CN110488185A - 马达定子绕组故障的早期检测 - Google Patents

Abstract

一种用于检测可操作地连接到控制器的永磁同步马达(PMSM)中的故障的方法和系统。所述方法包括在控制器处接收所述PMSM的定子电压和电流，计算所述PMSM的负序电流和负序电压；以及确定是否满足监控所述PMSM故障的条件。所述方法还包括确定在选定的持续时间内所述负序电流的变化和所述负序电压的变化；计算所述负序电流的变化与所述负序电压的变化的比率，所述比率对应于所述PMSM的负序导纳；确定所述负序导纳是否与标称值不同超过阈值；以及如果所述比率超过所述阈值，则将定子绕组识别为有故障。

Description

马达定子绕组故障的早期检测

引言

本文公开的主题总体上涉及马达和马达控制，并且更具体地涉及检测永磁同步马达(PMSM)中的故障及采用永磁同步马达的系统中的故障减轻。

车辆系统通常包括各种马达受控系统。例如，推进系统、用于控制功能的致动系统、门、窗、环境控制系统等。在一些系统(诸如推进系统和用于控制功能的一些致动系统)中，检测马达故障或互连接线故障对于系统在车辆的正常操作非常重要。

由于功率密度、效率增益和控制算法的简单性，永磁同步马达(PMSM)的应用正在激增。电机中的故障可能由于多种原因而发生，所述原因包括但不限于机械振动、热循环、热冲击、制造缺陷和不适当的维护。在PMSM驱动系统中可能发生的一些典型故障包括绕组故障、马达绕组或线束中的开路、马达绕组内部、彼此的短路或接地短路以及机械故障。旋转PMSM中的绕组短路可能导致感应电压在低电阻路径中产生电流、不平衡的定子电压、降低转矩产生和效率。然后，由于电阻低，即使在低速下，超过绕组的额定电流的电流也可以在导体的环路中循环。电流超过绕组的额定电流然后可能导致局部过热、热点、机器过热，并且可能导致潜在的有害环境。快速检测到此类绕组故障将会防止损坏机器、驱动电子器件和其他装备。

用于检测马达接线故障的方法通常限于非实时测试信号注入，以及逐相连续性检查，或有限的实时电流监控以及求和(对于三相马达，三相电流应相加等于零)。虽然逐相连续性检查可能非常彻底，但是不能在诸如当在操作中命令马达时等操作条件下执行。可以在操作时执行电流和监控，然而，其故障检测能力是有限的(即，不能检测到相间短路和单相开路相位)。

因此，至少出于以上讨论的原因以及其他原因，期望提供用于马达的改进的控制和故障检测方法。

发明内容

根据一个实施例，本文描述了一种用于检测可操作地连接到控制器的永磁同步马达(PMSM)中的故障的方法。所述方法包括在控制器处接收所述PMSM的定子电压和电流，计算所述PMSM的负序电流和负序电压，以及确定是否满足监控所述PMSM故障的条件。所述方法还包括确认在选定的持续时间内所述负序电流的变化和所述负序电压的变化；计算所述负序电流的变化与所述负序电压的变化的比率以获得所述PMSM的负序导纳；以及确定所述负序导纳的实部和虚部中的至少一者是否超过阈值。最后，所述方法包括如果所述比率超过所述阈值，则将所述PMSM识别为有故障。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，确定是否满足用于监控的选定条件包括确保ΔV_n≥第三预选定阈值，并且V_p≥第四预选定阈值；而α、β、γ中的每一者分别≤预选定阈值。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例还可以包括，所述第三预选定阈值是一伏特，而所述第四预选定阈值是10伏特。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，选择所述选定的持续时间以确保满足所述监控条件。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，选择所述选定的持续时间以确保满足用于监控的所述条件。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述负序导纳对应于所述负序电流的变化与所述负序电压的变化的比率。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述第一选定阈值是基于在正常操作条件下识别的标称负序导纳值。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述第一选定阈值是标称值的10％。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述方法还包括从所述负序电流和所述负序电压来计算负序阻抗；计算所述负序阻抗的绝对值；确定所述负序阻抗的所述绝对值是否小于第五选定阈值；以及如果所述负序阻抗的所述绝对值小于所述第五选定阈值，则将所述定子绕组识别为有故障。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述第五选定阈值是基于与标称负序阻抗值的偏差。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述第五选定阈值是故障前负序列阻抗的标称值的10％。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括从所述负序电流和所述负序电压来计算负序阻抗；计算所述负序阻抗的平均值；确定所述负序电流和负序电压中的至少一者的残差是否超过第六选定阈值；以及如果所述负序电流和负序电压中的至少一者的所述残差超过所述第六选定阈值，则将所述定子绕组识别为有故障。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述第六选定阈值是基于与在标准条件下标称平均负序阻抗值的偏差。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述第六选定阈值是标称负序阻抗的10％。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括从所述负序电流和所述负序电压来计算负序阻抗；计算所述负序阻抗的大小；以及确定所述负序阻抗的所述大小是否小于第七选定阈值。另外的实施例还可以包括，计算所述负序阻抗的平均值；确定所述负序电流和负序电压中的至少一者的残差是否超过第八选定阈值；以及基于以下最快的操作将所述定子绕组识别为有故障：确定所述计算出的比率的所述实部和所述虚部中的至少一者是否超过第一选定阈值，所述负序阻抗的所述大小是否小于所述第二选定阈值；确定所述负序阻抗的所述大小是否小于第七选定阈值，以及确定所述负序电流和负序电压中的至少一者的残差是否超过所述第八选定阈值。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括基于对所述PMSM的有故障定子绕组的识别来控制所述PMSM。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，基于对所述故障的识别来控制所述PMSM包括禁用所述PMSM。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括基于所述PMSM的所述定子电压和电流来计算标称同步电抗；如果指示所述PMSM有故障，则：在所述控制器处接收所述有故障PMSM的定子电压和电流；基于所述PMSM的所述定子电压和电流来计算与所述PMSM的有故障绕组相关联的同步电抗；以及确定与有故障绕组相关联的所述同步电抗与所述标称同步电抗的比率。另外，所述方法还包括基于与有故障绕组相关联的所述同步电抗与所述标称同步电抗的所述比率，下调所述PMSM的额定转矩。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，基于所述PMSM在正常操作时的相应绕组的相电压、相电流和反电动势来计算所述标称同步电抗。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，基于当故障已经发生时所述PMSM的相应绕组的所述相电压、相电流和反电动势来计算与有故障绕组相关联的所述同步电抗。

