CN115298954A - 逆变器-电机组件的功能障碍识别方法 - Google Patents

逆变器-电机组件的功能障碍识别方法 Download PDF

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Abstract

逆变器‑多相电机组件的功能障碍识别方法，包括多个顺序诊断过程，每个顺序诊断过程包括以下步骤：‑逆变器（2）的初始配置步骤；‑相开关（7）的初始配置步骤；‑相（u、v、w）偏置步骤；‑电压测量步骤，其中测量每个相（u、v、w）的电压；‑比较步骤，其中将每个相（u、v、w）的电压测量值与预期结果值进行比较；‑功能障碍识别步骤，当一个相的电压测量值不同于预期结果值时识别出功能障碍。

Description

逆变器-电机组件的功能障碍识别方法
技术领域
本发明涉及与逆变器一起操作的多相电机的操控和监控领域。
许多应用使用具有多个相的电机，由诸如电池之类的直流电压源借助于逆变器向其供电。例如，在机动车中，这样的电机由车辆的电池供电。
在一些特别关键的应用中，监控这些电机的操作，这首先是为了识别任何功能障碍（dysfonctionnement），然后是为了识别该功能障碍的来源，以便采取纠正措施或切换到适合的降级操作模式。
控制机动车辆的转向装置的电机就是这些特别关键的应用的一个示例。实际上，转向或辅助转向功能（即控制车辆车轮的角度方向）的丧失会带来严重的风险，而在涉及到例如自动驾驶车辆时，这种危险最为严重。
在这些车辆转向或辅助转向应用中，必须在极短的时间内检测并识别出逆变器-电机组件（ensembleonduleur-moteur）的任何功能障碍，以便能够在该功能障碍对车辆驾驶产生任何影响之前采取适合识别出的功能障碍的措施。
背景技术
例如在机动车辆中，能够检测用于特定应用的逆变器-电机组件的功能障碍征兆的功能障碍检测方法是已知的。
还已知缓解方法，其使得能够实施纠正解决方案或降级操作模式，从而使得能够继续安全地执行电机的功能。例如，当辅助转向电机的一个相有缺陷时，电机控制可以适配成在降级模式下仅用三相电机的两个相来操作，从而使得能够维持辅助转向，以等候维修。
为了实施这样的响应于检测到功能障碍的缓解方法，需要识别该功能障碍，也就是说，准确地识别逆变器-电机组件内的哪个电气或机械构件出了问题。这些功能障碍识别方法特别难以实施，而缓解方法的正确实施正是基于这些方法。
已知使用诊断算法的这样的逆变器-电机组件的功能障碍识别方法，所述诊断算法使得能够识别故障类型并辨别电机的哪个相出了故障。辨别电机的哪个相出了故障是基于电机的逆数字模型，该模型使用故障出现前对电机进行的电压和电流测量。这些算法的性能在很大程度上取决于电机参数（电阻、电感、电机磁通（flux moteur））的准确度。然而，这些参数会随着诸如温度或电流饱和等诸多外部因素而演变。因此，这些算法必须辅以电机各构件的先进且足够准确的热学模型、冗余温度传感器以及电机参数的准确校准。这些已知方法导致诊断的复杂性，才能覆盖例如机动车辆构件（诸如辅助转向）的全部操作范围：高温和低温、高速、较高的转矩、电压或速度梯度等。这些方法还需要大量的计算资源来操作这些高级算法。
还已知的其他功能障碍识别方法则使用旨在操控电机的控制功率级的硬件部件。在检测到硬件功能障碍时，这样的部件能够借助于对功率级的持续监控和/或在电机停用之后执行的诊断来诊断电机的哪个相出了故障。这些方法通常基于在电机的相之间流动的弱电流的注入。此类方法需要有昂贵的部件，并且在实体上导致旨在控制电机的印刷电路体积庞大。此外，在诸如机动车辆辅助转向之类的一些应用中，在电机中产生电流以执行诊断是不可接受的。另外，监控硬件部件可能表现得对电机速度敏感，因为电机各相中的电压可能会被电机速度引起的反电动势所扰动。
发明内容
本发明的目的是改进现有技术中的逆变器-电机组件的功能障碍识别方法。
为此，本发明涉及逆变器-多相电机组件的功能障碍识别方法，所述逆变器-多相电机组件包括电机和逆变器，所述逆变器具有分布在分支上的功率开关，所述电机的每个相通过一个相开关连接到逆变器的一个分支，该方法包括多个顺序诊断过程，每个顺序诊断过程包括以下步骤：
- 逆变器的初始配置步骤，其中针对逆变器的每个分支进行控制选择，该选择从包括以下各项的组中进行：将功率开关固定控制为断开模式；根据功率开关的预定诊断占空比进行脉宽调制控制；
- 相开关的初始配置步骤，其中针对每个相开关进行状态选择，该选择在闭合状态与断开状态之间进行；
- 相偏置（polarisation de phase）步骤，其中对逆变器的每个分支施加预定诊断电压；
- 电压测量步骤，其中测量每个相的电压；
- 比较步骤，其中将每个相的电压测量值与预期结果值进行比较；
- 功能障碍识别步骤，当一个相的电压测量值不同于预期结果值时识别出功能障碍。
这样的功能障碍识别方法使得能够在检测到故障之后的极短的时间内辨别出该故障的来源。根据本发明的方法特别适合于机动车标准，并且使得能够例如在辅助转向电机的整个速度范围内在出现功能障碍后的100ms内识别出该功能障碍。
