CN107918099A - 诊断永磁电动机的磁化故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种诊断永磁电动机的磁化故障的方法。该方法包括计算用于安装在电动机处的旋转变压器的偏移校正的旋转变压器偏移值；计算校正偏差，即，所计算的旋转变压器偏移值和预定参考值之间的差值，以将所计算的校正偏差与容许误差进行比较；当所计算的校正偏差大于容许误差时，将所计算的校正偏差和永磁体的反向磁化的预定相位差值之间的差值与容许误差进行比较；以及当所计算的校正偏差与永磁体的反向磁化的预定相位差值之间的差值等于或小于容许误差时，确定该永磁电动机处于反向磁化状态。

Description

诊断永磁电动机的磁化故障的方法

技术领域

本公开涉及一种诊断永磁电动机的磁化故障的方法，更特别地涉及一种能够检测电动机的永磁体的反向磁化状态的诊断磁化故障的方法。

背景技术

电动机用作驱动诸如电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)或燃料电池电动车辆(FCEV)的新能源汽车的驱动源。新能源汽车可代替内燃机汽车。

内置式永磁同步电动机(IPMSM)用作电动马达(例如，驱动马达)，即新能源汽车的驱动源。

新能源汽车包括用于驱动和控制电动机的逆变器系统。旋转变压器用作检测用于控制电动机的电动机转子的绝对角度位置θ的位置传感器。

同步之后在电动机的磁通位置处确定坐标系统，以便控制新能源汽车中的电动机的矢量。为此，读取相对于电动机转子的绝对角度位置。

旋转变压器用于检测电动机转子的绝对角度位置。通过旋转变压器准确地感测电动机转子的每个相位，以控制用于驱动新能源汽车的电动机速度和扭矩。

图1是电动机和旋转变压器的结构的示意图。

附图标记2表示电动机1的转子。附图标记3表示电动机1的轴(或转子的中心轴)，附图标记4表示电动机1的定子。附图标记11表示旋转变压器的转子，和附图标记13表示旋转变压器的定子。

如图所示，旋转变压器包括转子11和定子13。旋转变压器的转子11可安装在电动机1的轴3处，旋转变压器的定子13可安装在电动机1的定子4处。

此外，缠绕在旋转变压器的转子11和定子13上的线圈被缠绕使得磁通分布成相对于角度的正弦波。

当在缠绕于旋转变压器的转子11上的第一线圈(例如，输入端子)上施加激励信号(M REZ+，M REZ-)的状态下，旋转变压器的转子11由电动机1的轴3旋转时，磁耦合系数发生变化。因此，在缠绕于旋转变压器的定子13上的第二线圈(例如，输出端子)处产生信号，在该信号中，每个载波的振幅发生改变。根据电动机的转子2和旋转变压器的转子11的旋转角度θ，缠绕线圈以使信号改变成具有余弦(cos)和正弦(sin)形状。参照图2和图3，控制单元20(例如，功率控制单元(PCU))的激励电压产生电路29产生具有恒定振幅的正弦形电压信号，即激励信号(U₀：M_REZ+，M_REZ-)。因此，信号被施加到缠绕于旋转变压器10的转子11上的第一线圈(称为参考线圈)。

当激励信号U₀被施加到旋转变压器的第一线圈12时，从缠绕在定子(未示出)上的第二线圈14和15(称为输出线圈)输出输出REZS1和REZS3(即，余弦形电压信号U₁)和输出REZS2和REZS4(即，正弦形电压信号U₂)。

基于因旋转变压器的转子11的旋转而引起的磁阻的变化，磁通量交链被周期性地改变。从旋转变压器的定子的第二线圈输出的电压信号U₁和U₂的振幅基于电动机1的旋转角度θ改变。

如图3所示，从旋转变压器10输出的电压信号U₁和U₂的峰值点通过旋转变压器-数字转换器(RDC)21而连接到包络线，以转换为指示在控制单元20处的电动机的绝对角度位置θ(位置角度)的余弦信号和正弦信号。