除了一个或多个上述特征或者作为替代，另外的实施例可以包括，所述下调是基于所述PMSM的匝数从标称值减小的比率的平方反比。

本文还在一个实施例中描述了一种用于检测永磁同步马达(PMSM)中的故障的系统，所述系统包括PMSM；以及控制器，其可操作地连接到所述PMSM。所述控制器被配置为在所述控制器处接收所述PMSM的定子电压和电流，计算所述PMSM的负序电流和负序电压，以及确定是否满足监控所述PMSM故障的选定条件。所述控制器还被配置为确认在选定的持续时间内所述负序电流的变化和所述负序电压的变化；计算选定的持续时间内所述负序电流的变化与所述负序电压的变化的比率以获得所述PMSM的负序导纳；确定所述计算出的比率的实部和虚部中的至少一者是否超过第一选定阈值；以及如果所述比率超过所述第一选定阈值，则将所述定子绕组识别为有故障。

本文还在又另一实施例中描述了一种马达驱动系统，其被配置用于检测永磁同步马达(PMSM)中的故障。所述马达驱动系统包括：激励源；驱动系统，其可操作地连接到所述激励源并且被配置为向所述PMSM提供马达命令信号；以及控制器，其可操作地连接到所述PMSM。所述控制器被配置为在所述控制器处接收所述PMSM的定子电压和电流，计算所述PMSM的负序电流和负序电压，确定是否满足监控所述PMSM故障的选定条件，以及确认在选定的持续时间内所述负序电流的变化与所述负序电压的变化。所述控制器还被配置为计算选定的持续时间内负序电流的变化与所述负序电压的变化的比率以获得所述PMSM的负序导纳；确定所述计算出的比率的实部和虚部中的至少一者是否超过第一选定阈值；以及如果所述比率超过所述第一选定阈值，则将所述定子绕组识别为有故障。

从结合附图取得的本发明的最佳模式的以下详细描述，上述特征和优点以及本发明的其他特征和优点容易地显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节仅借助于示例出现在以下结合附图取得的详细描述中。

图1描绘了根据一个或多个实施例的包括内燃机和马达控制系统的机动车辆；

图2描绘了根据一个或多个实施例的马达驱动系统的高级框图；

图3A描绘了根据一个或多个实施例的用于马达绕组的示例性电路模型；

图3B描绘了根据一个或多个实施例的用于有故障马达绕组的示例性电路模型；

图4A描绘了根据一个或多个实施例的马达绕组的示例性电流和电压“V形”曲线；

图4B描绘了根据一个或多个实施例的有故障马达绕组的示例性电流和电压“V形”曲线；

图5是根据一个或多个实施例的检测永磁马达中的故障和减轻故障的方法的流程图；以及

图6是根据一个或多个实施例的检测永磁马达中的故障的多种方法的流程图。

具体实施方式

以下描述仅仅具有说明性本质并且不旨在限制本发明、其应用或用途。应当理解的是，在整个附图中，对应的附图标记指示相同或对应的部分和特征。如本文所使用，术语模块是指处理电路，其可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或成组)以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器模块、组合逻辑电路和/或提供所述功能性的其他合适部件。

另外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、示例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施例或设计不必被解释为比其他实施例或设计更优选或更具优势。术语“至少一个”和“一个或多个”应当被理解为包括大于或等于1的任何整数，即，一个、两个、三个、四个等。术语“多个”应当被理解为包括大于或等于2的任何整数，即，两个、三个、四个、五个等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。

如本文所示和所述，将呈现本发明的各种特征。虽然可以在一般意义上使用类似的附图标记，但是将描述各种实施例，并且各种特征可以包括如本领域技术人员将明白的改变、变更、修改等，而无论是明确描述的还是本领域技术人员将明白的。