根据本发明的方法不需要准确地知道电机参数。因此，无需在生产中校准这些参数，也无需知道它们随温度和电流的演变。此外，在操作中，不需要对电机或其他构件内的任何温度测量。
此外，根据本发明的方法对与较大的转矩、速度或电压梯度有关的干扰具有低敏感性（实际上，功能障碍的识别是在电机控制的当前相之外进行的）。
该方法实施起来相对简单，并且在计算机中实施该方法需要很少的计算资源。
实施成本和印刷电路上占用的空间是有限的（在一个实施例中，只需要两个晶体管和几个电阻）。
该方法不是侵入式方法，可确保操作安全（不在功率级上进行任何电流注入）。
功能障碍识别方法可以单独地或组合地包括以下附加特征：
- 在相偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器的供电电压的大致50%；
- 电压测量步骤是通过确定针对每个相采集的多个电压测量值样本的平均值来执行的；
- 该方法包括第一顺序诊断过程，其中：
- 在逆变器的初始配置步骤中，所有的功率开关被控制为断开模式；
- 在相开关的初始配置步骤中，所有的相开关置于断开状态；
- 在相偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器的供电电压的大致50%；
- 在比较步骤中，每个相的预期结果值大致等于预定诊断电压；
- 在功能障碍识别步骤中，当相的电压测量值大致等于逆变器的供电电压时，在相应相的高侧功率开关上识别出短路；
- 在功能障碍识别步骤中，当相的电压测量值大致等于零时，在相应相的低侧功率开关上识别出短路；
- 该方法包括第二顺序诊断过程，其中：
- 在逆变器的初始配置步骤中，除了对应于正被测试的相的功率开关之外的所有功率开关被控制为断开模式，对应于正被测试的相的功率开关根据预定诊断占空比进行脉宽调制控制；
- 在相开关的初始配置步骤中，所有相开关置于断开状态；
- 在相偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器的供电电压的大致50%；
- 在比较步骤中，正被测试的相的预期结果值是大致等于逆变器的供电电压乘以预定诊断占空比的值，并且其他相的预期结果值大致等于预定诊断电压；
- 根据第二顺序诊断过程的第一部分：
- 在逆变器的初始配置步骤中，预定诊断占空比远低于50%；
- 在功能障碍识别步骤中，当正被测试的相的电压测量值大致等于没有正被测试的另一个相的电压时，识别出这两个相之间短路；
- 当正被测试的相的电压测量值高于预定诊断电压时，在正被测试的相的低侧功率开关的控制中识别出功能障碍；
- 根据第二顺序诊断过程的第二部分：
- 在逆变器的初始配置步骤中，预定诊断占空比远高于50%；
- 在功能障碍识别步骤中，当正被测试的相的电压测量值低于预定诊断电压时，在正被测试的相的高侧功率开关的控制中识别出功能障碍；
- 该方法包括第三顺序诊断过程，其中：
- 在逆变器的初始配置步骤中，所有功率开关被控制为断开模式；
- 在相开关的初始配置步骤中，所有相开关置于闭合状态；
- 在相偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器的供电电压的大致50%；
- 在电压测量步骤中，确定所有相的电压的平均值；
- 在比较步骤中，所有相的电压的平均值的预期结果值大致等于预定诊断电压；
- 在功能障碍识别步骤中，当所有相的电压的平均值低于预定诊断电压时，在至少一个相与地线之间识别出短路，该短路位于相开关和电机之间；
- 在功能障碍识别步骤中，当所有相的电压的平均值高于预定诊断电压时，在至少一个相与逆变器的供电电压之间识别出短路，该短路位于相开关和电机之间；
该方法包括第四顺序诊断过程的第一变型，其中：
- 在逆变器的初始配置步骤中，除了对应于正被测试的相的功率开关之外的所有功率开关被控制为断开模式，对应于正被测试的相的功率开关根据预定诊断占空比进行脉宽调制控制；
- 在相开关的初始配置步骤中，所有相开关置于闭合状态；
- 在相偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器的供电电压的大致50%；
- 在比较步骤中，正被测试的相的预期结果值大致等于逆变器的供电电压乘以预定诊断占空比得到的值，并且其他相的预期结果值大致等于正被测试的相的电压加上电机对所涉相施加反电动势得到的电压；
- 在功能障碍识别步骤中，当正被测试的相的电压大致等于逆变器的供电电压乘以预定诊断占空比得到的值时，并且当其他相的电压大致等于预定诊断电压加上所涉相的反电动势时，在正被测试的相上、在相开关和电机之间识别出断路；
- 该方法包括第四顺序诊断过程的第二变型，其中：
- 在逆变器的初始配置步骤中，所有功率开关被控制为断开模式；
- 在相开关的初始配置步骤中，所有相开关置于闭合状态；
- 在相偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器的供电电压的大致50%；
- 在比较步骤中，每个相的预期结果值大致等于预定诊断电压加上所涉相的反电动势，其中所有相的反电动势之和等于零；
- 在功能障碍识别步骤中，当第一个相的电压大致等于预定诊断电压并且其他相的反电动势之和等于零时，在该第一个相上、在相开关和电机之间识别出断路；
