CN109490646A - 新能源汽车驱动电机缺相检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源汽车驱动电机缺相检测方法，本方法根据电机控制原理，逆变器控制电机运行时，其三相电流之和为零，当任意一相缺相，则另外两相形成回路，当任意两相或者三相缺相则无法形成回路；静态检测时，根据转子位置选择固定的角度，给定使电机不出力的特定电流矢量，记录三相电流，根据转子位置和电流的对应关系判断电机是否存在缺相，静态检测后，车辆行驶进行动态检测，此时采集实时三相电流值，计算出相电流的有效值，根据三相有效值之间的关系，判断电机是否缺相，如果存在缺相则报故障并控制车辆降功率运行。本方法适应新能源汽车运行工况，提高检测准确性，规避缺相故障误报，避免产生漏检情况，确保电机及控制器的可靠运行。

Description

新能源汽车驱动电机缺相检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种新能源汽车驱动电机缺相检测方法。

背景技术

新能源汽车具有高效、节能、环保的特点使其得到了大力的推广，已经成为汽车行业的发展趋势，与此同时，新能源汽车的安全问题也逐渐引起了全社会的广泛关注，

电机和逆变器为新能源汽车动力系统的核心，一旦出现问题将导致车辆无法行驶，严重时可能导致人身危害，通常电机与逆变器之间采用三相动力线连接，三相动力线在长期使用后可能会由于振动、腐蚀等原因造成接头松动、断裂等现象，同时由于电机和逆变器在正常工作时需要注入大电流，因此不可避免会因器件问题导致断路现象，以上均为电机缺相故障。

根据电机学原理，定子绕组形成圆形旋转磁场是电机稳定运行的必要条件，当电机缺相运行时，会产生如下现象：

a.电机的平均转矩降低，转矩波动较大；

b.气隙主磁场畸变，线电压、线电流不对称分布；

c.电机效率降低，温升提高，对电机内部绝缘层造成破坏。

对于新能源汽车而言，在高速或者大扭矩状态出现电机缺相，则电流波动较大直接报过流故障，如果电机速度或者转矩较小，车辆仍然可以缺相运行，此时由于电流畸变导致车辆抖动，对电机和控制器损伤很大，直到发生过温等故障。

现有的电机缺相检测主要是针对工业控制领域，具体方法有：

a.通过直流母线电压波动情况进行诊断；

b.通过检测逆变器输出电流三相不平衡检测；

c.通过检测逆变器输出电流是否为0进行判断。

以上方法在特定的工况下具有较高的检测精度，然而对于新能源汽车这种性能要求较高，工况发杂的系统很容易造成误判或者漏检，对于方法a而言，在电池电压不稳，或者扭矩波动较大时均会使母线电压波动较大，影响检测可靠性及精度；对于方法b而言，三相不平衡与控制系统、元器件精度、电机一致性，运行工况等均有关系，所以用来做缺相检测的依据难度较大；对于方法c而言，通常认为电机在正常运行中，某相电流小于一定阈值则发生了缺相现象，对于单相缺相具有较高的判断精度，但是当发生两相缺相时，此时由于检测误差的存在，三相电流都比较小，其与车辆在低速匀速行驶时的电流比较相似，除非系统具有极高的检测精度，否则方法c也不能直接应用于新能源汽车驱动电机缺相故障检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新能源汽车驱动电机缺相检测方法，本方法克服传统电机缺相检测的缺陷，适应新能源汽车的运行工况，提高检测准确性，规避缺相故障误报，避免产生漏检的情况，确保电机及控制器的可靠运行。

为解决上述技术问题，本发明新能源汽车驱动电机缺相检测方法包括如下步骤：

步骤一、根据电机控制原理，逆变器控制电机运行时，其三相电流之和为零，

I_a+I_b+I_c＝0 (1)

