CN106911278B

CN106911278B - 用于监控psm电机的方法和设施

Info

Publication number: CN106911278B
Application number: CN201611181886.XA
Authority: CN
Inventors: 哈桑·拉姆萨埃尔
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: CN106911278A; US10270378B2; US20170179863A1; DE102015226382A1

Abstract

提供用于监控PSM电机的方法和设施，该电机通过磁场定向控制运行，该方法包括下列步骤：识别相上的电流传感器是否失效；如果识别到失效，从而仅还有一个电流传感器(225)可工作，则以两种途径由PSM电机的输入电压在d，q坐标系中的电压幅值和相位计算出电压矢量，基于通过工作的电流传感器测量的相电流和额定电流并且基于电机的电角度进行输入电压的第一计算，并且基于参考电压相位和参考电压幅值的额定值进行输入电压的第二计算，并且获知PSM电机的输入电压的电压幅值和电压相位，将分别在两种途径中由输入电压获知的电压幅值和相位进行比较。

Description

用于监控PSM电机的方法和设施

技术领域

本发明涉及一种用于监控PSM电机的方法，以及一种用于监控PSM电机的设施。

背景技术

永磁同步电机也称为PSM电机，它在机动车内用于不同的目的，例如用于转向力支持、牵引驱动器或者其他的驱动器。PSM电机是一种旋转磁场电机，它具有布置在转动件上或中的永磁体。至少一个定子包括三相或多相绕组，并且由以120度角分布的相形成。各相的线圈在周边上围绕转动轴线分布，转子相对于定子相对于转动轴线可转动地支承。

PSM电机的状态参量，例如电流、电压、磁通量等可以在三维坐标系(U、V、W)中示出，如图1中所示那样。为了调节PSM电机，电机的状态参量变换到随着转子转动的坐标系(d，q)中，其中，d轴在与转子的永磁通量相同的方向上取向，这同样在图1中示出。所示的α，β坐标系是定子的固定的二维坐标系。利用将状态参量变换到d，q坐标系中，PSM电机的差分方程得以简化，并且PSM电机可以像直流电机那样调节。这被称为磁场定向调节或者FOR。在磁场定向调节的情况下，相对于转子(磁通量)固定的d，q坐标系确定应该流过旋转磁场电机的总额定电流，从而更简单地执行一些控制或调节过程并且将一些计算简化。

通常对通过各个(通常是星形地连接的)相的电流进行扫描。在该电路中，通过各个相的电流之和总是零。这意味着的是，因此，通过其中一个相的相电流可以由其他两个相的相电流之和确定。然而，如果用于确定其中一个相的相电流的电流传感器失效，那么通常不再能利用仅一个电流传感器执行磁场定向调节。在已知方法的情况下，测量用于诊断的电流是必需的。然而运行仍是可能的。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种当电流传感器失效时的PSM电机的调节特性的监控可能性。

根据本发明，该任务通过根据本发明的用于监控PSM电机的方法和用于监控PSM电机的设施解决。

根据本发明，提出一种用于监控具有至少或刚好三个相的PSM电机的方法，该电机通过磁场定向控制运行，该方法包括下列步骤：识别一个或者多个布置在PSM电机的相上的电流传感器是否失效；如果识别到一个或多个电流传感器失效，从而仅还有一个电流传感器(225)可工作，则以两种彼此独立的途径由PSM电机的输入电压在d，q坐标系中的电压相位和电压幅值计算出电压矢量，其中，在第一种途径中基于通过工作的电流传感器测量的相电流和额定电流并且基于电机的电角度进行输入电压的第一种计算，并且在第二种途径中基于参考电压相位和参考电压幅值的额定值进行输入电压的第二种计算。在计算后进行PSM电机的输入电压的电压相位和电压幅值的获知以及进行分别在第一和第二种途径中由输入电压获知的电压幅值和电压相位的值彼此间的比较。

