CN107111284B - 检测场定向控制永磁同步电机中的故障 - Google Patents

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Abstract

在所描述的示例中，系统(200)包括比例积分微分(PID)调节器(203)。系统(200)还包括故障检测单元(214)，用于从PID调节器(203)接收至少两个输出。所述至少两个输出包括至少两个转子参考系(D‑Q)电流。故障检测单元(214)还用于基于至少两个转子参考系电流生成检测信号。检测信号基于至少两个转子参考系D‑Q电流中的每一个的振幅幅度的故障检测信号振幅值识别故障。故障检测单元(214)用于基于故障检测信号振幅值和振幅阈值之间的比较来识别永磁马达故障的存在。进一步地，故障定位特征用于定位故障。

Description

检测场定向控制永磁同步电机中的故障
技术领域
本公开一般涉及电子电路，并且更具体地涉及用于检测场定向控制(FOC)永磁同步电机(PMSM)和驱动中的故障的方法和电路。
背景技术
电机被用于一系列应用中，包括工业应用、家用电器、汽车牵引、泵和风扇以及航空航天应用。这些应用中的大多数需要机器和任何关联驱动系统的安全和可靠的操作。电机中的故障可由于许多原因而发生，包括机械振动、热循环、热冲击、制造缺陷和不当的维护。检测电机故障可以防止对机器、驱动电子器件、人员和其他设备造成损害。
发明内容
在第一示例中，系统包括比例积分微分(PID)调节器。系统还包括故障检测单元。故障检测单元用于从PID调节器接收至少两个输出。至少两个输出包括至少两个转子参考系电流(D-Q电流)。故障检测单元还用于确定所述至少两个转子参考系电流中的每一个的振幅幅度。故障检测单元还用于基于所述至少两个转子参考系电流生成检测信号。检测信号基于至少两个转子参考系电流中的每一个的振幅幅度来识别单振幅幅度值。故障检测单元用于基于故障检测信号幅度值与预定义阈值之间的比较来识别永磁马达/驱动故障的存在。
在第二示例中，故障检测单元包括阈值检测器，用于从比例积分微分(PID)调节器接收至少两个输出，并且用于确定至少两个转子参考系电流中的每一个的振幅幅度。所述至少两个输出包括至少两个转子参考系电流。故障检测单元还包括检测信号生成单元，用于基于所述至少两个转子参考系电流生成检测信号。检测信号基于至少两个转子参考系电流中的每一个的振幅幅度来识别单振幅幅度值。故障检测单元还包括比较器，用于将信号幅度值与预设的阈值进行比较，以识别永磁马达故障的存在。
在第三示例中，方法包括从比例积分微分(PID)调节器接收至少两个输出，以及确定所述至少两个转子参考系电流中的每一个的振幅幅度。所述至少两个输出包括至少两个转子参考系电流。方法还包括确定所述至少两个转子参考系电流中的每一个的振幅幅度。方法还包括基于所述至少两个转子参考系电流生成检测信号。检测信号基于至少两个转子参考系电流中的每一个的信号的幅度值识别故障。方法包括基于信号振幅值和预设阈值之间的比较来识别永磁马达/驱动故障的存在。
附图说明
图1是根据本公开的具有场定向控制(FOC)永磁同步电机(PMSM)的系统的示例方框图。
图2是根据本公开用于检测FOC PMSM电机和驱动中的故障的系统的示例方框图。
图3A是根据本公开的D-Q电流特征(转子参考系电流特征)的示例框图。
图3B是根据本公开的相电流特征的示例框图。
图4是根据本公开的故障检测单元的示例方框图。
图5是根据本公开的示例故障检测方法的流程图。
具体实施方式
由于功率密度、效率增益和控制算法的简单性，永磁同步电机(PMSM)被越来越多地应用。场定向控制(FOC)是由于简单性而应用于PMSM的控制的一种控制算法。下面列出了可发生在PMSM驱动系统中的一些典型故障。
表1：PMSM电机驱动系统失效模式
机器故障 驱动故障
轴承失效 开关失效
绕组失效(相内) 单腿失效
绕组失效(相间) 多相失效
磁体失效 开关短路到相
开相故障 开关短路到接地
旋转PMSM中的绕组短路实质上是在磁场中旋转的导体的回路。导体回路随着电压在低电阻路径中产生电流流动而感应引起。超过绕组额定电流的电流可以在导体的回路中流通，即使在低电阻引起的低速下。超过绕组的额定电流可导致机器过热，并且可导致潜在的有害环境。立即检测到绕组故障将防止对机器、驱动电子器件、人员和其他设备造成损害。