许多汽车制造商已经致力于为他们的许多汽车产品提供电动未来。领先的汽车行业全部由燃料电池、电池或被认为“干净”的任何其他电源驱动。自从2010年以来，电池技术一直在稳步提高，成本千瓦时下降约75％。此外，预计到2030年与电池相关联的成本将继续下降，同时功率密度和可靠性有望提高。到2024年，全球汽车电气化预计将增加到30％，这主要是由于燃油经济性要求越来越严格所推动的，有人预测到2038年全球所有电动汽车的销量将超过内燃机(ICE)。

永磁同步马达(PMSM)被广泛用于车辆推进系统。推进系统是否是混合动力型，利用内燃机(ICE)与电动马达一起来驱动车轮，或者全部电，例如，由燃料电池或电池供电，PMSM都是常见的马达选择。相比之下，PMSM表现出优异的功率/质量比，因为稀土磁体的使用增加了磁通密度，由此实现了更小、更有效的马达构造。此外，这些马达在广泛的速度范围内、特别是在低速时保持最大转矩。

电机中的电气和环境应力导致绝缘材料逐渐劣化，这最终导致定子绕组中的匝间短路。通常，定子绕组劣化的第一个症状包括定子过热、三相电压和电流不平衡。因此，在定子绕组的初始阶段检测短路匝数故障有利于防止诸如相对地或相间故障等主要定子故障，这些故障可能导致完全的马达故障。及时检测短路匝数还防止损坏其他定子线圈，并且最大限度地减少对所有者/操作员的影响。随着车辆变得更加复杂和自主，检测、识别和减轻即将发生的故障的影响变得更加重要。此外，在车队操作(例如，机器出租车或投递服务)，有此类算法将有助于减少车辆的停机时间。

过去对解决了定子绕组故障诊断的方法已经取得了不同程度的成功。已经考虑了从负序监控到对与PMSM相关联的电信号的频谱分析到数据驱动方法范围内的方法。在一个或多个实施例中，本文描述了一种用于电机中的定子绕组故障诊断的方法和系统，其采用基于负序监控的故障检测算法，所述负序监控表现出改进的准确度和检测时间。然而，虽然相对直接地实施，但是负序监控在识别与迄今为止限制其应用的负序分量的准确计算相关的参数方面面临某些挑战。

根据实施例的一方面，机动车辆在图1中通常用10表示。具体地，车辆10是混合动力电动车辆或电动车辆。图1是示出了对所公开原理感兴趣的车辆的部件以及部件可以相互关联以执行那些原理的方式的车辆示意图。然而，应当明白，所示架构仅是示例，并且所公开的原理不要求如所示那样精确地配置车辆。应当理解，机动车辆10可以采用各种形式，包括汽车、商业运输、海上交通工具等。机动车辆10包括车身12和乘客舱15。在一些实施例中，机动车辆10还可以包括容纳推进系统200的全部或一部分的发动机舱14。在一些实施例中，发动机舱14容纳通常表示为20的内燃机系统ICE，所述内燃机在某些实例中可以是推进系统200的混合动力实施方式的一部分。内燃机系统20还可以包括机械地联接到传动系的变速器(未示出)。应注意，本文描述的技术方案与ICE系统密切相关，并且可以包括但不限于柴油发动机系统和汽油发动机系统。ICE 20可以包括附接到曲轴的多个往复活塞，所述往复活塞可操作地附接到传动系，诸如车辆传动系，以对车辆提供动力(例如，向传动系传递牵引转矩)。例如，ICE 20可以是任何发动机配置或应用，包括各种车辆应用(例如，汽车、船舶等)，以及各种非车辆应用(例如，泵、发电机等)。虽然可以在车辆环境中描述ICE 20(例如，产生转矩)，但是其他非车辆应用也在本发明的范围内。因此，当提及车辆时，此类公开内容应被解释为适用于ICE 20的任何应用。

在其他实施例中，ICE 20可以被配置为以混合动力配置向电驱动系统提供动力。例如，在一个实施例中，ICE 20提供电力以操作电力推进系统200。在一些实施例中，推进系统200和内部可以机械地联接到传动系以向车辆10提供动力(例如，将牵引转矩传递到传动系)。

继续参考图1，在所示的示例中，车辆10和推进系统200包括具有合适电压和容量的电能存储系统201(例如，电池或电池组(“电池”))。合适的电池类型包括但不限于铅酸电池、镍镉电池(NiCd)、镍金属氢化物电池(NiMH)、锂离子电池和锂聚合物电池。电池201例如经由马达控制器203导电地连接到电驱动单元205，例如一个或多个电气马达(下文称为电动马达205)。应当明白，来自电池201的电力可以根据需要由马达控制器203(或其他装置)调制、进行电压修改或以其他方式修改，以驱动电气马达205。在一些实施例中，马达控制器203可以包括马达驱动系统204。在其他实施例中，可以采用单独的马达驱动系统204。通常，马达驱动系统可以包括电压转换器、逆变器，以及如本文所述的选择瞬态滤波。电动马达205连接或可连接到地面接合驱动器，通常包括一个或多个车轮207。在一些实施例中，电动马达205是可操作地连接到机械传动系的单个电动马达，在其他实施例中，可以采用多个马达来驱动车辆10的车轴或车轮207。为了便于说明，单个马达205被描绘为联接到单个车轴，但是各种配置都是可能的。