在一个设计方案中，在第一种途径中基于电流矢量的相位

和电流矢量幅值

由输入电压的电压幅值和电压相位

进行电压矢量的计算，其中，电流矢量的相位

通过电机的电角度

和负载角度

从下述方程2和3中计算出，并且电流矢量幅值

根据电流矢量在U、V、W坐标系中的所测量的分量I_su、I_sv或I_sw根据下述方程4至6计算出。

通过PSM电机的调节特性的取决于电压的监控，即使在一个电流传感器失效的情况下也可以进行对电机的有效监控，这与在已知的方法中不同，在已知的方法中，在一个电流传感器失效的情况下，如上所描述的那样不可能进行对电机的进一步监控。此外还可以通过该方法实现明显的成本节约，这是因为仅需要两个电流传感器来监控调节特性，即使当其中之一失效时。

在一个设计方案中，通过形成在第一种和第二种计算中获知的电压幅值和电压相位值之差来进行两个所获知的电压矢量的比较。有利地，如果在这些值之间识别出偏差，则分析存在什么故障。有利地，基于所识别的故障进行至少一个措施，措施选自发送故障信号、关闭电机、改变电机参数。

通过提供两个以不同方式获得的电压矢量，可以以简单的方式，例如通过形成差值来识别与电机的正常状态的偏差，进行分析并采取措施来消除故障。在这种情况下，分析存在什么故障的方式取决于应用。可以通过形成平均值、通过积分或者通过其他故障识别方法来识别存在什么故障。然后可以根据故障的类型采取措施，即，从发出警告信号到立即关闭存在故障的应用。在这种情况下，采取什么措施取决于应用、故障的类型和比重，并且由本领域技术人员确定。

在另一设计方案中，在第二种计算的过程中，由之前的扫描步和中间电路电压计算参考电压幅值和参考电压相位的额定值。在另一设计方案中，通过将输入电压的d，q分量变换到极坐标图中来获得用于第一种和第二种计算的电压幅值和电压相位。

通过使用的已知的电机参数和合适的数学计算和变换，可以以简单且成本有利的方式和方法计算或确定电压矢量。由于计算的简单性而提高了系统的可靠性并且只需要复杂度更低的装置或方法步骤来获得用于监视电机的可靠的值。

此外，在本发明的框架内还设置有一种用于监控具有至少或者正好三个相的PSM电机的设施，该电机通过磁场定向控制运行，该设施至少包括至少一个布置在PSM电机的每个相上的、安装用于测量相的相电流的电流传感器，用于检测电机角度的机构以及用于扫描至少一个相的相电流的扫描装置。此外，设置有一种用于执行上述方法的装置以及一种故障识别装置，其安装用于识别电流传感器的失效或者用于识别仅还有一个电流传感器可工作，并且针对电压矢量的第一种计算设定为使用其中一个另外的电流传感器的电流相位。

在一个设计方案中，用于执行该方法的装置包括用于执行PSM电机的输入电压的电压矢量的第一种计算的装置、用于执行PSM电机的输入电压的电压矢量的第二种计算的装置以及比较装置，该比较装置安装用于将各个在第一种和第二种计算过程中由测量的相电流和额定值计算出的电压矢量彼此进行比较。优选地，该装置此外还包括用于确定识别到的故障的分析装置。

提供该设施的优点是既可以使用多个硬件部件也可以使用单个部件，例如微芯片，各个方法步骤例如作为软件在其上执行。此外，该设施及其设计方案具有与以上针对该方法所描述的相同的优点。提供了对PSM电机的调节特性的基于电压的监控，由此可以识别很多干扰效果并可以采取相应的措施。这导致更高的系统可靠性、更低的成本以及以简单的方式监控很多干扰效果的可能性。

由下面的参照示出本发明细节的附图对本发明实施例的说明得出本发明的其他特征和优点。各个特征可以单独地或者任意组合地实现于本发明的变型中。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明的优选的实施方案。

