CN116840568A - 一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，包括对母线电容器放电；根据电机驱动系统中现有信息计算母线电容的平均放电电流；结合母线电压信息，估算母线电容的电容值；对信号误差进行补偿和消除，确保电容值估算的准确性；对电容值估算方案进行实验验证。本发明基于电机驱动系统原有的控制和信号采集实现，无需软件侵入和硬件升级；无需复杂算法且采样需求低，可简单快速地完成电容值估算；不影响电机驱动系统的正常安全运行；实现高精度估算，即使在低采样条件和复杂的运行和环境条件下，电容值估算误差也可控制在1％以内；本发明可以有效解决传统电容值估算方案在成本，侵入性，复杂性，安全性和准确性方面存在的挑战。

Description

一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法

技术领域

本发明涉及一种母线电容的无损状态监测方法，尤其涉及一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法。

背景技术

母线电容器是电机驱动系统的重要组成部分，其主要用于缓和母线电压的波动，吸收高频谐波，平衡前端电源和后端负载电机之间的瞬时功率差等，不管是从体积、成本、还是可靠性的角度，母线电容器在电机驱动系统中都占据着非常关键的位置。已有报告指出，电力电子变换器中大约30％的故障是由电容器引起的。因此，研究母线电容器的健康状态监测技术具有重要的经济和安全效益，其可以使得优化运行和主动维护在灾难性故障发生之前进行，从而确保可靠的现场运行并降低电机驱动系统的寿命周期成本，这也是目前国内外学术界和工业界积极关注的问题。

已有研究表明，母线电容的健康状态可通过其电容值和等效串联电阻来间接表征。等效串联电阻通常用于监测铝电解电容器，而电容值适用于任何类型的电容器。在电机驱动应用中，母线电容通常采用薄膜电容进行设计，因此对于电机驱动系统中母线电容的状态监测，电容值是首选的健康指标。

目前已有很多研究致力于估算电机驱动系统中母线电容的电容值。

根据欧姆定律，电容器的电容值可以通过周期性的小信号纹波进行估算。在一些现有技术中，电机驱动系统中母线电容器的电压和电流纹波被传感器直接测量，随后利用数据处理算法，如快速傅里叶变换(FFT)和Goertzel算法，将低频成分提取出来实现电容值估算。为了避免使用与母线电容器串联的电流传感器，Makdessi等人和Wechsler等人通过电机驱动系统的输入电流和逆变器的输入电流之差间接获取电容器电流，但该方案仍然需要一个宽带宽和高采样率的测量系统以捕捉母线电压纹波的所有谐波成分。

电机驱动系统中母线电容器的电容值还可以通过注入外部信号的方法来估算，其根据实现方式可分为两类。一类是利用外部信号发生电路直接向被测电容注入低频电流或电压信号，通过分析在电容器上感应出的电压和电流来估算电容，所用到的算法包括牛顿-拉普森(NR)算法、离散傅里叶变换(DFT)和最小均方差(LMS)算法。另一类实施方案是向整个电机驱动系统注入一个特定频率的扰动信号。在现有技术中，一个受控的交流信号在空载条件下被注入到电机驱动系统前端的交流转直流变换器中，随后利用递归最小二乘法(RLS)算法分析出相应的感应电流或电压纹波来估计电容值。对于前端连接着不可控整流器或电池组的电机驱动系统，Nguyen和Lee提出了一个原理相似的方案，即在电机驱动系统运行于再生模式时，向其内部逆变器注入一个交流电流信号。

虽然以上这些基于周期性小信号纹波的方法可以相对准确地估计出母线电容器的电容值，但它们需要高精度的采样和复杂的数据处理算法，这大大增加了状态监测的成本和复杂性。此外，有些方法需要借助于额外的硬件来实现，如需要信号处理电路和信号发生电路，这对于实际系统来说是昂贵的并且还会带来额外的可靠性问题。最重要的是，这些方法大多要求电机驱动系统运行在特定的模式和频率下以实现电容电流的获取和外部信号的注入，这会严重影响系统的正常运行。

