CN1825730A - 用于旋转场机器的失相检测 - Google Patents

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Abstract

一种用于在多相旋转场机器中检测失相的方法，所述方法包括：将第一电流提供到多个机器绕组中，以使其电流矢量位于第一电流矢量位置；感测所述机器的至少一个所选相位绕组中的第一电流；将测得的所述至少一个所选相位绕组中的第一电流与用于所述所选的相位绕组的第一计算电流相比较；以及如果所述第一计算电流与所述测得的第一电流之间的差异大于预定值，则检测出已经发生了第一相位错误。

Description

用于旋转场机器的失相检测
技术领域
本发明涉及旋转场机器(包括永磁电机和感应电机驱动系统)中的故障检测，特别涉及旋转场机器(rotating field machine)中的失相检测。
背景技术
永磁(PM)和感应电机以及电机驱动系统公知地在各种控制运动和速率的应用中使用。某些类型的电机驱动包括功率变换器，用于将功率选择性地传递(deliver)到多相电机中的各相中。一种类型的电机使用三相(其各相受到特定方法激励以对永久磁体产生影响)来根据所需的特征(profile)驱动电机。出于设计和其他实践考虑，通常通过各种长度的电缆或者线路连接来连接电机和功率变换器，从而使得功率变换器与电机是分开的。典型地采取预防措施以保护电缆和线路连接，防止其受到电机驱动系统中经常出现的EMI和其他噪声信号的影响。
尽管通常采用附加的防护措施来保护功率变换器和电机之间的电缆和线路连接，但是电缆或线路连接有时仍会产生问题。例如，当驱动和电机之间的线路连接损坏、松开或者断开时，会使驱动操作发生故障。例如，任何上述问题都可以导致电机启动失败。
在不需要大的起动转矩时，虽然电机可以启动并且运转，但是具有相当大的转矩脉动。转矩脉动会大大降低驱动效率，增加声频噪声并且可能最终损坏连接轴负载。需要检测电机电连接在何时存在故障，并且在这种情况下提供故障响应。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于检测旋转场机器(例如具有无传感器反馈检测系统的永磁同步电机或者感应电机)中失相的系统和方法。永磁同步电机(PMSM)可以在启动后，通过暂停在一定角度以获得用于启动和运转电机的初始条件来进行初始化。用于使电机暂停的技术包括向电机绕组施加DC电流，以使得电机轴在一定的指定角度下暂停。可以在多个阶段中完成暂停，其中同步旋转坐标电流调节器中的电流矢量与第一相位对准，并且继而与另一个相位对准，在此期间可以测量其他相位电流的对准。当测量到未与电流矢量对准的相位电流时，其或者落入预期的范围内，或者可以观察到错误信号。当特定的电流大小落在预期的范围外时，将指示产生了失相错误。
因此，本发明描述了一种用于在旋转场机器启动过程当中，检测旋转场机器驱动与旋转场机器之间的旋转场机器相位分离或相位错误的方法。可以在永磁电机驱动的启动过程当中，仅通过监测来自2级DC电流引入的一个相位电流反馈来确定失相。
本发明的失相检测方案可以并入电机的启动程序而无需延长启动过程。有利地，电机的启动程序可以根据失相检测的结果停止，以防止电机驱动的系统发生机械损坏。
通过以下参照附图进行的本发明的描述，本发明的其他特征和优点将会更加清楚。
附图说明
图1是具有转子角度估算的PMSM控制的系统方框图；
图2是电流矢量图；
图3是根据本发明的失相检测器的系统方框图。
具体实施方式