图1示出具有不同的坐标系的旋转磁场电机。

图2示出根据本发明一种实施方案的设施的结构图。

在下面的附图描述中，相同的元件或者功能配以相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出一种已知的旋转磁场电机100，尤其是PSM电机，它包括定子(未示出)和转子101，它们相对于转动轴线102可转动地彼此支承。在定子上，在围绕转动轴线102以120度均匀分布在周边上地安置有至少三个线圈。设置有三个相U、V和W。每个相U、V和W通常与相同数量的线圈连接，线圈以相同的间距分布在周边上。极对数和与其连接的线圈的数目可以根据应用进行选择。在转子101上优选布置有至少一个永磁体103，其中，在利用相移的交变电流控制相U、V、W的情况下产生转矩，该转矩将转子101围绕转动轴线102相对于定子转动。

相U、V、W的相移控制可以在不同的坐标系中示出。在相对定子固定的U、V、W坐标系中，坐标轴相对于彼此扭转120°。因为相U、V、W的电流之和为零，所以电流矢量或者电流向量

也可以在相对定子固定的二维α/β坐标系中示出。此外，在图1中设置了有相对转子固定的d，q坐标系，其d分量与永磁体103的磁通量Ψ_PM同向延伸。q分量与其垂直地延伸。d轴和α或U轴之间的角度对应于旋转磁场电机100在转子101和定子之间的电转动角度

或

电转动角度

或

对应于机械转动角度乘以极对数。

图2示出根据本发明一种实施方案的用于旋转磁场电机100的磁场定向控制FOS的设施的结构图。通常，磁场定向规则FOR用于对PSM电机的控制。为了补偿两个轴d和q的相互作用，可以引入退耦。为了测量电流，在每个相中或者至少在两个相中使用电流传感器225。在汽车工业中经常出于成本原因仅使用两个电流传感器。第三相由这两个电流根据方程1计算出：

I_sw＝-I_su-I_sv (方程1)。

如果一个电流传感器失效或者仅还有一个电流传感器可工作，则切换到图2所示的FOS。在图2的不在用虚线示出的框内的区域中示意性地示出FOS。控制部件205基于旋转磁场电机100的总额定电流的预定的d和q分量I_sdRef，I_sqRef产生电压的d和q分量U_sd(k)，U_sq(k)。d和q分量I_sdRef，I_sqRef撑开对应于总额定电流的电流向量。在控制部件205中产生并且通过d和q分量U_sd(k)，U_sq(k)表达的电压通过变换器210由d，q坐标系变换到三维坐标系，尤其是U、V、W坐标系。在这种情况下得出三个电压U_s1(k)，U_s2(k)，U_s3(k)，它们通过向量调制器215基于中间电路电压U_dc变换成三个相对应的脉宽调制信号PWM_1(k)，PWM_2(k)和PWM_3(k)。在用于汽车中的情况下，中间电路电压U_dc对应于车载电源电压或者也对应于电池电压。脉冲逆变器220安装用于将每个相U、V、W交替地与中间电路电压U_dc的高电势和低电势连接，从而在相U、V、W上设定期望的电压。所提供的电压导致通过相U、V和W的实际相电流I_su，I_sv和I_sw。至少一个实际相电流I_su，I_sv，I_sw通过至少一个扫描装置225进行扫描，该扫描装置也包括电流传感器。

除了旋转磁场电机100、脉冲逆变器220、扫描装置或者一个或多个电流传感器225以及位置传感器230以外，所示的元件或者模块通常实施为在处理装置上运行的方法的步骤，该处理装置优选地包括可编程的微型计算机。输入信号通常通过模数转换器进行扫描并且待提供的信号要么以数字方式通过驱动器部件发出，要么以模拟方式通过数模转换器发出。在这方面，控制设备也可以理解为方法的呈现。

