CN109557464A - 一种电机缺相故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机缺相故障检测方法及装置，首先获取电机的状态，然后判断当电机处于运行状态时，则采集三相电流，将三相电流的最大值和最小值进行比较，得到差异值；继续采集该最大值对应的相的相电流和最小值对应的相的相电流，重复上述比较判断过程，得到差异值；若在一个周期内，连续设定次数的差异值在设定范围内，则判断电机出现缺相故障。本发明使得电流采样点能够在同一个电流周期内进行采样比较，避免控制器输出电流的瞬时值存在过零点以及矢量控制中电角度的实时变化，导致某相电流为0的瞬时情况出现，而造成电机缺相故障误判的情况出现，提高了电流缺相故障判断的准确性。

Description

一种电机缺相故障检测方法及装置

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种电机缺相故障检测方法及装置。

背景技术

电机作为拖动系统中的重要组成部分，在国民经济中占有举足轻重的地位。它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业、国防建设以及人民生活正常进行的重要保障。

电机在运行过程中可能会因为各种原因造成损坏。其中，电机的缺相故障在整车安全形势中被定义为一级故障。这是因为，电机在运行过程中，一旦出现缺相，电机将无法转动，或出现明显抖动，更严重时会导致电机短路，造成电机烧毁，从而对驾驶员和乘客造成严重的安全隐患。因此，采取一定的方法来应对这种故障是十分必要的。

现有的对电机的缺相检测方法一般是通过设置电流传感器来检测三相电流，若采集到其中某相的电流为0，则判断电机出现缺相故障。但是该方法有如下问题：1)无法判断车辆上电启动时，电机在静止时是否存在缺相故障，因为此时电机的三相并没有电流输入；2)电机在运行时，控制器输出电流的瞬时值存在过零点以及矢量控制中电角度的实时变化，有可能导致某相电流为0的瞬时情况出现，用现有故障判断机制可能会造成误判。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机缺相故障检测方法及装置，用以解决现有技术由于电机的某相电流可能出现瞬时为0时导致故障误判的情况出现。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种电机缺相故障检测方法，包括如下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

获取电机的状态：

若为运行状态，则采集并得到三相的相电流，将三相的相电流的最大值和最小值进行比较，得到差异值；继续采集该最大值对应相的相电流和最小值对应相的相电流，重复上述比较过程，得到差异值；若在一个周期内，连续设定次数的差异值在设定范围外，则判断电机出现缺相故障。

方法方案二，在方法方案一的基础上，通过电机的转速来判断电机的状态：若电机的转速不为0，则电机处于运行状态。

方法方案三，在方法方案二的基础上，还通过其中一相的相电流来判断电机的状态：

若电机的转速为0，且其中一相的相电流为0，则电机处于0扭矩状态；

若电机的转速为0，且其中一相的相电流不为0，则电机处于堵转状态。

方法方案四，在方法方案三的基础上，若为0扭矩状态，则向其中一相输入设定电流，判断另外两相的相电流是否为0：只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。

方法方案五，在方法方案三的基础上，若为堵转状态，则判断另外两相的相电流是否为0：只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。