该方法包括第四顺序诊断过程的第二变型，其中：
- 在逆变器的初始配置步骤中，所有功率开关被控制为断开模式；
- 在相开关的初始配置步骤中，所有相开关置于闭合状态；
- 在相偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器的供电电压的大致50%；
- 在测量步骤中，根据包括预定数量的测量的采样来执行电压测量；
- 在比较步骤中，每个相的预期结果值大致等于预定诊断电压加上所涉相的反电动势，其中所有相的反电动势之和等于零；
- 在功能障碍识别步骤中，当第一个相的电压大致等于预定诊断电压并且其他相的反电动势之和等于零时，针对该第一个相认定出错；
- 当认定的出错数量超过识别阈值时，在该第一个相上、在相开关和电机之间识别出断路；
- 以低于大约200 rad/s的电转速实施第四顺序诊断过程的第一变型，并且以高于大约200 rad/s的电转速实施第四顺序诊断过程的第二变型。
附图说明
从以下非限制性描述并参考附图，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示意性地示出了被适配成实施根据本发明的方法的逆变器-电机组件；
图2是示出根据本发明的方法的图；
图3更详细地示出了图1的逆变器-电机组件；
图4示出了用于图1和图3的逆变器-电机组件的相偏置电路（montage）。
具体实施方式
图1示意性地示出了逆变器-电机组件和使得能够实施根据本发明的功能障碍识别方法的元件。
逆变器-电机组件包括电机1，其通过连接到电池3的逆变器2供电。在本示例中，电机1是使得能够辅助车辆转向或操控车辆转向的三相电机。电机1具有将电机1连接到逆变器2的三个相u、v、w。提供一组相开关7以使得能够切断相u、v、w中的每一个。
逆变器2由分布在对应于三个相u、v、w的三个分支上的功率晶体管组成。借助于例如集成了微控制器和被适配成控制电机的其他电子元件的计算机（计算机未在图中示出）以针对这种类型的应用的常规方式来操控逆变器2。该计算机被适配成实施功能障碍检测方法和在检测并识别出功能障碍时进行缓解的方法。
用于控制这样的电机的构件以及功能障碍检测方法和缓解方法是已知的，并且在此将不再更详细地描述。
本描述涉及在检测到功能障碍后实施的功能障碍识别方法。为了实施这样的识别方法，逆变器-电机组件包括相偏置电路4，其被适配成向相u、v、w中的每一个施加预定电压。该相偏置电路与偏置模块5相关联，偏置模块5被适配成通过作用于相偏置电路4来激活或停用相偏置。
逆变器-电机组件还包括用于配置逆变器2的配置模块6。该配置模块6使得能够根据针对每个相u、v、w的预定脉宽调制信号来控制逆变器1的操作，或者相反地使得能够停用逆变器1。
逆变器-电机组件还包括：
- 电压模块8，其使得能够测量和采集每个相u、v、w的电压；
- 速度模块10，其被适配成测量电机的转速；
- 识别模块9，其使得能够基于由电压模块8和速度模块10提供的元素来识别功能障碍是由于逆变器-电机组件的哪个构件。
图2示意性地示出了构成功能障碍识别方法的一系列顺序诊断过程。
功能障碍识别方法顺序地实施多个诊断过程，所有诊断过程具有相同的总体结构。
在本示例中，这些顺序诊断过程中的每一个尤其包括以下步骤：
- 逆变器的初始配置，由配置模块6执行；
- 相开关7的初始配置；
- 根据预定电压激活相u、v、w的偏置，由偏置模块5执行；
- 测量和采集每个相的电压的步骤，由电压模块8执行；
- 比较步骤，其中将相u、v、w的电压测量值与预期结果值进行比较；
- 功能障碍识别步骤，即通过识别模块9识别逆变器-电机组件的哪个构件是功能障碍的来源。
图2示出了作为一连串各种顺序诊断过程的识别方法，其中的每个顺序诊断过程具有上述总体结构，这一连串各种顺序诊断过程根据使得能够控制逆变器-电机组件的构件的序列来执行，直到确定了作为功能障碍的原因的一个或多个构件。
在识别方法之前的第一步骤E1中，在实施了常规功能障碍检测方法（未描述）之后发信号通知有功能障碍。功能障碍识别方法基于该步骤E1而发动，步骤E1可以包括例如激活通知检测到需要识别的功能障碍的标志（英语为“flag”）。
在本示例中，功能障碍识别方法包括由步骤E2、E3、E4以及E5a和E5b例示的四个顺序诊断过程。这四个顺序诊断过程按此顺序执行，并且分别使得能够：
- 步骤E2：识别出逆变器的功率晶体管之一短路；
- 步骤E3：识别出两个相u、v、w之间短路、或识别出功率晶体管常断、或识别出晶体管控制出故障；
- 步骤E4：识别出电机的相u、v、w与地线之间或相u、v、w与供电DCLink（直流链路）之间短路；
- 步骤E5a和E5b：识别出导致电机的相u、v、w之一永久断开的电气连续性中断。
步骤E6对应于基于识别出功能障碍而激活识别出功能障碍的标志，以使得常规的缓解方法（这里未描述）能够接管，以采取纠正措施或降级操作。
现在将参考图3描述这些顺序诊断过程中的每一个，图3示出了逆变器-电机组件1的主要元件。
在该图3中，三相电机1包括三个绕组11。该组相开关7由三个开关7u、7v、7w组成，每个开关被适配成断开相u、v、w中的一个。