为了即使在其中一个电流传感器225失效的情况下也保证对PSM电机的监控，如图2中所示提出旋转磁场电机100的扩展方案，它在图2的上部区域中示出在虚线框中。所示的并且在下面更准确地描述的用于监控的功能部件可以任选地作为在处理装置上执行的方法步骤实现，或者作为尤其是基于电流或者电压执行信号处理的设备实现。

原则上，通过将仍然具有一个工作的电流传感器225的相的所测量的相电流用于计算电机的输入电压并且然后将其与电机的额定电压或者参考电压进行比较来进行对PSM电机的调节特性的监控。这意味着与迄今提出的方法不同的是，在一个电流传感器失效的情况下通过电压诊断来监控PSM电机，从而因此也同时通过电压探测到可识别的干扰效果，例如电机中的短路、位置传感器中的角度误差或者大的参数波动，并且可以引入相应的矫正措施。

提出一种在电流传感器失效的情况下对电机的监控，该监控基于通过两种不同的途径在d，q坐标系中计算电机的输入电压。在这种情况下，将两种计算的结果进行比较和分析。下面详细描述这两种计算。

电机的输入电压的第一种计算通过电机的测量参量(在这里为电机电流和电机转速)并且通过已知的电机参数进行，如下所描述的那样。

在电流传感器失效的情况下，两个电流传感器225中的至少一个电流传感器仍然运行，从而因此可以测量该相的相电流。这意味着U、V、W坐标系中的相电流矢量的至少一个分量是可用的。从电流矢量的所测量的各个分量和额定电流I_sdRef和I_sqRef可以获知U、V、W坐标系中的电流矢量的另外两个分量，从而可以执行d，q坐标系中的电机电压的计算。为此，除了两个d和q额定电流值I_sdRef和I_sqRef以外还使用由例如位置传感器230获知的电角度

因为FOS具有选定的动力，即在一定的时间后才设定所需要的d，q电流，所以通常将该延迟通过滤波器270，例如低通滤波器或者其他合适的滤波器复制。滤波器270的时间常数可以彼此不同，其中，时间常数优选以如下方式选择，即，使FOS的动力得到复制，即，大多在滤波器中过滤的额定电流具有与电机中的电流相同的走向。通过d，q电流的延迟的额定值I_sdRefF和I_sqRefF可以获得复制的、变换到d，q坐标系中的电机相电流，如下所描述的那样。这些方程通过如图2所示的相应的设备实施，并且也可以如上所描述的那样实施为纯粹的方法步骤。

方程2示出如何由过滤的电流I_sqRefF和I_sqRefF计算出电机的负载角度

电流矢量的相位

可以通过电机的负载角度

和电角度

计算：

为了计算电流矢量的幅值使用电流矢量在U、V、W坐标系中的所测量的分量I_su，I_sv或者I_sw以及由方程3计算出的电流矢量的相位

在这种情况下，根据电流矢量在U、V、W坐标系中的所测量的分量区分三个不同的方程。

针对测量相U中的电流的情况，由以下方程计算出电流矢量的幅值：

针对测量相V中的电流的情况，由以下方程计算出电流矢量的幅值：

针对测量相W中的电流的情况，由以下方程计算出电流矢量的幅值：

要考虑的是，由方程4至6进行的计算不能在分母等于零的情况下实施，从而在分母为零附近的带宽周围不进行计算。在这种情况下，在距离零多远的情况下不再进行计算取决于可用的计算能力和应用，并且由本领域技术人员相应地确定。

