CN112100945B - 对地短路检测方法、电机控制器及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种对地短路检测方法、电机控制器及计算机可读存储介质，所述方法包括：实时获取所述电机控制器的母线电压和三相输出电流，在固定的载频条件下，根据所述母线电压和三相输出电流获取故障阈值表达式及对应的故障阈值；判断所述三相输出电流之和与所述故障阈值之间是否满足预设条件，并在满足预设条件时，确认所述电机控制器与电机之间存在单相对地短路。本发明实施例通过电机控制器的实时运行参数获得动态的故障阈值，并以该故障阈值作为判断是否发生单相相对机壳短路故障的依据，能够根据母线电压和三相输出电流进行动态调整故障阈值，大幅度降低了误报和漏报现象，提高了对电机相对机壳短路检测的精准度。

Description

对地短路检测方法、电机控制器及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，更具体地说，涉及一种对地短路检测方法、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
随着社会的快速发展，电机越来越广泛地应用新能源电动汽车上，但是电机三相线缆发生破损、电机绝缘异常的现象时有发生，而一旦在运行中出现上述现象，容易因电机控制发散而导致整车抖动，甚至出现非预期加速力的现象，给司机和乘客带来极其不好的体验。
为减少上述电机绝缘异常造成的影响，需对电机三相线缆进行绝缘检测，以便及时排除故障。现有的电机三相线缆相对机壳短路的自检方案，主要包括三相电流的不平衡法和Y电容电压采样法。
三相电流不平衡法，主要根据电机三相电流之和进行识别，在电机发生相对机壳短路时，由于漏电流的存在会导致三相电流之和不为零。而在未发生短路现象时，根据基尔霍夫定律可知，电机三相电流之和为零。因此可以通过将三相电流之和与设定的故障阈值进行比较，来判断电机是否发生相对机壳短路现象。然而，在该方案中，由于三相电流不平衡法通过固定的故障阈值识别相对机壳短路时，其精度依赖电流采样链路精度和当前电池电压余量，所以只有当电流采样链路载频较高和电池电压较大时，才能够准确采集到电机对机壳短地的三相电流，而在低载频和低母线电压下很难准确采集到电机对机壳短地电流，出现误报或者漏报的现象。
Y电容电压采样法，通过实时采集Y电容电压这一特征量进行检测，在发生电机三相线缆相对机壳短路时，Y电容的端电压会发生波动，根据该波动量可设计保护阈值对相对机壳短路进行识别。然而，该方案中，一般需要额外的Y电容电压采样电路，并且需要重新布板，占用印制电路板的体积大，给电机控制器带来了较大的成本压力。
发明内容
本发明实施例针对上述用于检测电机对机壳短路的三相电流不平衡方案中检测精度不稳定、Y电容方案元器件较多、成本较高的问题，提供一种对地短路检测方法、电机控制器及计算机可读存储介质。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种对地短路检测方法，所述方法由电机控制器执行，且所述方法包括：
实时获取所述电机控制器的母线电压和三相输出电流，在固定的载频条件下，根据所述母线电压和三相输出电流获取故障阈值表达式及对应的故障阈值；
判断三相输出电流之和与所述故障阈值之间是否满足预设条件，并在满足预设条件时，确认所述电机控制器与电机之间存在单相对地短路。
优选地，所述故障阈值表达式由不同母线电压和不同三相输出电流下的不平衡曲线拟合生成。
优选地，所述故障阈值表达式由调整后的母线电压与三相输出电流有效值之和所确定，所述三相输出电流的有效值由预设比较值和调整后的所述三相输出电流比较并确定。
优选地，所述故障阈值表达式包括第一系数和第二系数，其中所述第一系数与所述母线电压相关，所述第二系数与所述三相输出电流相关，且所述第一系数和第二系数由不同母线电压和不同三相输出电流下的不平衡曲线拟合生成。
优选地，所述故障阈值表达式为：
所述为故障阈值，/>为母线电压，M为预设比较值，/>为输出电流有效值，max|{,}|为取最大值运算。
优选地，所述判断所述三相输出电流之和与所述故障阈值之间是否满足预设条件，包括：
在所述三相输出电流之和大于所述故障阈值时累积计数，若计数值大于或等于预设值，确认满足预设条件。
优选地，对所述三相输出电流之和与所述故障阈值的比较操作的时间间隔小于0.5ms。
优选地，所述方法还包括：启动计时器，在所述计时器计时达到预设时长时，若计数值大于或等于预设值，确认满足预设条件，其中，所述预设值不小于20，所述预设时长不小于所述时间间隔的100倍。
本发明实施例还提供一种电机控制器，包括存储器和处理器，且所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述对地短路检测方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述对地短路检测方法的步骤。
本发明实施例的对地短路检测方法、电机控制器及计算机可读存储介质，通过电机控制器的实时运行参数获得动态的故障阈值，并以该故障阈值作为判断是否发生单相相对机壳短路故障的依据，能够根据母线电压和三相输出电流进行动态调整故障阈值，大幅度降低了误报和漏报现象，提高了对电机相对机壳短路检测的精准度。
附图说明
图1是电机发生单相相对机壳短路的等效拓扑示意图；