方法方案六，在方法方案一的基础上，所述设定范围为：

I_a＜k₁I_b

其中，I_a为最大值对应相的相电流，I_b为最小值对应相的相电流，k为系数，且k≥5。

方法方案七，在方法方案一的基础上，所述设定次数为：

其中，N为设定次数，n为一个电流周期的最大采样次数，k₂为设定判断次数；

所述一个电流周期的最大采样次数为：

其中，n为一个电流周期的最大采样次数，f_采样为采集三相电流的频率，f_max为电机的最大频率；[]表示取整操作。

方法方案八，在方法方案七的基础上，所述设定判断次数为10。

方法方案九，在方法方案四的基础上，所述设定电流为额定电流的2％。

方法方案十，在方法方案一的基础上，若电机出现缺相故障，则关闭功率器件。

方法方案十一，在方法方案一的基础上，所述采集并得到三相电流包括：采集其中两相的相电流，根据三相的相电流相加为0，得到其余一相的相电流。

本发明还提供了一种电机缺相故障检测装置，包括如下装置方案：

装置方案一，包括采集单元和控制单元；

所述采集单元用于采集电机的状态，采集相电流，并采集最大值对应相的相电流和最小值对应相的相电流；

所述控制单元用于根据采集电机的状态来判断电机的状态，并判断电机为运行状态时，将三相的相电流的最大值和最小值进行比较，得到差异值；并根据继续采集得到的最大值对应相的相电流和最小值对应相的相电流，重复上述比较过程，得到差异值；若在一个周期内，连续设定次数的差异值在设定范围外，则判断电机出现缺相故障。

装置方案二，在装置方案一的基础上，所述控制单元通过电机的转速来判断电机的状态：若电机的转速不为0，则电机处于运行状态。

装置方案三，在装置方案二的基础上，所述控制单元还通过其中一相的相电流来判断电机的状态：

若电机的转速为0，且其中一相的相电流为0，则电机处于0扭矩状态；

若电机的转速为0，且其中一相的相电流不为0，则电机处于堵转状态。

装置方案四，在装置方案三的基础上，若为0扭矩状态，则所述控制单元向其中一相输入设定电流，判断另外两相的相电流是否为0：只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。

装置方案五，在装置方案三的基础上，若为堵转状态，则所述控制单元判断另外两相的相电流是否为0：只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。

装置方案六，在装置方案一的基础上，所述设定范围为：

I_a＜k₁I_b

其中，I_a为最大值对应相的相电流，I_b为最小值对应相的相电流，k为系数，且k≥5。

装置方案七，在装置方案一的基础上，所述设定次数为：

其中，N为设定次数，n为一个电流周期的最大采样次数，k₂为设定判断次数；

所述一个电流周期的最大采样次数为：

其中，n为一个电流周期的最大采样次数，f_采样为采集三相电流的频率，f_max为电机的最大频率；[]表示取整操作。

装置方案八，在装置方案七的基础上，所述设定判断次数为10。

装置方案九，在装置方案四的基础上，所述设定电流为额定电流的2％。

装置方案十，在装置方案一的基础上，若电机出现缺相故障，则所述控制单元用于控制关闭功率器件。

装置方案十一，在装置方案一的基础上，所述采集单元用于采集其中两相的相电流，所述控制单元还用于根据采集的其中两相的相电流，以及三相的相电流相加为0，得到其余一相的相电流。

本发明的有益效果：

本发明的电机缺相故障检测方法及装置，在电机处于运行状态时，将三相电流的最大值和最小值进行比较，得到差异值；继续采集该最大值对应的相的相电流和最小值对应的相的相电流，重复上述比较判断过程，得到差异值；若在一个电流周期内，持续出现差异值在设定范围外的结果出现，则判断电机出现缺相故障。该方法使得电流采样点能够在同一个电流周期内进行采样比较，避免了控制器输出电流的瞬时值存在过零点情况，以及矢量控制中电角度的实时变化而导致某相电流为0的瞬时情况，造成的电机缺相故障误判的情形出现，提高了电流缺相故障判断的准确性。

进一步地，通过判断其中一相的电流是否为0来判断电机是处于0扭矩状态还是堵转状态。若为0，则电机处于0扭矩状态，向其中一相输入设定电流，判断另外两相的相电流是否为0：若其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。若不为0，则电机处于堵转状态，判断另外两相的相电流是否为0：若其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。在电机处于堵转、0扭矩状态下分别采取不同的检测方法，减小了缺相判断的误判率，完善缺相检测机制，进一步保护电机本体，提升车辆的行驶安全性。