逆变器2包括对应于三个相u、v、w的三个分支，每个分支包括两个功率晶体管，例如MOS（英语为“Metal Oxyde Semiconductor”，金属氧化物半导体）型晶体管，这两个功率晶体管一方面连接到地线，并且另一方面连接到供电DCLink。逆变器2因此包括：
- 三个高侧晶体管12u、12v、12w，即连接到供电电位（这里是电池电压DCLink）；以及
- 三个低侧晶体管13u、13v、13w，即接地。
逆变器2的每个分支借助于其高侧晶体管12和低侧晶体管13来操控相u、v、w中的一个。
参考图2，当实施功能障碍识别方法时，首先执行第一顺序诊断过程E2，以便识别晶体管12、13之一上是否存在短路。
该第一诊断过程始于初始配置逆变器的第一步骤，在此，该步骤在于停用功率级的控制，即，在该第一诊断过程期间，所有晶体管12、13全部置于无源状态（因此断开）。
在初始配置相开关7的第二步骤中，这些相开关7全部断开，以便在功率级故障的情况下不在电机1中产生任何干扰，并且以便不经受由仍在旋转的电机的可能速度所引起的反电动势的影响（实际上，诊断过程可在电机1的旋转过程中执行）。
在相偏置步骤中，偏置模块5控制偏置电路4，以便用预定诊断电压Vb偏置所有的相u、v、w。在本示例中，诊断电压Vb是逆变器2的供电电压DCLink的50%。
在电压测量步骤中，微控制器借助于电压模块8采集每个相u、v、w的电压。
在比较步骤中，将每个相u、v、w的电压测量值与预期结果值进行比较。在本示例中，预期结果值等于诊断电压Vb。实际上，如果没有任何一个晶体管12、13短路，则每个相u、v、w的测量电压应等于Vb（见图3），因为相u、v、w与地线或供电电压DCLink之间不存在任何连接。
相反，如果相u、v、w之一上测量的电压等于供电电压DCLink，则这意味着在所涉相的高侧晶体管12上存在短路。实际上，如果存在这样的短路，则该相直接连接到了电压DCLink。同样，如果在相u、v、w之一上测量的电压等于零，则这意味着在所涉相的低侧晶体管13上存在短路。实际上，如果存在这样的短路，则该相直接接地。
例如，如果晶体管12u短路，则在电压测量步骤中针对相v和w测量的电压将等于诊断电压Vb，而在相u上测量的电压将等于供电电压DCLink。同样，如果晶体管13w短路，则在电压测量步骤中针对相u和v测量的电压将等于诊断电压Vb，而在相w上测量的电压将等于零。
在实践中，电压测量步骤优选地如下执行：在预定持续时间内进行多次测量（例如20次），并确定这些测量的平均值以获得所需电压值。这些测量的次数越多，电压测量就越可靠。
同样，优选地通过确定以下事项来执行比较步骤：
- 如果在一个相上测量的电压在以诊断电压Vb（此处为值DCLink的50%）为中心并且包括相对于Vb加减误差的裕度的区间中。则该电压被认为等于Vb（无短路）；
- 如果在一个相上测量的电压比诊断电压Vb（此处为值DCLink的50%）高得多、或者比上面定义的电压Vb的区间高得多，则该测量的电压被认为等于DCLink（高侧晶体管12上短路）；或者
- 如果在一个相上测量的电压比诊断电压Vb低得多、或者比上面定义的电压Vb的区间低得多，则该测量的电压被认为等于零（低侧晶体管13上短路）。
针对相u、v、w中的每一个执行在相u、v、w上测量的电压与诊断电压Vb之间的比较。
在该第一诊断过程结束时，如果一个或多个晶体管12、13被识别为短路，则系统激活指示功能障碍是短路并标识所涉晶体管的标志（在图2的步骤E6）。
在该第一顺序诊断过程之后，如果没有识别出任何晶体管短路，则接下来进行第二顺序诊断过程（图2的步骤E3）。该第二诊断过程使得能够识别出以下功能障碍：两个相u、v、w之间短路；晶体管12、13的控制电子器件的功能障碍；以及晶体管卡在断开状态。
该第二诊断过程分解为两个按顺序执行的部分。第一部分使得能够诊断低侧晶体管13的控制异常或两个相u、v、w之间短路。第二部分使得能够诊断高侧晶体管12的控制异常。
对于这两个部分，第一诊断过程始于初始配置逆变器的第一步骤，在此，该步骤在于将除了逆变器的分支之一的晶体管之外的其他晶体管12、13置于无源状态（即断开），逆变器的该分支对应于称为正被测试的相的一个相u、v、w。将借助于该方法的三次迭代依次测试三个相u、v、w，每次迭代使得能够测试一个相u、v、w。例如，在第一次迭代中，第一个被测试的相是相u。当其他两个相v、w的晶体管保持断开时，对应于相u的晶体管于是根据脉宽调制控制来进行控制，所述脉宽调制控制在诊断过程的第一部分中具有低占空比，即比50%低得多（例如10%），而针对诊断过程的第二部分具有高占空比，即比50%高得多（例如90%）。
在初始配置相开关7的第二步骤中，这些相开关7全部断开。
在相偏置的步骤中，偏置模块5控制偏置电路4，以便用预定诊断电压Vb偏置所有的相u、v、w。在本示例中，诊断电压Vb是逆变器2的供电电压DCLink的50%。
在电压测量步骤中，微控制器借助于电压模块8采集每个相u、v、w的电压。
在比较步骤中，将每个相u、v、w的电压测量值与预期结果值进行比较。对于诊断过程的第一部分和诊断过程的第二部分，每个相的预期结果值不同。
