電機故障檢測的系統和方法與流程
電機故障檢測的系統和方法
本技術是中國申請號為201510615664.3，發明名稱為“電機故障檢測的系統和方法”的發明專利申請的分案申請。
技術領域
1.本公開總地涉及檢測電機中的電氣故障的系統，更具體地涉及施加選定的驅動信號以在電機中產生旋轉磁場，所述旋轉磁場的旋轉頻率大于電機的最大機械響應頻率。
背景技術：
2.已知為交通工具配備電驅動致動器或電機以將轉矩提供至引擎/傳動系/輪子，并有當機械驅動時選擇地發電。電機的各種故障模式包括電機各相的內部短路或開路。在電機由交通工具使用之前，較為有利的是測試電機而不實際地運作該電機。另外，較為有利的是在重大故障發生前跟蹤關鍵電機隨時間的特性以檢測劣化。已提出許多檢測開路和短路的技術，這些技術使電機運作(例如嘗試產生轉矩)并隨后檢測故障，所述故障例如是與缺乏電機控制相關的過電流、控制器故障，或者對相等且相反或指示開路相的全零的兩電流作合理性檢查。這些故障可能具有與電機中的故障無關聯的多種潛在原因。例如，相等且相反的兩電流是每六十度旋轉發生的自然狀態并且在停轉期間可能持續存在?？刂破鞴收峡申P聯于未能正確工作的電流傳感器或門信號。此外，這些檢查缺乏可信度并使得機器劣化直到重大故障發生為止未能被正確地識別，這可能導致交通工具的操作者處于窘境。
技術實現要素：
3.根據一個實施例，提供了一種檢測電機中的故障的系統。該系統包括驅動電路、檢測電路和控制器。驅動電路被配置成將驅動信號施加至電機。檢測電路被配置成檢測當驅動信號被施加至電機時產生的響應信號?？刂破鞅慌渲贸苫陧憫盘柵c被施加至電機的驅動信號的預期信號的比較來確定電機故障。驅動信號被選擇以在電機中產生旋轉磁場，該旋轉磁場具有大于電機的最大機械響應頻率的旋轉頻率。
4.在另一實施例中，提供了一種檢測電機中的故障的方法。該方法包括步驟：將驅動信號施加至電機。該方法還包括步驟：檢測當驅動信號被施加至電機時引起的響應信號。該方法還包括步驟：基于響應信號與被施加至電機的驅動信號的預期信號的比較來確定電機故障。驅動信號被選擇以在電機中產生旋轉磁場，該旋轉磁場具有大于電機的最大機械響應頻率的旋轉頻率。
5.在閱讀優選實施例的下列詳細描述后，進一步的特征和優勢將更清楚地表現，這些優選實施例只是借助非限定例子和結合附圖給出的。
附圖說明
6.現在將參考附圖借助示例來描述本發明，在附圖中：
7.圖1是根據一個實施例用于檢測電機中的故障的系統的圖；
8.圖2是根據一個實施例圖1的系統中出現的信號的曲線圖；
9.圖3是根據一個實施例圖1的系統中出現的信號的曲線圖；
10.圖4是根據一個實施例圖1的系統中出現的信號的曲線圖；以及
11.圖5是根據一個實施例的操作圖1的系統的方法的流程圖。
具體實施方式
12.圖1示出用于檢測電機(下文中稱其為電機12)中的故障的系統10的一個非限制性例子。構思了本文描述的系統10同時研發出用于測試諸如汽車之類的交通工具中的電機的多種方法。然而，已發現本文描述的系統10可用于諸如工業應用的非汽車應用。電機12被圖示為類似于三相無刷電機，可能具有永磁轉子。然讓，本文給出的教義可適用于其它類型的電機，例如感應式電機、同步磁阻電機以及繞組場同步電機，具有三個相之外的數個相的電機，如本領域內技術人員所理解的那樣。
13.系統10包括被配置成將驅動信號16施加至電機12的驅動電路14。典型地，驅動電路14是能夠將正和負差分電壓施加至電機12的各個相26(pa、pb和pc)的全波式驅動。替代地，驅動電路14可以是控制電流式驅動，其被配置成將要求的電流注入到每個相26，而不是將電壓施加至每個相26。
