CN111987973A - 诊断马达电路中的故障的方法 - Google Patents

Abstract

一种诊断缺相故障状态的方法包括以下步骤：确定马达中的q轴马达电流、马达转速、q轴马达电流需求、以及来自控制器的需求相电压，并且在满足以下条件的情况下，输出指示存在马达的缺相故障状态的信号：(1)q轴电流需求的幅度高于阈值；(2)q轴马达电流低于需求q轴马达电流的第一预定义分数；(3)需求相电压大于马达电路的饱和相电压值的第二预定义分数；以及(4)马达转速低于阈值转速。

Description

诊断马达电路中的故障的方法

技术领域

本发明涉及改进诊断电动马达电路中的故障状态、特别是多相电动马达中的缺相的方法。

背景技术

已知许多类型的电动马达，在机动车辆应用以及其他应用中流行的一个示例是无刷DC同步马达。这种类型的马达通常具有三个相但可以具有三个以上的相，每个相均由通常连接在公共点处的单独绕组形成。取决于在任何时刻施加到每个相的电压，电流可以通过公共点流入或流出每个相。可以通过向每个相施加经脉冲宽度调制的电压波形来驱动每个相。这些波形通常是使用逆变器电路从DC电源(诸如12伏电池)合成的，该逆变器电路针对每个相具有顶部开关和底部开关，这些开关选择性地将相连接到DC电池电源的正极侧或接地侧。这使得可以用与通过将相连接到AC波形所能实现的波形近似的波形来驱动每个相。通常，可以用具有与其余相相同的振幅和周期但是与用于其他相的波形异相120度的正弦波形来驱动三相中的每个相。

为了在使用PWM调制时控制马达，必须测量或以其他方式计算马达转子的位置。这使得可以正确调整待确定的PWM正弦信号的相位。为了最准确地控制马达，已知将需求马达电流与在马达中流动的实际电流或估计电流进行比较，以提供输入到PI控制器的误差信号。控制器输出每个马达相所需的单独电压，以将误差项驱动至零或尽可能接近零。尽管在机动车辆应用中PI控制器是最常用的，但可以提供其他形式的控制器，包括PD控制器和PID控制器。在下文中，术语控制器用于涵盖通过将误差项驱动到最小以提供对马达的精确控制而进行操作的所有类型的控制器。

已知在马达的每个相中或者在除了一个相以外的所有相中提供隔离开关，该隔离开关在正常操作中通常闭合以允许电流在该相中流动，但是在某些故障状态下可以将其断开以防止电流流动。这对于确保当马达处于发电模式时不会在电流可以流过的马达相周围形成闭环是有用的，因为这种闭环可能会产生制动转矩，从而使马达无法自由旋转。在诸如马达施加辅助转矩的电动动力转向的应用中，马达在故障状态下生成制动转矩可能很危险，因为这可能会使驾驶员难以转动方向盘。

固态开关最适合在逆变器和这些附加的常闭隔离开关中使用，因为它们由于没有活动部件而非常可靠、可以快速断开并应对相对较高的电流而不会造成损坏。然而，它们可能会在断开状态下失效。当在马达应该正常运行的时候发生这种情况时，则认为马达相存在缺相状态的故障。没有电流可以流过缺相，并且因此，由于其余无故障相中的电流不平衡，马达通常会振动。

因此，期望在发生缺相故障时检测到这种情况。然后，马达可以在故障模式下运行，并且可以标记故障以进行调查。缺相状态的检测可以使用一种诊断技术来实现，在该技术中，周期性地获取流经某一相的马达电流的样本，并且在这些样本示出没有电流流过多个连续样本的情况下可以标记故障，因为这表明没有电流在流动。必须获取多个样本，因为在正常运行时，任何一个样本都可能意外地与在相中流动的正弦电流波形的过零时间一致。

申请人已经认识到，这种简单的故障诊断方法在一些情况下可能会产生错误结果，特别是当马达以低速和低转矩旋转时。在这种情况下，施加到马达的每个相的PWM波形将具有相对较低的频率，并且当电流接近过零点时可能会获取大量样本。这将导致所获取的样本将全部示出为零或接近于零的电流，从而表明存在缺相，但这是不正确的。