对于该第二诊断过程的第一部分：
- 正被测试的相的预期结果值等于供电电压DCLink乘以低占空比；
- 其他两个相的预期结果值等于诊断电压Vb。
当相u、v、w上测量的电压与预期结果值不一致时，可以在诊断过程的该第一部分中识别出以下故障：
- 如果在正被测试的相上测量的电压高于供电电压DCLink乘以低占空比（可能加上安全阈值），则识别出与正被测试的相相对应的低侧晶体管控制的功能障碍；
- 如果在其他两个相之一上测量的电压等于在正被测试的相上测量的电压，即等于供电电压DCLink乘以低占空比，则识别出正被测试的相与其他两个相之一之间存在短路。
例如，如果正对相v进行测试：
- 相u上值为电压Vb、相v上值为DCLink乘以低占空比、并且相w上值为Vb对应于预期结果值，并且未检测到任何故障；
- 相u上值为DCLink电压乘以低占空比、相v上值为DCLink电压乘以低占空比、并且相w上值为Vb对应于识别出相u和相v之间短路；
- 相u上值为Vb、相v上值为DCLink乘以低占空比、并且相w上值为Vb对应于识别出晶体管13v控制的功能障碍。
诊断过程的该第一部分的三次迭代使得每个相能够依次切换到正被测试的相的角色，从而使得能够识别出所有相u、v、w的上述功能障碍。
对于该第二诊断过程的第二部分：
- 正被测试的相的预期结果值等于供电电压DCLink乘以高占空比；
- 其他两个相的预期结果值等于诊断电压Vb。
当相u、v、w上测量的电压与预期结果值不一致时，可以在诊断过程的该第二部分中识别出以下故障：
- 如果在正被测试的相上测量的电压低于供电电压DCLink乘以高占空比（可能减去安全阈值），则识别出与正被测试的相相对应的高侧晶体管控制的功能障碍。
例如，如果正对相v进行测试：
- 相u上值为电压Vb、相v上值为DCLink乘以高占空比、并且相w上值为Vb对应于预期结果值，并且未检测到任何故障；
- 相u上值为电压Vb、相v上值为供电电压DCLink乘以高占空比、并且相w上值为Vb对应于识别出晶体管12v控制的功能障碍。
诊断过程的该第二部分的三次迭代使得每个相能够依次切换到正被测试的相的角色，从而使得能够识别出所有相u、v、w的高侧晶体管的控制功能障碍。
在该第二诊断过程结束时，如果一个或多个晶体管12、13的控制被识别为出了故障，或者如果识别出两个相之间短路，则系统激活指示功能障碍是什么以及可能涉及哪个晶体管的标志（在图2的步骤E6）。
在该第二顺序诊断过程之后，如果没有识别出任何相短路或晶体管控制故障，则接着进行第三顺序诊断过程（图2的步骤E4）。该第三诊断过程旨在识别：
- 相与地线之间的任何短路（该短路位于相开关和电机之间）；以及
- 相与供电之间的任何短路（该短路位于相开关和电机之间）。
该第三诊断过程始于初始配置逆变器的第一步骤，在此，该步骤在于停用功率级的控制，即，在该第三诊断过程期间，所有晶体管12、13全部置于无源状态（因此断开）。
在初始配置相开关7的第二步骤中，这些相开关7全部置于并保持在闭合状态，以便能够诊断相开关和电机之间的相u、v、w。
在相偏置的步骤中，偏置模块5控制偏置电路4，以便用预定诊断电压Vb偏置所有的相u、v、w。在本示例中，诊断电压Vb是逆变器2的供电电压DCLink的50%。
在电压测量步骤中，微控制器借助于电压模块8采集每个相u、v、w的电压。在该步骤中，还计算三个相电压的平均值。将三个测量电压相加，并将结果除以三，这使得能够获得反电动势产生的电压值，因此与电机旋转引起的反电动势变化无关。
在比较步骤中，将三个相电压的平均值与预期结果值进行比较。在本示例中，预期结果值等于诊断电压Vb。
相反，如果三个相电压的平均值低于电压Vb（可能减去安全阈值），或者如果三个相电压的平均值低于0V加上预定阈值，则这意味着至少一个相与地线之间存在短路。同样，如果三个相电压的平均值高于电压Vb（可能加上安全阈值），或者如果三个相电压的平均值高于DCLink减去预定阈值，则这意味着至少一个相和供电电压DCLink之间存在短路。
在该第三诊断过程结束时，如果电机侧的一个或多个相被识别为与地线短路或与供电电压短路，则系统激活指示功能障碍是电机的相处短路的标志（在图2的步骤E6）。
在该第三顺序诊断过程之后，如果没有在电机的相上识别出任何短路，则接着进行第四顺序诊断过程（图2的步骤E5a和E5b）。该第四诊断过程使得能够识别出与一个或多个断开的电机相有关的功能障碍，即相开关和相应电机绕组之间的电导体中断。
根据电转速的不同，该第四诊断过程分为两种变型。电转速对应于电机的转速乘以与电机的极对数量相关的因数。例如，对于具有四个极对的电机，电转速与电机转速之比为4。第一变型在例如低于210rad/s的电转速的情况下实施，而第二变型在例如高于210rad/s的高电转速的情况下实施。作为变型，用于选择第一变型或第二变型的速度阈值可以动态地适配，尤其是根据可用供电电压。
在其第一变型（低电机速度）中，第四诊断过程始于初始配置逆变器的第一步骤，在此，该步骤在于将除了逆变器的分支之一的晶体管之外的其他晶体管12、13置于无源状态（即断开），逆变器的该分支对应于称为正被测试的相的一个相u、v、w。将借助于该方法的三次迭代依次测试三个相u、v、w，每次迭代使得能够测试一个相u、v、w。例如，在第一次迭代中，第一个被测试的相是相u。当其他两个相v、w的晶体管保持断开时，对应于相u的晶体管于是根据脉宽调制控制来进行控制，所述脉宽调制控制优选地被选为远离50%，即具有高值（例如80%）或低值（例如20%）。
