CN113267726A - 一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置与方法，永磁同步电机故障时，在前一时刻，一相绕组的故障电流经电流互感器一次侧后输入到相位差检测电路中，MCU控制器控制交流电流发生器生成电机正常运行时的无故障电流，并将无故障电流输入到相位差检测电路中，相位差检测电路输出方波信号到MCU控制器中，MCU控制器根据两个方波信号计算出相位差，在当前时刻，MCU控制器根据相位差，控制交流电流发生器调节无故障电流的相位，使无故障电流与故障电流反相，以抵消无故障电流产生的磁场；采用毫安级电流表检测电流互感器二次侧电流，得到故障产生的谐波电流；本发明有效地解决已知大电流对未知小电流的干扰问题，检测精度高，响应速度更快。

Description

一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置与方法

技术领域

本发明涉及电机电流检测技术，具体是对永磁同步电机的故障电流进行在线检测的装置与方法。

背景技术

永磁同步电机与电励磁同步电机相比，具有效率高、功率密度大、结构简单等诸多优点，在电动汽车、农业等诸多领域成为首选电机。但永磁同步电机在运行过程中受各种因素影响，故障还时有发生。目前，基于电机电流信号特征分析的电机故障诊断方法降低了检测成本，可以实现远距离检测，受外界干扰较小。电机故障电流的检测方式通常都是直接对电机的相电流进行采样，然后将采样信号经过处理传送给控制单元，这种电流检测方式的采样电路结构复杂且受采样电阻精度及温度变化等因素影响，采样电流精度也不高。还有用电流钳进行电机故障电流检测，但电流钳价格比较昂贵且只能实现单相线上电流的检测。中国专利号为201721326827.7的文献中提出一种下桥臂电流检测电路，应用于AGV电机驱动器中，对电机的相电流进行检测，解决了桥臂高速开关管产生的开关管噪声对检测信号造成的干扰，但是该方法有明显的缺陷：电路结构复杂，只有在下桥臂开通的时候才有电流流过采样电阻且受PWM斩波影响较大，在PWM信号反转时对采样电阻产生很大干扰，采集电机相电流信息精度不够高。中国专利申请号为201921808084.6的文献提出了一种电机电流检测电路，该电路虽然克服了传统电流钳只能实现单相线上的电流检测的缺点，能够实现多相线电流同时检测，但是利用电阻采样在大电流驱动场合无法适用。

显而易见的1mA的微弱电流只能占到100A的十万分之一，故1mA电流很容易被100A电流给淹没，因此，想要精确检测100.001A的电流十分困难，而在电机故障电流检测中，由于故障会在电机电流中产生较小的谐波电流，而故障电流和谐波电流就呈现出这样的关系，谐波电流常常会被故障电流给淹没，因此对检测精度造成不可避免地影响。现有电机故障电流检测方法均不能有效地解决已知大电流对未知小电流的干扰问题和在大电流场合下因正常工作电流较大，从而造成故障引起的谐波电流被淹没而不能被精确检测到的问题。

发明内容

针对上述电机电流检测电路结构复杂、采样精度不高、应用场合受限、无法在大电流场合下获取高精度检测结果的缺点，本发明提出一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置与方法，在电流较大场合下精确检测到谐波电流。

本发明一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置采用的技术方案是：永磁同步电机的三相绕组连接电机驱动板，其中的一相绕组穿过电流互感器一次侧，并连接相位差检测电路的输入端，相位差检测电路的输出端连接MCU控制器的输入端，MCU控制器的输出端连接交流电流发生器，交流电流发生器的输出端通过连接线分别与电流互感器一次侧以及相位差检测电路相连接，电流互感器的二次侧连接毫安级电流表。

本发明一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置的检测方法采用的技术方案是具有以下步骤：

步骤1)：电机驱动板驱动永磁同步电机运行，永磁同步电机故障时，在前一时刻，一相绕组的故障电流经电流互感器一次侧后输入到相位差检测电路中，MCU控制器控制交流电流发生器生成电机正常运行时的无故障电流，并将无故障电流输入到相位差检测电路中；

步骤2)：相位差检测电路对故障电流和无故障电流进行处理，输出故障电流和无故障电流的方波信号到MCU控制器中，MCU控制器根据两个方波信号计算出故障电流和无故障电流的相位差；

