电机故障检测的系统和方法与流程
电机故障检测的系统和方法
本技术是中国申请号为201510615664.3，发明名称为“电机故障检测的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
1.本公开总地涉及检测电机中的电气故障的系统，更具体地涉及施加选定的驱动信号以在电机中产生旋转磁场，所述旋转磁场的旋转频率大于电机的最大机械响应频率。
背景技术：
2.已知为交通工具配备电驱动致动器或电机以将转矩提供至引擎/传动系/轮子，并有当机械驱动时选择地发电。电机的各种故障模式包括电机各相的内部短路或开路。在电机由交通工具使用之前，较为有利的是测试电机而不实际地运作该电机。另外，较为有利的是在重大故障发生前跟踪关键电机随时间的特性以检测劣化。已提出许多检测开路和短路的技术，这些技术使电机运作(例如尝试产生转矩)并随后检测故障，所述故障例如是与缺乏电机控制相关的过电流、控制器故障，或者对相等且相反或指示开路相的全零的两电流作合理性检查。这些故障可能具有与电机中的故障无关联的多种潜在原因。例如，相等且相反的两电流是每六十度旋转发生的自然状态并且在停转期间可能持续存在。控制器故障可关联于未能正确工作的电流传感器或门信号。此外，这些检查缺乏可信度并使得机器劣化直到重大故障发生为止未能被正确地识别，这可能导致交通工具的操作者处于窘境。
技术实现要素：
3.根据一个实施例，提供了一种检测电机中的故障的系统。该系统包括驱动电路、检测电路和控制器。驱动电路被配置成将驱动信号施加至电机。检测电路被配置成检测当驱动信号被施加至电机时产生的响应信号。控制器被配置成基于响应信号与被施加至电机的驱动信号的预期信号的比较来确定电机故障。驱动信号被选择以在电机中产生旋转磁场，该旋转磁场具有大于电机的最大机械响应频率的旋转频率。
4.在另一实施例中，提供了一种检测电机中的故障的方法。该方法包括步骤：将驱动信号施加至电机。该方法还包括步骤：检测当驱动信号被施加至电机时引起的响应信号。该方法还包括步骤：基于响应信号与被施加至电机的驱动信号的预期信号的比较来确定电机故障。驱动信号被选择以在电机中产生旋转磁场，该旋转磁场具有大于电机的最大机械响应频率的旋转频率。
5.在阅读优选实施例的下列详细描述后，进一步的特征和优势将更清楚地表现，这些优选实施例只是借助非限定例子和结合附图给出的。
附图说明
6.现在将参考附图借助示例来描述本发明，在附图中：
7.图1是根据一个实施例用于检测电机中的故障的系统的图；
8.图2是根据一个实施例图1的系统中出现的信号的曲线图；
9.图3是根据一个实施例图1的系统中出现的信号的曲线图；
10.图4是根据一个实施例图1的系统中出现的信号的曲线图；以及
11.图5是根据一个实施例的操作图1的系统的方法的流程图。
具体实施方式
12.图1示出用于检测电机(下文中称其为电机12)中的故障的系统10的一个非限制性例子。构思了本文描述的系统10同时研发出用于测试诸如汽车之类的交通工具中的电机的多种方法。然而，已发现本文描述的系统10可用于诸如工业应用的非汽车应用。电机12被图示为类似于三相无刷电机，可能具有永磁转子。然让，本文给出的教义可适用于其它类型的电机，例如感应式电机、同步磁阻电机以及绕组场同步电机，具有三个相之外的数个相的电机，如本领域内技术人员所理解的那样。
13.系统10包括被配置成将驱动信号16施加至电机12的驱动电路14。典型地，驱动电路14是能够将正和负差分电压施加至电机12的各个相26(pa、pb和pc)的全波式驱动。替代地，驱动电路14可以是控制电流式驱动，其被配置成将要求的电流注入到每个相26，而不是将电压施加至每个相26。