在初始配置相开关7的第二步骤中，这些相开关7全部置于并保持在闭合状态。
在相偏置的步骤中，偏置模块5控制偏置电路4，以便用预定诊断电压Vb偏置所有的相u、v、w。在本示例中，诊断电压Vb是逆变器2的供电电压DCLink的50%。
在电压测量步骤中，微控制器借助于电压模块8采集每个相u、v、w的电压。
在比较步骤中，将每个相u、v、w的电压测量值与预期结果值进行比较。正被测试的相的预期结果值等于供电电压DCLink乘以占空比。其他两个相的预期结果值等于前面的电压（供电电压DCLink乘以占空比）加上所涉相的反电动势。
相反，如果正被测试的相在电机处断路，则正被测试的相上测量的电压等于供电电压DCLink乘以占空比，而其他两个相上测量的电压等于诊断电压Vb加上所涉相的反电动势。
例如，如果正对相u进行测试：
- 以下电压值对应于预期结果值并且没有检测到任何故障：相u上值为DCLink乘以占空比；相v上值为DCLink乘以占空比再加上相v的反电动势；并且相w上值为DCLink乘以占空比再加上相w的反电动势；
- 以下电压值对应于识别出与电机侧的相u导体中断相关的功能障碍：相u上值为DCLink乘以占空比；相v上值为Vb加上相v的反电动势；并且相w上值为Vb加上相w的反电动势。
例如，可以通过计算获得每个相的反电动势。实际上，由电机转速产生的反电动势电压的幅度等于电机速度乘以电机磁通乘以3的平方根。电机的速度由速度模块测量。替代地，由于该第一变型在低转速下应用，因此可以用阈值来估计每个相的反电动势。
诊断的该第一变型（慢电机速度）的三次迭代使得每个相能够依次切换到正被测试的相的角色，从而使得能够识别出所有相u、v、w的上述功能障碍。
在第四诊断过程的该第一变型结束时，如果电机侧的一个或多个相被识别为断路，则系统激活指示功能障碍是电机的相处的断路并指示所涉相的标志（在图2的步骤E6）。
在其第二变型（快电机速度）中，第四诊断过程始于初始配置逆变器的第一步骤，在此，该步骤在于停用功率级的控制，即，在第四诊断过程的该第二变型期间，所有晶体管12、13全部置于无源状态（因此断开）。
在初始配置相开关7的第二步骤中，这些相开关7全部置于并保持在闭合状态。
在相偏置的步骤中，偏置模块5控制偏置电路4，以便用预定诊断电压Vb偏置所有的相u、v、w。在本示例中，诊断电压Vb是逆变器2的供电电压DCLink的50%。
在电压测量步骤中，微控制器借助于电压模块8采集每个相u、v、w的电压。在本示例中，在每个相上同时进行N个电压值的采样（例如20个）。因此，样本“相u(n)”表示在时刻n在相u上进行的电压测量，样本“相v(n)”表示在同一时刻n在相v上进行的电压测量，并且样本“相w(n)”表示在同一时刻n在相w上进行的电压测量。例如，如果在相u、v、w上进行两次电压测量的采样（N=2），则将有两组三个电压测量值可用：
- 同时进行的三次测量（n=1）：相u(1)、相v(1)、相w(1)；
- 同时进行的三次测量（n=2）：相u(2)、相v(2)、相w(2)。
在测量电机转速的步骤中，N个速度值的采样与前一步骤的电压测量同时进行。因此，表示为MotSpdEl(n)的每个速度测量样本对应于与相u(n)、相v(n)和相w(n)的电压样本同时采集的电机速度测量值。
在比较步骤中，将每个相u、v、w的电压测量值与预期结果值进行比较。该比较步骤实施针对每个相u、v、w确定的代表性电压Vdiag与如下所示确定的阈值电压Vseuil之间的比较。原理在于，预期结果值为：
- 对于相u：Vb + 相u的反电动势；
- 对于相v：Vb + 相v的反电动势；
- 对于相w：Vb + 相w的反电动势；
- 相u的反电动势、相v的反电动势和相w的反电动势之和为零。
因此，如果根据上面的示例正对相v进行测试，并且如果该相在电机处断路，则在该相v上测量的电压值将大致等于诊断电压Vb，并且相u的反电动势和相w的反电动势之和将为零。
在实践中，相u、v、w的代表性电压Vdiag优选为针对每个测量的电压样本n计算的。针对相之一（称为正被测试的相）并且针对电压测量样本“n”的代表性电压Vdiag等于所有相u、v、w的电压n的平均值减去没有正被测试的两个相的电压n的平均值的绝对值。该代表性电压Vdiag的计算写作：
【数学式1】
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
因此，该值VdiagPhX(n)是根据三次迭代针对每个相u、v、w计算的，在这三次迭代中，相u、v、w被顺序地指定为正被测试的相。
此外，根据下式来针对每个电机速度测量样本“n”计算阈值电压：
【数学式2】
Figure DEST_PATH_IMAGE004
在上式中：
- VseuilMin是设定的安全阈值，在本示例中设定为0.3V；
- SpdRatio是应用于电机速度以增大阈值电压的比率。在本示例中，SpdRatio设定为0.0015V/(rad/s)；