步骤3)：在当前时刻，MCU控制器根据相位差，控制交流电流发生器调节无故障电流的相位，使无故障电流与故障电流反相，以抵消无故障电流产生的磁场；

步骤4)：采用毫安级电流表(7)检测电流互感器(3)二次侧电流，将二次侧电流乘以电流互感器(3)的变比得到故障产生的谐波电流。

本发明与已有方法与技术相比，具有以下优点：

1、本发明采用电流互感器的电磁感应原理，抵消被测故障电流中的正常无故障电流产生的磁场，直接检测故障引起的谐波电流，有效地解决了已知大电流对未知小电流的干扰问题。

2、本发明有效解决了传统电机电流检测方法在大电流场合下因正常工作电流较大，从而造成故障引起的谐波电流被淹没而不能被精确检测到的问题。

3、本发明装置将被测故障电流中的正常的无故障电流产生的磁场抵消后，在电流互感器二次侧可以使用精度更高的毫安级数字化电流表检测，与传统因电流互感器一次侧电流过大，二次侧只能使用安培级指针式电流表检测方法相比，精度要更高。

4、本发明利用单片机检测两个电流的相位差，并以此为依据调节交流电流发生器，使生成的电流与被测故障电流反相。与传统的相位差测量方法相比，该方法检测精度更高，响应速度更快。与基于函数计算相位差的测量方法相比，完全避开了模拟乘法器存在非线性和带宽限制的问题。

5、本发明与传统电机故障电流检测方法相比，结构更加简单，稳定性好，检测过程简化，可操作性强，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置的整体结构图；

图2为图1中交流电流发生器5的硬件连接图；

图3为图1中相位差检测电路6的硬件连接图；

图4为电机故障电流I和利用交流电流发生器5生成的无故障电流I1的效果示意图；

图5为图4中无故障电流I1将电机故障电流I中的磁场抵消后剩下的谐波电流I2的效果示意图；

图6为采用图1所示的检测装置检测电机故障电流的方法流程图。

附图中各个部件的序号和名称：1、电机驱动板，2、永磁同步电机，3、电流互感器，4、MCU控制器，5、交流电流发生器，6、相位差检测电路，7、毫安级电流表，8、数模转换电路，9、调制电路，10、自耦变压器，11、升流变压器，12、反馈电路，13、电流互感器，14、前置处理模块，15、过零检测电路。

具体实施方式

参见图1的本发明一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置，其与永磁同步电机2相连接，包括电机驱动板1、电流互感器3、MCU控制器4、交流电流发生器5、相位差检测电路6以及毫安级电流表7。电机驱动板1与永磁同步电机2相连接，驱动永磁同步电机2运行，永磁同步电机2的A、B、C三相绕组连接电机驱动板1。将其中的一相绕组(图1中仅示出A相)的电流作为永磁同步电机2发生故障时的被测的故障电流I，该相绕组穿过电流互感器3一次侧，并连接相位差检测电路6的输入端，将故障电流I输入到相位差检测电路6中，作为相位差检测电路6的第一个输入。相位差检测电路6的输出端连接MCU控制器4的输入端，MCU控制器4的输出端连接交流电流发生器5。

交流电流发生器5的输出端通过连接线分别与电流互感器3一次侧以及相位差检测电路6相连接。在前一时刻，即k-1时刻，MCU控制器4控制交流电流发生器5生成与电机正常运行时电流同大小、同频率的无故障电流I1，此时的无故障电流I1与故障电流I同相。流过无故障电流I1的连接线穿过电流互感器3一次侧，同时流过该无故障电流I1连接线也连接相位差检测电路6的输入端，无故障电流I1作为相位差检测电路6的第二个输入。在当前时刻，即k时刻，MCU控制器4控制交流电流发生器5调节无故障电流I1的相位，使无故障电流I1与故障电流I反相，此时的无故障电流I1与电机正常运行时的电流同大小、同频率且反相(相位差180°)，与故障电流I反相，用以抵消其产生的磁场。

故障电流I和无故障电流I1是两个正弦波信号，相位差检测电路6将两个正弦波信号转变成故障电流I和无故障电流I1的两个方波信号，两个方波信号输入到MCU控制器4，经MCU控制器4处理后反馈给交流电流发生器5，以调节无故障电流I1的相位，使无故障电流I1与故障电流I反相(相位差180°)。故障电流I和无故障电流I1同时穿过电流互感器3一次侧，根据电磁感应原理，故障电流I中的正常电流产生的磁场被无故障电流I1抵消，此时，仅剩故障产生的谐波电流I2。毫安级电流表7的两个端子分别连接电流互感器3二次侧的两个端子，毫安级电流表7将检测到的电流乘以变比，便得到故障产生的谐波电流I2，将谐波电流I2加上无故障电流I1即可精确的得到电机故障电流I。

