本发明功能有关的部件。

电子驱动装置17包括：电压传感器12和电流传感器13，分别可检测供给所述电机2的电压10和电流11，并通过测量数据接口14向监视装置1提供所测得的电压和电流。进一步地，电子驱动装置17通过测量数据接口14向监视装置1提供由所述电机2换相预设的转速18。

如上所述，所述第一检测装置3可计算由供给所述电机2的电压10和电流11计算供给所述电机2的电功率4。以转速18和相应设置、电流I_q和磁通量ψ为基础，所述第二检测装置5可以算出所述电机2输出的理论机械功率6。

所述计算装置7以提供给电子驱动装置17的电功率4和理论机械输出功率6计算出报错信号9。电子驱动装置17包括一自动开关19，见图2开关19。

图3为根据本发明一实施例的方法流程图。

监视所述电机2的方法为：检测提供给所述电机2的电功率4(S1)。进一步地，此方法包括基于所述电机2的换相检测所述电机2输出的理论机械功率6(S2)。所述电机2的效率8由测得的电功率4和测得的理论机械功率6计算(S3)。

最后，如果效率8大于1，发出报错信号9(S4)。

在一实施例中，供给所述电机2的电功率4可根据供给所述电机2的电压10和电流11计算出来。例如，这两个值相乘即可算出电功率4。

在一实施例中，供给所述电机2的电压10可直接由电压传感器12检测。此外或二选一地，在一实施例中，供给所述电机2的电流11可直接由电流传感器13检测。

在一实施例中，供给所述电机2的电压和/或供给所述电机2的电流可由调整器(此方法中不执行)提供，还可借助所述测量数据接口14进行检测。

在一实施例中，所述电机2输出的理论机械功率6可由所述电机2的转矩和换相预设的转速18进行计算。在图1中已对理论机械功率6的计算公式进行了解释。

最后，在一实施例中，电机效率8可根据预设的时间段15进行计算，在此时间段内当电机效率8大于1时将会发出报错信号9。

本发明中的方法可作为一种程序产品，例如可以在车辆的控制程序中使用。在此，车辆控制系统可以为一个同时也控制所述电机2的电机控制系统。

图4为所述电机2的机械功率变化(实线)和电功率变化(虚线)曲线图。

图中Y轴表示功率(瓦特)、X轴表示时间(秒)，显示时间为10秒到25秒。

图4中的变化仅为示例，不同的所述电机2和本发明不同的实施例的变化曲线图会有差异。

在15秒(s)处，电功率4的曲线达到最大值约150瓦特(W)。与前述曲线几乎平行的一条曲线上，机械功率6达到120瓦特(W)。在15秒(s)和时间点t0之间，约有17.5秒(s)，电功率4增加，机械功率6随之增加，在将要达到t0时间点前，可观察到电功率4和机械功率6急剧增加。在时间点t0时，所述电机2的转子发生堵转。在时间点t0时，电功率34和机械功率6都降至0瓦特(W)。

紧接着，电功率4增加至大约41瓦特(W)，机械功率增加值大约85瓦特(W)。此后直至到达时间点t1，约22秒(s)处，电功率和机械功率都为一定值。

必须注意，机械功率6的值比电功率4的值大。如前所述，电机转子不堵转时由所述电机2换相预设的转速可用来计算机械功率6。只要所述电机2持续换相，机械功率6(与电功率4值相比)为高值时意味着电机转子堵转。

时间点t0和时间点t1之间的差值与预设的时间15秒(s)有关，即为一种超时机制或安全缓冲机制检测所述电机2的转子堵转情况。

时间点t1之后，电功率4和机械功率6都降低为0，因为电子驱动装置17在前述时间点终止了所述电机2的换相。

虽然对于本发明已对优选的实施例进行了上述描述，但本发明的实施例包括但不限于以上所述实施例，而是可以在各方面进行改动，尤其在不偏离本发明核心的情况下对本发明进行改动，都应落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种电机(2)的监视装置(1)，包括：

一第一检测装置(3)，用于检测供给所述电机(2)的电功率(4)；

一第二检测装置(5)，用于基于所述电机(2)的换相检测所述电机(2)输出的理论机械功率(6)；

一计算装置，用于基于所述测得的电功率(4)和理论机械功率(6)，计算所述电机(2)的效率(8)，并在计算出的效率(8)大于1时，发出一报错信号(9)。

2.根据权利要求1所述的监视装置，其中，所述第一检测装置(3)用于根据供给所述电机(2)的电压(10)和电流(11)计算供给所述电机(2)的电功率(4)。

3.根据权利要求2所述的监视装置，其中所述第一检测装置(3)包含：

一电压传感器(12)，用于检测供给所述电机(2)的电压(10)；和/或，

一电流传感器(13)，用于检测供给所述电机(2)的电流(11)。

4.根据权利要求2或3所述的监视装置，其中，所述第一检测装置(3)包含一测量数据接口(14)，并利用该测量数据接口(14)检测供给所述电机(2)的电压(10)和/或供给所述电机(2)的电流(11)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的监视装置，其中，所述第二检测装置(5)用于基于所述电机(2)的转矩及所述换相预设的所述电机(2)的转速(18)计算所述电机(2)输出的理论机械功率(6)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的监视装置，其中，所述计算装置(7)用于计算在一预设时间段(15)内的所述效率(8)，并在此整个预设时间段内于所述效率(8)值大于1时发出一报错信号(9)。

7.一种电机(2)的控制装置(16)，包括：

电子驱动装置(17)，用于基于一预设转速(18)驱动所述电机(2)；以及，

包括如权利要求1至6中任一项所述的监视装置(1)；

其中，所述电子驱动装置(17)用于在所述监视装置(1)发出一报错信号(9)时，断开所述电机(2)的电压和/或电流。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其中，所述电子驱动装置(17)包含：至少一电压传感器(12)，用以检测供给所述电机(2)的电压(10)，并向所述监视装置(1)提供测得的电压(10)的值；和/或

至少包含一电流传感器(13)，用以检测供给所述电机(2)的电流(11)，并向所述监视装置(1)提供测得的电流(11)的值。

9.一种监视电机(2)的方法，包含：

(S1)检测供给所述电机(2)的电功率(4)；

(S2)基于所述电机(2)的换相检测所述电机(2)输出的理论机械功率(6)；

(S3)根据测得的电功率(4)和测得的理论机械功率(6)计算所述电机(2)的效率(8)；以及

(S4)在计算的效率(8)大于1时发出一报错信号(9)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，供给所述电机(2)的电功率(4)是基于供给所述电机(2)的电压(10)和供给所述电机(2)的电流(11)计算得出的。

11.根据权利要求10所述的方法，其中供给所述电机(2)的电压(10)由一电压传感器(12)测得；和/或其中供给所述电机(2)的电流(11)由一电流传感器(13)测得。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中供给所述电机(2)的电压(10)和/或供给所述电机(2)的电流(11)是使用一测量数据接口(14)进行检测。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述电机(2)输出的理论机械功率(6)是以所述电机(2)的转矩以及所述电机(2)换相预设的转速(18)为基础进行计算的。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，所述效率(8)是在一预设的时间段(15)内计算得出的；且在此时间段内，所述报错信号(9)是在所述效率(8)大于1时发出。