图2是本发明实施例提供的对地短路检测方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的对地短路检测方法中获取故障阈值的流程示意图；
图4是不同母线电压、不同输出电流下三相不平衡度曲线的示意图；
图5是本发明实施例提供的对地短路检测方法中判断三相输出电流之和与故障阈值之间是否满足预设条件的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的电机控制器的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
当电机发生单相相对机壳短路时，短路系统可以简化为如图1所示的RLC振荡电路。对于短地时的振荡电流，由图1可知，电阻uR越大，振荡电流衰减速度越快；电感uL越小，振荡电流衰减速度越快，与Y电容大小无关。而当振荡电流经过霍尔元件、采样调理电路后，会存在幅值衰减和相位滞后现象。并且，振荡电流还需要经过微处理单元（MicroController Unit，MCU）的模拟量输入端口（AD）采样(其采样频率须大于逆变单元的功率开关管的开关频率的2倍)，也会存在一定程度的延时，即振荡电流同样会受到开关频率的影响。
并且，在现有的电机控制器中，上述振荡电流能够满足采样回路电流的最大误差（即电流采样链路精度）的公式如下：
（1）
上述I0为电机输入电流的有效值。
根据以上分析，当电机发生单相对地短路时刻，其振荡电流满足以下表达式：
（2）
其中，为三相电流不平衡度，/>为电机控制器的直流母线电压、/>为Y电容的电容值、/>为逆变单元中功率开关管的开关频率，即影响三相电流不平衡度/>的变量有母线电压/>、Y电容的电容值/>、功率开关管的开关频率/>、电流采样链路精度/>，其中误差占比较大的是母线电压/>和电流采样链路精度/>。
本发明基于上述三相电流不平衡度主要与母线电压/>和电流采样链路精度相关的特点，实时获取故障阈值，并基于该故障阈值来判断电机控制器与电机之间是否存在单相对地短路。
如图2所示，是本发明实施例提供的对地短路检测方法的流程示意图，该对地短路检测方法可应用于电机控制器，并可检测电机三相输入线缆是否发生单相对地短路故障。具体地，本实施的对地短路检测方法可由电机控制器执行，且该方法包括：
步骤S21：实时获取电机控制器的母线电压和三相输出电流，并在固定的载频条件下（例如逆变单元的功率开关管的开关频率为10kHz时），根据母线电压和三相输出电流获取故障阈值表达式及对应的故障阈值。
上述电机控制器的母线电压可通过连接于直流母线的分压电阻及电压采样电路等实时采样获得。三相输出电流则可通过霍尔元件及电流采样电路等实时采样获得。并且根据计算式（2）可知，影响三相电流不平衡度的变量有母线电压/>、Y电容的电容值/>、功率开关管的开关频率/>、电流采样链路精度/>，且对于一个特定的电机控制器，Y电容的电容值/>、功率开关管的开关频率/>是固定值，因此Y电容的电容值/>、功率开关管的开关频率/>可视为常量。
在本发明的一个实施例中，上述故障阈值表达式可提前生成，并存储在系统中，从而在获得某一时候的故障阈值时，只需将实施采样的数据代入到该故障阈值表达式即可。
基于以上计算式（2），上述故障阈值表达式可由不同母线电压和不同三相输出电流下的不平衡曲线图拟合生成。即先通过实验得到不同母线电压和不同输出电流有效值下的不平衡度曲线，然后根据上述不平衡度曲线拟合生成与母线电压、输出电流有效值相关的故障阈值表达式。
具体地，由于上述故障阈值与电流采样链路精度相关，且根据以上计算式（1），电流采样链路精度与电流有效值直接相关，因此在本发明的一个实施例中，上述获得故障阈值具体可包括：
S211：根据电机控制器当前的三相输出电流（即采样获取的）转换为当前的输出电流有效值。将三相电流转换为电流有效值的过程属于本领域的习知技术，在此不再赘述。
S212：将当前的母线电压和输出电流有效值代入到故障阈值表达式，计算获得当前的故障阈值，该故障阈值表达式与母线电压、输出电流有效值相关。
例如图4所示，为逆变单元的功率开关管的开关频率为10kHz时不同母线电压和不同输出电流有效值下的不平衡度曲线（横坐标为输出电流有效值，纵坐标为不平衡度），根据上述曲线，可拟合功率开关管的开关频率为10kHz下的用于判断三相电流是否出现单相故障的故障阈值表达式。曲线拟合生成表达式的方案属于现有技术，在此不再赘述。
上述故障阈值表达式具体包括第一系数和第二系数，其中第一系数与母线电压相关，第二系数与三相输出电流相关。即第一系数是根据实测数据拟合的母线电压系数，第二系数是在电流采样链路精度基础上放大裕量得到的系数。
例如，故障阈值表达式可以为：
（3）
其中为故障阈值，/>为母线电压，M为预设比较值（具体可根据经验提前设置，在运行过程中该值不变），/>为输出电流有效值，max|{,}|为取最大值运算。
步骤S22：判断三相输出电流之和（数值和）与步骤S21中获取的故障阈值之间是否满足预设条件，并在满足预设条件时，执行步骤S23，否则返回步骤S21（即确认电机控制器与电机之间的三相电流正常，不存在单相对地短路），以进行下一时刻的采样和判断。
步骤S23：确认电机控制器与电机之间存在单相对地短路。在确认存在单相对地短路后，可上报相对机壳短路故障，例如向上位机发送消息、输出故障代码或发出声光报警等。
