專利名稱：用于旋轉(zhuǎn)場機器的失相檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)場機器(包括永磁電機和感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng))中的故障檢測，特別涉及旋轉(zhuǎn)場機器(rotating field machine)中的失相檢測。
背景技術(shù)：
永磁(PM)和感應(yīng)電機以及電機驅(qū)動系統(tǒng)公知地在各種控制運動和速率的應(yīng)用中使用。某些類型的電機驅(qū)動包括功率變換器，用于將功率選擇性地傳遞(deliver)到多相電機中的各相中。一種類型的電機使用三相(其各相受到特定方法激勵以對永久磁體產(chǎn)生影響)來根據(jù)所需的特征(profile)驅(qū)動電機。出于設(shè)計和其他實踐考慮，通常通過各種長度的電纜或者線路連接來連接電機和功率變換器，從而使得功率變換器與電機是分開的。典型地采取預(yù)防措施以保護電纜和線路連接，防止其受到電機驅(qū)動系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的EMI和其他噪聲信號的影響。
盡管通常采用附加的防護措施來保護功率變換器和電機之間的電纜和線路連接，但是電纜或線路連接有時仍會產(chǎn)生問題。例如，當驅(qū)動和電機之間的線路連接損壞、松開或者斷開時，會使驅(qū)動操作發(fā)生故障。例如，任何上述問題都可以導致電機啟動失敗。
在不需要大的起動轉(zhuǎn)矩時，雖然電機可以啟動并且運轉(zhuǎn)，但是具有相當大的轉(zhuǎn)矩脈動。轉(zhuǎn)矩脈動會大大降低驅(qū)動效率，增加聲頻噪聲并且可能最終損壞連接軸負載。需要檢測電機電連接在何時存在故障，并且在這種情況下提供故障響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于檢測旋轉(zhuǎn)場機器(例如具有無傳感器反饋檢測系統(tǒng)的永磁同步電機或者感應(yīng)電機)中失相的系統(tǒng)和方法。永磁同步電機(PMSM)可以在啟動后，通過暫停在一定角度以獲得用于啟動和運轉(zhuǎn)電機的初始條件來進行初始化。用于使電機暫停的技術(shù)包括向電機繞組施加DC電流，以使得電機軸在一定的指定角度下暫停?？梢栽诙鄠€階段中完成暫停，其中同步旋轉(zhuǎn)坐標電流調(diào)節(jié)器中的電流矢量與第一相位對準，并且繼而與另一個相位對準，在此期間可以測量其他相位電流的對準。當測量到未與電流矢量對準的相位電流時，其或者落入預(yù)期的范圍內(nèi)，或者可以觀察到錯誤信號。當特定的電流大小落在預(yù)期的范圍外時，將指示產(chǎn)生了失相錯誤。
因此，本發(fā)明描述了一種用于在旋轉(zhuǎn)場機器啟動過程當中，檢測旋轉(zhuǎn)場機器驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)場機器之間的旋轉(zhuǎn)場機器相位分離或相位錯誤的方法。可以在永磁電機驅(qū)動的啟動過程當中，僅通過監(jiān)測來自2級DC電流引入的一個相位電流反饋來確定失相。
本發(fā)明的失相檢測方案可以并入電機的啟動程序而無需延長啟動過程。有利地，電機的啟動程序可以根據(jù)失相檢測的結(jié)果停止，以防止電機驅(qū)動的系統(tǒng)發(fā)生機械損壞。
通過以下參照附圖進行的本發(fā)明的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將會更加清楚。


圖1是具有轉(zhuǎn)子角度估算的PMSM控制的系統(tǒng)方框圖；圖2是電流矢量圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的失相檢測器的系統(tǒng)方框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種優(yōu)選為在固件(firmware)中實現(xiàn)的失相檢測系統(tǒng)和算法。參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的具有失相檢測單元18的電機控制系統(tǒng)一般表示為系統(tǒng)10。系統(tǒng)10是具有同步旋轉(zhuǎn)坐標電流調(diào)節(jié)器的PMSM驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)也可以驅(qū)動其他類型的旋轉(zhuǎn)場機器，例如感應(yīng)電機。從調(diào)節(jié)器14向矢量旋轉(zhuǎn)器(rotator)控制12提供轉(zhuǎn)矩和通量電流調(diào)節(jié)參數(shù)，以及從轉(zhuǎn)子角度估算器16向矢量旋轉(zhuǎn)器控制12提供旋轉(zhuǎn)角度基準Rtr-Ang。提供到控制12的旋轉(zhuǎn)角度基準是通過開關(guān)SW2與估算器16連接的。然而，在啟動過程中，開關(guān)SW2與根據(jù)本發(fā)明的失相檢測器18連接以執(zhí)行失相檢測操作，檢測器18將旋轉(zhuǎn)器角度信號提供給矢量旋轉(zhuǎn)器12。另外，在啟動過程中檢測器18還通過開關(guān)SW1將轉(zhuǎn)矩電流指令iq*提供給調(diào)節(jié)器14。在正常操作中，即在啟動后，開關(guān)SW1將速率調(diào)節(jié)器11與調(diào)節(jié)器14連接以允許速率調(diào)節(jié)器11提供轉(zhuǎn)矩電流指令iq*。