发明内容

本发明的目的是提供一种诊断多相马达中的缺相故障状态的鲁棒方法。

根据第一方面，本发明提供了一种诊断马达电路中的马达缺相故障状态的方法，所述马达电路包括：电动马达；逆变桥，所述逆变桥将经脉冲宽度调制的正弦电流波形施加到每个相；以及控制器，所述控制器接收取决于所述马达需求的电流Idq与流入所述马达的实际电流idq之间的差的误差信号作为输入，并针对所述马达的每个相输出馈送到所述逆变器的电压需求信号，其中，所述方法包括：确定所述马达中的q轴马达电流、马达转速、q轴马达电流需求、以及来自所述控制器的需求相电压，并且在满足以下条件的情况下，输出指示存在马达缺相故障状态的信号：

-所述q轴电流需求的幅度高于阈值，

-所述q轴马达电流低于所述需求q轴马达电流的第一预定义分数

-所述需求相电压大于所述马达电路的饱和相电压值的第二预定义分数；以及

-所述马达转速低于阈值转速。

需求相电压可以计算为：

其中，Vd是d轴电流控制器的输出电压，并且Vq是q轴电流控制器的输出。Vdq同时是一个相的需求。

申请人已经认识到，与现有技术方法相比，对这些条件的监测提供了一种更鲁棒的检测缺相的方法。在低速下，控制器应该能够很好地跟踪q轴电流，从而从控制器到逆变器需要很小的电压需求，但是当存在缺相时，误差会增大并且电压需求将饱和，因为通常需要全电压以试图减小误差。本发明的方法使得能够可靠地检测在零速和接近零速下的故障以及电流。

所述方法可以识别出一个相存在缺相故障状态，但是在不对信号进行进一步处理的情况下无法确定哪个相存在故障。对于许多马达电路，识别出存在故障而无需知道哪个相处于故障就足够了。在大多数应用中，重要的是要快速检测故障，而不是精确地知道故障的位置以及更长的检测时间。

电流需求的阈值可以通过调整来设置，因为其会根据所应用的马达电路而变化。

第一预定义分数可以不同于第二预定义分数，或者可以相同。

优选地，第一预定义分数是3/4，并且第二预定义分数是9/10。

第二预定义分数可以是10/10，因此电压必须完全饱和才能满足条件。

所述方法可以包括通过在马达运行时周期性地(例如，以规则的时间间隔)捕获所需的被测变量的样本来获得这些被测变量(q轴电流等)。采样是指接收与设定时刻相对应的值，或者可以外推到提供与设定时刻相对应的值。这些可以是数字化的值。

用于检查是否满足条件的不同被测变量可以在同一时刻获得，或者通过外推法可以与同一时刻相对应，以便每次获得d轴电流样本时都对相应的马达转子位置、d轴误差项和马达转速进行采样以形成样本集。

每次所捕获的样本集满足所述条件时，计数器可以递增，直到获得不满足所述条件的所捕获样本集，由此将所述计数器复位，所述方法在所述计数器达到与预定义数量的连续样本相对应的阈值时指示故障状态，否则不指示故障。

通过要求捕获多个样本集并检查是否满足条件，与基于一个样本集指示缺相故障的方法相比，本发明的方法将更加鲁棒。

所述方法可以包括：如果当计数达到至少两次或更多次采样次数并且优选地达到12次采样时满足条件，则输出指示缺相故障的信号。

所述方法可以进一步包括仅当马达转速低于阈值转速时满足以上条件时才输出指示马达的相的缺相故障状态的信号，并且在马达转速高于阈值转速的情况下，所述方法可以在满足一组不同的条件时输出指示相的缺相故障状态的信号。

因此，所述方法可以进一步包括：在马达转速高于阈值转速时，对马达q轴电流进行采样，并在马达q轴电流样本的值对于预定义数量的连续样本为零时指示缺相故障状态，其中，所述预定义数量至少为二，并且优选地是4个或更多个样本，并且其中，所需求的q轴电流高于阈值非零需求电流。

在对所述方法的进一步增强中，所述方法可以进一步包括对d轴电流误差进行采样。所述d轴电流误差是指马达相中的实际d轴电流与需求d轴电流之间的差。由于控制器的作用，该误差通常很小，但是当开关出现故障时，该误差可能会变大。使用此方法，可以在低速下进行另一组替代条件的测试，其中，在满足以下条件的情况下指示存在相的缺相故障：