14.系统10包括检测电路20，该检测电路20被配置成检测当将驱动信号16施加至电机12时引起的响应信号18。作为示例而非限制，响应信号18在本例中是分别流入相pa、pb和pc的电流ia、ib和ic。替代地，如果驱动电路14是控制电流式驱动，则检测电路20可优选地被配置成确定对每个相命令或施加的电压(例如va、vb和vc)。如果检测电路20被配置成确定电流，例如ia、ib和ic，则检测电路20可包括例如用于每个相的小值电流感测电阻器或霍尔效应式电流传感器，如本领域内技术人员了解的那样。
15.系统10包括控制器22，其被配置成基于响应信号18与被施加至电机12的驱动信号16的预期信号24的比较来确定电机故障。响应信号18如图所示通过检测电路20被报告至控制器22，并且驱动信号16响应于来自控制器22的控制信号通过驱动电路14被输出。控制器22可包括处理器(未示出)，例如微处理器或其它控制电路，比如包括用于处理数据的专用集成电路(asic)的模拟和/或数字控制电路，如本领域内技术人员熟知的那样。控制器22可包括存储器，其包括非易失性存储器，例如用于存储一个或多个例程、阈值、捕获数据和预期信号24的电可擦除可编程只读存储器(eeprom)。一个或多个例程可由处理器执行以执行步骤：确定由控制器22接收的信号是否指示电机12存在故障(即功能问题)，如本文描述的那样。可经由例如显示在驾驶员信息中心上的消息或通过使交通工具的仪表盘上的图标发光而向交通工具的操作者指示电机故障。
16.系统10可包括转子角位置传感器(下文中称其为角度传感器30)，其被配置成将角度信号28提供至控制器22，该角度信号28指示电机12的转子(未示出)相对于电机12的绕组(未示出)或定子(未示出)的角度，如本领域内技术人员了解的那样。角度信号28可用于确定或补偿预期信号24，该预期信号24可由控制器22从存储器调用或者通过控制器22因变于角度信号28地确定(例如估算或计算)。也就是说，响应于正被施加至电机12的驱动信号16产生的响应信号18受电机12的转子相对于电机12的绕组或定子的角位置影响。因而，角信号28有益于调整预期信号24应当是什么，并由此为通过控制器22与响应信号18的比较提供
更好的基准。替代地，可使用角位置计算响应信号以形成对于不同转子位置固定的响应信号并由此与恒定的预期结果比较。此外，检测电路可将信号提供给控制器22，所述信号可在对预期结果24作出比较之前被进一步修正。
17.本文描述的系统10通过在使用电机12以产生任何实质转矩之前执行诊断测试而克服了执行电机测试的之前尝试的缺点。本文描述的诊断测试可例如在系统10的最初加电期间被执行。一般来说，诊断测试较为有利地将额定工作电压(例如来自325v供电的30v pwm)而不是现有技术中建议的相对低电压/电流测试信号(例如5v)施加至电机12。施加额定工作电压是有利的，因为高电压和电流能更好地揭示电机12绕组中的介电绝缘击穿和/或更好地揭示由电机12的绕组或端子的线中的断裂疲劳造成的局部高阻。然而，为了避免电机的运动，诊断测试以相对短的时间间隔执行并使用不使电机转动的驱动信号。
18.当运作电机12以产生典型转矩水平时，电机12内磁场转动的转速等于转子的转速，并相对于转子的场处于一特定相位，该特定相位由要求的转矩、要求的效率和电机特性规定。如果转子不转动(即不运动)并且具有显著高转速的旋转磁场被施加于电机12，则平均转矩将基本为零，具有很小甚至没有转子运动，因为机械惯性将有效地滤除转矩的交变分量。因而，如果选择驱动信号16以在电机12中产生旋转频率202(图2)大于电机12的最大机械响应频率的旋转磁场，则可执行测试。在本文中，术语“旋转频率”指通过将相同频率的ac电压施加至电机的每个相而由电机绕组产生的磁场旋转的频率，由于电机的设计，该频率可能与转子的转速不同。此外，最大机械响应频率是旋转频率202(图2)的一个值，在该值下，电机12的任何增量运动不影响电机12耦合至的负载并且响应信号18也不受影响。也就是说，当旋转频率202大于电机12的最大机械响应频率时，电机12有效地停转，即使驱动信号16的振幅类似于当旋转频率202较低时用来运行电机12的振幅。最大机械响应频率可通过经验测试和/或计算机建模予以确定，并可将电机12上的预期机械负载考虑进来。