其中，I_a为电机A相电流，I_b为电机B相电流，I_c为电机C相电流，

当任意一相缺相，则另外两相形成回路，当任意两相或三相缺相则无法形成回路；

步骤二、在车辆静止时进行静态缺相检测，给电机注入三相固定电流，并且无扭矩产生，防止检测过程中车辆抖动，根据永磁同步电机扭矩合成原理：

T_rq＝P[Ψ_f×i_q+(L_d-L_q)×i_d×i_q] (2)

其中，T_rq为扭矩，P为极对数，Ψ_f为永磁励磁磁场，L_d,L_q,i_d,i_q分别为直轴及交轴的电感和电流；

在保证转子角度准确的情况下，给定q轴电流为0，d轴电流为一个较小值，此时无扭矩产生且可产生三相电流值；根据矢量变换原理，电压矢量分为六个扇区，当转子角度落在某个扇区内时，根据电压合成原理：

U_ref×T_s＝U_x×T_x+U_y×T_y+U_o×T_o (3)

其中，U_ref为合成电压矢量，Ts为脉冲周期，Ux和Uy为某扇区的边界矢量，U₀为零矢量，Tx、Ty和T₀分别为边界矢量和零矢量的作用时间；

步骤三、由于转子每个角度对应的电压合成矢量和对应的开关时间不一致，导致三相电流值无法确定，因此对现有扇区重新划分，以原有矢量变换基准将坐标系按照顺时针旋转30度，即第一扇区为-1/6π～1/6π，其余扇区依次类推；

步骤四、假设转子角度落在第一扇区，则给定一个固定的角度值0度进行矢量变换，由矢量合成原理可知，此时U_ref仅由第一扇区的边界矢量U4和零矢量U0合成，则此时三相电流值为确定关系，即I_a＝-2I_b＝-2I_c，给定i_d＝n，i_q＝0，则得到：

I_a＝n，I_b＝I_c＝-n/2 (4)

步骤五、根据式(4)，记录多次电机三相电流并取平均值，如A相缺失，则I_a＝I_b＝I_c＝0；如B相缺失，则I_a＝n、I_c＝-n、I_b＝0；如C相缺失，则I_a＝n、I_b＝-n、I_c＝0；如A相和B相缺失或三相均缺失，则I_a＝I_b＝I_c＝0；

步骤六、将缺相状况进行分类，I_a＝I_b＝I_c＝0为第一类，其余为第二类，考虑误差范围，针对第一类，缺相判断条件为(|I_a|<n/2)&&(|I_b|<n/2)，针对第二类，缺相判断条件为|I_a+2I_b|＞n/2；

步骤七、依据第一扇区的缺相判断条件，根据其对应的电流关系，分别推导出其余五个扇区的缺相判断条件，其中：

第一扇区和第四扇区的电流关系为：I_a＝-2I_b＝-2I_c，缺相判断条件为：(|I_a+2I_b|>n/2)||((|I_a|<n/2)&&(|I_b|<n/2))；

第二扇区和第五扇区的电流关系为：2I_a＝-2I_b＝-I_c，缺相判断条件为：(|I_a-I_b|>n/2)||((|I_a|<n/2)&&(|I_c|<n/2))；

第三扇区和第六扇区的电流关系为：2I_a＝2I_c＝-I_b，缺相判断条件为：(|I_b+2I_a|>n/2)||((|I_b|<n/2)&&(|I_c|<n/2))；

步骤八、在车辆行驶过程中进行动态缺相检测，车辆运行中有一相缺相时，其他两相电流会突然增加，缺相电流突然减小，如果存在两相缺相或三相缺相，则三相电流为零，电机立刻停止运行；根据上述现象，单相缺相电流特征明显，而两相和三相缺相，电流减小到零，由于电流传感器偏差的存在，当电流较小时，难以区分低速小扭矩工况和电机缺相工况，因此避开车辆低速小扭矩工况，得出动态时的缺相判断条件：