参见图2，为图1中交流电流发生器5的结构。该交流电流发生器5由数模转换电路8、调制电路9、自耦变压器10、升流变压器11、反馈电路12和电流互感器13组成。MCU控制器4的输入端连接数模转换电路8的输入端，数模转换电路8的输出端依次串联调制电路9、自耦变压器10和升流变压器11，升流变压器11在当前时刻输出无故障电流I1，同时升流变压器11的输出端依次串联电流互感器13和反馈电路12，反馈电路12的输出端连接调制电路9的输出端。

MCU控制器4实现发生信号的参数(例如信号的大小、频率、相位)控制，生成数字信号，数模转换电路8将MCU控制器4生成的数字信号转换成正弦波交流信号，保证后续电路运行。调制电路9用于将经数模转换电路8转换后得到的正弦波交流信号与反馈电路12输入的波形信号进行调制后输出给自耦变压器10。在升流变压器11的输入侧通过自耦变压器10来控制电流，以达到调节升流变压器11输出电流的目的。电流互感器13采集升流变压器11输出的电流，反馈电路12用于将电流互感器13采集到的升流变压器11电流进行预处理，并发送给调制电路9，用来调整生成的正弦波信号，实现对输出电流的精确控制。

参见图3所示的相位差检测电路6，相位差检测电路6由前置处理模块14和过零检测电路15串联组成。在前一时刻，故障电流I和无故障电流I1作为前置处理模块14的输入信号，通过前置处理模块14对信号进行滤波，滤除干扰，为相位差检测做好准备。过零检测电路15将经过前置处理模块14处理后的故障电流I和无故障电流I1这两个正弦波信号转变成两个方波信号。将为两个方波信号输入到MCU控制器4中，输入到MCU控制器4的两个外部中断口，MCU控制器4将外部中断模式设置为下降沿中断，当检测到两个外部中断的方波信号输入波形都为高电平时，同时打开两个定时器，分别对两个输入进行计时，任意一个输入到下降沿时，其对应计时器关闭且记录相应数值，此处故障电流I对应的计时器数值记为t1，无故障电流I1对应的计时器数值记为t2。比较t1和t2的大小，可以得到两方波信号的波形相位差Δθ。在当前时刻，MCU控制器4根据相位差Δθ来调节交流电流发生器5，使交流电流发生器5生成反相(相位差180°)的电流信号，即反相的无故障电流I1，因此，该反相的无故障电流I1的大小、频率与无故障电流I1相同，相位和故障电流I相反。

参见图4和图5，当电机发生故障时会在电机电流中产生故障谐波电流I2，因此电机故障电流I中包含两个成分的电流信号：即电机无故障电流I1和谐波电流I2。而在对电机故障电流I检测中，谐波电流I2往往会被无故障电流I1给淹没，从而造成电流检测结果的不精确。如图4，本发明利用交流电流发生器5生成无故障电流I1，利用电流互感器3的电磁感应原理将电机故障电流I中的无故障电流I1产生的磁场抵消，此时，剩下的即为故障引起的谐波电流I2，如图5所示。直接对谐波电流I2进行检测并将检测到的结果加上无故障电流I1便可以得到电机故障电流I的精确值，实现对电机故障电流的精确检测。

本发明一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置工作时，在前一时刻，将故障电流I和由MCU控制器4控制交流电流发生器5生成的无故障电流I1通入相位差检测电路6中，相位差检测电路6检测到两个电流的正弦电流信号，将检测到正弦电流信号作为MCU控制器4的输入，在当前时刻，经MCU控制器4处理后控制交流电流发生器5调节生成与故障电流I反相(相位差180°)且与电机无故障电流I1大小、频率相同的电流。将故障电流I和无故障电流I1通入电流互感器3的一次侧，根据电磁感应原理，故障电流I中的无故障电流I1产生的磁场被抵消，在电流互感器3二次侧用毫安级电流表7精确检测故障引起的谐波电流I2，将无故障电流I1和谐波电流I2相加，即可得到精度较高的故障电流I。

参见图1-5和图6所示，本发明对电机故障电流的检测方法如下：

步骤一：电机驱动板1驱动永磁同步电机2运行，此时永磁同步电机2的A、B、C三相分别接入电机驱动板1，且将其中一相(例如A相)电流作为被测的故障电流I，穿过电流互感器3一次侧，在前一时刻，该相绕组的故障电流I电流互感器3一次侧后输入到相位差检测电路6中，作为相位差检测电路6的一个输入。

