CN110806548A

CN110806548A - 电机逆变器的故障检测电路及方法

Info

Publication number: CN110806548A
Application number: CN201810792254.XA
Authority: CN
Inventors: 宋万杰; 郑立宇
Original assignee: Guangdong Welling Auto Parts Co Ltd
Current assignee: Guangdong Welling Auto Parts Co Ltd
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-02-18

Abstract

本发明实施例提供一种电机逆变器的故障检测电路及方法，属于电机逆变器控制领域。所述电机逆变器的故障检测电路包括：第一采样单元，用于采样所述电机的母线电压；第二采样单元，用于采样所述电机的三相中任意一相所对应的电机端子电压；电机控制器，用于根据所述母线电压和所述电机端子电压，判断所述逆变器是否存在上臂桥短路故障。由此，能在电机装置上电时就自动地、较可靠地识别出逆变器是否存在上桥臂短路故障。

Description

电机逆变器的故障检测电路及方法

技术领域

本发明涉及电机逆变器控制技术领域，具体地涉及电机逆变器的故障检测电路及方法。

背景技术

目前，电机驱动系统在工业、农业、交通、国防、航空航天等领域的应用越来越广泛。电机驱动系统通常由电机、逆变器、传感器和控制器组成。逆变器中的开关管，例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)，通常处于高频开关状态，导致损耗比较高，发热情况也较为严重，因此故障的出现概率高，易产生断路或短路故障，其故障在电机驱动系统的故障中的占比很大。

目前，一些知名学者对逆变器的故障检测提出了一些解决方案，例如神经算法等。但本申请发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术的上述方案至少存在以下缺陷：逆变器自检的时间消耗过长，并且操作繁琐，还有可能在逆变器已经被损害的情况下又会注入新的故障。

因此，一种快捷的、有效的电机逆变器的自故障检测技术是目前业界的人们研究方向。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种电机逆变器的故障检测电路及方法，以快捷、有效地完成电机逆变器的自故障检测。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种电机逆变器的故障检测电路，该电机逆变器连接在直流电源和电机之间，其中该电路包括：第一采样单元，用于采样所述电机的母线电压；第二采样单元，用于采样所述电机的三相中任意一相所对应的电机端子电压；电机控制器，用于根据所述母线电压和所述电机端子电压，判断所述逆变器是否存在上臂桥短路故障。

可选的，该电路还包括：电压比较器，其连接所述第一采样单元和所述第二采样单元，且用于比较所述电机端子电压和所述母线电压，并生成相应的比较结果；其中，所述电机控制器连接至所述电压比较器，且用于根据所述比较结果判断所述逆变器是否存在上臂桥短路故障。

可选的，所述电机控制器包括第一端口和第二端口，其中所述第一端口连接所述第一采样单元，以及所述第二端口连接所述第二采样单元。

可选的，该电路还包括：升压电容，跨接直流电源的两端；第三采样单元，用于采样所述电机的母线电流；其中，所述电机控制器用于在确定所述逆变器不存在上桥臂短路故障时，导通所述逆变器三相中任意的下桥开关管，并根据预定时间段内所采样的所述母线电流判断所导通的下桥开关管是否存在异常故障，该异常故障包括开路故障和/或短路故障。

可选的，所述电机控制器用于按照预定的第一时序轮流导通所述逆变器三相中的下桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述下桥开关管是否存在所述异常故障。

可选的，所述电机控制器还用于在确定所述逆变器三相的下桥开关管均不存在开路故障和短路故障时，导通所述逆变器三相中任意的上桥开关管，并根据所采样的所述电机端子电压判断所导通的上桥开关管是否存在开路故障。

可选的，所述电机控制器用于按照预定的第二时序轮流导通所述逆变器三相中的上桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述上桥开关管是否存在开路故障。

本发明实施例另一方面提供一种电机逆变器的故障检测方法，该电机逆变器连接在直流电源和电机之间，其中该方法包括：采样电机的电机端子电压；采样所述电机的三相中任意一相所对应的电机端子电压；根据所述母线电压和所述电机端子电压，判断所述逆变器是否存在上臂桥短路故障。