图1是根据本公开的具有场定向控制(FOC)永磁同步电机(PMSM)的系统100的示例方框图。如图1所示，系统100包括转子参考系电流调节方案和Idq到Vdq转换器单元102(下文称为RC单元102)、转子参考系电压形式(Vdq)到相电压形式(Vabcs)变换单元101(下文称为线路电压到相电压变换单元101)、脉冲宽度调制(PWM)生成单元108、逆变器104、永磁马达106、DC电机或用于加载的任何机构107(下文称为机器107)和比例积分微分(PID)调节器103。PID调节器103包括误差计算单元110。系统还包括克拉克和帕克(CP)变换单元112。
RC单元102接收两个线路电流形式(Idq)，并将两个线路电流形式转换为两个转子参考系电压形式(Vdq)。RC单元102将两个转子参考系电压形式传输到单元101。单元101将两个转子参考系电压形式转换为相电压形式(Vabcs)。相电压形式被提供给PWM生成单元108。PWM生成单元108基于调制器信号信息来控制脉冲的宽度，形式上控制脉冲持续时间。
逆变器104从PMW生成单元108接收相电压形式，并将直流(DC)功率转换成交流(AC)功率。在该示例中，逆变器104表示将DC功率转换为提供给马达106的三相AC功率的三相逆变器。逆变器104包括用于将功率从DC形式转换成AC形式的任何合适的结构。例如，逆变器104可以包括使用脉宽调制(PWM)信号驱动的一个或更多个晶体管开关。
马达106表示使用逆变器104提供的电压操作的永磁马达。马达106包括具有嵌入或连接到转子的磁体的转子。马达106还包括具有多个齿的定子，导电绕组围绕所述多个齿缠绕。基于来自逆变器104的信号选择性地对绕组进行通电和断电，这产生使转子旋转的旋转磁场。马达106驱动机器107。马达可以用例如驱动轴和一个或更多个齿轮驱动机器107。
系统100还包括比例积分微分(PID)调节器103。在一个实施例中，PID调节器103是比例积分(PI)调节器。控制器包括具有误差计算单元110和克拉克和帕克(CP)变换单元112的PID调节器103。CP变换单元112在定子参考系中接收来自逆变器104的平衡三相AC电流，将定子系中的平衡三相AC电流转换成转子参考系中的两个电流(Iq和Id，Q和D轴电流)。CP变换单元112将两个线路电流传输到误差计算单元110。误差计算单元110调整被随后馈送到RC单元102的两个线路电流。
RC单元102、单元101和PWM生成单元108一起控制逆变器104的操作，从而控制马达106的操作。例如，PWM生成单元108生成PWM信号，其驱动逆变器104中的晶体管开关。通过控制PWM信号的占空比，PWM生成单元108控制由逆变器104提供给马达106的三相电压。
在该示例中，RC单元102接收作为输入的命令速度信号ω*，其识别马达106的期望速度。RC单元102还从PID调节器103接收作为输入的反馈，其中反馈识别所估计的马达速度、转子位置或马达106的其他特性(一个或更多个其他特性)。PWM发生器108使用输入生成用于驱动逆变器104中的晶体管开关的PWM信号。
图1中的各种组件可被组合或进一步细分。例如，组件101、102、104和108中的一个或更多个可以结合到马达106本身。
图2是根据本公开的用于检测场定向控制(FOC)永磁同步电机(PMSM)中的故障的系统200的示例方框图。如图2所示，系统200包括RC单元202、转子参考系电压到相电压变换单元201、PWM生成单元208、逆变器204、永磁马达206、机器207和PID调节器203。PID调节器203包括误差计算单元210和克拉克和帕克(CP)变换单元212。系统200的这些组件中的每一个与图1的相应的RC单元102、线路电压到相电压变换单元101、PWM生成单元108、逆变器104、永磁马达106、机器107以及包括误差计算单元110和CP变换单元112的PID调节器103相同或类似。
系统200还包括故障检测单元214。由于故障引起的机器不平衡，故障检测单元214通过基于转子参考系电流特征(DQ电流特征)执行检测算法来检测永磁马达206中的故障的存在。例如，为了控制的目的，电机被认为是平衡的三相机器。FOC算法依赖于通过一组平衡的三相电流控制的平衡机器。当CP变换单元212被激活时，定子参考系中的平衡三相电流变换成转子参考系中的两个DC状信号(非正弦)。在过渡周期之后，两个DC信号中的每一个处于稳态。
如果存在故障，则在稳态操作期间三相电流将不平衡，并且CP变换单元212不在转子参考系中产生处于稳态的两个DC信号。在这种情况下，不平衡马达具有转子参考系电流，其中正弦分量叠加在DC分量上。故障检测单元214识别叠加在DC分量上的正弦分量，并且诸如基于正弦分量的振幅值来确定故障存在。