檢測器18從PMSM 13接收電流反饋，以檢測是否有相位損失。在圖1所示的示例性實施方案中，將相位W的電流反饋信號iW提供給檢測器18。如果檢測器18確定相位發(fā)生了損失，則發(fā)出失相故障通告以指示這一情況。
失相檢測器18的操作的原理是，電機啟動后PMSM 13首先暫停，以確定初始轉(zhuǎn)子角度。在無傳感器(sensorless)永磁電機的啟動過程中，通過向電機提供DC電流，并因此而使該電機的軸暫停在某個預(yù)定的角度來確定初始轉(zhuǎn)子角度。典型地在兩個階段中進行所述暫停操作以確定初始的轉(zhuǎn)子軸角度。
現(xiàn)在參照圖2，矢量圖22示出了以兩個階段施加到PMSM 13上的電流，其中矢量示意性地分開30度的角。在暫停的第一個階段，通過使用電流調(diào)節(jié)器使電流矢量I與V相位對準一段時間。在圖2中，第一階段用步驟1期間的V軸上的矢量表示。當將電流矢量I如上所述地處理后，U相位和W相位中的電流等于V相位中電流量值I的一半。電流量值I等于提供到調(diào)節(jié)器14的iq*。
在暫停的第二個階段中，電流矢量角Rtr_Ang(見圖1)改變，從而通過使用電流調(diào)節(jié)器使電流矢量I與U相位正交對準。該第二階段由圖2中標號為2的電流矢量I表示。在第二階段中，U相位中的電流為零并且V相位和W相位中的電流相等而且振幅(例如，約為電流量值I的0.8666倍)相反。通過將反饋電流(在本示例性實施方案中的相位W)與預(yù)期的電流振幅(在階段1中為-0.5*I，在階段2中為-0.8666*I)相比較，可以檢測出失相。即，如果預(yù)期的電流與這些操作中測得的電流不相符，則表示存在失相?？梢蕴峁╊A(yù)期電流值的范圍以獲得閾值窗口，其中，位于閥值窗口內(nèi)的測得的電流被認為是有效的，并表示沒有失相。預(yù)期電流值或閾值的范圍可以是可變的，或者可以根據(jù)所需的應(yīng)用參數(shù)設(shè)定。
在各個暫停階段的末段，比較預(yù)期的電流和測得的電流值，以為電流控制提供足夠的置位時間(settling time)。如果比較結(jié)果沒有落入特定的電流段內(nèi)，則表示存在失相。當失相被指示出時，電機驅(qū)動系統(tǒng)10可以通過各種方法進行反應(yīng)，包括以故障自動防護模式工作、以低功能狀態(tài)工作、使電機停止運行等。如果失相在最初就被檢測出來，則可以使用重啟機制來重啟電機。例如，可以將電機驅(qū)動系統(tǒng)10的程序設(shè)定為在產(chǎn)生了失相檢測錯誤后在暫停階段重新初始化電機驅(qū)動系統(tǒng)。
在沒有錯誤的情況下完成暫停階段1和2之后，重新開始正常的操作。開關(guān)SW1被置于上部以允許速率調(diào)節(jié)器11提供轉(zhuǎn)矩電流指令iq*，開關(guān)SW2被置于下部以允許估算器16產(chǎn)生估算的轉(zhuǎn)子角度Rtr_Ang。
參照圖3，其中示出了檢測器18的系統(tǒng)框圖。如圖所示，電流參數(shù)Ipark作為乘法器31(其形成了失相檢測算法的計算部分的一部分)的輸入，根據(jù)開關(guān)32的狀態(tài)和暫停角為所述算法提供乘數(shù)，例如，在階段1乘0.5或者在階段2乘0.8666。根據(jù)開關(guān)32的狀態(tài)和暫停角度也可以使用其他的值。將電流參數(shù)Ipark提供給圖1中所示的開關(guān)SW1，從而為調(diào)節(jié)器14提供轉(zhuǎn)矩電流指令。因此，在暫停階段，電流參數(shù)Ipark提供的量值是提供給轉(zhuǎn)矩電流指令iq*的量值。
階段控制36為開關(guān)32和34提供開關(guān)邏輯，從而為乘法部件31和估算轉(zhuǎn)子角Rtr_Ang提供合適的參數(shù)。在該實施例中，在階段1，電流參數(shù)Ipark被乘以0.5，并且所得的結(jié)果與電流反饋iW相加。如上所述，乘數(shù)依賴于開關(guān)32的狀態(tài)和暫停角度。相加的結(jié)果被濾波并且被提供到比較器，以確定電機電流是否位于范圍之外，是否存在失相。在階段1中，估算的轉(zhuǎn)子角Rtr_Ang被設(shè)定為相對于V相位為30度，以獲得所需的電流反饋iW。作為電流參數(shù)Ipark和轉(zhuǎn)矩電流指令iq*設(shè)定結(jié)果而獲得的反饋電流iW允許提供到比較器C的信號具有合適的范圍。根據(jù)檢測器18的失相檢測連續(xù)地進行，從而可以在階段1或2中檢測錯誤。在完成階段1后，階段控制36操作開關(guān)32、34為電機驅(qū)動系統(tǒng)10提供合適的參數(shù)，以在階段2中確定失相檢測。