图4示出了根据内置式永磁同步电动机(IPMSM)中的永磁体的极性布置的转子的磁化状态。图4示出了在正常磁化状态和异常反向磁化状态下的电动机的比较。

如所示的，电动机的永磁体的反向磁化状态指示永磁体的极性反向，即，N极和S极相对于正常磁化状态反向。

另外，反向磁化的永磁体5相对于正常磁化具有180度的电相位差。

异常反向磁化状态可由电动机制造期间操作者的错误或过程错误产生。

在控制直接正交(d-q)电流矢量时，内置式永磁同步电动机包括可控区域(例如，d-q控制平面的第二象限和第三象限)和不可控区域。当以常规方式执行包括有处于异常反向磁化状态的永磁体的电动机的电流矢量控制时，电流被施加到d-q控制平面中的不可控区域。

当向反向磁化的电动机施加电流命令时，电流工作点确定处于不可控区域，这使得无法控制电动机。例如，出现控制问题。在一些情况下，不可能在中/高速区域控制微弱磁通量。

当用作车辆的驱动源的驱动电动机处于反向磁化状态时，由于不能控制电动机，因此不可能驱动车辆。

由于通过高速下具有增加磁化的永磁体引起电动机的反电动势的增加，可能损坏诸如逆变器中的功率模块和电容器的硬件。

因此，具有反向磁化的永磁体的电动机是在制造过程中产生的缺陷产品。因此，正确检查电动机是很有益的。在发生反向磁化缺陷时，将不利地引起生产率下降。

在反向磁化的电动机安装在车辆中时，操作者要花费工作和时间移除、更换、拆卸和分析电动机。同样还会引起安装新电动机的费用和处理故障电动机的费用。

发明内容

提供了一种诊断永磁电动机的磁化故障的方法。该方法能够使用程序(例如，逻辑程序)而非添加的硬件来检测电动机的反向磁化状态。

根据一个方面，提供了一种诊断永磁电动机的磁化故障的方法。该方法包括a)计算用于安装在电动机处的旋转变压器的偏移校正的旋转变压器偏移值，b)计算校正偏差，例如所计算的旋转变压器偏移值和预定设计参考值之间的差值，以将计算的校正偏差与设计容许误差进行比较，c)当所计算的校正偏差大于设计容许误差时，将所计算的校正偏差和永磁体的反向磁化的预定相位差值之间的差值与设计容许误差进行比较，以及d)当所计算的校正偏差与永磁体的反向磁化的预定相位差值之间的差值等于或小于设计容许误差时，确定电动机处于反向磁化状态。

反向磁化的相位差值可确定为180度。

在步骤a)中，可通过将在电动机的零电流状态中所计算的旋转变压器偏移校正值与原始旋转变压器偏移值相加来计算旋转变压器偏移值，在该电动机的零电流状态中，直接(d)-轴和正交(q)-轴电流被控制为零电流。

在步骤b)中，可将所计算的校正偏差与设计容许误差进行比较，当校正偏差等于或小于设计容许误差时，可使用步骤a)中所计算的旋转变压器偏移值来执行旋转变压器偏移校正。

在步骤d)中，当电动机的永磁体被确定为处于反向磁化状态时，可通过将在电动机的零电流状态中所计算的旋转变压器偏移校正值及永磁体的反向磁化的相位差值与原始旋转变压器偏移值相加来计算新的旋转变压器偏移值，在该电动机的零电流状态中，d-轴和q-轴电流被控制为零电流，并且新的旋转变压器偏移值可用于校正所述旋转变压器偏移。

本文使用的术语“车辆”、“车辆的”和其它类似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车及各种商用车辆的乘用车辆，包括各种小船和大船的船只，飞机等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其它替代燃料车辆(例如，来自石油以外资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两个或更多动力源的车辆，例如，汽油和电动双动力车辆。