在一个可选实施方案中，可以提供插头接口209以便对电池201充电，但是应当明白，本文的教导也适用于超出具有插入式架构的车辆之外。插头接口209经由充电控制器211连接到电池201。车辆10和电池201的可选方面是在检测到不利条件时通过控制至少一个且优选地两个或更多个高压接触器213将电池201与车辆10的其余部分电断开的能力。还可以采用通信接口214，并且所述通信接口可以适于从控制器211或马达控制器203接收信息，并且将关于车辆10、推进系统200和电池201的数据传送到远程系统100。在一个实施例中，远程系统100可以是被配置为接收车辆状态、维护或故障信息等的服务器。例如，在一个实施例中，通信接口214向远程系统100提供与电池201相关联的充电状态和健康状态信息。

继续车辆推进系统200，图2是推进系统200以及更具体地马达控制器203、马达驱动系统204和可以用于为机动车辆10提供动力的电动马达205的部件的框图。关于用于机动车辆10的动力系统描述了推进系统200，然而，可以预期对其中采用PMSM和/或马达驱动系统204的控制的任何系统的应用。推进系统200和马达驱动系统204包括AC/DC电源201，诸如电气主线(例如，115/230伏特AC，例如，经由插头接口209)、电源总线、DC电源总线(例如，电池201)等。马达驱动系统204可以可选地包括滤波器222，所述滤波器被配置为限制浪涌电流、稳定电压电平并抑制电磁干扰(EMI)。一旦滤波(如果采用的话)，输入功率信号215被被提供给转换器230(或整流器)。转换器230被配置为将AC电力201转换为DC电压。转换器230还可以将DC电压输入转换为马达驱动系统204中可能需要的不同电平DC电压。在一个实施例中，转换器230是有源拓扑，采用多个开关装置(未示出)，并且可以是单级或多级配置。转换器230的开关装置被配置为提供输入电压的转换/整流以向DC总线供电。转换器230还可以是简单无源整流器，例如，被配置为将AC电压输入整流为DC电压的二极管桥。转换器230的输出向DC总线234供电。可以采用滤波器(未示出)来稳定DC总线234免受瞬变的影响并抑制EMI。

所示马达驱动系统204还包括逆变器250，再次采用多个开关装置将DC总线234上的DC电压转换成多相AC驱动马达命令信号255。来自马达驱动系统204的逆变器250的马达命令信号255被供应给多相电机(例如，马达205)，以向车辆10施加运动，为环境控制系统供电等。在示例性实施例中，马达205包括但不限于多相永磁体同步马达(PMSM)。还应当明白，虽然本文中的实施例主要参考车辆10和车辆推进系统200及其应用来描述，但是该描述仅是示例性的。这里描述的实施例易于应用于采用具有多相马达功率应用的三相马达驱动的任何应用，包括马达控制、环境控制、控制表面致动以及任何其他动力系统和马达控制应用。

根据一个或多个实施例，转换器230(如果是有源类型)和逆变器250都由控制器203控制。在替代实施例中，转换器230和逆变器250可以由单独的驱动控制器203控制。控制器203将控制信号252提供给逆变器250的开关装置，以控制马达命令信号255的产生。同样地，控制器203可以向有源转换器230提供控制信号232，以控制DC总线234上的DC电压的产生和维持。控制器203可以使用通用微处理器来实施，所述微处理器执行存储在存储介质上的计算机程序以执行本文描述的操作。替代地，控制器203可以用硬件(例如，ASIC，FPGA)或硬件/软件的组合来实施。

在操作中，在采用有源转换器230的实施例中，控制器203基于马达205和逆变器250产生马达命令信号255的操作而为转换器230产生DC电流命令。然后，采用DC电流命令来为转换器230的开关装置(未示出)制定控制信号232，以相应地向DC总线234提供DC输出电流。另外，控制器203接收各种输入信号或值，包括所需输出操作的设定点信号或值，诸如DC总线电压和电流、输入功率的相电压和电流、马达转速、位置、转矩等，以及表示马达驱动系统204的各个部分的操作值的反馈信号或值。在另一个实施例中，采用转换器230的无源整流器配置，并且不需要来自控制器203的命令。虽然此类配置因其采用无源整流器来供应DC总线234的简单性是有利的，但是对于改进的电流和电磁干扰(EMI)控制，可能需要带有源转换器230的其他配置。同样地，控制器203基于马达205和逆变器250产生马达命令信号255的操作(例如，速度、转矩等)而产生用于逆变器250的命令。然后，所述命令用于为逆变器250的开关装置制定控制信号252，以相应地制定马达命令信号255。