14.系統10包括檢測電路20，該檢測電路20被配置成檢測當將驅動信號16施加至電機12時引起的響應信號18。作為示例而非限制，響應信號18在本例中是分別流入相pa、pb和pc的電流ia、ib和ic。替代地，如果驅動電路14是控制電流式驅動，則檢測電路20可優選地被配置成確定對每個相命令或施加的電壓(例如va、vb和vc)。如果檢測電路20被配置成確定電流，例如ia、ib和ic，則檢測電路20可包括例如用于每個相的小值電流感測電阻器或霍爾效應式電流傳感器，如本領域內技術人員了解的那樣。
15.系統10包括控制器22，其被配置成基于響應信號18與被施加至電機12的驅動信號16的預期信號24的比較來確定電機故障。響應信號18如圖所示通過檢測電路20被報告至控制器22，并且驅動信號16響應于來自控制器22的控制信號通過驅動電路14被輸出?？刂破?2可包括處理器(未示出)，例如微處理器或其它控制電路，比如包括用于處理數據的專用集成電路(asic)的模擬和/或數字控制電路，如本領域內技術人員熟知的那樣?？刂破?2可包括存儲器，其包括非易失性存儲器，例如用于存儲一個或多個例程、閾值、捕獲數據和預期信號24的電可擦除可編程只讀存儲器(eeprom)。一個或多個例程可由處理器執行以執行步驟：確定由控制器22接收的信號是否指示電機12存在故障(即功能問題)，如本文描述的那樣。可經由例如顯示在駕駛員信息中心上的消息或通過使交通工具的儀表盤上的圖標發光而向交通工具的操作者指示電機故障。
16.系統10可包括轉子角位置傳感器(下文中稱其為角度傳感器30)，其被配置成將角度信號28提供至控制器22，該角度信號28指示電機12的轉子(未示出)相對于電機12的繞組(未示出)或定子(未示出)的角度，如本領域內技術人員了解的那樣。角度信號28可用于確定或補償預期信號24，該預期信號24可由控制器22從存儲器調用或者通過控制器22因變于角度信號28地確定(例如估算或計算)。也就是說，響應于正被施加至電機12的驅動信號16產生的響應信號18受電機12的轉子相對于電機12的繞組或定子的角位置影響。因而，角信號28有益于調整預期信號24應當是什么，并由此為通過控制器22與響應信號18的比較提供
更好的基準。替代地，可使用角位置計算響應信號以形成對于不同轉子位置固定的響應信號并由此與恒定的預期結果比較。此外，檢測電路可將信號提供給控制器22，所述信號可在對預期結果24作出比較之前被進一步修正。
17.本文描述的系統10通過在使用電機12以產生任何實質轉矩之前執行診斷測試而克服了執行電機測試的之前嘗試的缺點。本文描述的診斷測試可例如在系統10的最初加電期間被執行。一般來說，診斷測試較為有利地將額定工作電壓(例如來自325v供電的30v pwm)而不是現有技術中建議的相對低電壓/電流測試信號(例如5v)施加至電機12。施加額定工作電壓是有利的，因為高電壓和電流能更好地揭示電機12繞組中的介電絕緣擊穿和/或更好地揭示由電機12的繞組或端子的線中的斷裂疲勞造成的局部高阻。然而，為了避免電機的運動，診斷測試以相對短的時間間隔執行并使用不使電機轉動的驅動信號。
18.當運作電機12以產生典型轉矩水平時，電機12內磁場轉動的轉速等于轉子的轉速，并相對于轉子的場處于一特定相位，該特定相位由要求的轉矩、要求的效率和電機特性規定。如果轉子不轉動(即不運動)并且具有顯著高轉速的旋轉磁場被施加于電機12，則平均轉矩將基本為零，具有很小甚至沒有轉子運動，因為機械慣性將有效地濾除轉矩的交變分量。因而，如果選擇驅動信號16以在電機12中產生旋轉頻率202(圖2)大于電機12的最大機械響應頻率的旋轉磁場，則可執行測試。在本文中，術語“旋轉頻率”指通過將相同頻率的ac電壓施加至電機的每個相而由電機繞組產生的磁場旋轉的頻率，由于電機的設計，該頻率可能與轉子的轉速不同。此外，最大機械響應頻率是旋轉頻率202(圖2)的一個值，在該值下，電機12的任何增量運動不影響電機12耦合至的負載并且響應信號18也不受影響。也就是說，當旋轉頻率202大于電機12的最大機械響應頻率時，電機12有效地停轉，即使驅動信號16的振幅類似于當旋轉頻率202較低時用來運行電機12的振幅。最大機械響應頻率可通過經驗測試和/或計算機建模予以確定，并可將電機12上的預期機械負載考慮進來。