-在预定义数量的连续样本上的平均d轴电流误差高于阈值，

-相电流为零，并且

转子位置在与过零点相对应的特定范围之外。

使用上述方法并通过对各个相的d轴电流和q轴电流进行采样，可以识别出哪个相有故障。

根据第二方面，本发明提供了组合电动马达电路和与所述电动马达电路结合使用的电动马达诊断电路，其中，所述电动马达电路包括：电动马达；逆变桥，所述逆变桥将经脉冲宽度调制的正弦电流波形施加到每个相；以及控制器，所述控制器接收取决于所述马达需求的电流Idq与流入所述马达的实际电流idq之间的差的误差信号作为输入，并针对所述马达的每个相输出馈送到所述逆变器的电压需求信号，

并且其中，所述马达诊断电路包括信号处理器、存储器和一组编程指令，所述指令当在所述信号处理器上执行时，使所述处理器执行本发明的第一方面所述的方法。

信号处理器可以接收模型所使用的所需被测变量的样本。马达电路可以包括测量马达中的电流的电流测量电路，或者包括无需直接测量即可确定电流的电流估计器。可以提供位置传感器作为马达电路的一部分，并且可以由电流测量电路使用。

附图说明

现在将仅通过示例的方式，参照附图并如附图所展示地描述本发明的一个实施例，在附图中：

图1是结合有马达诊断电路的示例性马达电路的关键部件的框图；

图2是图1的电路的示例马达的视图；

图3是连接到马达相的马达逆变器的视图，并示出了每个相中的隔离开关；

图4是零相电流马达诊断电路的功能部分的详细视图；

图5示出了马达诊断电路的高速模式的操作区；

图6示出了马达诊断电路的低速模式的操作区；

图7是在高速模式下由诊断电路执行的步骤的流程图；以及

图8是在低速模式下由诊断电路执行的步骤的流程图。

图9是在零速模式下由诊断电路执行的步骤的流程图；以及

图10示出了马达诊断电路的低速模式的操作区。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一方面的结合有马达诊断电路2的马达电路1的示例性实施例。

马达电路1包括无刷DC三相电动同步马达3。图2中示出了这种马达3的一个示例。例如，马达3可以包括三相绕线定子元件4和转子5，转子中例如具有六个嵌入的磁体，在这种情况下，磁体被布置成提供六个极，这些极绕转子在南北极之间交替。因此，转子限定绕转子均匀间隔开的三个直轴或d轴以及在d轴之间互相间隔的三个正交轴或q轴。d轴与磁体的磁极对齐，其中来自转子的磁通线在径向方向上，并且q轴在d轴之间隔开，其中来自转子的磁通线在切线方向上。通常，与q轴对齐的电流会生成马达转矩，而与d轴对齐的电流则不会。

定子具有六个极，这些极缠绕成三对，每对定义相a、b和c的三个马达定子绕组之一。这些相连接成星形网络。

相绕组的自由端连接到形成马达电路1的开关级的逆变桥6。这在图3中示出。逆变器6的每个臂7、8和9包括一对开关：Ta，Ba；Tb，Bb和Tc，Bc，这些开关呈串联连接在电池供电轨+V和地线Ov之间的顶部晶体管和底部晶体管的形式。马达绕组各自从一对互补的相应晶体管之间分接出。晶体管响应于来自PI控制器的输出电压需求信号Vdq而以受控的方式导通和关断。这通常是dq电压需求。电压转换器块11将从电流控制器输出的d-q需求电压转换成静态参考系中的三个电压需求分量Va、Vb、Vc，马达的每个相a、b或c一个电压需求分量。然后通过驱动电路12将这些单独的相需求电压转换为合适的PWM信号，这些信号通过开关的PWM被提供给开关马达相。一系列PWM开关策略在本领域中是已知的，因此这里将不再详细描述。开关布置是公知的，并且在如EP 1083650A2的文件中进行了描述。

该示例中的马达控制器10是常规的PI控制器。在控制器的输入端施加误差信号e，该误差信号是通过将需求dq马达电流Idq与流过马达的实际电流iDQ进行比较而形成的。PI控制器10的主要功能是将误差项e驱动为低值或理想地驱动为零值。