本发明涉及一种优选为在固件(firmware)中实现的失相检测系统和算法。参照图1，根据本发明的具有失相检测单元18的电机控制系统一般表示为系统10。系统10是具有同步旋转坐标电流调节器的PMSM驱动系统。该系统也可以驱动其他类型的旋转场机器，例如感应电机。从调节器14向矢量旋转器(rotator)控制12提供转矩和通量电流调节参数，以及从转子角度估算器16向矢量旋转器控制12提供旋转角度基准Rtr-Ang。提供到控制12的旋转角度基准是通过开关SW2与估算器16连接的。然而，在启动过程中，开关SW2与根据本发明的失相检测器18连接以执行失相检测操作，检测器18将旋转器角度信号提供给矢量旋转器12。另外，在启动过程中检测器18还通过开关SW1将转矩电流指令iq*提供给调节器14。在正常操作中，即在启动后，开关SW1将速率调节器11与调节器14连接以允许速率调节器11提供转矩电流指令iq*。
检测器18从PMSM 13接收电流反馈，以检测是否有相位损失。在图1所示的示例性实施方案中，将相位W的电流反馈信号iW提供给检测器18。如果检测器18确定相位发生了损失，则发出失相故障通告以指示这一情况。
失相检测器18的操作的原理是，电机启动后PMSM 13首先暂停，以确定初始转子角度。在无传感器(sensorless)永磁电机的启动过程中，通过向电机提供DC电流，并因此而使该电机的轴暂停在某个预定的角度来确定初始转子角度。典型地在两个阶段中进行所述暂停操作以确定初始的转子轴角度。
现在参照图2，矢量图22示出了以两个阶段施加到PMSM 13上的电流，其中矢量示意性地分开30度的角。在暂停的第一个阶段，通过使用电流调节器使电流矢量I与V相位对准一段时间。在图2中，第一阶段用步骤1期间的V轴上的矢量表示。当将电流矢量I如上所述地处理后，U相位和W相位中的电流等于V相位中电流量值I的一半。电流量值I等于提供到调节器14的iq*。
在暂停的第二个阶段中，电流矢量角Rtr_Ang(见图1)改变，从而通过使用电流调节器使电流矢量I与U相位正交对准。该第二阶段由图2中标号为2的电流矢量I表示。在第二阶段中，U相位中的电流为零并且V相位和W相位中的电流相等而且振幅(例如，约为电流量值I的0.8666倍)相反。通过将反馈电流(在本示例性实施方案中的相位W)与预期的电流振幅(在阶段1中为-0.5*I，在阶段2中为-0.8666*I)相比较，可以检测出失相。即，如果预期的电流与这些操作中测得的电流不相符，则表示存在失相。可以提供预期电流值的范围以获得阈值窗口，其中，位于阀值窗口内的测得的电流被认为是有效的，并表示没有失相。预期电流值或阈值的范围可以是可变的，或者可以根据所需的应用参数设定。
在各个暂停阶段的末段，比较预期的电流和测得的电流值，以为电流控制提供足够的置位时间(settling time)。如果比较结果没有落入特定的电流段内，则表示存在失相。当失相被指示出时，电机驱动系统10可以通过各种方法进行反应，包括以故障自动防护模式工作、以低功能状态工作、使电机停止运行等。如果失相在最初就被检测出来，则可以使用重启机制来重启电机。例如，可以将电机驱动系统10的程序设定为在产生了失相检测错误后在暂停阶段重新初始化电机驱动系统。
在没有错误的情况下完成暂停阶段1和2之后，重新开始正常的操作。开关SW1被置于上部以允许速率调节器11提供转矩电流指令iq*，开关SW2被置于下部以允许估算器16产生估算的转子角度Rtr_Ang。
参照图3，其中示出了检测器18的系统框图。如图所示，电流参数Ipark作为乘法器31(其形成了失相检测算法的计算部分的一部分)的输入，根据开关32的状态和暂停角为所述算法提供乘数，例如，在阶段1乘0.5或者在阶段2乘0.8666。根据开关32的状态和暂停角度也可以使用其他的值。将电流参数Ipark提供给图1中所示的开关SW1，从而为调节器14提供转矩电流指令。因此，在暂停阶段，电流参数Ipark提供的量值是提供给转矩电流指令iq*的量值。