19.圖2示出適于測試電機12的驅動信號16的曲線圖200的非限制性例子。在該例中，圖2所示的驅動信號16的旋轉頻率202大約為八百赫茲(800hz)。通過將斜變的正弦電壓提供給電機12來形成正弦電流，以不至于不必要地激勵出瞬變電流，所述瞬變電流由于需要過分長的時間周期達到穩態因此可能不利地影響相電流測量。驅動信號16典型地例如在10千赫(10khz)下通過脈寬調制(pwm)圖案來產生，但僅示出下面的800hz基本信號內容。也就是說，圖2所示的驅動信號16未示出用來產生驅動信號16的pwm信號，該驅動信號16可能具有比圖示高得多的頻率。如前面建議的，如果一個相部分地短路或開路，電流調整器可仍然用來驅動電流，盡管必須留意以確保適當的保護。
20.驅動信號16的曲線圖200包括在驅動信號16在時間0秒開始之后的向上斜變部分210、在時間0.015秒驅動信號16結束前的向下斜變230部分以及在向上斜變部分210和向下斜變部分230之間的測試部分220。測試部分220在時間0.005秒和0.010秒之間。驅動信號16在向上斜變部分和向下斜變部分期間的斜變率被配置或選擇成減少或避免電流瞬變，所述電流瞬變可能造成要求發射水平過量的輻射或傳導式發射，所述要求的發射水平可由交通工具制造商和/或政府機構設定，并且所述電流瞬變將不必要地使測試部分時間增加。如果斜變率過慢，則通過施加驅動信號16執行的診斷測試的總測試時間可能長得令人不可接受，由此引起在電機12可供操作以產生轉矩之前不可接受的延時。
21.如前面建議的，本文描述的系統10的一個實施例具有被配置成測量流入電機12的
一個或多個相26的電流(例如ia、ib、ic)的檢測電路40，并且響應信號18基于在驅動信號16的測試部分230期間流入電機12的一個或多個相的電流?？刂破?2可從檢測電路20采樣數據并處理經采樣的數據以使響應信號18可由單個值進行表征，例如流入電機12的某相(例如pa、pb、pc)的電流的平均大小304。
22.圖3示出響應于被施加至電機12的非限制性例子的圖2的驅動信號16產生的響應信號18的非限制性例子的曲線圖300。由于轉子的角位置會影響每個相的有效電感，因此電流ia、ib和ic具有不同的平均大小。因此，角度信號28可由控制器22使用以確定響應信號18的預期信號24。
23.可通過控制器22確定平均大小304，該控制器22從檢測電路20采樣數據并計算電流ia、ib、ic中的任一或全部的絕對值的代數平均值或者計算均方根(rms)值。存在若干選項以檢測開路和短路。最基礎的檢查是各自分析電流ia、ib、ic，該最基礎的檢查需要最少量的處理功率并同樣提供對有問題的特定相的識別。例如，絕對最大值/最小值或絕對值的平均值可提供足夠的信息以確定電流是否處于適當的大小。過低的電流指示開路或者高阻狀態存在于電機中的特定相(pa、pb、pc)。如果多個相開路，則沒有電流將流過，這也可被檢測到。過高的電流指示短路或低阻狀態存在。對于端子短路的極端情形，系統10可包括過電流保護(未示出)，如本領域內技術人員將能認識到的那樣。
24.作為進一步的示例而非限制，控制器22可計算其中一個相26中的平均電流304為8安倍(8a)。控制器22可被配置成如果平均大小304小于開路閾值306(例如2安培(2a))則指示電機故障。類似地，控制器22可被配置成如果平均大小大于短路閾值308(例如30安培(30a))則指示電機故障。對開路閾值306和短路閾值308選擇的值可通過經驗測試或通過工程分析來完成。
25.圖4示出通過方程1從電流ia、ib和ic的變形中導出的q軸電流iq和d軸電流id的非限制性例子的曲線圖400以使電機的特征電流404(例如iq、id)在轉子參考系402中被觀察到。其中θ(即-θ)由角度信號28表示。