步骤二：同时，通过被测电机的参数可以知道电机正常运行时的无故障电流I1的大小和频率，将无故障电流I1的大小和频率预先内置在MCU控制器4中，作为输出预设电流的设置指令，MCU控制器4根据所述设置指令生成满足预设电流的数字信号。此时数模转换电路8将MCU控制器4生成的数字信号转换成正弦波交流信号，将生成的正弦波交流信号和反馈电路12输入的波形信号送进调制电路9进行波形调制，将调制后的信号作为自耦变压器10的输入，将自耦变压器10的输出作为升流变压器11的输入，用以控制升流变压器11的输出电流大小。电流互感器13采集升流变压器11的输出电流信号，将采集到的电流信号经过反馈电路12与给定调节电流信号做运算处理，而后反馈给调制电路9与数模转换电路8生成的正弦波交流信号进行波形调制，以调节升流变压器11的最终输出电流，使其趋于稳定。至此，交流电流发生器5已生成与被测电机正常运行时电流同频率、同大小的无故障电流I1，将无故障电流I1输入到相位差检测电路6中。

步骤三：故障电流I和无故障电流I1作为输入信号输入到相位差检测电路6的前置处理模块14中进行滤波，滤除干扰，为相位差检测做好准备。将经过前置处理模块14预处理后的故障电流I和无故障电流I1这两个正弦波信号送入过零检测电路15，经过过零检测电路15后的两个正弦波信号已转变成两个方波信号，将两个方波信号输入到MCU控制器4的两个外部中断口，将外部中断模式设置为下降沿中断，当检测到两个外部中断的输入波形都为高电平时，同时打开两个定时器，分别对两个输入进行计时，任意一个输入到下降沿时，其对应计时器关闭且记录相应数值，此处故障电流I对应的计时器数值记为t1，无故障电流I1对应的计时器数值记为t2。比较t1和t2大小可得出超前滞后问题，根据相位差公式：

计算可以得到故障电流I和无故障电流I1两波形的相位差Δθ。其中，Δθ为相位差，T为波形周期。

在当前时刻，MCU控制器4根据相位差Δθ调节生成预设电流数字信号的预设指令，控制交流电流发生器5调节无故障电流I1的相位，使无故障电流I1与故障电流(I)反相，即控制交流电流发生器5生成与故障电流I反相的无故障电流I1，该反相的无故障电流I1的大小和频率与无故障电流I1相同。当相位差Δθ为正时，无故障电流I1相位滞后故障电流I相位为Δθ；当Δθ为负时，无故障电流I1相位超前故障电流I相位为Δθ。

MCU控制器4根据设置指令生成满足所述要求的预设电流数字信号。根据有效电流正弦计算公式：

对MCU控制器4寄存器中的循环数组指针赋值生成数字信号，式中i为其中一相(A相)有效电流，I_m为电机最大电流，根据电机设计参数得到，w为角频率，根据电机设计参数得到，t为时间，

为初相位。其中，数组指针用于描绘生成的正弦波形，通过定时调用数组指针数据赋值数模转换电路8，从而得到基准的正弦波形。只需要通过改变数组指针的起始位置就可以实现对输出波形初始相位的控制，通过对数组指针之间的时间间隔的修改就可以实现对输出波形频率的修改，通过对数组指针数量的修改就可以实现对移相分辨率的改变。

以3600个数组指针描绘正弦波形为例，由360°/3600＝0.1°可知，该正弦波形的移相分辨率为0.1°，即一个数组指针对波形相位的改变为0.1°。根据正弦计算公式以0-3599这个顺序对3600个数组指针依次赋值，此时生成的正弦波初始相位为0。若生成频率为50Hz的正弦波形，即对应周期为20ms，只需将赋值数据指针的时间间隔设置为

即可，此时第一个数组指针赋值后每隔

后赋值下一个数值指针，将3600个数组指针全部赋值完就可以生成频率为50Hz的正弦波形。

根据相位差Δθ对生成波形预设指令进行调整，可以采取以下方法：当Δθ为正时，交流电流发生器5生成的无故障电流I1相位滞后故障电流I相位为Δθ，此时则可以从第

个数组指针开始赋值，此时赋值顺序为

当Δθ为负时，交流电流发生器5生成的无故障电流I1相位超前故障电流I相位为Δθ，此时则可以从第

个数组指针开始赋值，此时赋值顺序为

通过上述方式，MCU控制器4可以根据预设指令输出频率、大小、相位可调的数字信号，并可以根据实时检测的相位差来调节输出信号，并控制交流电流发生器5生成与电机故障电流I反相的无故障电流I1，以便根据电磁感应原理，抵消故障电流I中无故障电流I1产生的磁场。

本发明中，MCU控制器4根据预设指令生成所需的数字信号，可以实现数字化的相位角和频率的控制，比模拟量控制方式更加精准且抗干扰性更强，满足了高精度的电流输出调节，电流相位的快速精准调节且从源头上保证了输出电流的可靠性和稳定性