19.图2示出适于测试电机12的驱动信号16的曲线图200的非限制性例子。在该例中，图2所示的驱动信号16的旋转频率202大约为八百赫兹(800hz)。通过将斜变的正弦电压提供给电机12来形成正弦电流，以不至于不必要地激励出瞬变电流，所述瞬变电流由于需要过分长的时间周期达到稳态因此可能不利地影响相电流测量。驱动信号16典型地例如在10千赫(10khz)下通过脉宽调制(pwm)图案来产生，但仅示出下面的800hz基本信号内容。也就是说，图2所示的驱动信号16未示出用来产生驱动信号16的pwm信号，该驱动信号16可能具有比图示高得多的频率。如前面建议的，如果一个相部分地短路或开路，电流调整器可仍然用来驱动电流，尽管必须留意以确保适当的保护。
20.驱动信号16的曲线图200包括在驱动信号16在时间0秒开始之后的向上斜变部分210、在时间0.015秒驱动信号16结束前的向下斜变230部分以及在向上斜变部分210和向下斜变部分230之间的测试部分220。测试部分220在时间0.005秒和0.010秒之间。驱动信号16在向上斜变部分和向下斜变部分期间的斜变率被配置或选择成减少或避免电流瞬变，所述电流瞬变可能造成要求发射水平过量的辐射或传导式发射，所述要求的发射水平可由交通工具制造商和/或政府机构设定，并且所述电流瞬变将不必要地使测试部分时间增加。如果斜变率过慢，则通过施加驱动信号16执行的诊断测试的总测试时间可能长得令人不可接受，由此引起在电机12可供操作以产生转矩之前不可接受的延时。
21.如前面建议的，本文描述的系统10的一个实施例具有被配置成测量流入电机12的
一个或多个相26的电流(例如ia、ib、ic)的检测电路40，并且响应信号18基于在驱动信号16的测试部分230期间流入电机12的一个或多个相的电流。控制器22可从检测电路20采样数据并处理经采样的数据以使响应信号18可由单个值进行表征，例如流入电机12的某相(例如pa、pb、pc)的电流的平均大小304。
22.图3示出响应于被施加至电机12的非限制性例子的图2的驱动信号16产生的响应信号18的非限制性例子的曲线图300。由于转子的角位置会影响每个相的有效电感，因此电流ia、ib和ic具有不同的平均大小。因此，角度信号28可由控制器22使用以确定响应信号18的预期信号24。
23.可通过控制器22确定平均大小304，该控制器22从检测电路20采样数据并计算电流ia、ib、ic中的任一或全部的绝对值的代数平均值或者计算均方根(rms)值。存在若干选项以检测开路和短路。最基础的检查是各自分析电流ia、ib、ic，该最基础的检查需要最少量的处理功率并同样提供对有问题的特定相的识别。例如，绝对最大值/最小值或绝对值的平均值可提供足够的信息以确定电流是否处于适当的大小。过低的电流指示开路或者高阻状态存在于电机中的特定相(pa、pb、pc)。如果多个相开路，则没有电流将流过，这也可被检测到。过高的电流指示短路或低阻状态存在。对于端子短路的极端情形，系统10可包括过电流保护(未示出)，如本领域内技术人员将能认识到的那样。
24.作为进一步的示例而非限制，控制器22可计算其中一个相26中的平均电流304为8安倍(8a)。控制器22可被配置成如果平均大小304小于开路阈值306(例如2安培(2a))则指示电机故障。类似地，控制器22可被配置成如果平均大小大于短路阈值308(例如30安培(30a))则指示电机故障。对开路阈值306和短路阈值308选择的值可通过经验测试或通过工程分析来完成。
25.图4示出通过方程1从电流ia、ib和ic的变形中导出的q轴电流iq和d轴电流id的非限制性例子的曲线图400以使电机的特征电流404(例如iq、id)在转子参考系402中被观察到。其中θ(即-θ)由角度信号28表示。