附图说明

图1是本发明的电机缺相故障检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的方法流程如下：

首先，当整车上电运行时，预先读取被控电机的最高转速参数以及控制器的固定载波频率。将电流传感器的采样频率设置为与载波频率(IGBT开关频率)同频，计算一个电流周期的最大采样次数n：

其中，n为一个电流周期的最大采样次数，f_采样为采集三相电流的频率，f_max为电机的最大频率；[]表示取整操作。

然后，判断电机所处的状态，并根据电机的状态来相应判断电机是否出现缺相故障。

若电机处于运行状态，采集三相电流，将三相电流的最大值和最小值进行比较，若果两者相差5被以上(可取5倍以上的任意倍数)；继续采集该最大值对应的相的相电流和最小值对应的相的相电流，重复上述比较判断过程；若对应的相电流连续N次差5倍，则判断电机出现缺相故障。

其中，设定次数N的取值为：

该N值的选取实际为一个在正弦周期内，电机在最高转速下的电流采样次数，因为在不同的电流周期内采样时，可能会持续存在两相的相电流差5倍以上的现象，N值的选则是为了当确定最大相电流和最小相电流后，即使电机的旋转频率达到最大，电流采样点能够在同一个电流周期内进行采样比较，减小电流缺相的误判率；当n值小于10时，为了减小电流采样的偶然性，取n为10。当然，判断的最大相电流和最小相电流的差别系数不限于5倍，倍数越大，误判可能性越小。

若电机处于0扭矩状态，则在其中一相通入一个小电流，再判断另外两相的相电流是否为0，只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。

若电机处于堵转状态，则直接判断此时三相的相电流中是否有0值，只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。

最后，当判断电机出现缺相故障时，控制关闭功率器件。

现将该方法应用于实际中。分别在电机的U相、V相上设置电流霍尔传感器，用于检测电机的U、V相的电流I_u和I_v；根据三相电流和为0，可计算得到W相电流I_w，以此来节省电流霍尔传感器的数量，从而节约成本。该方法具体如图1所示。

Step1，当车辆上电时，电机控制器程序进行初始化，并设定判断次数标志位AX和起始判断标志位M，并将其清0；同时，从EPROM或FLASH读相关的预设参数，该参数包括电机的最高转速N_max、控制器运算的载波频率K以及电机的极对数p；并将电流采样程序放入ADC中断子程序，使采样频率与载波频率保持相同；同时，计算设定次数N为：

其中，n为一个电流周期的最大采样次数，即：

其中，n为整型变量，[]表示取整操作。

Step2，完成Step1后，电机控制器开始运行，检测电机的转速是否为0：若为0，则进入Step3；否则，进入Step5。

Step3，再判断U相电流I_u是否为0：若I_u≠0，则说明电机处于堵转状态，此时直接判断另外两相的相电流I_v、I_w，只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障；否则继续采样。

Step4，若I_u＝0，则说明电机控制器开管运行，但整车ECU没有给定扭矩指令，电机处于0扭矩状态，此时，电机控制器向U相通入一个小电流，电流值可选择2％的额定电流(约1～5A)，采样I_v，并计算I_w，判断I_v和I_w中是否有电流为0的情况出现，如有，则判断电机出现缺相故障，否则继续采样。

Step5，若判断电机转速不为0，则说明整车在行驶，电机处于运行状态，此时判断起始判断标志位M是否为0：若判断标志位M为0，则比较计算三相电流的最大值I_max和最小值I_min，判断是否I_max＞5I_min，若满足该条件，则继续采样I_max对应相的相电流I_a以及I_min对应相的相电流I_b，置起始判断标志位M为1，并进入Step6，否则继续采样；若判断标志位M不为0，则继续采样，进入Step6。

Step6，判断I_max对应相的相电流I_a以及I_min对应相的相电流I_b是否满足I_a＞5I_b：若满足，则判断次数标志位AX加1，当AX的值达到N时，则判断电机出现缺相故障，进入Step7；否则，同时将设定判断次数标志位AX和起始判断标志位M清0，并返回电流采样节点。