因此，在該實施例中，將值0.8666和電流參數(shù)Ipark(其隨后與電流反饋IW相比較)提供到乘法器31，得到的結(jié)果通過濾波器并且提供到比較器C，以相對于提供到比較器C的電流段閾值確定是否產(chǎn)生了失相。乘數(shù)依賴于開關(guān)32的狀態(tài)和暫停角度。在階段2中，操作開關(guān)34以相對于V相位將0度角施加到電流矢量，從而使電流矢量與U相位正交。這樣，在階段2單獨地完成失相檢測，以提供與階段1分開的失相指示。如果在階段1或階段2中指示了失相錯誤，那么通過失相檢測信號通告該結(jié)果。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以設(shè)計根據(jù)本發(fā)明的失相檢測器的大量變型。某些非限定性實施例包括提供具有可變參數(shù)的可編程的或可改裝的失相檢測器，所述參數(shù)可以根據(jù)所需的電機驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)來調(diào)整。此外，還可以在失相檢測器中使用除了圖3所示的比較器C以外的多種比較器。也可以使用除了W相位以外的其他的相位來實現(xiàn)失相檢測。
雖然結(jié)合例舉的實施方案對本發(fā)明進行了描述，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其他的各種變化和修改以及其他使用將是顯而易見的。因此，本發(fā)明不受此處特定公開的限制，而只受所附權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于在多相旋轉(zhuǎn)場機器中檢測失相的方法，所述方法包括將第一電流提供到多個機器繞組中，以使其電流矢量位于第一電流矢量位置；感測所述機器的至少一個所選相位繞組中的第一電流；將測得的所述至少一個所選相位繞組中的第一電流與用于所述所選的相位繞組的第一計算電流相比較；以及如果所述第一計算電流與所述測得的第一電流之間的差異大于預(yù)定值，則檢測出已經(jīng)發(fā)生了第一相位錯誤。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括將第二電流提供到多個機器繞組中，以使其電流矢量位于第二電流矢量位置；感測所述機器的至少一個所選相位繞組中的第二電流；將測得的所述至少一個所選相位繞組中的第二電流與所述所選的相位繞組的第二計算電流相比較；以及如果所述第二計算電流與所述測得的第二電流之間的差異大于預(yù)定值，則檢測出已經(jīng)發(fā)生了第二相位錯誤。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括在將所述電流提供到所述機器繞組之前，切換控制器使所述機器進入啟動模式。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括如果已經(jīng)檢測到所述第一或第二相位錯誤，則產(chǎn)生相位錯誤信號。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，進一步包括如果沒有產(chǎn)生相位錯誤信號，則將所述控制器切換為正常工作。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述比較的步驟包括提供電流參數(shù)，所述電流參數(shù)用于確定發(fā)送到所述機器的電流指令；將所述電流參數(shù)乘以一個值；以及將所述相乘步驟的乘積與所述測得的第一電流相比較，以確定所述測得的第一電流與所述乘積的差異是否超過了所述預(yù)定值。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第二個比較步驟包括提供電流參數(shù)，所述電流參數(shù)用于確定發(fā)送到所述機器的電流指令；將所述電流參數(shù)乘以一個值；以及將所述相乘步驟的乘積與所述測得的第二電流相比較，以確定所述測得的第二電流與所述乘積的差異是否超過了所述預(yù)定值。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括如果沒有產(chǎn)生相位錯誤信號，則將速率調(diào)節(jié)器的輸出提供到所述控制器以控制機器工作。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括如果沒有產(chǎn)生相位錯誤信號，則將對所述機器的轉(zhuǎn)子角度的估算提供到所述控制器。