26.在该非限制性例子中，响应信号18被表征为从流入到电机12的每个相pa、pb、pc的电流ia、ib、ic导出的特征电流404以及角度信号28。特征电流可通过例如q轴电流iq的平均大小(例如8安培(8a))的值来表示。替代地，也可使用d轴电流。预期值24可由控制器24确定，该控制器24从存储器调用预编程的值。控制器22可使用角度信号28以调整从存储器调用的值，由此补偿由电机12中的转子的角位置改变造成的感应耦合的变化度。控制器22可进一步配置成如果该特征电流404与预期值24相差多于一差异阈值(在这里表示为阈值404)则指示电机故障。要理解，也可以有另一个低于特征电流404的阈值以提供特征电流404的值的“窗”或范围，其不指示电机故障。
27.控制器也可被配置成在驱动信号18的测试部分230期间基于响应信号18确定电机12的相(pa、pb、pc)的当前电感值(例如la、lb、lc，见图1)。如本领域内技术人员了解的那
样，当前电感值la可基于驱动信号a(即va)、电流ia和旋转频率202之间的相位差或者电压与流过电感器的电流大小的关系来计算出。可基于在驱动信号16的测试部分230期间流入电机的dq电流在转子参考系内的最小值和最大值而容易地到电流的振幅。任何计算出的当前电感值的预期值24可以是基线电感值，该基线电感值是在控制器22制造时被编程到控制器22内的预编程值，或者是基于当控制器22和其它电子器件开始连接至电机12时计算和存储的电感值的已知值。替代地，电机12的电感值可基于诸如转子参考系402或定子参考系(未示出)的替代参考系中指示的电感值。
28.因而，控制器22被配置成将当前电感值la、lb、lc与基线电感值进行比较，并且如果当前电感值与基线电感值相差一电感变化阈值以上则指示电机故障。例如，如果当前电感a被确定为10.5毫亨(10.5mh)并且预期值24是基于由角度信号28指示的转子角度的10.0mh的基线值的10.0mh，并且电感变化阈值为0.3mh，则由于当前电感la与预期值相差电感变化阈值以上，应当指示电感故障，这是因为电感值已变化太多。
29.图5示出检测电机12中的故障的方法500的非限制性例子。当控制器22首次接受功率时，方法500可初始化(开始)，并且如果所有测试都已通过(结束)，则方法500指示没有检测到电机故障。
30.步骤510，“施加驱动信号”，可包括将驱动信号16施加至电机12。如之前建议的，选择驱动信号16以在电机12中产生旋转磁场，该旋转磁场的旋转频率202大于电机12的最大机械响应频率。
31.步骤520，“检测响应信号”，可包括检测当将驱动信号16施加至电机12时引起的响应信号18。
32.步骤530-580描述了基于响应信号18与被施加至电机12的驱动信号16的预期信号24的比较确定电机故障的许多方式。优选地，响应信号定义或用来计算流入电机12的相的电流的平均大小304。应当理解，可对电机12的单个相或各种相组26确定开路、短路和其它故障条件。
33.步骤530，“平均大小＜开路阈值”，可包括如果该平均大小小于开路阈值则通过跳转至步骤590而指示电机故障。
34.步骤540，“平均大小＞短路阈值”，可包括如果该平均大小大于短路阈值则通过跳转至步骤590而指示电机故障。
35.步骤550，“转换响应信号”，可包括通过运用前面的方程1将检测到的电流ia、ib、ic转换到转子参考系，以使响应信号18定义从流入电机12的每个相的电流导出的特征电流。
36.步骤560，“特征电流≠预期值
±
差异阈值”，可包括如果特征电流与预期值24相差一差异阈值(例如阈值404)以上则指示电机故障。
37.步骤570，“确定当前电感”，可包括基于响应信号18确定电机12的相pa、pb、pc的当前电感值la、lb、lc。
38.步骤580，“当前电感≠基线电感值
±
电感变化阈值”，可包括如果当前电感与基线电感值相差一电感变化阈值以上则通过跳转至步骤590而指示电机故障。