阶段控制36为开关32和34提供开关逻辑，从而为乘法部件31和估算转子角Rtr_Ang提供合适的参数。在该实施例中，在阶段1，电流参数Ipark被乘以0.5，并且所得的结果与电流反馈iW相加。如上所述，乘数依赖于开关32的状态和暂停角度。相加的结果被滤波并且被提供到比较器，以确定电机电流是否位于范围之外，是否存在失相。在阶段1中，估算的转子角Rtr_Ang被设定为相对于V相位为30度，以获得所需的电流反馈iW。作为电流参数Ipark和转矩电流指令iq*设定结果而获得的反馈电流iW允许提供到比较器C的信号具有合适的范围。根据检测器18的失相检测连续地进行，从而可以在阶段1或2中检测错误。在完成阶段1后，阶段控制36操作开关32、34为电机驱动系统10提供合适的参数，以在阶段2中确定失相检测。因此，在该实施例中，将值0.8666和电流参数Ipark(其随后与电流反馈IW相比较)提供到乘法器31，得到的结果通过滤波器并且提供到比较器C，以相对于提供到比较器C的电流段阈值确定是否产生了失相。乘数依赖于开关32的状态和暂停角度。在阶段2中，操作开关34以相对于V相位将0度角施加到电流矢量，从而使电流矢量与U相位正交。这样，在阶段2单独地完成失相检测，以提供与阶段1分开的失相指示。如果在阶段1或阶段2中指示了失相错误，那么通过失相检测信号通告该结果。
在本发明的范围内可以设计根据本发明的失相检测器的大量变型。某些非限定性实施例包括提供具有可变参数的可编程的或可改装的失相检测器，所述参数可以根据所需的电机驱动系统参数来调整。此外，还可以在失相检测器中使用除了图3所示的比较器C以外的多种比较器。也可以使用除了W相位以外的其他的相位来实现失相检测。
虽然结合例举的实施方案对本发明进行了描述，但是对于本领域技术人员来说，其他的各种变化和修改以及其他使用将是显而易见的。因此，本发明不受此处特定公开的限制，而只受所附权利要求的限制。

Claims (22)

1.一种用于在多相旋转场机器中检测失相的方法，所述方法包括：
将第一电流提供到多个机器绕组中，以使其电流矢量位于第一电流矢量位置；
感测所述机器的至少一个所选相位绕组中的第一电流；
将测得的所述至少一个所选相位绕组中的第一电流与用于所述所选的相位绕组的第一计算电流相比较；以及
如果所述第一计算电流与所述测得的第一电流之间的差异大于预定值，则检测出已经发生了第一相位错误。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将第二电流提供到多个机器绕组中，以使其电流矢量位于第二电流矢量位置；
感测所述机器的至少一个所选相位绕组中的第二电流；
将测得的所述至少一个所选相位绕组中的第二电流与所述所选的相位绕组的第二计算电流相比较；以及
如果所述第二计算电流与所述测得的第二电流之间的差异大于预定值，则检测出已经发生了第二相位错误。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括：
在将所述电流提供到所述机器绕组之前，切换控制器使所述机器进入启动模式。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括如果已经检测到所述第一或第二相位错误，则产生相位错误信号。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括如果没有产生相位错误信号，则将所述控制器切换为正常工作。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述比较的步骤包括：
提供电流参数，所述电流参数用于确定发送到所述机器的电流指令；
将所述电流参数乘以一个值；以及
将所述相乘步骤的乘积与所述测得的第一电流相比较，以确定所述测得的第一电流与所述乘积的差异是否超过了所述预定值。
7.如权利要求3所述的方法，其中所述第二个比较步骤包括：
提供电流参数，所述电流参数用于确定发送到所述机器的电流指令；
将所述电流参数乘以一个值；以及
将所述相乘步骤的乘积与所述测得的第二电流相比较，以确定所述测得的第二电流与所述乘积的差异是否超过了所述预定值。