为了避免干扰电机驱动系统的正常运行，一些工作致力于通过电机驱动系统关闭或启动过程中的母线电容器的充放电曲线来估计电容值。在一些现有技术中，一个由开关和电阻组成的辅助放电网络被提出并与母线电容器并联，其通过辅助电阻网络来释放电容器中的电荷。在现有技术中，辅助网络和电机驱动系统中的滤波器形成了一个C-LC-R型放电路径，随后使用LMS算法估计电容值。但是，这些方法中的辅助网络和滤波器的阻抗需要被预先测量，并且阻抗值在运行过程中还会随着环境温度而变化。此外，辅助网络也会引起额外的可靠性风险。

为了避免增设额外的放电路径，电机驱动系统中的电机定子绕组被用来作为放电回路。在一些现有技术中，一个由母线电容和两相定子绕组形成的LC谐振放电回路被提出，其中谐振电流被通过恒定占空比且恒定频率的PWM控制来限制。但需要注意的是，由于实际应用中非理想的电流控制，这种两相绕组放电方案将不可避免地在负载电机中引起扭矩。在一些现有技术中，一个由三相电机定子绕组构成的放电回路被提出。当电机驱动系统与母线电源隔离时，母线电容器在短时间内通过一个高恒定电流放电。然而，该方法需要一个额外的控制策略来保证电容器的放电电流低于电机的额定值，并且缺乏误差分析和令人信服的实验验证。

总体上，相比于基于周期性小信号纹波的方法，大多数基于大信号充放电曲线的方案不需要额外的硬件和复杂的数据处理算法，因此，状态监测的成本和复杂性都大大降低。然而，它们一般需要修改系统的原有控制软件以来限制电容器的充放电电流，并且仍然有很高的采样要求，包括要求采样频率等于甚至大于开关频率，以及需要在PWM载波的峰值或低谷处对定子绕组电流进行采样。此外，由于缺乏对噪声和误差的处理，它们的估计精度普遍较低，在一些现有技术中，电容值估算误差分别达到2.5％、5％和2％。

发明内容

发明目的：本发明目的是提出一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，旨在解决现有电容值估算技术在成本，复杂性，侵入性，安全性和准确性方面存在的挑战，以促进针对电机驱动系统中母线电容器的状态监测和健康评估在实际中的实现。

技术方案：本发明包括以下步骤：

步骤一、对母线电容器放电；

步骤二、根据欧姆定律，母线电容器的电容值C通过其放电电流i_dis和两端电压v_dc估计，即

其中，t₀是估算起始时刻，Δt是估计区间，Δv_dc是估计区间内电容器的电压降；

由于电容器的放电电流i_dis在放电期间内总为正，公式(1)中的积分项改写为

其中，i_{dis_ave}代表估计区间内电容器放电电流的平均值；

步骤三、结合电机驱动系统控制器中的占空比信息d_{a_i}、d_{b_i}和d_{c_i}，母线电容器在第i个开关周期内的平均放电电流i_{dis_ave_Tsi}通过下式计算

i_{dis_avg_rsi}＝i_{a_i}*d_{a_i}+i_{b_i}*d_{b_i}+i_{c_i}*d_{c_i} (3)