39.概括地说，如果所有测试的结果为否，则没有检测到电机故障，由此方法500结束(结束)并且相信电机12是起作用的。然而，如果任何测试的结果为是(即未能通过测试)，则
检测到电机故障并且方法进至步骤590。
40.步骤590，“指示电机故障”，可包括启动可由交通工具的操作者观察到的警报灯和/或开始转矩被减小的模式以运作电机12，使其避免电机的完全故障(如果可能的话)。
41.因此，提供了一种检测电机中的故障的系统10、用于该系统10的控制器22以及方法500。不是将减小的电压测试信号而是将全电压测试信号施加至电机，由此能够更容易地检测介质击穿和其它故障。驱动信号16被配置成即便驱动信号16正在施加全操作电压也使得电机12不运动。
42.尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在如此限制，而是仅受后面权利要求书中给出的范围限制。
技术特征：
1.一种通过仅使用不使电机转动的单个驱动信号执行诊断测试来检测电机(12)中的故障的系统(10)，所述系统(10)包括：驱动电路(14)，其被配置成在所述诊断测试期间将所述单个驱动信号(16)施加至所述电机(12)；检测电路(20)，其被配置成检测当所述单个驱动信号(16)被施加至所述电机(12)时所产生的响应信号(18)；以及控制器(22)，其被配置成基于所述响应信号(18)与被施加至所述电机(12)的所述单个驱动信号(16)的预期信号(24)的比较来确定电机故障，其中，所述单个驱动信号(16)被选择用以在所述电机(12)中产生旋转磁场，所述旋转磁场具有大于所述电机(12)的最大机械响应频率的旋转频率(202)，所述控制器(22)被配置成基于在所述单个驱动信号(16)的测试部分(230)期间的所述响应信号(18)来确定所述电机(12)的相位的当前电感值，所述电机(12)的所述相位的所述当前电感值是基于在所述单个驱动信号(16)的测试部分(230)期间流入所述电机(12)的所述相的电流的最小值和最大值来确定的，并且所述诊断测试的总测试时间在15毫秒内。2.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述单个驱动信号(16)包括在所述单个驱动信号(16)开始之后的向上斜变部分(210)、在所述单个驱动信号(16)结束之前的向下斜变部分(220)以及在所述向上斜变部分(210)和所述向下斜变部分(220)之间的测试部分(230)，并且所述向上斜变部分(210)、所述向下斜变部分(220)和所述测试部分(230)分别都是所述诊断测试的所述总测试时间中的5毫秒。3.如权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述向上斜变部分(210)和所述向下斜变部分(220)被配置成减小电流瞬变。4.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述检测电路(20)被配置成测量流入所述电机(12)的一个或多个相(26)的电流，并且所述响应信号(18)是基于在所述单个驱动信号(16)的测试部分(230)期间流入所述电机(12)的一个或多个相(26)的电流。5.如权利要求4所述的系统(10)，其特征在于，所述响应信号(18)被表征为流入所述电机(12)的相的电流的平均大小(304)。6.如权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(22)被配置成如果所述平均大小(304)小于开路阈值(306)则指示电机故障。7.如权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(22)被配置成如果所述平均大小(304)大于短路阈值(308)则指示电机故障。8.如权利要求4所述的系统(10)，其特征在于，所述响应信号(18)被表征为从流入所述电机(12)的每个相的电流推导出的特征电流(404)。