在该示例中，通过将马达转矩需求信号馈送到块13中来生成dq电流需求，该块计算用于马达3生成需求转矩所需的适当电流需求Idq。这将取决于马达参数和逆变器可用的电压。

马达电路1还在马达3的每个相中包括隔离开关14、15、16，在该示例中，该隔离开关位于逆变器6与马达绕组之间。每个开关14、15、16包括固态开关，该固态开关通常是闭合的，以允许电流流过开关和马达相。每当认为有必要隔离马达相时，可以在安全管理器(未示出)的控制下断开开关14、15、16。通常，如果检测到逆变器故障，则将执行此操作，这可以防止不必要的电流流过马达。

尽管是可靠的，但是隔离开关14、15、16可能在断开状态下失效，从而阻止电流流过马达3，这将限制或完全阻止马达3提供所需的转矩。申请人已经认识到，实际上，当发生一相的缺相故障状态时，马达3最终将停转，并且马达可能会振动，而与需求马达转速无关。这是因为PI控制器10的操作方式在故障状态下无法满足电流需求，但d轴电压优先且饱和，从而使q轴电压很小并根据d轴电压误差而振荡。

在本发明范围内的方法可以在一定范围的运行条件下识别缺相故障。

为了检测缺相故障状态，提供了马达诊断电路2。这在图4中更详细地示出，并且包括信号处理器14、存储器15、存储在存储器中以供信号处理装置执行的一组程序指令16、以及计数器17。每当马达电路1工作时就执行所存储的指令，从而不断地诊断马达电路1。信号处理器14在一组输入端子15处接收以下被测变量的样本集：

-马达中的q轴马达电流iq；

-马达转速；

-q轴马达电流需求，以及

-来自控制器的需求相电压Vdq。

可以在基本上相同的时刻捕获这些被测变量的每个样本集，并且可以以规则的时间间隔获得这些样本集。在该示例中，每隔几毫秒捕获一次，因此将产生与一系列时刻相对应的样本集。

马达诊断电路在两种不连续模式下操作。在高马达转速下使用第一模式，并且在低马达转速下使用第二模式。选择每种模式是因为其分别在高速和低速下具有优势。诊断电路响应于马达转速的值而在这些模式之间切换。在该示例中，从低速模式到高速模式的转变在300rpm时发生，但其他马达设计将是不同的。其是根据电路的马达驱动级使用的PWM周期设置的。

下面解释在这两种模式中的每一种模式下马达诊断电路的操作方法。

高速模式

在高速模式下，诊断电路确定马达电流高于阈值(在这种情况下为10安培)，在这种情况下，如果q轴电流需求高于阈值并且平均q轴电流高于阈值，而且如果取4个样本的平均值都满足这些条件，则标记为存在开路故障状态。图5示出了高速模式的操作区。

高速模式下执行的步骤如图7所示。最初，将计数器设置为零，并且在时间t＝0处，捕获每个被测变量的样本集。然后对这些样本进行处理，以查看是否满足条件。如果满足条件，则计数器递增1。然后检查计数器的值，并且如果其超过等于值4的阈值，则指示存在缺相故障。如果不满足条件，则计数器将重置为0。然后，所述方法循环返回以在时间t＝1处获取下一个样本集，依此类推，因为样本集被周期性地捕获。

低速模式

在低速下，会进行两种不同的测试，一种是针对极低速的情况，这里称为零速模式，而另一种是针对低速但通常较高的转速。低速模式的操作区在图6中示出，并且零速模式的操作区在图10中示出。技术人员将理解，所示的转速阈值仅是示例性的，并且取决于马达电路设计可以使用其他限制。

在零速模式下，如果满足以下所有条件，则输出指示存在马达缺相故障状态的信号：

-q轴电流需求高于阈值，

-q轴马达电流低于需求q轴马达电流的第一预定义分数

-需求相电压小于马达电路的饱和相电压值的第二预定义分数；以及

-马达转速低于阈值转速，在该示例中阈值转速为300rpm。

在该示例中，电流需求的阈值与高速模式的阈值相同(例如10安培)，第一预定义阈值设置为0.75，并且第二预定义阈值设置为0.9。饱和相电压将被实时确定(例如，每200微秒)，并且将取决于逆变器可用的电池电压。