步骤四：根据电磁感应原理，故障电流I中的无故障电流I1产生的磁场被抵消，毫安级电流表7的两个端子分别连接电流互感器3二次侧的两个端子，采用毫安级电流表7能精确检测到电流互感器3的二次侧电流I3，将二次侧电流I3乘以电流互感器3的变比m，便等于故障产生的谐波电流I2，即I2＝I3*m。将谐波电流I2加上无故障电流I1即可精确的得到被测电机的故障电流I，即I＝I1+I2。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置，永磁同步电机的三相绕组连接电机驱动板(1)，其特征是：其中的一相绕组穿过电流互感器(3)一次侧，并连接相位差检测电路(6)的输入端，相位差检测电路(6)的输出端连接MCU控制器(4)的输入端，MCU控制器(4)的输出端连接交流电流发生器(5)，交流电流发生器(5)的输出端通过连接线分别与电流互感器(3)一次侧以及相位差检测电路(6)相连接，电流互感器(3)的二次侧连接毫安级电流表(7)。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置，其特征是：所述的交流电流发生器(5)由数模转换电路(8)、调制电路(9)、自耦变压器(10)、升流变压器(11)、反馈电路(12)和电流互感器(13)组成，MCU控制器(4)的输入端连接数模转换电路(8)的输入端，数模转换电路(8)的输出端依次串联调制电路(9)、自耦变压器(10)和升流变压器(11)，升流变压器(11)的输出端依次串联电流互感器(13)和反馈电路(12)，反馈电路(12)的输出端连接调制电路(9)的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置，其特征是：数模转换电路(8)将MCU控制器(4)生成的数字信号转换成正弦波交流信号，调制电路(9)将所述的正弦波交流信号与反馈电路(12)输入的波形信号进行调制后输出给自耦变压器(10)，在升流变压器(11)的输入侧通过自耦变压器(10)控制电流，调节升流变压器(11)的输出电流，电流互感器(13)采集升流变压器(11)的输出电流，反馈电路(12)将电流互感器(13)采集到的升流变压器(11)电流进行预处理并发送给调制电路(9)，调整生成的正弦波信号。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机故障谐波电流检测装置，其特征是：所述的相位差检测电路(6)由前置处理模块(14)和过零检测电路(15)串联组成。

5.一种如权利要求1所述的永磁同步电机故障谐波电流检测装置的检测方法，其特征是具有以下步骤：

步骤1)：电机驱动板(1)驱动永磁同步电机运行，永磁同步电机故障时，在前一时刻，一相绕组的故障电流(I)经电流互感器(3)一次侧后输入到相位差检测电路(6)中，MCU控制器(4)控制交流电流发生器(5)生成电机正常运行时的无故障电流(I1)，并将无故障电流(I1)输入到相位差检测电路(6)中；

步骤2)：相位差检测电路(6)对故障电流(I)和无故障电流(I1)进行处理，输出故障电流(I)和无故障电流(I1)的方波信号到MCU控制器(4)中，MCU控制器(4)根据两个方波信号计算出故障电流(I)和无故障电流(I1)的相位差，

步骤3)：在当前时刻，MCU控制器(4)根据相位差，控制交流电流发生器(5)调节无故障电流(I1)的相位，使无故障电流(I1)与故障电流(I)反相，以抵消无故障电流(I1)产生的磁场；

步骤4)：采用毫安级电流表(7)检测电流互感器(3)二次侧电流，将二次侧电流乘以电流互感器(3)的变比得到故障产生的谐波电流(I2)。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机故障谐波电流检测装置的检测方法，其特征是：步骤3)中，当所述的相位差Δθ为正时，无故障电流(I1)相位滞后故障电流(I)相位为Δθ；当Δθ为负时，无故障电流(I1)相位超前故障电流(I)相位为Δθ。

7.根据权利要求5所述的永磁同步电机故障谐波电流检测装置的检测方法，其特征是：步骤4)中，将谐波电流(I2)加上无故障电流(I1)得到电机的故障电流(I)。

8.根据权利要求5所述的永磁同步电机故障谐波电流检测装置的检测方法，其特征是：步骤2)中，两个方波信号输入到MCU控制器(4)的两个外部中断口，将外部中断模式设置为下降沿中断，当检测到两个外部中断的输入波形都为高电平时，同时打开两个定时器，任意一个输入到下降沿时，其对应计时器关闭且记录相应数值，故障电流(I)对应的计时器数值记为t1，无故障电流(I1)对应的计时器数值记为t2，根据式

计算出相位差Δθ，T为波形周期。

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