可选的，该电机还配置有跨接所述直流电源的两端的升压电容，其中当确定所述逆变器不存在上桥臂短路故障时，该方法还包括：导通所述逆变器三相中任意的下桥开关管，并根据预定时间段内所采样的所述母线电流判断所导通的下桥开关管是否存在异常故障，该异常故障包括开路故障和/或短路故障。

可选的，该方法还包括：按照预定的第一时序轮流导通所述逆变器三相中的下桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述下桥开关管是否存在所述异常故障。

可选的，在确定所述逆变器三相的下桥开关管均不存在开路故障或短路故障时，该方法还包括：导通所述逆变器三相中任意的上桥开关管，并根据第二预定时间段内所采样的所述电机端子电压判断该所导通的上桥开关管是否存在开路故障。

可选的，该方法还包括：按照预定的第二时序轮流导通所述逆变器三相中的上桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述上桥开关管是否存在开路故障。

通过上述技术方案，在电机装置上电之后，电机控制器过电以自动检测是否存在电机逆变器故障。因在上臂桥任意一相的上桥开关管短路时，其都会导致本应不带电压的电机端子处带上电机端子电压，并且该电压大小与母线电压几乎相等；利用这一特性，本申请通过检测母线电压和电机端子电压，并将二者进行对比，由此能在电机装置上电时就自动地、较可靠地识别出逆变器是否存在上桥臂短路故障。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是相关技术中的一电机驱动系统的电路连接示意图；

图2是本发明一实施例的电机逆变器的故障检测电路的电路连接图；

图3是本发明一实施例的电机逆变器的故障检测电路应用PWM信号执行关于下桥臂故障检测时母线电流的实测图；

图4是本发明一实施例中的电机控制器所应用的自举式高压集成电路的示意图；

图5是本发明一实施例的电机逆变器的故障检测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，其描述了当前一款电机驱动系统的示例，其示出了电机M、直流电源U_dc，和由IGBT开关管G1-G6所组成的桥形逆变器，在驱动电机工作的过程中，电机控制器(图1中未示出)会控制G1-G6的导通或截止，以驱动电机M工作，但是由于逆变器中的开关管在工作的过程中经常处于高频开关状态，导致其极容易产生短路或开路的情况，因此在驱动电机前有必要检测电机逆变器是否存在故障，具体在于检测各个开关管是否存在短路或开路的故障。

如图2所示，本发明一实施例的电机逆变器的故障检测电路，电机控制器MCU通过第一采样单元(其图示为采样支路，包括采样电阻R4和R5)检测PMSM(permanent magnetsynchronous motor,永磁同步电机)的电机端子电压U_arm，并通过第二采样单元(其图示为采样支路，包括采样电阻R2和R3)检测电机的母线电压U_bus，电机控制器MCU根据U_arm和U_bus判断逆变器是否存在上臂桥短路故障，也就是识别G1、G3和G5是否短路。具体的，当为电机整机上电时，电机控制器过电，其首先检测逆变器是否存在故障，在上桥臂所有的开关管(即G1、G3和G5)正常的情况下，其处于截止状态，电机端子电压应为零(即U_arm应为0)，但当G1、G3和G5中任意一者存在短路故障时，由于三相绕组的阻值一般都较小(一般小于10欧姆)，其均会导致电机端子处的电位与电源处基本相同，也就是存在U_bus与U_arm几乎相等的情况。因此，在本发明实施例中提出通过检测U_arm是否为零并将其与U_bus进行对比，提高判断结果的可靠性，并且在U_arm与U_bus基本相等时确定上臂桥中的存在开关管短路故障，此时应当及时采取措施。虽然在图2中所示的电机端子采样电压是在G1-G2所对应的相序处的电机端子，但应当理解的是，将其替换为其他的G3-G4或G5-G6同样也属于本发明的范围内。

作为上述实施例的可替换或可附加的实施方式，可以只占用MCU的一个端口，而不需要使用两个端口，以节约资源。具体的，如图2所示，可以是将MCU的一个端口连接至电压比较器D1，该电压比较器D1的两个输入端分别接上述的第一采样单元和第二采样单元，以将电机端子电压与母线电压引入并进行比较，由此识别逆变器是否存在上臂桥短路故障。需说明的是，当采用比较器进行采集时，母线电压采样的分压比要小于电机端子电压采样的分压比，即当任意一路上桥臂短路时，桥臂实际电压几乎与母线电压一致，此时桥壁分压出来的电压U_arm一定要大于母线电压分压出来的电压U_bus。