图10示出了零速模式的操作区。

零速模式下执行的步骤如图9所示。最初，将计数器设置为零，并且在时间t＝0处，捕获每个被测变量的样本集。然后对这些样本进行处理，以查看是否满足低速模式条件。如果满足条件，则计数器递增1。然后检查计数器的值，并且如果其超过等于值12的阈值，则指示存在缺相故障。如果不满足条件，则计数器将重置为0。然后，所述方法循环返回以在时间t＝1处获取下一个样本集，依此类推，因为样本集被周期性地捕获。与高速模式下相比，在低速模式下要获取的样本更多，因为在极低速下，相电流行进从-1A…1A的范围可能需要许多毫秒，因此需要更多的样本。在高速下，毫秒数会大大减少。例如：在60rpm下，电流从-1A到1A需要8ms。

上述零速模式即使在零马达转速下(正如马达卡住并振荡时可能发生的)也能有效工作。然而，当为零速时，其无法识别哪个相有故障。

为了确定哪个相卡在低速但非零的转速上，所述方法可以另外检查是否满足以下条件：

-最近12个样本的平均d轴电流误差高于阈值，

相电流为零，并且

转子位置在与过零点相对应的特定范围之外。

可以针对每个相执行该检查，以使得能够识别具有缺相故障状态的特定相。这在附图的图7中示出。低速的操作区在图6中示出，并且在本示例中达到400rpm。

实际上，所述方法将不断测试以查看是否满足零速条件和低速(非零电流需求)条件。根据故障的时间和性质，零速测试可能会在低速测试之前标记故障，或相反。

Claims (5)

1.一种诊断马达电路中的马达缺相故障状态的方法，所述马达电路包括：电动马达；逆变桥，所述逆变桥将经脉冲宽度调制的正弦电流波形施加到每个相；以及控制器，所述控制器接收取决于所述马达需求的电流Idq与流入所述马达的实际电流idq之间的差的误差信号作为输入，并针对所述马达的每个相输出馈送到所述逆变器的电压需求信号，其中，所述方法包括：确定所述马达中的q轴马达电流、马达转速、q轴马达电流需求、以及来自所述控制器的需求相电压，并且在满足以下条件的情况下，输出指示存在马达缺相故障状态的信号：

-所述q轴电流需求的幅度高于阈值，

-所述q轴马达电流低于所述需求q轴马达电流的第一预定义分数，

-所述需求相电压大于所述马达电路的饱和相电压值的第二预定义分数，并且

-所述马达转速低于阈值转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，周期性地采样所述马达中的q轴马达电流、所述马达转速、所述q轴马达电流需求、以及来自所述控制器的需求相电压中的每一个以形成样本集，并且其中，每次所捕获的样本集满足所述条件时，计数器递增，直到获得不满足所述条件的所捕获样本集，由此将所述计数器复位，所述方法在所述计数器达到与预定义数量的连续样本相对应的阈值时指示故障状态，否则不指示故障。

3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述方法可以进一步包括周期性地采样所述马达q轴电流，并且在满足以下条件的情况下，输出指示存在马达缺相故障状态的信号：

-对于预定义数量的连续样本，所述马达q轴电流样本的值为零，其中，所述预定义数量至少为二；并且

-其中，所需求的q轴电流高于与那些样本相对应的阈值非零需求电流。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法进一步包括对平均d轴电流误差进行采样，并且在满足以下条件的情况下，输出指示存在马达缺相故障状态的信号：

-在预定义数量的连续样本上的平均d轴电流误差高于阈值，

-相电流为零，并且

转子位置在与过零点相对应的特定范围之外。

5.一种组合电动马达电路和与所述电动马达电路结合使用的马达诊断电路，其中，所述电动马达电路包括：电动马达；逆变桥，所述逆变桥将经脉冲宽度调制的正弦电流波形施加到每个相；以及控制器，所述控制器接收取决于所述马达需求的电流Idq与流入所述马达的实际电流idq之间的差的误差信号作为输入，并针对所述马达的每个相输出馈送到所述逆变器的电压需求信号，

并且其中，所述马达诊断电路包括信号处理器、存储器和一组编程指令，所述指令当在所述信号处理器上执行时，使所述处理器执行权利要求1至4中任一项所述的方法。

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