附图说明

现将参考在附图中示出的本公开的某些实施例详细描述本公开上述的和其它的特征，并且仅以说明式的方式提供这些特征，因此不限制本发明，并且其中：

图1是电动机和旋转变压器的结构的示意图；

图2是通常的旋转变压器和通常的控制单元的图示；

图3A至图3C是通常的旋转变压器的输入信号和输出信号的图示；

图4是根据电动机转子的磁化方向的永磁体的极性布置的图示；

图5是示出逆变器系统与电动机之间的连接状态的框图；

图6和图7是已知的旋转变压器偏移校正的图示；

图8是根据一个实施例的使用旋转变压器偏移来校正永磁体的转子的反向磁化的方法的图示；

图9是根据一个实施例的使用电流驱动点转移效应的矢量控制的图示；以及

图10是示出根据一个实施例的反向磁化的检测和校正的过程的流程图。

应该理解的是，附图不一定按比例，而是呈现出本公开的简化的表现形式。本公开的包括诸如特定尺寸、取向、位置及形状的具体特征将由特定意向的应用和使用环境部分地确定。

在附图中，遍及附图的若干图，附图标记表示本公开的相同或等同部分或元件。

具体实施方式

将详细参考在附图中示出并在下面描述的所公开的方法的各种示例。然而，所公开的方法能够以各种不同的形式实施，并且不限于下面描述的示例。

除非明确地进行相反的陈述，否则在整个说明书中使用的词语“包括”、“包含”或“含”将不被理解为排除其他元件，而是暗示可能包括其他元件。

本公开涉及诊断永磁电动机的磁化故障的方法，更特别地涉及能够检测电动机的永磁体的反向磁化状态的诊断磁化故障的方法。

电动机可以是内置式永磁同步电动机(IPMSM)，其中永磁体安装在转子上。永磁体的北(N)极和南(S)极交替地设置在内置式永磁同步电动机的转子处。

电动机可以是用作诸如新能源汽车的车辆的驱动源的驱动电动机。

在一些实施例中，电动机的永磁体的磁化故障是永磁体的反向磁化。在图4的示例中，电动机的永磁体的反向磁化状态是相对于正常磁化状态的N极和S极的反向布置。反向磁化电动机的永磁体相对于正常磁化电动机的永磁体具有180度的电相位差。

基于上述特性，使用安装在电动机上的位置传感器，即旋转变压器的电压输出信号来检测电动机的永磁体的反向磁化，从而以检测转子的绝对角度位置θ。

提供了一种校正旋转变压器的偏移的方法。一旦检测电动机的永磁体的反向磁化时，该方法使用电动机的永磁体的极性布置特性来校正偏移。

提供了一种检测电动机的永磁体的反向磁化的方法。该方法在检测反向磁化之后校正安装在反向磁化电动机处的旋转变压器的偏移。因此，可以通过校正反向磁化电动机的旋转变压器的偏移来对反向磁化电动机进行正常控制。

参照图5至图7，将对校正旋转变压器偏移的公知的方法进行说明。

图5是示出逆变器系统30和电动机之间的连接状态的框图。逆变器系统30中的电流命令生成器31接收电动机的扭矩命令和转速ω_rpm，以使用电流图生成d-轴电流命令和q-轴电流命令。根据所产生的电流命令在逆变器32中产生脉冲宽度调制(PWM)信号，以控制逆变器32中的功率模块的切换。通过功率模块的切换控制来控制作用于电动机的三相电流。

安装在电动机1处的旋转变压器10用于预测转子的中心轴线(例如，电动机轴)的位置、速度和角度。旋转变压器10包括参考线圈，即第一线圈12(图1)和输出线圈，即第二线圈14和15(图1)。

因此，激励信号被施加到旋转变压器10的参考线圈，并且通过控制器使用在输出线圈处产生的电压输出信号来估计转子的速度和位置。

然而，诸如电动机1和旋转变压器10之间的装配公差以及旋转变压器中的线圈位置不准确性的各种情况可能会在电动机的转子和旋转变压器之间产生位置偏移。除非旋转变压器的输出信号通过该偏移被校正，否则不可能在电动机的控制下反映转子的精确位置。因此，旋转变压器的偏移的校正被保证。