图3A是根据本公开的D-Q电流的示例框图。类似的变型反映在PID控制器误差输出和控制信号输出上，其用于故障诊断和定位。故障检测单元214检测故障的存在。例如，如图3A所示，故障检测单元214在一段时间内接收多个D-Q电流值，从而产生D-Q电流特征。从0.48秒标记直到0.5秒标记，故障检测单元214确定当D-Q电流特征处于稳态时，马达和相电流被平衡。在0.5秒标记处，D-Q电流特征从稳态电流变为正弦电流。转子参考系PID调节器输出也受正弦电流的影响。故障检测单元214确定马达和相电流失衡，因为D-Q电流误差不处于稳态，从而指示故障存在。
图3B是根据本公开的相电流特征的示例框图。故障检测单元214例如在故障检测单元214确定故障存在之后从相电流特征导出D-Q电流特征。所导出的D-Q电流特征具有从逆变器204被提供给马达206的相同或类似的相电流特征。通过从相特征导出D-Q电流特征，故障检测单元214可以识别故障的类型。例如，图3A的导出D-Q电流特征遵循图3B的相电流特征。如图3B所示，从0.48秒标记到0.5秒标记，导出的相电流特征示出三个正弦电流特征(相A、B和C)，其中相同或类似的幅度反映稳态D-Q电流特征在同一时间帧内。在0.5秒标记处，相电流特征改变，使得相B电流特征具有零振幅，而相A和相C电流特征具有反映使用图3A的正弦D-Q电流特征识别的故障状态的增大振幅。
D-Q电流和转子位置一起用于定位故障发生。可以经由转子位置传感器估计或获取转子位置。例如，相电流特征的特定配置或模式可以识别开关失效、单腿失效、开关断开失效、开关短路到接地失效和其他失效。基于故障类型的识别，故障检测单元214可以确定故障的位置。
此外，故障检测单元214使用算法来检测故障相。相对于由于故障条件导致的实际转子位置，故障相识别方案基于在函数“f”中感应引起的相移。假设相“C”上的故障，推导如下：
Figure GDA0002327470010000051
Figure GDA0002327470010000061
Figure GDA0002327470010000062
Figure GDA0002327470010000063
Figure GDA0002327470010000064
Figure GDA0002327470010000065
Figure GDA0002327470010000066
如果实际电角是已知的，则可以提取以上信号“f”中的相移。相移将指示故障绕组/相。
Figure GDA0002327470010000067
图2中的各种组件可以被组合或进一步细分。例如，部件201、202、204和208中的一个或更多个可以结合到马达206本身。
图4是根据本公开的故障检测单元414的示例框图。故障检测单元414的设计细节可被合并到图2的系统200中的故障检测单元214中。当然，这些设计细节可被合并到在其他系统中操作的其他故障检测单元中。如图4所示，故障检测单元414包括阈值检测器416、检测信号生成单元418、比较器420、故障计数器422和检测阈值存储单元424。
阈值检测器416从比例积分微分(PID)调节器(例如图2的PID调节器203)接收至少两个输出。所述至少两个输出包括至少两个转子参考系D-Q电流特征。阈值检测器416确定至少两个转子参考系D-Q电流中的每一个的振幅幅度，以启用故障检测电路。例如，当马达206平衡时，阈值检测器416将确定至少两个转子参考系D-Q电流中的每一个的幅度为等于零或接近零的值，因为转子参考系电流处于稳态。当马达206不平衡时，阈值检测器416将确定至少两个转子参考系D-Q电流中的每一个的振幅幅度是明显大于零的值，因为转子参考系电流不处于稳态。在至少两个转子参考系D-Q电流特征通过阈值检测器416之后，由检测信号生成单元418接收至少两个转子参考系D-Q电流特征。
检测信号生成单元418接收至少两个转子参考系D-Q电流特征并且基于至少两个转子参考系D-Q电流特征生成检测信号。因此，检测信号是D电流特征和Q电流特征的组合的单个信号。检测信号基于至少两个转子参考系D-Q电流特征中的每一个的振幅幅度，从单个信号识别单振幅幅度值。检测信号生成单元418计算单振幅幅度值以提供准确的振幅幅度值。检测信号生成单元418可以使用以下等式生成检测信号：
Id_error x/(Id_error x+Iq_error x)；x＝1,2,3,…
在检测信号生成单元418生成检测信号之后，检测信号生成单元418将检测信号传输到比较器420。