其中，i_{a_i}、i_{b_i}和i_{c_i}是在第i个开关周期内测量到的三相定子电流；

步骤四、假设估计区间Δt包括n个开关周期，则整个估计区间内母线电容器的平均放电电流i_{dis_ave}可计算为

；

步骤五、将公式(4)和测量的母线电压代入公式(2)，母线电容器的电容值可以通过公式(5)估算出来

所述三相定子电流的误差与系统噪声、传感器精度、模数转换器的分辨率和异步采样有关。

所述估计区间设在稳态区间内，以消除电流中的误差对估算精度的影响。

所述稳定区间内的电容器的平均放电电流通过三相定子电流和占空比的平均值计算，如公式(6)所示：

所述占空比信息中还存在偏置误差，其也会显著影响电容值估算的准确性。

所述偏置误差由功率器件驱动信号中的死区时间以及功率模块本身的非理想开关特性引起。

所述控制器中的占空比信息根据其对应的相电流的极性，用死区时间和开关时间补偿，如公式(7)所示：

所述母线电容器的电容值通过将公式(5)与公式(6)和(7)相结合后，通过公式(8)进行估算

所述步骤一中当电机驱动系统的控制单元检测到负载电机转速为零且断路器已经打开时，发出放电电流指令i_{d_ref}和i_{q_ref}以对母线电容进行放电。

所述i_{d_ref}为d轴电流参考，由放电时间需求决定；i_{q_ref}为q轴电流参考，设置为0，以避免产生扭矩。

有益效果：

(1)成本方面：本发明基于电机驱动系统原有的信号采集系统实现，无需对采集系统进行升级或增设额外硬件，成本低；

(2)软件侵入性方面：本发明基于电机驱动系统原有的控制策略实现，无需软件侵入和修改；

(3)复杂性方面：本发明无需复杂的数据处理算法且采样需求低，可简单快速地完成电容值估算；

(4)安全性方面：本发明提出的估算方案在电机驱动系统停机后进行，不影响电机驱动系统的正常安全运行；

(5)准确性方面：本发明消除和补偿了用于电容值估算的信息中的误差，实现了高精度估算，即使在复杂的运行和环境条件下，以及较低的放电曲线采样条件下(如，异步采样，采样频率10倍低于系统开关频率，2％的传感器误差，和12位ADC)，电容值估算误差也可控制在1％以内。

附图说明

图1是本发明所针对的电机驱动系统框图；

图2为母线电容的典型放电曲线图；

图3为母线放电过程中一个开关周期内的关键波形图；

图4为不同相电流方向下，控制系统中计算出的上桥臂开关的占空比与实际占空比之间的偏差，其中(a)为正向相电流下的情况，(b)为负向相电流下的情况；

图5为通过10kHz采样频率的放电曲线估算出的母线电容器的电容值；

图6为通过1kHz采样频率的放电曲线估算出的母线电容器的电容值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所针对的电机驱动系统主要包括母线电容器C、功率半导体模块、负载电机和控制系统。出于安全考虑，当电机驱动系统停运后，图1中的断路器将被打开，而母线电容必须被放电。具体电容值估算监测方法包括以下步骤：

步骤一、当控制单元CU检测到负载电机转速为零且断路器已经打开时，其会发出放电电流指令i_{d_ref}和i_{q_ref}以对母线电容进行放电。

d轴电流参考i_{d_ref}通常是固定的且由放电时间需求决定，而q轴电流参考i_{q_ref}必须设置为0以避免产生扭矩。θ_e为负载电机的电转子角度，其是一个随机量但在一次放电过程中固定不变。在现有的闭环电流控制下，母线电容器通过功率半导体模块和后端电机的定子绕组放电，存储在母线电容器中的能量被放电循环回路中的等效电阻消耗。

图2给出了母线电容的一个典型放电曲线，其中初始电容电压为400V，d轴电流参考i_{d_ref}为100A，电转子角度θ_e为π/12。可以看出，在放电过程中，母线电压v_dc逐渐下降，三相定子电流i_a,i_b,i_c具有固定极性，且经过短暂的瞬态后达到稳态并保持恒定。三相上桥臂开关管Q₁,Q₂,Q₃的占空比d_a,d_b,d_c在放电稳态区间内都处于50％左右。当母线电压v_dc低于安全电压时，放电结束且电流参考i_{d_ref}开始下降。在母线放电过程中，图2中所有的模拟信息，包括母线电压和三相定子电流，都会被实时测量并存储于电机驱动系统的控制器中，同时三相占空比这类数字信号也是控制器中的现有信息。

步骤二、根据欧姆定律，母线电容器的电容值C可以通过其放电电流i_dis和两端电压v_dc来估计，即

其中，t₀是估算起始时刻，Δt是估计区间，Δv_dc是估计区间内电容器的电压降。

由于电容器的放电电流i_dis在放电期间内总是正的，公式(1)中的积分项可以改写为

其中，i_{dis_ave}代表估计区间内的母线电容器放电电流的平均值，Δt是估计区间，Δv_dc是估计区间内电容器的电压降。

步骤三、图3展示了图2放电过程中的第i个开关周期t₀-t₈内的关键波形。其中S_a、S_b和S_c代表着三相上桥臂开关的驱动信号，d_{a_i}、d_{b_i}和d_{c_i}为三相上桥臂开关在这第i个开关周期的占空比，τ_{a_i}，τ_{b_i}和τ_{0_i}为SVPWM调制中开关矢量们的开通时间，v_{dc_i}、i_{a_i}、i_{b_i}和i_{c_i}是在这第i个开关周期内测量到的母线电压和三相定子电流。