在电机型负载中，由于电机的三相绕组电阻一般都较小，所以如果其中一相逆变桥的上桥短路或三相上桥都短路，在任意一个电机端子上体现的电位都是与母线电压几乎相等的，本申请就可以根据此特性只需要在电机控制器一上电以后测量一相的电机端子电压就可以排查三相上桥是否有短路故障。

如图2所示，故障检测电路中还设置有跨接在直流电源U_dc的两端的升压电容C，和用于采样电机的母线电流I_bus的第三采样单元(图示中的第三采样单元包括比较器D2和采样电阻R1)，并且该第三采样单元连接至电机控制器MCU，以将所采样的母线电流信号I_bus传递至电机控制器MCU，电机控制器MCU在确定逆变器不存在上桥臂短路故障的情况下，导通逆变器三相中的任意下桥开关管(G2、G4和G6中的一者)，并根据此后预定时间段内所采样的母线电流判断下桥开关管是否存在异常故障(包括开路故障和/或短路故障)。具体的，在上电之后，跨接在直流电源两端的升压电容充电并很快达到饱和状态，在本实施例中的电机控制器MCU的驱动下导通下桥开关管，若下桥开关管正常，此时势必会引起升压电容C放电以实现新的平衡而引起母线电流的变化，因此通过检测在预定时间段是否有电流变化的体现，如果没有，则证明该驱动操作失效，即该所导通的下桥开关管存在异常故障，并应及时修理故障。

如图3所示，其示出了在应用PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)信号执行关于下桥臂故障检测时母线电流的实测图，由图示不难得出，在下桥开关管正常时，逆变器三相中任意的下桥开关管导通都会引起母线电流(Dc link current)的波动。

优选的，可以是按照预定的第一时序轮流导通逆变器三相中的下桥开关管，以判断逆变器的三相中所有的下桥开关管是否存在异常故障。如图2所示，可以是轮流导通下桥开关管G2、G4和G6，从而判断所有的G2、G4和G6是否存在异常故障。关于开关管的驱动方式，可以是以PWM信号的方式驱动开关管，并实现相应的时序控制。

如图2所示，在确定逆变器三相的下桥开关管均不存在开路故障和短路故障时，导通逆变器三相中任意的上桥开关管，并根据所采样的电机端子电压判断所导通的上桥开关管是否存在开路故障。具体的，在确定上桥臂无短路故障、下桥臂正常的情况下导通上桥开关管G1、G3或G5，此时在电机端子电压处应当会存在电压(且应当与母线电压大致相等)，可以通过检测电机端子电压是否为零来判断上桥开关管是否存在开路故障，并优选地也还可以是判断该电机端子电压是否与母线电压相差不大，以提高故障识别的可靠性。

在一些实施方式中，可以是应用如图4所示的桥臂高压集成电路驱动采集自举方式进行上桥臂压缩建立，从而驱动上桥。

优选的，可以是按照预定的第二时序轮流导通逆变器三相中的上桥开关管，以判断逆变器的三相中所有的上桥开关管是否存在开路故障。如图2所示，可以是轮流导通上桥开关管G1、G3和G5，从而判断所有的G1、G3和G5是否存在开路故障。关于开关管的驱动方式，可以是如上所描述的以PWM信号的方式驱动开关管，并实现相应的时序控制。

在本发明实施例中，通过其中一相电机端子电压采样和母线电信号采样快速可靠地识别桥臂可能出现开路和短路情况，低成本快速易于现在芯片控制单元实现。其中，通过利用电机端子电压采样识别逆变器所有上桥臂是否异常，通过逆变器自举在母线电流产生变化方法识别逆变器下桥臂是否异常。并且，本方案可以直接在原电机驱动系统上作出改进，并且不会占用电机控制器太多资源。