- MotSpdEl(n)是样本n的电机速度测量值；
- MotSpdElmin是可以使用第四诊断过程的该第二变型的最小速度。在此，该值为210rad/s。
通过针对每个相u、v、w比较值VdiagPhX(n)和相应的值Vseuil(n)来执行比较步骤。当VdiagPhX(n)低于Vseuil(n)时，针对样本n并且针对所涉相u、v、w认定出错。当针对给定的相u、v、w超过80%的样本n导致认定出错时，识别出故障，即所涉相的电机相连续性中断。80%的比率对应于可调整的识别阈值。
在第四诊断过程的该第二变型结束时，如果相u、v、w被识别为在电机处断路，则系统通过激活指示哪个相断路的信号来激活标志（在图2的步骤E6）。
图4示出了偏置模块5的一个示例，偏置模块5被适配成产生诊断电压Vb，该诊断电压Vb等于相u、v、w中的每一个的供电电压DCLink的50%。该中央值使得能够尽可能地与地线的零电位和供电电位二者分开，以便能够执行高速诊断，而不管电机速度引起的反电动势电压。
该分压电路包括连接到微控制器的逻辑信号输入14，其激活或停用相的偏置。逻辑信号输入14通过双极晶体管17来操控置于供电电压DCLink与地线之间的MOS晶体管15。当MOS晶体管15被控制时（为了在相偏置步骤中对相进行偏置），电机相通过所谓的“上拉”电阻18连接到供电电压DCLink。当MOS晶体管15不被控制时，相u、v、w通过所谓的“下拉”电阻19接地。
电阻18、19使用高电阻值，使得当功率级活动时，该电路不会干扰功率级对电机相的操控。
使得能够将诊断电压Vb施加到相u、v、w的任何其他电子电路可替代地用作偏置模块5。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以实施功能障碍识别方法的其他实施变型。例如，可以仅执行所描述的顺序诊断过程中的一些，以构成功能障碍识别方法。

Claims (12)

1.逆变器-多相电机组件的功能障碍识别方法，所述逆变器-多相电机组件包括电机（1）和逆变器（2），所述逆变器（2）具有分布在分支上的功率开关（12、13），所述电机（1）的每个相通过一个相开关（7）连接到逆变器（2）的一个分支，该方法的特征在于其包括多个顺序诊断过程，每个顺序诊断过程包括以下步骤：
- 逆变器（2）的初始配置步骤，其中针对逆变器的每个分支进行控制选择，该选择从包括以下各项的组中进行：将功率开关（12、13）固定控制为断开模式；根据功率开关（12、13）的预定诊断占空比进行脉宽调制控制；
- 相开关（7）的初始配置步骤，其中针对每个相开关（7）进行状态选择，该选择在闭合状态与断开状态之间进行；
- 相（u、v、w）偏置步骤，其中对逆变器（2）的每个分支施加预定诊断电压（Vb）；
- 电压测量步骤，其中测量每个相（u、v、w）的电压；
- 比较步骤，其中将每个相（u、v、w）的电压测量值与预期结果值进行比较；
- 功能障碍识别步骤，当一个相的电压测量值不同于预期结果值时识别出功能障碍，并且所述方法还包括：
第一顺序诊断过程，其中：
- 在逆变器（2）的初始配置步骤中，所有的功率开关（12、13）被控制为断开模式；
- 在相开关（7）的初始配置步骤中，所有的相开关（7）置于断开状态；
- 在相（u、v、w）偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器（2）的供电电压（DCLink）的大致50%；
- 在比较步骤中，每个相的预期结果值大致等于预定诊断电压（Vb）；
- 在功能障碍识别步骤中，当相的电压测量值大致等于逆变器（2）的供电电压（DCLink）时，在相应相的高侧功率开关（12）上识别出短路，
第二顺序诊断过程，其中：
- 在逆变器（2）的初始配置步骤中，除了对应于正被测试的相的功率开关之外的所有功率开关（12、13）被控制为断开模式，对应于正被测试的相的功率开关根据预定诊断占空比进行脉宽调制控制；
- 在相开关（7）的初始配置步骤中，所有相开关（7）置于断开状态；
- 在相（u、v、w）偏置步骤中，预定诊断电压（Vb）为逆变器（2）的供电电压（DCLink）的大致50%；
- 在比较步骤中，正被测试的相的预期结果值是大致等于逆变器（2）的供电电压（DCLink）乘以预定诊断占空比的值，并且其他相的预期结果值大致等于预定诊断电压（Vb），
第三顺序诊断过程，其中：
- 在逆变器（2）的初始配置步骤中，所有功率开关（12、13）被控制为断开模式；
- 在相开关（7）的初始配置步骤中，所有相开关（7）置于闭合状态；
- 在相（u、v、w）偏置步骤中，预定诊断电压（Vb）为逆变器（2）的供电电压（DCLink）的大致50%；
- 在电压测量步骤中，确定所有相（u、v、w）的电压的平均值；
- 在比较步骤中，所有相的电压的平均值的预期结果值大致等于预定诊断电压（Vb）；