10.一種用于檢測多相旋轉(zhuǎn)場機器中的失相的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于將第一電流提供到多個機器繞組、以使其電流矢量位于第一電流矢量位置的裝置；用于感測所述機器的至少一個所選相位繞組中的第一電流的傳感器；用于將所述測得的至少一個所選相位繞組中的第一電流與所述所選的相位繞組的第一計算電流相比較的比較器；以及用于在所述第一計算電流與所述測得的第一電流的差異大于預(yù)定值時，檢測出第一相位錯誤的檢測器。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述裝置將第二電流提供到所述機器繞組中，以使其電流矢量位于第二電流矢量位置；所述傳感器感測所述機器的至少一個所選相位繞組中的第二電流；所述比較器將所述測得的至少一個所選相位繞組中的第二電流與所述所選的相位繞組的第二計算電流相比較；以及如果所述第二計算電流與所述測得的第二電流之間的差異大于預(yù)定值，則所述檢測器檢測出第二相位錯誤。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，進一步包括在將所述電流提供到所述機器繞組之前，切換控制器使所述機器進入啟動模的開關(guān)。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，如果已經(jīng)檢測到所述第一或第二相位錯誤，則所述檢測器產(chǎn)生相位錯誤信號。
14.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，進一步包括用于在沒有產(chǎn)生相位錯誤信號時將所述控制器切換為正常工作的開關(guān)。
15.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述比較器接收第一電流參數(shù)，所述第一電流參數(shù)用于確定發(fā)送到所述機器的轉(zhuǎn)矩電流指令；所述系統(tǒng)進一步包括乘法器，用于將所述電流參數(shù)乘以一個值；并且，其中，所述比較器將所述乘法器的乘積與所述測得的第一電流相比較，以確定所述測得的第一電流與所述乘積之間的差異是否超過了所述預(yù)定值。
16.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述比較器接收第二電流參數(shù)，所述第二電流參數(shù)用于確定發(fā)送到所述機器的轉(zhuǎn)矩電流指令；所述乘法器將所述第二電流參數(shù)乘以一個值；以及所述比較器將所述乘法器的乘積與所述測得的第二電流相比較，以確定所述測得的第二電流與所述乘積之間的差異是否超過了所述預(yù)定值。
17.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，進一步包括速率調(diào)節(jié)器，如果沒有產(chǎn)生相位錯誤信號，則所述速率調(diào)節(jié)器將其輸出提供到所述控制器，以控制機器工作。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進一步包括用于估算所述機器的轉(zhuǎn)子角度的轉(zhuǎn)子角度估算器，所述轉(zhuǎn)子角度估算器將其輸出提供至開關(guān)，所述開關(guān)在所述機器啟動并且沒有產(chǎn)生相位錯誤信號的情況下，將對所述轉(zhuǎn)子角度的估算提供給所述控制器。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，用于將所述第一和第二電流提供到所述機器繞組的所述裝置在啟動過程中分別提供轉(zhuǎn)子角度信號，以使得所述電流矢量分別位于所述第一和第二電流矢量位置。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)從所述裝置提供所述轉(zhuǎn)子角度估算的啟動期間的第一位置切換到第二位置，從而使得所述轉(zhuǎn)子角估算由所述旋轉(zhuǎn)角度估算器提供。
21.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器包括速率調(diào)節(jié)器，所述速率調(diào)節(jié)器具有耦合到轉(zhuǎn)矩和通量電流調(diào)節(jié)器的輸出，所述轉(zhuǎn)矩和通量電流調(diào)節(jié)器具有耦合到矢量旋轉(zhuǎn)器的輸出，所述矢量旋轉(zhuǎn)器具有耦合到PWM選通級的輸出，所述PWM選通級具有耦合到驅(qū)動所述機器的變換器的輸出，并且所述變換器的輸出向矢量調(diào)節(jié)器提供反饋信號，所述矢量調(diào)節(jié)器具有為所述轉(zhuǎn)矩和通量電流調(diào)節(jié)器提供輸入的輸出，所述轉(zhuǎn)子角估算器將所述轉(zhuǎn)子角估算提供到所述矢量旋轉(zhuǎn)器和所述矢量調(diào)節(jié)器。
22.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述機器包括永磁同步電機或感應(yīng)電機。
全文摘要
一種用于在多相旋轉(zhuǎn)場機器中檢測失相的方法，所述方法包括將第一電流提供到多個機器繞組中，以使其電流矢量位于第一電流矢量位置；感測所述機器的至少一個所選相位繞組中的第一電流；將測得的所述至少一個所選相位繞組中的第一電流與用于所述所選的相位繞組的第一計算電流相比較；以及如果所述第一計算電流與所述測得的第一電流之間的差異大于預(yù)定值，則檢測出已經(jīng)發(fā)生了第一相位錯誤。
文檔編號G01R31/34GK1825730SQ20061005765
公開日2006年8月30日 申請日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
發(fā)明者埃迪·英賢·何 申請人:國際整流器公司