如图5所示，本发明一实施例的电机逆变器的故障检测方法，包括：

S51、采样电机的电机端子电压。

S52、采样电机的三相中任意一相所对应的电机端子电压。

S53、根据母线电压和所述电机端子电压，判断逆变器是否存在上臂桥短路故障。

在一些实施方式中，该电机还配置有跨接所述直流电源的两端的升压电容，其中当确定所述逆变器不存在上桥臂短路故障时，该方法还包括：导通所述逆变器三相中任意的下桥开关管，并根据预定时间段内所采样的所述母线电流判断所导通的下桥开关管是否存在异常故障，该异常故障包括开路故障和/或短路故障。

在一些实施方式中，该方法还包括：按照预定的第一时序轮流导通所述逆变器三相中的下桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述下桥开关管是否存在所述异常故障。

在一些实施方式中，在确定所述逆变器三相的下桥开关管均不存在开路故障或短路故障时，该方法还包括：导通所述逆变器三相中任意的上桥开关管，并根据第二预定时间段内所采样的所述电机端子电压判断该所导通的上桥开关管是否存在开路故障。

在一些实施方式中，该方法还包括：按照预定的第二时序轮流导通所述逆变器三相中的上桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述上桥开关管是否存在开路故障。

本发明实施例的电机逆变器的故障检测方法可以是由电机控制器来实施的，关于该方法实施例的更多的细节和效果可以参照上文电路实施例的描述，在此便不赘述。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims

1.一种电机逆变器的故障检测电路，该电机逆变器连接在直流电源和电机之间，其中该电路包括：

第一采样单元，用于采样所述电机的母线电压；

第二采样单元，用于采样所述电机的三相中任意一相所对应的电机端子电压；

电机控制器，用于根据所述母线电压和所述电机端子电压，判断所述逆变器是否存在上臂桥短路故障。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，该电路还包括：

电压比较器，其连接所述第一采样单元和所述第二采样单元，且用于比较所述电机端子电压和所述母线电压，并生成相应的比较结果；

其中，所述电机控制器连接至所述电压比较器，且用于根据所述比较结果判断所述逆变器是否存在上臂桥短路故障。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电机控制器包括第一端口和第二端口，其中所述第一端口连接所述第一采样单元，以及所述第二端口连接所述第二采样单元。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，该电路还包括：

升压电容，跨接直流电源的两端；

第三采样单元，用于采样所述电机的母线电流；

其中，所述电机控制器用于在确定所述逆变器不存在上桥臂短路故障时，导通所述逆变器三相中任意的下桥开关管，并根据预定时间段内所采样的所述母线电流判断所导通的下桥开关管是否存在异常故障，该异常故障包括开路故障和/或短路故障。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电机控制器用于按照预定的第一时序轮流导通所述逆变器三相中的下桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述下桥开关管是否存在所述异常故障。

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电机控制器还用于在确定所述逆变器三相的下桥开关管均不存在开路故障和短路故障时，导通所述逆变器三相中任意的上桥开关管，并根据所采样的所述电机端子电压判断所导通的上桥开关管是否存在开路故障。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电机控制器用于按照预定的第二时序轮流导通所述逆变器三相中的上桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述上桥开关管是否存在开路故障。

8.一种电机逆变器的故障检测方法，该电机逆变器连接在直流电源和电机之间，其中该方法包括：

采样电机的电机端子电压；

采样所述电机的三相中任意一相所对应的电机端子电压；

根据所述母线电压和所述电机端子电压，判断所述逆变器是否存在上臂桥短路故障。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该电机还配置有跨接所述直流电源的两端的升压电容，其中当确定所述逆变器不存在上桥臂短路故障时，该方法还包括：

导通所述逆变器三相中任意的下桥开关管，并根据预定时间段内所采样的所述母线电流判断所导通的下桥开关管是否存在异常故障，该异常故障包括开路故障和/或短路故障。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

按照预定的第一时序轮流导通所述逆变器三相中的下桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述下桥开关管是否存在所述异常故障。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在确定所述逆变器三相的下桥开关管均不存在开路故障或短路故障时，该方法还包括：

导通所述逆变器三相中任意的上桥开关管，并根据第二预定时间段内所采样的所述电机端子电压判断该所导通的上桥开关管是否存在开路故障。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

按照预定的第二时序轮流导通所述逆变器三相中的上桥开关管，以判断所述逆变器的三相中所有的所述上桥开关管是否存在开路故障。