26.在該非限制性例子中，響應信號18被表征為從流入到電機12的每個相pa、pb、pc的電流ia、ib、ic導出的特征電流404以及角度信號28。特征電流可通過例如q軸電流iq的平均大小(例如8安培(8a))的值來表示。替代地，也可使用d軸電流。預期值24可由控制器24確定，該控制器24從存儲器調用預編程的值。控制器22可使用角度信號28以調整從存儲器調用的值，由此補償由電機12中的轉子的角位置改變造成的感應耦合的變化度?？刂破?2可進一步配置成如果該特征電流404與預期值24相差多于一差異閾值(在這里表示為閾值404)則指示電機故障。要理解，也可以有另一個低于特征電流404的閾值以提供特征電流404的值的“窗”或范圍，其不指示電機故障。
27.控制器也可被配置成在驅動信號18的測試部分230期間基于響應信號18確定電機12的相(pa、pb、pc)的當前電感值(例如la、lb、lc，見圖1)。如本領域內技術人員了解的那
樣，當前電感值la可基于驅動信號a(即va)、電流ia和旋轉頻率202之間的相位差或者電壓與流過電感器的電流大小的關系來計算出。可基于在驅動信號16的測試部分230期間流入電機的dq電流在轉子參考系內的最小值和最大值而容易地到電流的振幅。任何計算出的當前電感值的預期值24可以是基線電感值，該基線電感值是在控制器22制造時被編程到控制器22內的預編程值，或者是基于當控制器22和其它電子器件開始連接至電機12時計算和存儲的電感值的已知值。替代地，電機12的電感值可基于諸如轉子參考系402或定子參考系(未示出)的替代參考系中指示的電感值。
28.因而，控制器22被配置成將當前電感值la、lb、lc與基線電感值進行比較，并且如果當前電感值與基線電感值相差一電感變化閾值以上則指示電機故障。例如，如果當前電感a被確定為10.5毫亨(10.5mh)并且預期值24是基于由角度信號28指示的轉子角度的10.0mh的基線值的10.0mh，并且電感變化閾值為0.3mh，則由于當前電感la與預期值相差電感變化閾值以上，應當指示電感故障，這是因為電感值已變化太多。
29.圖5示出檢測電機12中的故障的方法500的非限制性例子。當控制器22首次接受功率時，方法500可初始化(開始)，并且如果所有測試都已通過(結束)，則方法500指示沒有檢測到電機故障。
30.步驟510，“施加驅動信號”，可包括將驅動信號16施加至電機12。如之前建議的，選擇驅動信號16以在電機12中產生旋轉磁場，該旋轉磁場的旋轉頻率202大于電機12的最大機械響應頻率。
31.步驟520，“檢測響應信號”，可包括檢測當將驅動信號16施加至電機12時引起的響應信號18。
32.步驟530-580描述了基于響應信號18與被施加至電機12的驅動信號16的預期信號24的比較確定電機故障的許多方式。優選地，響應信號定義或用來計算流入電機12的相的電流的平均大小304。應當理解，可對電機12的單個相或各種相組26確定開路、短路和其它故障條件。
33.步驟530，“平均大?。奸_路閾值”，可包括如果該平均大小小于開路閾值則通過跳轉至步驟590而指示電機故障。
34.步驟540，“平均大?。径搪烽撝怠保砂ㄈ绻撈骄笮〈笥诙搪烽撝祫t通過跳轉至步驟590而指示電機故障。
35.步驟550，“轉換響應信號”，可包括通過運用前面的方程1將檢測到的電流ia、ib、ic轉換到轉子參考系，以使響應信號18定義從流入電機12的每個相的電流導出的特征電流。
36.步驟560，“特征電流≠預期值
±
差異閾值”，可包括如果特征電流與預期值24相差一差異閾值(例如閾值404)以上則指示電機故障。
37.步驟570，“確定當前電感”，可包括基于響應信號18確定電機12的相pa、pb、pc的當前電感值la、lb、lc。
38.步驟580，“當前電感≠基線電感值
±