α，β坐标系中的电流分量I_sα和I_sβ通过电流矢量的由方程3计算出的相位以及由方程4、方程5或者方程6计算出的绝对值获得：

由计算出的两个电流分量I_sα和I_sβ可以按下式计算出电机的d，q电流分量I_sd和I_sq：

通过使用由方程8计算出的电流I_sd和I_sq可以通过电机的差分方程计算出d，q坐标系中的电机电压：

d，q坐标系中的电机电压幅值U_s和电压相位

通过将由方程9和方程10得到的两个d，q分量变换到极坐标图中而获得：

其中，方程12考虑了所有的象限。

电机的输入电压的第二种计算如下面更准确地描述的那样通过获知额定值来进行，额定值通过来自在先的扫描步的PWM值PWM_X(k-1)和中间电路电压U_dc计算。因为来自在先的扫描步(k-1)的PWM值在新的扫描步k开始时才在逆变器220中设定，所以用于电压U_sdRef和U_sqRef的第一种计算的所扫描的电流和转速与用于电压的第二种计算的PWM值同步。

电压U_sdRef和U_sqRef按下式进行计算：

其中，

其中，Δ_UOffset是处于零和T_A/2之间的时间偏置值，其中，T_A示出调节系统的扫描时间。

与以上所提到的类似地同样适用于参考电压。d，q坐标系中的电机参考电压幅值U_sRef和参考电压相位Θ_UsdqRef由以下方程获得：

通过两个在第一种和第二种计算中获知的电机相电压矢量(即相位和幅值)的比较可以识别是否存在故障情况。

更准确地说，将所测量的相电流的相电压矢量(方程11)和参考值的相电压矢量(方程16)以及所测量的转速的相电压矢量(方程12)和参考转速的相电压矢量(方程17)进行比较。这例如通过电压比较装置260进行。方程2至方程8可以例如在第一计算装置240中计算出，并且方程9和方程10可以例如在第二计算装置250中计算出。然而，该计算并不局限于所示的计算装置，相反，这些计算也可以在唯一的计算装置中根据选择监控装置的哪种结构来计算出。

通过所测量的值与参考值的比较，即使在一个电流传感器失效的情况下也可以基于电压比较获知电机的情况。在这种情况下可以识别特定的故障，例如相缺失(Phasenabriss)、绕组短路、位置错误或者大的参数波动。如果两个进行比较的相电压矢量相等，即不存在偏差，则将电机的情况总是相对于待观察的故障可能性判为正常。如果识别到相电压矢量之间的偏差，则可以将其通过分析装置280进行分析。分析可以以不同的方式进行，例如通过形成平均值、偏差对时间的积分和本领域技术人员已知的其他的探测故障功能的方法。

出于完整性的考虑要提到的是，图2所示的控制部件205基于期望的总额定电流通过旋转磁场电机100确定电压的d和q分量，优选基于以下方程18和19：

方程18和19中使用的电流分量I_{sd_k}，I_{sq_k}对应于旋转磁场电机100的总额定电流的图2所示的电流分量I_sdRef，I_sqRef，它们在那里被输送至电流滤波器270和FOS的控制部件205。

方程中使用了如下符号：

ω_el：电角速度

θ_m：机械角度

ω_el：电角度

Zp：电机的极对数

U_sa，U_sβ： α，β坐标系中的电压

U_{sd_k}，U_{sq_k}： d，q坐标系中的要求电压(当前)

U_{sd_k-1}，U_{sq_k-1}： d，q坐标系中的要求电压(在之前的一个扫描步)；其中，电压U_{sq_k-1}是没有(ω_el*ψ_PM)项的电压U_{sq_k}

I_{sd_k-1}，I_{sq_k-1}：来自在老的扫描步的额定电流I_sdRef和I_sqRef

Rs：电机的定子电阻

Ψ_PM：电机的飞轮磁通量

T_Ed： d轴中的电机电时间常数(＝Lsd/R)

T_Eq： q轴中的电机电时间常数(＝Lsd/R)

T₁： d轴中的期望的时间常数

T₂： q轴中的期望的时间常数

T＝T_A：所使用的调节器扫描时间

U_dc：中间电路电压(在很多汽车工业应用中对应于电池电压)