脉冲宽度调制(PWM)控制方案用于命令转换器230的开关装置向DC总线234和逆变器250供电，以产生和控制到马达205的马达命令信号255。此类PWM控制方案采用空间矢量脉冲宽度调制SVPWM技术。此外，转换器230(如果为有源)和逆变器250的SVPWM将以相同的频率操作并同步。然而，在一些应用中，可以采用其他PWM技术来解决由转换器230或逆变器250的配置或特定实施方案所施加的优点和约束。例如，不连续(DPWM)或甚至混合动力SVPWM技术。混合动力SVPWM实际上是SVPWM和DPWM技术的组合或混合。在如本文所述的实施例中，采用SVPWM技术。

本文描述的实施例涉及可以检测马达相绕组短路的监控机制和方法。在一个实施例中，本文描述的方法可以检测马达绕组内的相间短路并减轻其检测的困难度。所描述的实施例利用了以下事实：在大多数条件下，马达绕组故障表现出在操作中可以被监控和检测的各种变化。例如，在某些实例中，可以检测、量化并采用马达中的绕组的相位同步阻抗的变化来指示故障。在其他实例中，阻抗可能不足，或者需要更快速的检测。在一些实施例中，监控负序电流和电压，并且可以采用负序电流和/或电压的变化作为检测电机中的定子绕组短路的手段。在又另一实施例中，负序导纳用于采用基于负序监控的故障检测算法进行马达中的诊断，所述负序监控表现出改进的准确度和检测时间。因此，提供了检测在操作或甚至被命令停止时马达绕组故障的能力，由此有助于增强失效/故障检测能力。

图3A描绘了根据一个实施例的马达205的相绕组的电路模型。图3B描绘了在潜在的匝间故障之后马达205的相绕组的相同电路模型。相电压V_a由等式(1)定义如下

V_a＝E_a+jX_sI_a (1)

其中X_S是A相绕组的同步电抗。

在操作中，X_s～N²并且电动势E_a～N，其中N是定子绕组中的匝数。当匝间短路发生时，上述参数的值发生偏移使得识别出新的匝数N(基于一些匝数被短路)，从而产生如下定义的新的同步电抗Xs和反电动势E_a：

以及 (4)

I′_a＝rI_a(5)

其中r是匝数减少的因子，而撇表示由故障产生的电路参数的修改值。

因此，很明显，当发生匝间故障时，绕组中的有效匝数减少，从而产生相电压V_a降低而相电流I_a增加的影响。该特性变为故障特征，如果可检测到，所述故障特征将有助于检测、隔离和减轻马达中的故障。在一个实施例中，基于同步电抗相对于标称值改变超过选定阈值来确定匝间故障。例如，在一个实施例中，选定阈值是5％。在另一个实施例中，选定阈值是10％。

一旦检测到马达205中的故障，标准做法是禁用马达205。然而，因为在某些实例中，匝间短路可能不太严重，并且马达205的操作仍然是可能的。在此类实例中，在一个实施例中，一旦检测到匝间短路，有利地，描述了一种方法来解决故障，将马达下调到较低功率操作点并且如果可能的话继续操作。为了促进在较低操作点操作，基于同步电抗X_s的变化进行下调。在一个实施例中，转矩的下调是基于同步电抗X_s的变化，如下所述。

使用电路模型并考虑所有三个相位，可以使用以下等式来计算马达负载的电力：

其中P是马达负载的电力。

电力P也可以通过如下取所测量的机械速度Ω与和转矩T的乘积来粗略估计：

P≈ΩT (7)

其中Ω是马达的机械转速。通过使用等式1和等式6，可以将同步电抗X_s计算为：

其中ψ是电压相量V_a与电流相量I_a之间的功率因子角，并且

通过使用等式8，可以计算同步电抗X_s的故障前(标称)值和新的故障后值X′_s。基于故障前值X'_s和故障后值X′_s，马达205的转矩下调到新的故障后值T′＝T/r，其中r是马达的匝数由于故障而减少的因子。可以明白，为了与失去的匝数成比例地下调转矩，因为不能直接计算r，所以反而可以采用X_s′与X_s的比率来估计它。

值得注意的是，等式10类似于等式3，所述等式10基于故障前同步电抗值Xs和故障后同步电抗值X_s和X_s′的比率。应当明白，虽然对于一个实施例，采用了下调新的同步电抗X′_s与原始同步电抗X_s的比率的平方根电下调，但是也可以进行和设想其他下调方案。例如，虽然在一个实施例中下调是基于转矩，但是在另一实施例中，下调可以基于速度、电压等。

图4A和4B描绘了马达205的绕组(相A)的电流与电压“V形”曲线族，其作为同步电抗X_s的函数，如在经历绕组故障时可以由马达205绕组表现出来的。随着同步电抗X_s降低，马达205的操作点移动到增加电流和降低电压，如参考点402、404、406、408所描绘，直到超过马达205的热极限410。在一个实施例中，为了减轻此类故障，在检测到故障时，马达205的转矩可以下调到较低水平，其中在V形曲线414上的新操作点412与同步电抗X_s的新值相当。