当两相或三相缺相时，判断条件为：(I_a<n)||(I_b<n)||(I_c<n)；

当单相缺相时，判断条件为：(|I_a-I_b|>m)||(|I_a-I_c|＞m)||(|I_b-I_c|＞m)；

其中，I_a，I_b，I_c为记录多次三相电流的平均值，n，m为判断阈值，根据系统而定。

由于本发明新能源汽车驱动电机缺相检测方法采用了上述技术方案，即本方法根据电机控制原理，逆变器控制电机运行时，其三相电流之和为零，当任意一相缺相，则另外两相形成回路，当任意两相或者三相缺相则无法形成回路；静态检测时，根据转子位置选择固定的角度，给定使电机不出力的特定电流矢量，记录三相电流，根据转子位置和电流的对应关系判断电机是否存在缺相，静态检测后，车辆行驶进行动态检测，此时采集实时三相电流值，计算出相电流的有效值，根据三相有效值之间的关系，判断电机是否缺相，如果存在缺相现象则报出故障并控制车辆降功率运行。本方法克服传统电机缺相检测的缺陷，适应新能源汽车的运行工况，提高检测准确性，规避缺相故障误报，避免产生漏检的情况，确保电机及控制器运行的可靠运行。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本方法中逆变器与电机绕组简化模型示意图；

图2为本方法中静态检测流程示意图；

图3为本方法中电压矢量与扇区划分示意图；

图4为本方法中电压矢量与扇区重新划分示意图；

图5为本方法中动态检测流程示意图；

图6为应用本方法对新能源汽车驱动电机缺相检测的流程框图。

具体实施方式

本发明新能源汽车驱动电机缺相检测方法包括如下步骤：

步骤一、如图1所示，根据电机控制原理，逆变器控制电机运行时，其三相电流之和为零，

I_a+I_b+I_c＝0 (1)

其中，I_a为电机A相电流，I_b为电机B相电流，I_c为电机C相电流，

当任意一相缺相，则另外两相形成回路，当任意两相或三相缺相则无法形成回路；

步骤二、如图2所示，在车辆静止时进行静态缺相检测，给电机注入三相固定电流，并且无扭矩产生，防止检测过程中车辆抖动，根据永磁同步电机扭矩合成原理：

T_rq＝P[Ψ_f×i_q+(L_d-L_q)×i_d×i_q] (2)

其中，T_rq为扭矩，P为极对数，Ψ_f为永磁励磁磁场，L_d,L_q,i_d,i_q分别为直轴及交轴的电感和电流；

如图3所示，在保证转子角度准确的情况下，给定_q轴电流为0，d轴电流为一个较小值，此时无扭矩产生且可产生三相电流值；根据矢量变换原理，电压矢量分为六个扇区，当转子角度落在某个扇区内时，根据电压合成原理：

U_ref×T_s＝U_x×T_x+U_y×T_y+U_o×T_o (3)

其中，U_ref为合成电压矢量，Ts为脉冲周期，Ux和Uy为某扇区的边界矢量，U₀为零矢量，Tx、T_y和T₀分别为边界矢量和零矢量的作用时间；

步骤三、如图4所示，由于转子每个角度对应的电压合成矢量和对应的开关时间不一致，导致三相电流值无法确定，因此对现有扇区重新划分，以原有矢量变换基准将坐标系按照顺时针旋转30度，即第一扇区为-1/6π～1/6π，其余扇区依次类推；

步骤四、假设转子角度落在第一扇区，则给定一个固定的角度值0度进行矢量变换，由矢量合成原理可知，此时U_ref仅由第一扇区的边界矢量U4和零矢量U0合成，则此时三相电流值为确定关系，即I_a＝-2I_b＝-2I_c，给定i_d＝n，i_q＝0，则得到：

I_a＝n，I_b＝I_c＝-n/2 (4)

步骤五、根据式(4)，记录多次电机三相电流并取平均值，如A相缺失，则I_a＝I_b＝I_c＝0；如B相缺失，则I_a＝n、I_c＝-n、I_b＝0；如C相缺失，则I_a＝n、I_b＝-n、I_c＝0；如A相和B相缺失或三相均缺失，则I_a＝I_b＝I_c＝0；