从图3中可以看出，三相定子电流在一个开关周期内是对称的。如果三相电流被在PWM载波的峰值或谷值处测量，那么测量到的电流值i_{a_i}、i_{b_i}和i_{c_i}即为三相定子电流在该开关周期T_S内的平均值。随后，通过结合控制器中的占空比信息d_{a_i}、d_{b_i}和d_{c_i}，电容器在第i个开关周期内的平均放电电流i_{dis_ave_Tsi}可以被计算为

i_{dis_are_Tsi}＝i_{a_i}*d_{a_i}+i_{b_i}*d_{b_i}+i_{c_i}*d_{c_i} (3)

其中，i_{a_i}、i_{b_i}和i_{c_i}是在第i个开关周期内测量到的三相定子电流。

步骤四、假设估计区间Δt包括n个开关周期，那么整个估计区间内的电容器平均放电电流i_{dis_ave}可计算为

步骤五、将公式(4)和测量的母线电压代入公式(2)，母线电容器的电容值可以通过公式(5)估算出来。

其中所有需要的数据都是电机驱动系统的控制器中的现有信息。上述估算原理适用于任意的转子角度。

步骤六、在实际的现场应用中，用于电容值估算的现有信息中都存在着大量的误差，严重影响着估算精度。母线电压中的误差是可以忽略不计的，因为其在放电过程中的压降远大于误差值。但从公式(4)可以看出，由于平均放电电流i_{dis_ave}的幅值很小，三相定子电流和占空比中的误差是不可忽略的。

测量的三相定子电流中的误差一般是随机误差，其与系统噪声、传感器的精度和模数转换器的分辨率有关。此外，从前面的理论分析可以知道，定子电流应当在PWM载波的峰值或低谷处以开关频率进行同步采样，从而获得每个开关周期的平均定子电流。但在实际中，这些采样需求是难以满足的，因为实际电机驱动系统中的采样通常是用于控制目的，采样频率一般低于或等于系统的开关频率，且会采用异步采样，即采样可能发生在PWM载波的峰值或低谷处附近。最终，这些系统噪声和不理想采样会导致测量的定子电流信号中存在着大量的误差。

为了消除电流中的误差对估算精度的影响，估计区间被限制在图2所示的稳态区间内，此时稳定区间内的电容器的平均放电电流可以通过三相定子电流和占空比的平均值进行计算，如公式(6)所示。该平均化处理还可以有效消除占空比信息中的随机误差，并降低三相定子电流的采样需求以及估算流程的计算量。

除了随机误差外，三相占空比信息中还存在着大量的偏置误差，其也会显著影响电容值估算的准确性。占空比信息中的偏置误差主要是由功率器件驱动信号中的死区时间以及功率模块本身的非理想开关特性引起的。从图3和公式(3)可以知道，用于估计平均放电电流的占空比应当对应于各相上桥臂开关管电流不为零的时间间隔，而从控制系统获得的占空比是由开关矢量的导通时间计算出来的，这意味着控制系统中计算的占空比与实际值不一致。图4通过一个半桥电路，说明了在不同相电流方向的情况下，控制系统中计算的占空比与实际值之间的偏差。因此，为了保证估计的准确性，从控制器中得到的占空比必须根据其对应的相电流的极性，用死区时间和开关时间进行补偿，如公式(7)所示。