图5是根据一个实施例的用于检测和减轻PMSM中的故障的方法500的流程图。如本文所述，方法500的一个或多个步骤可以由车辆推进系统200的控制器203来实施。此外，方法500的一些步骤可以被实施为在控制器203上操作的软件或算法。方法500开始收集关于马达205和推进系统200的各种数据和参数，包括但不限于与马达205相关联的定子电压和电流，如在过程步骤510处所描绘。数据和参数的收集可以根据需要递归以收集期望的数据并实施与诊断马达205和推进系统200的状态相关联的过程。继续所述附图，在过程步骤520处，方法500继续确定是否已经计算了标称同步电抗。如果还没有，则所述过程转向过程步骤525以计算标称同步电抗，之后方法500重述过程步骤510以进行重复。相反，如果在过程框520处确认已经计算出标称同步电抗，则过程500继续过程框530并执行一个或多个短路匝数检测方案。在一个实施例中，用于检测短路匝数的简单方案可以基于如上所述的同步电抗X_s的变化。在另一个实施例中，检测可以基于负序电流和/或电压或其变化。在另一个实施方案中，检测可以是基于负序阻抗或如本文所述的负序导纳。

继续图5并且还返回到图4B，在过程步骤540处，如果没有检测到短路匝数故障，则所述过程重述，转换回到过程步骤510以进行重复。然而，如果在过程步骤540处检测到短路匝数故障，则所述方法继续过程步骤570以下调马达205的转矩能力。可选地，在可选的过程步骤550和560中描绘了可以下调马达转矩T的一种方式。在过程步骤550处，如412(图4B)所描绘计算用于马达205的故障绕组的同步电抗X′_s的新值，而在过程步骤560处，计算新同步电抗X′_s与标称同步电抗X_s的比率并将所述比率用于根据等式10基于检测到的故障来下调马达205的转矩。以此方式描述了一种过程，所述过程允许检测马达205的故障，此外允许马达205继续操作，尽管是在下调的容量中，尽管检测到故障。这提供了对现有方案的非常有益的改进，所述现有方案通常会在检测到任何故障时禁用马达205。

现在又转到图6，描绘和描述了与用于检测马达205中的故障的又一种方法相关联的细节。返回到图3A和3B，描绘了用于标称(正常)和失效状态(一旦发生匝间短路)的示例性马达相的电路模型。再次转向等式(1)至(5)，如本文所述，当发生匝间故障时，绕组中的有效匝数减少使得相电压V_a降低而相电流I_a增加。在另一个实施例中，相电流I_a、I_b、I和相电压V_a、V_b、V_c可以根据它们的正序、负序和零序项来编写/重写，所述正序、负序和零序项为V_p、V_n、V₀和I_p、I_n、I₀，它们分别被表示为：

以及

其中a＝1∠120°。

关于等式11和12值得注意的是要明白，由于匝间故障发生，相电压V_a降低，而相电流I_a增加，同样地，负序电压V_n和负序电流I_n偏离零。即，应当理解，对于平衡马达，负序电压V_n和负序电流I_n将为零。然而，在存在匝间故障的情况下，负序电压V_n和负序电流I_n将偏离零。在所描述的实施例中，利用该偏差来提供对马达205中的故障的改进的故障检测、隔离和减轻。为此，在一个实施例中，负序电流I_n可以表征为：

I_n＝Y_nV_n+f(V_p,Ω,T_e) (13)

其中Y_n是负序导纳，V_p是正序电压，Ω是马达205的机械转速，并且T_e是转矩。遗憾的是，函数项难以表征，并且因此迄今为止排除了采用负序导纳Y_n作为识别和表征马达故障的手段。

对于表示为k的样本与表示为k+1的下一个时间实例之间的给定时间实例，可以如下重写等式13：

I_n(k)＝Y_nV_n(k)+f(V_p(k),Ω(k),T_e(k)) (14)

，以及

I_n(k+1)＝Y_nV_n(k+1)+f(V_p(k+1),Ω(k+1),T_e(k+1)) (15)

从等式15中减去等式14得出：

ΔI_n(k+1)＝Y_nΔV_n(k+1)+

f(V_p(k+1),Ω(k+1),T_e(k+1))-f(V_p(k),Ω(k),T_e(k)) (16)

值得注意的是要明白，对于足够小的采样时间步长并且基于α、β、γ的保证值，使得：

|V_p(k)-V_p(k+1)|＜α，

|Ω(k)-Ω(k+1)|＜β，

|T_e(k)-T_e(k+1)|＜γ。

然后可以假设

f(V_p(k+1),Ω(k+1),T_e(k+1))≈f(V_p(k),Ω(k),T_e(k))。

结果，对于负序导纳Y_n，函数项将取消并从等式16中删除，得出如下化简：

所述负序导纳Y_n对于足够大的ΔV_n和是V_p准确的，而对于足够小的α、β、γ是准确的。应注意，大的ΔV_n占据了近似值。有利的是，计算证明在计算时忽略项f(V_p,Ω,T_e)会更准确。然而，在计算项时，考虑f(V_p,Ω,T_e)定义近似值何时更准确，由此得出更准确计算。即，值得注意的是要明白，当计算时，ΔV_n和V_p高于一定阈值。另外，可以指出，近似误差f(V_p(k+1),Ω(k+1),T_e(k+1))-f(V_p(k),Ω(k),T_e(k))被足够大的ΔV_n占据，所述近似误差呈现在规定条件下采用的近似值证明优于的原因。