Step7，判断电机出现缺相故障时，为了防止诱发电机短路和发热引起的电机过流、过温故障，电机控制器执行关管程序，停止输出，防止电机本体进一步损坏。

总体来说，该方法在电机的0扭矩、堵转、运行三种状态下分别采取不同方法检测，减小缺相误判率，完善缺相检测机制，进一步保护电机本体，提升新能源车辆行驶安全性。

本发明还提供了一种电机缺相故障检测装置，包括采集单元和控制单元；采集单元用于采集电机的状态，采集相电流，并采集最大值对应相的相电流和最小值对应相的相电流；控制单元用于根据采集电机的状态来判断电机的状态，并判断电机为运行状态时，将三相的相电流的最大值和最小值进行比较，得到差异值；并根据继续采集得到的最大值对应相的相电流和最小值对应相的相电流，重复上述比较过程，得到差异值；若在一个周期内，连续设定次数的差异值在设定范围外，则判断电机出现缺相故障。

该装置的实质在于实现上述介绍的电机缺相故障检测方法，由于对该方法的介绍已足够清楚，故对该装置不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电机缺相故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取电机的状态：

若为运行状态，则采集并得到三相的相电流，将三相的相电流的最大值和最小值进行比较，得到差异值；继续采集该最大值对应相的相电流和最小值对应相的相电流，重复上述比较过程，得到差异值；若在一个周期内，连续设定次数的差异值在设定范围外，则判断电机出现缺相故障。

2.根据权利要求1所述的电机缺相故障检测方法，其特征在于，通过电机的转速来判断电机的状态：若电机的转速不为0，则电机处于运行状态。

3.根据权利要求2所述的电机缺相故障检测方法，其特征在于，还通过其中一相的相电流来判断电机的状态：

若电机的转速为0，且其中一相的相电流为0，则电机处于0扭矩状态；

若电机的转速为0，且其中一相的相电流不为0，则电机处于堵转状态。

4.根据权利要求3所述的电机缺相故障检测方法，其特征在于，若为0扭矩状态，则向其中一相输入设定电流，判断另外两相的相电流是否为0：只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。

5.根据权利要求3所述的电机缺相故障检测方法，其特征在于，若为堵转状态，则判断另外两相的相电流是否为0：只要其中一相的相电流为0，则判断电机出现缺相故障。

6.根据权利要求1所述的电机缺相故障检测方法，其特征在于，所述设定范围为：

I_a＜k₁I_b

其中，I_a为最大值对应相的相电流，I_b为最小值对应相的相电流，k为系数，且k≥5。

7.根据权利要求1所述的电机缺相故障检测方法，其特征在于，所述设定次数为：

其中，N为设定次数，n为一个电流周期的最大采样次数，k₂为设定判断次数；

所述一个电流周期的最大采样次数为：

其中，n为一个电流周期的最大采样次数，f_采样为采集三相电流的频率，f_max为电机的最大频率；[]表示取整操作。

8.根据权利要求7所述的电机缺相故障检测方法，其特征在于，所述设定判断次数为10。

9.根据权利要求4所述的电机缺相故障检测方法，其特征在于，所述设定电流为额定电流的2％。

10.一种电机缺相故障检测装置，其特征在于，包括采集单元和控制单元；

所述采集单元用于采集电机的状态，采集相电流，并采集最大值对应相的相电流和最小值对应相的相电流；

所述控制单元用于根据采集电机的状态来判断电机的状态，并判断电机为运行状态时，将三相的相电流的最大值和最小值进行比较，得到差异值；并根据继续采集得到的最大值对应相的相电流和最小值对应相的相电流，重复上述比较过程，得到差异值；若在一个周期内，连续设定次数的差异值在设定范围外，则判断电机出现缺相故障。