8.如权利要求3所述的方法，进一步包括如果没有产生相位错误信号，则将速率调节器的输出提供到所述控制器以控制机器工作。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括如果没有产生相位错误信号，则将对所述机器的转子角度的估算提供到所述控制器。
10.一种用于检测多相旋转场机器中的失相的系统，所述系统包括：
用于将第一电流提供到多个机器绕组、以使其电流矢量位于第一电流矢量位置的装置；
用于感测所述机器的至少一个所选相位绕组中的第一电流的传感器；
用于将所述测得的至少一个所选相位绕组中的第一电流与所述所选的相位绕组的第一计算电流相比较的比较器；以及
用于在所述第一计算电流与所述测得的第一电流的差异大于预定值时，检测出第一相位错误的检测器。
11.如权利要求10所述的系统，其中，
所述装置将第二电流提供到所述机器绕组中，以使其电流矢量位于第二电流矢量位置；
所述传感器感测所述机器的至少一个所选相位绕组中的第二电流；
所述比较器将所述测得的至少一个所选相位绕组中的第二电流与所述所选的相位绕组的第二计算电流相比较；以及
如果所述第二计算电流与所述测得的第二电流之间的差异大于预定值，则所述检测器检测出第二相位错误。
12.如权利要求11所述的系统，进一步包括：在将所述电流提供到所述机器绕组之前，切换控制器使所述机器进入启动模的开关。
13.如权利要求12所述的系统，其中，如果已经检测到所述第一或第二相位错误，则所述检测器产生相位错误信号。
14.如权利要求12所述的系统，进一步包括用于在没有产生相位错误信号时将所述控制器切换为正常工作的开关。
15.如权利要求10所述的系统，其中：
所述比较器接收第一电流参数，所述第一电流参数用于确定发送到所述机器的转矩电流指令；
所述系统进一步包括乘法器，用于将所述电流参数乘以一个值；并且，
其中，所述比较器将所述乘法器的乘积与所述测得的第一电流相比较，以确定所述测得的第一电流与所述乘积之间的差异是否超过了所述预定值。
16.如权利要求12所述的系统，其中，
所述比较器接收第二电流参数，所述第二电流参数用于确定发送到所述机器的转矩电流指令；
所述乘法器将所述第二电流参数乘以一个值；以及
所述比较器将所述乘法器的乘积与所述测得的第二电流相比较，以确定所述测得的第二电流与所述乘积之间的差异是否超过了所述预定值。
17.如权利要求12所述的系统，进一步包括速率调节器，如果没有产生相位错误信号，则所述速率调节器将其输出提供到所述控制器，以控制机器工作。
18.如权利要求17所述的系统，进一步包括用于估算所述机器的转子角度的转子角度估算器，所述转子角度估算器将其输出提供至开关，所述开关在所述机器启动并且没有产生相位错误信号的情况下，将对所述转子角度的估算提供给所述控制器。
19.如权利要求18所述的系统，其中，用于将所述第一和第二电流提供到所述机器绕组的所述装置在启动过程中分别提供转子角度信号，以使得所述电流矢量分别位于所述第一和第二电流矢量位置。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述开关从所述装置提供所述转子角度估算的启动期间的第一位置切换到第二位置，从而使得所述转子角估算由所述旋转角度估算器提供。
21.如权利要求18所述的系统，其中，所述控制器包括速率调节器，所述速率调节器具有耦合到转矩和通量电流调节器的输出，所述转矩和通量电流调节器具有耦合到矢量旋转器的输出，所述矢量旋转器具有耦合到PWM选通级的输出，所述PWM选通级具有耦合到驱动所述机器的变换器的输出，并且所述变换器的输出向矢量调节器提供反馈信号，所述矢量调节器具有为所述转矩和通量电流调节器提供输入的输出，所述转子角估算器将所述转子角估算提供到所述矢量旋转器和所述矢量调节器。
22.如权利要求10所述的系统，其中所述机器包括永磁同步电机或感应电机。
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