还应当明白，对于阈值，不定义特定值，因为它们可以针对不同类型的马达定制，并且可以在初始设置时预先选择和校准。因此，可以看出，对于足够小的时间步长，即，足够快的采样率，负序导纳Y_n提供了改进的马达故障指示符。在一个实施例中，采用约100至500微秒的时间步长，然而应理解，可以基于各种系统因素和包括PMSM的马达特性的动态学以及包括速度的动态学以及PWM速率来选择时间步长。

现在继续参考图6，它是根据一个实施例的用于检测和减轻PMSM中的故障的三种方法610、630和650(为了清楚起见，部分地由虚线隔离)的流程图。三种方法中的每一种或任何一种可以可选地同时运行。在一个实施例中，操作所有三种方法可能是有利的，因为一种方法可以比另一种更快地检测故障。最早检测到马达205中的故障是有利的，因为它允许降低例如在经历进一步损坏之前下调马达205的机会。再次，方法的一个或多个步骤可以由车辆推进系统200的控制器203来实施。此外，方法610、630和650的一些步骤可以被实施为在控制器203上操作的软件或算法。方法610、630和650各自开始收集关于马达205和推进系统200的各种数据和参数，包括但不限于与马达205相关联的定子电压和电流，如在过程步骤602处所描绘。数据和参数的收集可以根据需要递归以收集期望的数据并实施与诊断马达205和推进系统200的状态相关联的过程。继续所述附图，在过程步骤604处，方法610、630和650各自继续计算负序电流I_n和负序电压V_n。首先转向方法610，在过程判定框612处，确定系统是否已被初始化。如果还没有，则所述过程转向过程步骤614以计算负序阻抗，之后方法610继续过程步骤616以计算平均负序阻抗。这完成了初始化，并且所述方法返回到过程框602以重述方法610(以及630和650，如果使用了的话)。返回到过程判定框612，如果系统被初始化，则方法610转换到过程判定框618，以确定剩余负序电流或负序电压中的任何一者或两者是否超过选定阈值。例如，在一个实施例中，可以采用高于标称负序电流和负序电压10％的阈值，但是其他阈值也是可能的。残差可以通过将如在过程步骤604处计算的负序电流I_n和负序电压V_n与如在过程步骤616中的初始化期间计算的平均负序阻抗avgZ_n中的负序电流I_n和负序电压V_n的平均值来计算。如果残差小于选定阈值，则没有检测到故障，并且所述过程恢复并重述到过程框602。相反，如果在过程判定框618处确认残差等于或超过选定阈值，则方法610继续到公共过程框608并且指示马达205的定子绕组故障。

继续图6并且现在转向用于检测马达205中的短路匝数的第二种方法的方法630。所述方法如同方法610对过程框602和604以及负序电流I_n和负序电压V_n的计算一样开始。方法630在程框632处计算负序阻抗的大小│Z_n│。方法630转换到过程判定框634以确定负序阻抗的大小│Z_n│是否超过选定阈值。例如，在一个实施例中，可以采用比标称值小10％的阈值，但是其他阈值也是可能的。如果负序阻抗的绝对值│Z_n│大于或等于选定阈值，则没有检测到故障并且所述过程将恢复并重述到过程框602。相反，如果在过程判定框634处确认负序阻抗的绝对值│Z_n│小于选定阈值，则方法630继续到公共过程框608并且指示定子绕组故障。

继续图6并且现在转向用于检测马达205中的短路匝数的第三种方法的方法650。方法650独特地采用如上所述的负序导纳Y_n用于检测和确定马达故障。方法650如同方法610和630对过程框602和604以及负序电流I_n和负序电压V_n的计算一样开始。方法650在过程判定框652处继续确定是否已满足用于监控的满意条件。如果为否，则所述过程恢复并重述到所描绘的过程框602。否则，如果满足监控条件，则方法650继续到过程框654。用于监控的条件包括但不限于上面表示的与负序导纳Y_n的粗略估计相关联的条件，所述粗略估计是足够大的ΔV_n和V_p，而对于α、β、γ是足够小的值。继续方法650，如过程框654处所描绘，计算负序电压的变化ΔV_n和负序电流的变化ΔV_n。应当明白，对于α、β、γ可能没有特定的识别值。通常，可以根据所采用的特定类型的马达来调节每个公差。在一个实施例中，在一个示例中，可以采用1伏特的ΔV_n阈值，其中Vp阈值为10V，α＝10V,β＝100rpm,γ＝30Nm。在过程框656处，将负序电流ΔI_n的变化与负序电压ΔV_n的变化的比率计算为近似为负序导纳Y_n。最后，方法650转换到过程判定框658以确定负序导纳Y_n并将其与其标称值进行比较。如果负序导纳Y_n与标称值的偏差小于选定阈值，则没有检测到故障并且所述过程恢复并重述到过程框602。相反，如果在过程判定框658处确认与所述比率的标称值的偏差等于或超过选定阈值，则方法650继续到公共过程框608并且指示定子绕组故障。标称负序导纳值取决于PMSM的动态特性、PMSM的定子线圈的固有不对称性、马达设计中的固有不对称性和不平衡电源。例如，在一个实施例中，可以采用比标称值小10％的阈值，但是其他阈值也是可能的。