電感變化閾值”，可包括如果當前電感與基線電感值相差一電感變化閾值以上則通過跳轉至步驟590而指示電機故障。
39.概括地說，如果所有測試的結果為否，則沒有檢測到電機故障，由此方法500結束(結束)并且相信電機12是起作用的。然而，如果任何測試的結果為是(即未能通過測試)，則
檢測到電機故障并且方法進至步驟590。
40.步驟590，“指示電機故障”，可包括啟動可由交通工具的操作者觀察到的警報燈和/或開始轉矩被減小的模式以運作電機12，使其避免電機的完全故障(如果可能的話)。
41.因此，提供了一種檢測電機中的故障的系統10、用于該系統10的控制器22以及方法500。不是將減小的電壓測試信號而是將全電壓測試信號施加至電機，由此能夠更容易地檢測介質擊穿和其它故障。驅動信號16被配置成即便驅動信號16正在施加全操作電壓也使得電機12不運動。
42.盡管已針對其優選實施例對本發明進行了描述，然而本發明不旨在如此限制，而是僅受后面權利要求書中給出的范圍限制。
技術特征：
1.一種通過僅使用不使電機轉動的單個驅動信號執行診斷測試來檢測電機(12)中的故障的系統(10)，所述系統(10)包括：驅動電路(14)，其被配置成在所述診斷測試期間將所述單個驅動信號(16)施加至所述電機(12)；檢測電路(20)，其被配置成檢測當所述單個驅動信號(16)被施加至所述電機(12)時所產生的響應信號(18)；以及控制器(22)，其被配置成基于所述響應信號(18)與被施加至所述電機(12)的所述單個驅動信號(16)的預期信號(24)的比較來確定電機故障，其中，所述單個驅動信號(16)被選擇用以在所述電機(12)中產生旋轉磁場，所述旋轉磁場具有大于所述電機(12)的最大機械響應頻率的旋轉頻率(202)，所述控制器(22)被配置成基于在所述單個驅動信號(16)的測試部分(230)期間的所述響應信號(18)來確定所述電機(12)的相位的當前電感值，所述電機(12)的所述相位的所述當前電感值是基于在所述單個驅動信號(16)的測試部分(230)期間流入所述電機(12)的所述相的電流的最小值和最大值來確定的，并且所述診斷測試的總測試時間在15毫秒內。2.如權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述單個驅動信號(16)包括在所述單個驅動信號(16)開始之后的向上斜變部分(210)、在所述單個驅動信號(16)結束之前的向下斜變部分(220)以及在所述向上斜變部分(210)和所述向下斜變部分(220)之間的測試部分(230)，并且所述向上斜變部分(210)、所述向下斜變部分(220)和所述測試部分(230)分別都是所述診斷測試的所述總測試時間中的5毫秒。3.如權利要求2所述的系統(10)，其特征在于，所述向上斜變部分(210)和所述向下斜變部分(220)被配置成減小電流瞬變。4.如權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述檢測電路(20)被配置成測量流入所述電機(12)的一個或多個相(26)的電流，并且所述響應信號(18)是基于在所述單個驅動信號(16)的測試部分(230)期間流入所述電機(12)的一個或多個相(26)的電流。5.如權利要求4所述的系統(10)，其特征在于，所述響應信號(18)被表征為流入所述電機(12)的相的電流的平均大小(304)。6.如權利要求5所述的系統(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)小于開路閾值(306)則指示電機故障。7.如權利要求5所述的系統(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)大于短路閾值(308)則指示電機故障。8.