步骤六、将缺相状况进行分类，I_a＝I_b＝I_c＝0为第一类，其余为第二类，考虑误差范围，针对第一类，缺相判断条件为(|I_a|<n/2)&&(|I_b|<n/2)，针对第二类，缺相判断条件为|I_a+2I_b|＞n/2；

步骤七、依据第一扇区的缺相判断条件，根据其对应的电流关系，分别推导出其余五个扇区的缺相判断条件，其中：

第一扇区和第四扇区的电流关系为：I_a＝-2I_b＝-2I_c，缺相判断条件为：(|I_a+2I_b|>n/2)||((|I_a|<n/2)&&(|I_b|<n/2))；

第二扇区和第五扇区的电流关系为：2I_a＝-2I_b＝-I_c，缺相判断条件为：(|I_a-I_b|>n/2)||((|I_a|<n/2)&&(|I_c|<n/2))；

第三扇区和第六扇区的电流关系为：2I_a＝2I_c＝-I_b，缺相判断条件为：(|I_b+2I_a|>n/2)||((|I_b|<n/2)&&(|I_c|<n/2))；

步骤八、如图5所示，在车辆行驶过程中进行动态缺相检测，车辆运行中有一相缺相时，其他两相电流会突然增加，缺相电流突然减小，如果存在两相缺相或三相缺相，则三相电流为零，电机立刻停止运行；根据上述现象，单相缺相电流特征明显，而两相和三相缺相，电流减小到零，由于电流传感器偏差的存在，当电流较小时，难以区分低速小扭矩工况和电机缺相工况，为保证检测的准确性，因此避开车辆低速小扭矩工况，该工况在车辆上出现的时间较短，且发生缺相对电机和控制器不会造成损坏，得出动态时的缺相判断条件：

当两相或三相缺相时，判断条件为：(I_a<n)||(I_b<n)||(I_c<n)；

当单相缺相时，判断条件为：(|I_a-I_b|>m)||(|I_a-I_c|＞m)||(|I_b-I_c|＞m)；

其中，I_a，I_b，I_c为记录多次三相电流的平均值，n，m为判断阈值，根据系统而定。

如图6所示，本方法包括车辆静止时和车辆运行中两种工况的缺相检测，实际应用中，首先在车辆电机控制器中逆变器上高压后，车辆运行之前，触发静态检测，根据旋变传感器所采集到的转子位置选择固定的角度，给定使电机不出力的特定电流矢量，记录一定次数的电机三相电流平均值，根据位置和电流的对应关系判断电机是否存在缺相，如果存在缺相故障，则电机不允许运行，否则允许正常运行；静态检测通过后，车辆允许行驶，且满足转速大于A同时扭矩大于B，转速大于A和扭矩大于B的选取以避开车辆低速小扭矩工况，此时进行动态检测，采集实时电机三相电流值，计算出三相电流的平均值，根据三相电流之间的关系，判断电机是否缺相，如果任意两相电流平均值之差小于m，或者三相电流平均值均小于n，则存在缺相故障；如果存在缺相现象则报出故障并控制车辆降功率运行或停车检修。

本方法实现车辆在运行前和运行中电机的缺相检测，避免漏检、误检等情况发生，提高新能源汽车行驶安全性。

Claims (1)

1.一种新能源汽车驱动电机缺相检测方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、根据电机控制原理，逆变器控制电机运行时，其三相电流之和为零，

I_a+I_b+I_c＝0 (1)

其中，I_a为电机A相电流，I_b为电机B相电流，I_c为电机C相电流，

当任意一相缺相，则另外两相形成回路，当任意两相或三相缺相则无法形成回路；

步骤二、在车辆静止时进行静态缺相检测，给电机注入三相固定电流，并且无扭矩产生，防止检测过程中车辆抖动，根据永磁同步电机扭矩合成原理：

T_rq＝P[Ψ_f×i_q+(L_d-L_q)×i_d×i_q] (2)