比较器420接收检测信号并将检测信号的单振幅幅度值与幅度阈值进行比较以识别永磁马达故障的存在。例如，如果单振幅幅度值大于幅度阈值，则存在故障。检测阈值存储单元424存储振幅阈值，并将该振幅阈值提供给比较器420以用于信号比较。
故障检测单元414还包括故障计数器422。故障计数器422验证故障存在。例如，在确定第一故障存在之后，故障计数器422对在比较器420处检测到的后续故障信号阈值交叉的数量进行计数。当故障计数器422检测到预定量的后续故障时，故障计数器422验证故障存在。故障计数器422可以在检测到至少一个后续故障之后验证故障存在。在预定时间段内检测到预定量的故障之后，故障计数器422可以验证故障存在。当在预定时间段内检测到预定量的连续故障信号阈值交叉时，故障计数器422可以验证故障存在。当在预定时间段内检测到故障与非故障的百分比时，故障计数器422可以验证故障存在。
图5是根据本公开的示例故障检测方法500的流程图。在步骤502，故障检测单元414从比例积分微分(PID)调节器接收至少两个输出或输出流。所述至少两个输出包括至少两个转子参考系电流或电流特征。在步骤504，故障检测单元414确定至少两个转子参考系电流中的每一个的振幅幅度。在步骤506，故障检测单元414基于至少两个转子参考系电流产生检测信号。检测信号基于至少两个转子参考系电流中的每一个的振幅幅度来识别单振幅幅度值。在步骤508，故障检测单元414基于单振幅幅度值和幅度阈值之间的比较来识别故障的存在。例如，故障检测单元414可以将单振幅幅度值与幅度阈值进行比较，并且基于该比较确定是否存在故障。在步骤510，故障检测单元414通过将预定量的后续单振幅幅度值与幅度阈值进行比较来验证永磁马达故障的存在。
尽管图5示出一系列步骤，但是每个图中的各个步骤可以重叠、并行地发生、以不同的顺序发生或者发生任何次数。此外，可以去除方法500的一个或更多个步骤，或者可以向方法500添加其他步骤。方法500被描述为由故障检测单元414执行，但是方法500可以通过任何其他合适的单元、设备或系统执行。
在一些实施例中，上述各种功能由从计算机可读程序代码形成并且包含在计算机可读介质中的计算机程序实现或支持。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够由计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频盘(DVD)或任何其他类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质排除传输瞬时电气信号或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂时性计算机可读介质包括其中可以永久存储数据的介质以及其中可以存储和稍后重写数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储器设备。
本文中的术语“应用程序”和“程序”是指适于在合适的计算机代码(包括源代码、目标代码或可执行代码)中实现的一个或更多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、函数、对象、类、实例、相关数据或其一部分。
在本发明的范围内，在所描述的实施例中，修改是可能的，并且其他实施例是可能的。

Claims (19)

1.一种故障检测系统，包括：
比例积分微分调节器电路即PID调节器电路，其经配置调节永磁马达；
故障检测电路，其经耦合从所述PID调节器电路至少接收第一转子参考系电流和第二转子参考系电流；
阈值检测器电路，其经配置确定所述第一转子参考系电流和所述第二转子参考系电流的振幅的幅度；
信号检测器，其经配置基于所述第一转子参考系电流和所述第二转子参考系电流的振幅的幅度生成检测信号；以及
比较器，其经配置比较所述检测信号和振幅阈值以识别故障定子绕组；
其中所述第一转子参考系电流是D轴电流，并且所述第二转子参考系电流是Q轴电流，并且其中所述检测信号等于所述D轴电流的幅度除以所述D轴电流和所述Q轴电流的幅度的总和。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述检测信号是单振幅幅度值。