- 在功能障碍识别步骤中，当所有相的电压的平均值低于预定诊断电压（Vb）时，在至少一个相与地线之间识别出短路，该短路位于相开关（7）和电机（1）之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在相偏置步骤中，预定诊断电压为逆变器（2）的供电电压的大致50%。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，电压测量步骤是通过确定针对每个相（u、v、w）采集的多个电压测量值样本的平均值来执行的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在功能障碍识别步骤中，当相的电压测量值大致等于零时，在相应相的低侧功率开关（13）上识别出短路。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，根据第二顺序诊断过程的第一部分：
- 在逆变器的初始配置步骤中，预定诊断占空比远低于50%；
- 在功能障碍识别步骤中，当没有正被测试的相的电压测量值大致等于没有正被测试的另一个相的电压时，识别出这两个相之间短路。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，当正被测试的相的电压测量值高于供电电压（DCLink）乘以预定诊断占空比时，在正被测试的相的低侧功率开关（13）的控制中识别出功能障碍。
7.根据权利要求5或6中的一项所述的方法，其特征在于，根据第二顺序诊断过程的第二部分：
- 在逆变器（2）的初始配置步骤中，预定诊断占空比远高于50%；
- 在功能障碍识别步骤中，当正被测试的相的电压测量值低于供电电压（DCLink）乘以预定诊断占空比时，在正被测试的相的高侧功率开关（12）的控制中识别出功能障碍。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在功能障碍识别步骤中，当所有相（u、v、w）的电压的平均值高于预定诊断电压（Vb）时，在至少一个相与逆变器（2）的供电电压（DCLink）之间识别出短路，该短路位于相开关（7）和电机（1）之间。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，其包括第四顺序诊断过程的第一变型，其中：
- 在逆变器（2）的初始配置步骤中，除了对应于正被测试的相的功率开关之外的所有功率开关（12、13）被控制为断开模式，对应于正被测试的相的功率开关根据预定诊断占空比进行脉宽调制控制；
- 在相开关（7）的初始配置步骤中，所有相开关（7）置于闭合状态；
- 在相（u、v、w）偏置步骤中，预定诊断电压（Vb）为逆变器（2）的供电电压的大致50%；
- 在比较步骤中，正被测试的相的预期结果值大致等于逆变器（2）的供电电压（DCLink）乘以预定诊断占空比得到的值，并且其他相的预期结果值大致等于正被测试的相的电压加上所涉相的反电动势；
- 在功能障碍识别步骤中，当正被测试的相的电压大致等于逆变器（2）的供电电压（DCLink）乘以预定诊断占空比得到的值时，并且当其他相的电压大致等于预定诊断电压（Vb）加上所涉相的反电动势时，在正被测试的相上、在相开关（7）和电机（1）之间识别出断路。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其包括第四顺序诊断过程的第二变型，其中：
- 在逆变器（2）的初始配置步骤中，所有功率开关（12、13）被控制为断开模式；
- 在相开关（7）的初始配置步骤中，所有相开关（7）置于闭合状态；
- 在相（u、v、w）偏置步骤中，预定诊断电压（Vb）为逆变器（2）的供电电压（DCLink）的大致50%；
- 在比较步骤中，每个相的预期结果值大致等于预定诊断电压（Vb）加上所涉相的反电动势，其中所有相的反电动势之和等于零；
- 在功能障碍识别步骤中，当第一个相的电压大致等于预定诊断电压（Vb）并且其他相的反电动势之和等于零时，在该第一个相上、在相开关（7）和电机（1）之间识别出断路。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其包括第四顺序诊断过程的第二变型，其中：
- 在逆变器（2）的初始配置步骤中，所有功率开关（12、13）被控制为断开模式；
- 在相开关（7）的初始配置步骤中，所有相开关（7）置于闭合状态；
- 在相（u、v、w）偏置步骤中，预定诊断电压（Vb）为逆变器（2）的供电电压（DCLink）的大致50%；
- 在测量步骤中，根据包括预定数量的测量的采样来执行电压测量；
- 在比较步骤中，每个相的预期结果值大致等于预定诊断电压（Vb）加上所涉相的反电动势，其中所有相的反电动势之和等于零；
- 在功能障碍识别步骤中，当第一个相的电压大致等于预定诊断电压（Vb）并且其他相的反电动势之和等于零时，针对该第一个相认定出错；
- 当认定的出错数量超过识别阈值时，在该第一个相上、在相开关（7）和电机（1）之间识别出断路。
12.根据权利要求10或11中的一项所述的方法，其特征在于，以低于大约200 rad/s的电转速实施第四顺序诊断过程的第一变型，并且以高于大约200 rad/s的电转速实施第四顺序诊断过程的第二变型。
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