其中，T_rq为扭矩，P为极对数，Ψ_f为永磁励磁磁场，L_d,L_q,i_d,i_q分别为直轴及交轴的电感和电流；

在保证转子角度准确的情况下，给定q轴电流为0，d轴电流为一个较小值，此时无扭矩产生且可产生三相电流值；根据矢量变换原理，电压矢量分为六个扇区，当转子角度落在某个扇区内时，根据电压合成原理：

U_ref×T_s＝U_x×T_x+U_y×T_y+U_o×T_o (3)

其中，U_ref为合成电压矢量，Ts为脉冲周期，Ux和Uy为某扇区的边界矢量，U₀为零矢量，Tx、Ty和T₀分别为边界矢量和零矢量的作用时间；

步骤三、由于转子每个角度对应的电压合成矢量和对应的开关时间不一致，导致三相电流值无法确定，因此对现有扇区重新划分，以原有矢量变换基准将坐标系按照顺时针旋转30度，即第一扇区为-1/6π～1/6π，其余扇区依次类推；

步骤四、假设转子角度落在第一扇区，则给定一个固定的角度值0度进行矢量变换，由矢量合成原理可知，此时U_ref仅由第一扇区的边界矢量U4和零矢量U0合成，则三相电流值为确定关系，即I_a＝-2I_b＝-2I_c，给定i_d＝n，i_q＝0，则得到：

I_a＝n，I_b＝I_c＝-n/2 (4)

步骤五、根据式(4)，记录多次电机三相电流并取平均值，如A相缺失，则I_a＝I_b＝I_c＝0；如B相缺失，则I_a＝n、I_c＝-n、I_b＝0；如C相缺失，则I_a＝n、I_b＝-n、I_c＝0；如A相和B相缺失或三相均缺失，则I_a＝I_b＝I_c＝0；

步骤六、将缺相状况进行分类，I_a＝I_b＝I_c＝0为第一类，其余为第二类，考虑误差范围，针对第一类，缺相判断条件为(|I_a|<n/2)&&(|I_b|<n/2)，针对第二类，缺相判断条件为|I_a+2I_b|＞n/2；

步骤七、依据第一扇区的缺相判断条件，根据其对应的电流关系，分别推导出其余五个扇区的缺相判断条件，其中：

第一扇区和第四扇区的电流关系为：I_a＝-2I_b＝-2I_c，缺相判断条件为：(|I_a+2I_b|>n/2)||((|I_a|<n/2)&&(|I_b|<n/2))；

第二扇区和第五扇区的电流关系为：2I_a＝-2I_b＝-I_c，缺相判断条件为：(|I_a-I_b|>n/2)||((|I_a|<n/2)&&(|I_c|<n/2))；

第三扇区和第六扇区的电流关系为：2I_a＝2I_c＝-I_b，缺相判断条件为：(|I_b+2I_a|>n/2)||((|I_b|<n/2)&&(|I_c|<n/2))；

步骤八、在车辆行驶过程中进行动态缺相检测，车辆运行中有一相缺相时，其他两相电流会突然增加，缺相电流突然减小，如果存在两相缺相或三相缺相，则三相电流为零，电机立刻停止运行；根据上述现象，单相缺相电流特征明显，而两相和三相缺相，电流减小到零，由于电流传感器偏差的存在，当电流较小时，难以区分低速小扭矩工况和电机缺相工况，因此避开车辆低速小扭矩工况，得出动态时的缺相判断条件：

当两相或三相缺相时，判断条件为：(I_a<n)||(I_b<n)||(I_c<n)；

当单相缺相时，判断条件为：(|I_a-I_b|>m)||(|I_a-I_c|＞m)||(|I_b-I_c|＞m)；

其中，I_a，I_b，I_c为记录多次三相电流的平均值，n，m为判断阈值，根据系统而定。