PWM_1，2，3：用于控制逆变器的PWM值

上述的用于在一个电流传感器失效的情况下监控PSM电机的调节特性的方法通过电机在d，q坐标系中的所测量的电压矢量与参考值的比较(即形成差值)而实现。这两个电压之间的差值和幅值可以通过其他的装置进行分析，即可以例如发出警告信号或者发出电机立即关闭或者重新启动的命令，这取决于所识别的故障。在这种情况下，通过故障识别装置290(在图2中称为“SensFailure”)，根据具有故障的或者有缺陷的电流传感器的相，将具有工作中的电流传感器的另外的电机相的电流用于计算电机的电流矢量。首先将电机额定电流I_sqRef和I_sqRef过滤，其中，在所示的图中针对I_sqRef使用滤波器1 270，它复制FOS在d轴中的动力(方程18)，并且针对I_sqRef使用滤波器2 270，它复制FOS在q轴中的动力(方程19)。利用过滤的d，q额定电流值可以复制电机的负载角度(方程2)。然后通过方程3获知电流矢量的相位，并且电流矢量的幅值根据仍然工作的相电流传感器由方程4至方程6之一获知。

利用电流矢量的计算，可以由方程7和方程8计算出电流I_sd和I_sq，并且可以由此通过电机的差分方程获知两个电压U_sd和U_sq(方程9和方程10)。另一方面，可以通过来自在先的扫描步(k-1)的PWM值、逆变器的中间电路电压和电机的电角度计算出d，q坐标系中的电机参考电压(方程13、方程14、方程15)。在方程15中，由于离散化误差，电机的电角度为了电压U_sα和U_sβ的变换而得到调整。在图2中的方块“电压比较”260中，将电压矢量的相位(方程12和方程17)以及幅值(方程11和方程16)进行比较并得出差值，然后将其在方块“分析”280中进行分析。在这种情况下，分析如上所描述的那样进行。

通过本发明实现了不同的优点。与在迄今为止的监控方法中不同地，在迄今为止的监控方法中取消使用用于监控位置传感器和电机功率的两种诊断，这是因为不能测量所需的电机相电流，这对于根据本发明的在FOR，即磁场定向规则下的电压监控来说不是问题。基于通过电压的监控，即使在一个电流传感器失效的情况下也可以进行对PSM电机的监控，其中，由此可以比在迄今为止的方法中监控更多的电机部件。例如可以监控PSM电机以防相失效、绕组短路、参数波动、角度误差等，也就是说当一个电流传感器失效或者当仅还有一个电流传感器可工作时监控所有可通过电压监控的部件。因此可以及时识别临界状况并且采取用于消除故障的合适措施。

在对PSM电机的调节特性的根据本发明的电压监控中，两个用于诊断的电压传感器是足够的，这可以节约构件，例如传感器、A/D转换器、电路板面积等，从而实现成本节约，这在百万级件数的情况下是很大的优点。此外还可以降低通过相电流的测量装置经由分流电阻导致的电压或功率损耗。

总而言之，通过根据本发明的监控装置，即使在一个电流传感器失效的情况下也可以保证对电机的有效监控，从而可以实现其中装有该监控装置的应用的更长时间的使用，这还可以例如在紧急运行中导致更高的可靠性。可以例如在用于电动助力转向中的情况下获得更高的可靠性，这是因为在电流传感器失效的情况下不必立即停止，而是还可以例如行驶至最近的车间或者回家。

附图标记列表

100 旋转磁场电机

101 转子

102 转动轴线

103 永磁体

U、V、W相的电流矢量或者电流向量

Ψ_PM 永磁体的磁通量

电转动角度

205 控制部件

210 变换器

215 向量调制器

220 脉冲逆变器

225 扫描装置/电流传感器

230 位置传感器

240 第一计算装置

250 第二计算装置

260 电压比较装置

270 滤波器

280 分析装置

290 故障识别装置