将公式(5)与公式(6)和(7)相结合，电驱动系统中母线电容的电容值可以通过公式(8)准确地估算出来。

为了验证提出的电容值估算方法的可行性和准确性，对一个真实电机驱动系统进行了放电测试，其内部母线电容器在100Hz下的电容值为656μF。对于电机驱动系统的母线放电来说，主要的运行和环境变量包括电转子角度、初始电容电压和冷却液温度，这些变量是随机的且由停机前的任务剖面决定。因此，为模拟真实运行，放电测试被在不同的运行和环境条件下进行，如表1所示，其中放电测试在每个案例下被重复进行了5次。

图5给出了各个测试案例中通过的放电曲线估算出的母线电容器的电容值，其中不同测试案例被以不同的标记来代表，相同的标记代表着同一测试案例中5次估算的结果分布。从图5可以看出，估算出的电容值接近656μF的真实值，最大绝对估计误差为6.21μF，占真实值的0.95％。此外，估算的结果与转子电角度、初始电容电压和负载阻抗等变量无关，说明本专利提出的估算方法不受电机驱动系统运行和环境条件的影响。

图5给出的估算结果是由采样频率为10kHz的放电曲线估算而来(电驱动系统的开关频率为10kHz)。为了验证提出的估算方法在低采样条件下的可行性和准确性，表1中的测试被重新进行，并且放电曲线以1kHz的采样频率进行采集。图6给出了通过1kHz采样频率的放电曲线估算出的电容值结果，可以看出，估算出的电容值仍然接近于真实值，其中最大绝对误差为6.35μF，占真实值的0.97％。该结果表明，即使在降低的采样频率下，例如采样频率10倍低于系统开关频率，提出的估算方案仍然能够达到较高的精度。

表1.各放电测试案例所处运行和环境条件

Claims (10)

1.一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对母线电容器放电；

步骤二、根据欧姆定律，母线电容器的电容值C通过其放电电流i_dis和两端电压v_dc估计，即：

其中，t₀是估算起始时刻，Δt是估计区间，Δv_dc是估计区间内电容器的电压降；

由于电容器的放电电流i_dis在放电期间内总为正，公式(1)中的积分项改写为：

其中，i_{dis_ave}代表估计区间内电容器放电电流的平均值；

步骤三、结合电机驱动系统控制器中的占空比信息d_{a_i}、d_{b_i}和d_{c_i}，母线电容器在第i个开关周期内的平均放电电流i_{dis_ave_Tsi}通过下式计算：

i_{dis_ave_Tsi}＝i_{a_i}*d_{a_i}+i_{b_i}*d_{b_i}+i_{c_i}*d_{c_i} (3)

其中，i_{a_i}、i_{b_i}和i_{c_i}是在第i个开关周期内测量到的三相定子电流；

步骤四、假设估计区间Δt包括n个开关周期，则整个估计区间内母线电容器的平均放电电流i_{dis_ave}可计算为：

；

步骤五、将公式(4)和测量的母线电压代入公式(2)，则母线电容器的电容值通过公式(5)估算出来：

。

2.根据权利要求1所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述三相定子电流的误差与系统噪声、传感器精度、模数转换器的分辨率和异步采样有关。

3.根据权利要求1所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述估计区间设在稳态区间内。

4.根据权利要求3所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述稳定区间内的电容器的平均放电电流通过三相定子电流和占空比的平均值计算，如公式(6)所示：

。

5.根据权利要求1所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述占空比信息中还存在偏置误差。

6.根据权利要求5所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述偏置误差由功率器件驱动信号中的死区时间以及功率模块本身的非理想开关特性引起。

7.根据权利要求4所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述控制器中的占空比信息根据其对应的相电流的极性，用死区时间和开关时间补偿，如公式(7)所示：

。

8.根据权利要求7所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述母线电容器的电容值通过将公式(5)与公式(6)和(7)相结合后，通过公式(8)进行估算：

。

9.根据权利要求1所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述步骤一中当电机驱动系统的控制单元检测到负载电机转速为零且断路器已经打开时，发出放电电流指令i_{d_ref}和i_{q_ref}以对母线电容进行放电。

10.根据权利要求9所述的一种电机驱动系统中母线电容的高精度无损状态监测方法，其特征在于，所述i_{d_ref}为d轴电流参考，由放电时间需求决定；i_{q_ref}为q轴电流参考，设置为0。