图6示出了旋转变压器的偏移的校正。为了控制电动机的理想电流矢量，精确地获得绝对角度位置θ的信息，即转子的位置角度的信息(例如，电动机旋转角度)是有益的。

为了获得转子的位置角度的精确信息，在安装旋转变压器之后，执行偏移校正。这样执行以校正在安装旋转变压器时由于机械和电气公差引起的误差。执行反映旋转变压器偏移值θ_offset和校正值Q_comp的电流矢量控制，使得可以控制电动机速度和扭矩(校正之前：图5中的d'-轴和q'-轴)。

如图6所示，为了控制电动机矢量，旋转变压器的位置角度π和电动机的反电动势的U相的峰值位置彼此相同。当旋转变压器的位置角度π和电动机的反电动势的U相的峰值位置彼此不同时，可使用程序(例如，逻辑程序)来校正差异(例如，偏移)。

如图6所示，当旋转变压器的位置角度π和电动机的反电动势的U相的峰值位置相同时，不需要校正旋转变压器的偏移。当旋转变压器的位置角度π和电动机的反电动势的U相的峰值位置彼此不同时，旋转变压器的偏移的校正被保证。

在控制电动机矢量时，对同步坐标的Vd-轴电压进行旋转变压器偏移校正以成为0度。在控制电动机矢量时，通过角度差校正同步坐标的角度Vd和Vq之间的差。

此外，参考7，例如，当Vd＝0，并且Vq＝α时，在Vd和Vq之间没有角度差。因此，不需要校正旋转变压器偏移。另外地，当Vd＝β，并且Vq＝α时，Vd和Vq之间的角度差为θ_comp，使得旋转变压器偏移的校正被保证。

因此，为了校正旋转变压器偏移，通过零(0)电流控制电动机，并且校正旋转变压器偏移，使得同步坐标的d-轴电压Vd变为0。

在校正旋转变压器偏移时，将d-轴和q-轴电流控制为零电流(Id＝0、Iq＝0)，使得Vd和Vq的角度差(θ_comp＝tan^-1(α/β))被计算为旋转变压器偏移的校正值θ_comp。如下面的等式1所示，将旋转变压器偏移的所计算的校正值θ_comp与原始旋转变压器偏移值θ_{original_offset}相加来计算新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}。

等式1

θ_{new_offset}＝θ_{original_offset}+θ_comp

因此，所计算的新的旋转变压器偏移值得到应用以自动校正旋转变压器偏移。

旋转变压器偏移的校正的上述过程可在控制器(例如，集成有用于逆变器控制的部件的控制板)中执行，以用于控制逆变器系统中的逆变器的总体操作。

当通过诊断程序(例如，逻辑程序)检测到异常反向磁化状态，并确定为电动机的永磁体的反向磁化状态时，可通过应用反向磁化的偏移校正值来正常地控制处于反向磁化状态的电动机。

使用旋转变压器偏移校正来诊断电动机的永磁体的磁化故障。此外，在确定反向磁化时，通过应用在反向磁化状态中计算的旋转变压器偏移校正值，即反向磁化的偏移校正值来正常控制具有异常反向磁化的电动机。

图8示出了使用旋转变压器偏移来校正永磁体的转子的反向磁化的方法。图9示出了使用电流驱动点转移效应的矢量控制。

如上所述，反向磁化电动机的永磁体相对于正常磁化电动机的永磁体具有180度的电相位差(图4)。

如图9所示，在控制d-q电流矢量时，内置式永磁同步电动机包括可控区域(d-q控制平面的第二象限和第三象限)和不可控区域(第一象限和第四象限)。当通过常规方式控制电流矢量时，电流被施加到d-q控制平面中的不可控区域。