3.根据权利要求1所述的系统，其包括故障计数器，所述故障计数器经配置对所述比较器识别的故障的数量进行计数。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述故障计数器对预定数量的故障进行计数以验证所述故障定子绕组。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述故障检测电路还用于在识别出所述故障定子绕组的存在之后，从所述第一转子参考系电流和所述第二转子参考系电流导出三相定子参考系电流，并基于所述三相定子参考系电流识别驱动故障类型。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述驱动故障类型包括以下项中的至少一个：开关失效故障、单腿失效、多相失效、开关断开故障、开关短路到相故障以及开关短路到接地故障。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述故障检测电路还用于基于所述驱动故障类型识别永磁马达故障类型，所述永磁马达故障类型包括轴承失效、相内绕组失效、相间绕组失效、磁体失效和开相故障中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述PID调节器电路是场定向控制永磁同步电机即FOC PMSM的组件。
9.一种故障检测电路，包括：
阈值检测器电路，其经耦合从调节器电路至少接收第一转子参考系电流和第二转子参考系电流并且确定所述第一转子参考系电流和所述第二转子参考系电流的振幅的幅度；
信号检测器，其经配置基于所述第一转子参考系电流和所述第二转子参考系电流生成检测信号；以及
比较器，其经配置比较所述检测信号和振幅阈值以识别永磁马达故障的存在；
其中所述第一转子参考系电流是D轴电流，并且所述第二转子参考系电流是Q轴电流，并且其中所述检测信号等于所述D轴电流的幅度除以所述D轴电流和所述Q轴电流的幅度的总和。
10.根据权利要求9所述的故障检测电路，其中所述永磁马达故障是定子绕组故障。
11.根据权利要求9所述的故障检测电路，其中所述检测信号是单振幅幅度值，并且其中如果所述单振幅幅度值大于所述振幅阈值，则识别出所述永磁马达故障的存在。
12.根据权利要求11所述的故障检测电路，还包括计数器，其用于通过对大于所述振幅阈值的预定量的后续单振幅幅度值进行计数来验证所述永磁马达故障的存在。
13.一种故障检测方法，包括：
操作故障检测电路以从比例积分微分调节器电路即PID调节器电路至少接收永磁马达的第一转子参考系电流和第二转子参考系电流；
操作阈值检测器电路以确定所述第一转子参考系电流和所述第二转子参考系电流的振幅的幅度；
操作信号检测器电路以基于所述第一转子参考系电流和所述第二转子参考系电流的振幅的幅度生成检测信号；以及
操作比较器电路以基于所述检测信号和振幅阈值之间的比较来识别永磁马达故障的存在；
其中所述第一转子参考系电流是D轴电流，并且所述第二转子参考系电流是Q轴电流，并且其中所述检测信号等于所述D轴电流的幅度除以所述D轴电流和所述Q轴电流的幅度的总和。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述检测信号是单振幅幅度值，并且其中操作所述比较器电路包括操作所述比较器电路以通过确定所述单振幅幅度值是否大于所述振幅阈值来识别所述永磁马达故障的存在。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述检测信号是单振幅幅度值，并且还包括操作计数器电路以通过对大于所述振幅阈值的预定量的后续单振幅幅度值进行计数来验证所述永磁马达故障的存在。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括在识别出所述永磁马达故障的存在之后，操作所述故障检测电路以从所述第一转子参考系电流和所述第二转子参考系电流导出三相定子参考系电流，并基于所述三相定子参考系电流识别驱动故障类型。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述驱动故障类型包括以下项中的至少一个：开关失效故障、单腿失效、多相失效、开关断开故障、开关短路到相故障以及开关短路到接地故障。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括操作所述故障检测电路以基于所述驱动故障类型识别永磁马达故障类型，所述永磁马达故障类型包括轴承失效、相内绕组失效、相间绕组失效、磁体失效和开相故障中的至少一个。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述永磁马达故障是定子绕组故障。
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