上述对地短路检测方法，通过电机控制器的实时运行参数获得不同故障阈值，并以该故障阈值作为判断是否发生单相相对机壳短路故障的依据，提高了对电机相对机壳短路检测的精准度。并且，上述对地短路检测方法无需增加硬件成本，且实验结果显示无漏报和误报现象发生。
在本发明的另一实施例中，上述步骤S22可通过下方式判断三相输出电流之和与故障阈值之间是否满足预设条件：
步骤S221：启动计时器，同时使计数器清零。
步骤S222：在三相输出电流之和大于故障阈值时计数一次。该步骤可根据逆变单元的功率开关管的开关频率执行，例如当功率开关管的脉冲宽度信号的载频为10kHz时，每隔0.1ms执行一次。
在实际应用中，也可适当增加上述时间间隔，例如可使对所述三相输出电流之和与故障阈值的比较操作的时间间隔为脉冲宽度信号的载频的整数倍，例如5ms。上述时间间隔越小，故障判断的响应速度越快。
步骤S223：判断计时器的计时时间是否达到预设时长，达到预设时长，则执行步骤S224，否则返回步骤S222。
步骤S224：判断计数器的计数值是否大于或等于预设值，若计数器的计数值大于或等于预设值，则执行步骤S225，否则返回步骤S221，进行下一周期的故障判断。
步骤S225：确认满足预设条件，即电机三相线缆发生单相与机壳发生短接故障。
为提高判断准确性，上述步骤S224中的预设值不小于20，而步骤S223中的预设时长可不小于进行三相输出电流之和与故障阈值的比较操作的时间间隔的100倍。
本发明实施例还提供一种电机控制器6，如图6所示，该电机控制器6包括存储器61和处理器62，存储器61中存储有可在处理器62执行的计算机程序，且处理器62执行计算机程序时实现如上所述对地短路检测方法的步骤。
本实施例中的电机控制器6与上述图1-5对应实施例中的对地短路检测方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本电机控制器实施例中均对应适用，这里不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述对地短路检测方法的步骤。
本实施例中的计算机可读存储介质与上述图1-5对应实施例中的对地短路检测方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理器中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的对地短路检测方法及电机控制器，可以通过其它的方式实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理器中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或界面切换设备、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对地短路检测方法，其特征在于，所述方法由电机控制器执行，且所述方法包括：
实时获取所述电机控制器的母线电压和三相输出电流，在固定的载频条件下，根据所述母线电压和三相输出电流获取故障阈值表达式及对应的故障阈值；
判断三相输出电流之和与所述故障阈值之间是否满足预设条件，并在满足预设条件时，确认所述电机控制器与电机之间存在单相对地短路。
2.根据权利要求1所述的对地短路检测方法，其特征在于，所述故障阈值表达式由不同母线电压和不同三相输出电流下的不平衡曲线拟合生成。
3.根据权利要求1所述的对地短路检测方法，其特征在于，所述故障阈值表达式由调整后的母线电压与三相输出电流有效值之和所确定，所述三相输出电流的有效值由预设比较值和调整后的所述三相输出电流比较并确定。
4.根据权利要求3所述的对地短路检测方法，其特征在于，所述故障阈值表达式包括第一系数和第二系数，其中所述第一系数与所述母线电压相关，所述第二系数与所述三相输出电流相关，且所述第一系数和第二系数由不同母线电压和不同三相输出电流下的不平衡曲线拟合生成。
5.根据权利要求4所述的对地短路检测方法，其特征在于，所述故障阈值表达式为：
所述为故障阈值，/>为母线电压，M为预设比较值，/>为输出电流有效值，max|{,}|为取最大值运算。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的对地短路检测方法，其特征在于，所述判断三相输出电流之和与所述故障阈值之间是否满足预设条件，包括：
在所述三相输出电流之和大于所述故障阈值时累积计数，若计数值大于或等于预设值，确认满足预设条件。
7.根据权利要求6所述的对地短路检测方法，其特征在于，对所述三相输出电流之和与所述故障阈值的比较操作的时间间隔小于0.5ms。
8.根据权利要求7所述的对地短路检测方法，其特征在于，所述方法还包括：启动计时器，在所述计时器计时达到预设时长时，若计数值大于或等于预设值，确认满足预设条件，其中，所述预设值不小于20，所述预设时长不小于所述时间间隔的100倍。
9.一种电机控制器，其特征在于，包括存储器和处理器，且所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一项所述对地短路检测方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述对地短路检测方法的步骤。
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