当向反向磁化电动机施加电流命令时，电流驱动点P'被确定为处于不可控区域，这使得无法控制电动机。除非驱动点移动，否则不可能控制电动机。

旋转变压器偏移校正具有旋转d-q控制轴的效果。如图8所示，当通过将反向磁化永磁体的180度的相位差与偏移校正值θ_comp相加所获得的值(180°+θ_comp)作为反向磁化电动机的旋转变压器偏移校正值，即反向磁化的偏移校正值应用时，如图9所示，当前驱动点可移动到正常控制区域(驱动点P'移动到P)。因此，可正常地控制具有异常反向磁化的电动机。

此处，考虑到反向磁化电动机的永磁体相对于正常磁化电动机的永磁体具有180度的电相位差，则180度是永磁体的反向磁化的预定相位差。

参照图10，将描述使用旋转变压器偏移校正来检测和校正转子的永磁体的反向磁化的过程。

通过控制器开始自动旋转变压器偏移校正，S11。在旋转变压器偏移校正时，d-轴和q-轴电流被控制为零电流(Id＝0A和Iq＝0A)，使得通过控制器计算对应于输出d-轴电压Vd和输出q-轴电压Vq之间的角度差的校正值θ_comp，S12。

通过控制器将原始旋转变压器偏移值θ_{original_offset}与所计算的校正值θ_comp相加，由此计算新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}(θ_{new_offset}＝θ_{original_offset}+θ_comp)，S13。

使用已知的旋转变压器偏移校正过程来执行校正值和新的旋转变压器偏移值的计算。

新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}与预定设计参考值θ_design进行比较。当新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}与预定设计参考值θ_design之间的差(差的绝对值)，即，校正偏差，等于或小于预定设计容许误差θ_{design_error}，即，“│θ_design-θ_{new_offset}│≤θ_{design_error}”时，通过应用新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}来完成自动旋转变压器偏移校正过程，S14、S15及S16。

新的旋转变压器偏移值用于校正旋转变压器偏移。所校正的偏移值被用作旋转变压器检测信息(例如，转子的绝对角度位置)以控制电动机。

使用所校正的旋转变压器检测信息来控制电动机驱动根据已知的过程来实施。因此省略对该过程的详细描述。

在步骤S14中，当新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}和预定设计参考值θ_design之间的校正偏差大于预定设计容许误差θ_{design_error}，即“│θ_design-θ_{new_offset}│>θ_{design_error}”时，控制器诊断出旋转变压器偏移的校正偏差过大，S14及S17。

此处，“││”表示绝对值。

当永磁体以反向磁化状态安装在电动机的转子处时，控制器总是诊断出在旋转变压器偏移校正过程的步骤S14中，旋转变压器偏移的校正偏差过大。

在不涉及反向磁化状态的情况下，也可能出现旋转变压器偏移的校正偏差过大。因此，在诊断旋转变压器偏移的过大校正偏差之后，可确定是否是实际的反向磁化。

在诊断电动机转子的磁化故障的过程中，例如，在检测反向磁化的过程中，使用了采用永磁体的极性布置的逻辑程序。在反向磁化电动机的情况下，使用了具有180度的电相位差的反向磁化电动机。

因此，在步骤S14之后，当诊断出旋转变压器偏移的过大校正偏差时(步骤S17)，当通过从所计算的校正偏差│θ_design-θ_{new_offset}│中减去反向磁化的相位差180度的值而获得的值，即││θ_design-θ_{new_offset}│-180°│，等于或小于设计容许误差θ_{design_error}时，永磁体被确定为处于反向磁化状态，S18及S19。

在“││θ_design-θ_{new_offset}│-180°│≤θ_{design_error}”时，永磁体被确定为处于反向磁化状态。

此处，“││”表示绝对值。

考虑到反向磁化电动机的永磁体相对于正常磁化电动机的永磁体具有180度的电相位差，180度是永磁体的反向磁化的预定相位差。

当通过从所计算的校正偏差│θ_design-θ_{new_offset}│中减去反向磁化的相位差180度的值，即││θ_design-θ_{new_offset}│-180°│而获得的值大于设计容许误差θ_{design_error}时，由于过大校正偏差而诊断为故障状态。因此，重新运行旋转变压器偏移校正。