9.如权利要求8所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(22)被配置成如果所述特征电流(404)与预期值(24)相差超过一差异阈值(404)则指示电机故障。10.如权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，所述特征电流(404)是基于将所述电流转换到转子参考系(402)。11.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(22)被配置成将所述电机(12)的所述相位的所述当前电感值与基线电感值进行比较，并且如果所述电机(12)的所述
相位的所述当前电感值与所述基线电感值相差超过电感变化阈值(404)则指示电机故障。12.一种通过仅使用不使电机转动的单个驱动信号执行诊断测试来检测所述电机(12)中的故障的方法(500)，所述方法(500)包括：在所述诊断测试期间将所述单个驱动信号(16)施加至所述电机(12)；检测(520)当所述单个驱动信号(16)被施加至所述电机(12)时产生的响应信号(18)；以及基于所述响应信号(18)与被施加至所述电机(12)的所述单个驱动信号(16)的预期信号(24)的比较来确定(530-580)电机故障，其中，所述单个驱动信号(16)被选择用以在所述电机(12)中产生旋转磁场，所述旋转磁场具有大于所述电机(12)的最大机械响应频率的旋转频率(202)，所述特征电流(404)是基于将所述电流转换到转子参考系(402)，所述方法(500)还包括：基于所述响应信号(18)确定所述电机(12)的相的当前电感值；以及如果所述当前电感与基线电感值相差超过电感变化阈值(404)则指示(560、590)电机故障，并且所述诊断测试的总测试时间在15毫秒内。13.如权利要求12所述的方法(500)，其特征在于，所述响应信号(18)定义流入所述电机(12)的相的电流的平均大小(304)，并且所述方法(500)包括：如果所述平均大小(304)小于所述开路阈值(306)则指示(530，590)电机故障。14.如权利要求12所述的方法(500)，其特征在于，所述响应信号(18)定义流入所述电机(12)的相的电流的平均大小(304)，并且所述方法(500)包括：如果所述平均大小(304)大于所述短路阈值(308)则指示(540，590)电机故障。15.如权利要求12所述的方法(500)，其特征在于，所述响应信号(18)定义从流入所述电机(12)的每个相的电流推导出的特征电流(404)，并且所述方法(500)包括：如果所述特征电流(404)与所述预期值(24)相差超过差异阈值(404)则指示(560、590)电机故障。16.如权利要求12－15中任何一项所述的方法，其特征在于，所述单个驱动信号(16)包括在所述单个驱动信号(16)开始之后的向上斜变部分(210)、在所述单个驱动信号(16)结束之前的向下斜变部分(220)以及在所述向上斜变部分(210)和所述向下斜变部分(220)之间的测试部分(230)，并且所述向上斜变部分(210)、所述向下斜变部分(220)和所述测试部分(230)分别都是所述诊断测试的所述总测试时间中的5毫秒。
技术总结
公开了电机故障检测的系统和方法。一种用于检测电机(12)中的故障的系统(10)包括驱动电路(14)、检测电路(20)和控制器(22)。驱动电路(14)被配置成将驱动信号(16)施加至电机(12)。检测电路(20)被配置成检测当驱动信号(16)被施加至电机(12)时产生的响应信号(18)。控制器(22)被配置成基于响应信号(18)与被施加至电机(12)的驱动信号(16)的预期信号(24)的比较来确定电机故障。驱动信号(16)被选择以在电机(12)中产生旋转磁场，该旋转磁场具有大于电机(12)的最大机械响应频率的旋转频率(202)。(202)。(202)。