以此方式描述了多个过程，所述过程允许检测马达205的故障，此外允许马达205继续操作，尽管是在下调的容量中，尽管检测到故障。此外，所述方法可以可选地包括基于所识别的故障来控制马达205。所述控制可以包括以劣化方式操作，例如，如果可能的话，使用下调转矩进行操作(取决于系统中的其他因素，或者必要时禁用PMSM)。这提供了对现有方案的非常有益的改进，所述现有方案通常会在检测到任何故障时禁用马达205。

本文中所使用的术语仅仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制。如本文中所使用，除非背景另有明确指示，否则单数形式“一(a、an)”和“所述”旨在还包括复数形式。应进一步理解，说明书中所用的术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

本实施例可以是任何可能的集成技术细节级别的系统、方法和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(或多个介质)，其上具有计算机可读程序指令以用于使处理器执行本发明的各方面。

图中的流程图和框图说明根据各个实施例的系统、方法以及计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能性以及操作。关于这一点，流程图或框图中的每个框可以表示模块、指令段或部分，其包括用于实施一个或多个指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方案中，框中标注的功能可以不按图中标出的顺序发生。例如，连续展示的两个框事实上可以基本上并发地执行，或框有时可按相反顺序执行，这取决于所涉及的功能性/动作。还应当注意的是，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可由执行指定功能或动作或执行专用硬件与计算机指令的组合的基于专用硬件的系统来实施。

虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开内容，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明内容的范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，希望本发明不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (14)

1.一种检测能够操作地连接到控制器的永磁同步马达(PMSM)中的故障的方法，所述方法包括：

在控制器处接收所述PMSM的定子电压和电流；

计算所述PMSM的负序电流和负序电压；

确定是否满足用于监控所述PMSM的故障的选定条件；

确定在选定的持续时间内所述负序电流的变化和所述负序电压的变化；

计算所述负序电流的变化与所述负序电压的变化的比率以获得所述PMSM的负序导纳；

确定计算出的比率的实部和虚部中的至少一者是否超过第一选定阈值；以及

如果所述比率超过所述第一选定阈值，则将定子绕组识别为有故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定是否满足用于监控的选定条件包括确保ΔV_n≥第三预选定阈值，并且V_p≥第四预选定阈值；而α、β、γ中的每一者分别≤预选定阈值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述选定的持续时间以确保满足用于监控的条件。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述选定的持续时间是基于采样周期。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述负序导纳对应于所述负序电流的变化与所述负序电压的变化的比率。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一选定阈值是基于在正常操作条件下识别的标称负序导纳值。

7.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

从所述负序电流和所述负序电压来计算负序阻抗；

计算所述负序阻抗的绝对值；

确定所述负序阻抗的所述绝对值是否小于第五选定阈值；以及

如果所述负序阻抗的所述绝对值小于所述第五选定阈值，则将所述定子绕组识别为有故障。

8.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

从所述负序电流和所述负序电压来计算负序阻抗；

计算所述负序阻抗的平均值；

确定所述负序电流和负序电压中的至少一者的残差是否超过第六选定阈值；以及

如果所述负序电流和负序电压中的至少一者的所述残差超过所述第六选定阈值，则将所述定子绕组识别为有故障。

9.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

从所述负序电流和所述负序电压来计算负序阻抗；

计算所述负序阻抗的大小；

确定所述负序阻抗的所述大小是否小于第七选定阈值；

计算所述负序阻抗的平均值；

确定所述负序电流和负序电压中的至少一者的残差是否超过第八选定阈值；以及

基于以下最快的操作将所述定子绕组识别为有故障：

确定所述计算出的比率的所述实部和所述虚部中的至少一者是否超过第一选定阈值，以及所述负序阻抗的所述大小是否小于所述第二选定阈值。

确定所述负序阻抗的所述大小是否小于第七选定阈值，以及

确定所述负序电流和负序电压中的至少一者的残差是否超过所述第八选定阈值。

10.根据权利要求1所述的方法，其还包括基于识别所述PMSM的有故障定子绕组来控制所述PMSM。

11.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

基于所述PMSM的所述定子电压和电流来计算标称同步电抗；

如果指示所述PMSM有故障，则：

在所述控制器处接收所述有故障PMSM的定子电压和电流；

基于所述PMSM的所述定子电压和电流来计算与所述PMSM的有故障绕组相关联的同步电抗；

确定与有故障绕组相关联的所述同步电抗与所述标称同步电抗的比率；以及

基于与有故障绕组相关联的所述同步电抗与所述标称同步电抗的所述比率，下调所述PMSM的额定转矩。

12.根据权利要求11所述的方法，其中基于所述PMSM在正常操作时的相应绕组的相电压、相电流和反电动势来计算所述标称同步电抗。

13.根据权利要求11所述的方法，其中基于当故障已经发生时所述PMSM的相应绕组的所述相电压、相电流和反电动势来计算与有故障绕组相关联的所述同步电抗。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述下调是基于所述PMSM的匝数从标称值减小的比率的平方反比。