在││θ_design-θ_{new_offset}│-180°│>θ_{design_error}“时，永磁体由于过大校正偏差而被确定诊断为故障状态，而非处于反向磁化状态，由此重新运行旋转变压器偏移校正。重新运行步骤S11、S12及S13以计算新的旋转变压器偏移值。

在永磁体被确定为处于反向磁化状态之后，可立即向制造过程提供反馈。在计算出以180度的相位差反映的新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}之后，使用所计算的旋转变压器偏移值完成旋转变压器偏移的自动校正的过程，S20及S21。

如下面的等式2所示，作为旋转变压器偏移校正值(具有反向磁化的偏移校正值)，以180度的相位差反映的新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}通过使用将反向磁化的永磁体的180度的相位差与偏移校正值θ_comp相加而计算的值(180°+θ_comp)来获得。

等式2

θ_{new_offset}＝θ_{original_offset}+(180°+θ_comp)

当计算应用旋转变压器偏移校正值180°+θ_comp的新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}时，应用所计算的新的旋转变压器偏移值θ_{new_offset}以完成旋转变压器偏移的自动校正过程。

使用新的旋转变压器偏移值，使旋转变压器的偏移得到校正(例如，校正永磁体的转子的反向磁化)，并且使用校正的偏移值作为旋转变压器检测信息(例如，转子的绝对角度位置)来控制电动机驱动。

因此，尽管在制造过程期间具有异常反向磁化的电动机是缺陷产品，但是可通过反向磁化的检测和校正来正常地控制电动机，而不需要更换部件。

从上面的描述可以明显看出，在诊断永磁电动机的磁化故障的方法中，可使用逻辑程序来检测电动机的反向磁化状态，而无需添加单独的硬件。在检测到反向磁化之后，可通过安装在电动机处的旋转变压器的偏移校正来正常地控制处于反向磁化状态的电动机。

在本说明书和附图中公开了各种实施例。虽然本文使用了特定术语，但这些术语用于描述各种实施例，并非限制所附权利要求中的所述的本发明的含义和范围。因此，具有本发明的技术领域的普通知识的人将认识到，能够从上述实施例衍生出各种修改和其他等效实施例。因此，本发明的保护范围应当由所附权利要求限定。

Claims (6)

1.一种诊断永磁电动机的磁化故障的方法，所述方法包括：

a)计算用于安装在电动机处的旋转变压器的偏移校正的旋转变压器偏移值；

b)计算校正偏差，所述校正偏差包括所计算的所述旋转变压器偏移值和预定参考值之间的差值，以将所计算的所述校正偏差与容许误差进行比较；

c)当所计算的所述校正偏差大于所述容许误差时，将所计算的所述校正偏差和永磁体的反向磁化的预定相位差值之间的差值与所述容许误差进行比较；以及

d)当所计算的所述校正偏差与所述永磁体的反向磁化的所述预定相位差值之间的差值等于或小于所述容许误差时，确定所述永磁电动机处于反向磁化状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反向磁化的相位差值确定为180度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中，计算所述旋转变压器偏移值包括将在所述电动机的零电流状态中所计算的旋转变压器偏移校正值与原始旋转变压器偏移值相加，在所述电动机的零电流状态中，d-轴电流和q-轴电流被控制为零电流。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)包括将所计算的所述校正偏差与所述容许误差进行比较，使得当所述校正偏差等于或小于所述容许误差时，使用步骤a)中所计算的所述旋转变压器偏移值来执行旋转变压器偏移校正。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤d)包括当所述电动机的所述永磁体被确定为处于所述反向磁化状态时，通过将在所述电动机的零电流状态中所计算的旋转变压器偏移校正值和所述永磁体的所述反向磁化的相位差值与原始旋转变压器偏移值相加来计算新的旋转变压器偏移值，在所述电动机的零电流状态中，d-轴电流和q-轴电流被控制为零电流，其中，所述新的旋转变压器偏移值用于校正所述旋转变压器偏移。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述反向磁化的相位差值确定为180度。