如權利要求4所述的系統(10)，其特征在于，所述響應信號(18)被表征為從流入所述電機(12)的每個相的電流推導出的特征電流(404)。9.如權利要求8所述的系統(10)，其特征在于，所述控制器(22)被配置成如果所述特征電流(404)與預期值(24)相差超過一差異閾值(404)則指示電機故障。10.如權利要求9所述的系統(10)，其特征在于，所述特征電流(404)是基于將所述電流轉換到轉子參考系(402)。11.如權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述控制器(22)被配置成將所述電機(12)的所述相位的所述當前電感值與基線電感值進行比較，并且如果所述電機(12)的所述
相位的所述當前電感值與所述基線電感值相差超過電感變化閾值(404)則指示電機故障。12.一種通過僅使用不使電機轉動的單個驅動信號執行診斷測試來檢測所述電機(12)中的故障的方法(500)，所述方法(500)包括：在所述診斷測試期間將所述單個驅動信號(16)施加至所述電機(12)；檢測(520)當所述單個驅動信號(16)被施加至所述電機(12)時產生的響應信號(18)；以及基于所述響應信號(18)與被施加至所述電機(12)的所述單個驅動信號(16)的預期信號(24)的比較來確定(530-580)電機故障，其中，所述單個驅動信號(16)被選擇用以在所述電機(12)中產生旋轉磁場，所述旋轉磁場具有大于所述電機(12)的最大機械響應頻率的旋轉頻率(202)，所述特征電流(404)是基于將所述電流轉換到轉子參考系(402)，所述方法(500)還包括：基于所述響應信號(18)確定所述電機(12)的相的當前電感值；以及如果所述當前電感與基線電感值相差超過電感變化閾值(404)則指示(560、590)電機故障，并且所述診斷測試的總測試時間在15毫秒內。13.如權利要求12所述的方法(500)，其特征在于，所述響應信號(18)定義流入所述電機(12)的相的電流的平均大小(304)，并且所述方法(500)包括：如果所述平均大小(304)小于所述開路閾值(306)則指示(530，590)電機故障。14.如權利要求12所述的方法(500)，其特征在于，所述響應信號(18)定義流入所述電機(12)的相的電流的平均大小(304)，并且所述方法(500)包括：如果所述平均大小(304)大于所述短路閾值(308)則指示(540，590)電機故障。15.如權利要求12所述的方法(500)，其特征在于，所述響應信號(18)定義從流入所述電機(12)的每個相的電流推導出的特征電流(404)，并且所述方法(500)包括：如果所述特征電流(404)與所述預期值(24)相差超過差異閾值(404)則指示(560、590)電機故障。16.如權利要求12－15中任何一項所述的方法，其特征在于，所述單個驅動信號(16)包括在所述單個驅動信號(16)開始之后的向上斜變部分(210)、在所述單個驅動信號(16)結束之前的向下斜變部分(220)以及在所述向上斜變部分(210)和所述向下斜變部分(220)之間的測試部分(230)，并且所述向上斜變部分(210)、所述向下斜變部分(220)和所述測試部分(230)分別都是所述診斷測試的所述總測試時間中的5毫秒。
技術總結
公開了電機故障檢測的系統和方法。一種用于檢測電機(12)中的故障的系統(10)包括驅動電路(14)、檢測電路(20)和控制器(22)。驅動電路(14)被配置成將驅動信號(16)施加至電機(12)。檢測電路(20)被配置成檢測當驅動信號(16)被施加至電機(12)時產生的響應信號(18)。控制器(22)被配置成基于響應信號(18)與被施加至電機(12)的驅動信號(16)的預期信號(24)的比較來確定電機故障。驅動信號(16)被選擇以在電機(12)中產生旋轉磁場，該旋轉磁場具有大于電機(12)的最大機械響應頻率的旋轉頻率(202)。(202)。(202)。
