用于执行电机转子的故障诊断的方法和系统 【技术领域】
本发明总体上涉及电机领域， 更具体地涉及用于执行电机转子的故障诊断的方法和系统。 背景技术 电动马达 ( 或电机 ) 在多种领域具有越来越多的应用， 这些领域包括汽车工业， 这 是因为例如汽车驱动系统的电动化。电动和 / 或混合动力车辆使用电机作为汽车驱动系统 的主要或辅助扭矩源。人们期望这些电机在极端工作条件下以高可靠性长时间地工作。然 而， 经历一段时间之后， 施加到电机上的工作应力会使电机的一个或多个转子的状况劣化。
因此， 例如在汽车领域， 期望提供一种用于执行电机转子的故障诊断的改进的方 法， 例如这种方法可以提供改进的结果， 并且可需要较少的传感器和 / 或其他装置， 并且 / 或者可更容易并且 / 或者更节省成本地实施。还期望提供一种用于例如在汽车领域执行电 机转子的故障诊断的改进的系统， 例如这种系统可以提供改进的结果， 并且可需要较少的
传感器和 / 或其他装置， 并且 / 或者可更容易并且 / 或者更节省成本地实施。此外， 通过下 面的详细描述和所附权利要求， 并结合附图和前述技术领域和背景技术， 本发明的其他有 利特征和特点将变得清楚。 发明内容
根据本发明的一个示例实施方式， 提供一种用于电机转子的故障诊断的方法， 该 电机还具有定子。 该方法包括如下步骤 ： 通过处理器产生用于定子的测量电机电流， 通过处 理器确定转子的解算器角度， 通过处理器确定转子的磁通量角度， 通过处理器并使用解算 器角度和磁通量角度计算转换角度， 通过处理器并使用转换角度执行电机电流的转换， 以 及通过处理器并基于所述转换识别故障状况。
根据本发明的另一个示例实施方式， 提供一种用于电机转子的故障诊断的方法， 该电机还具有定子。 该方法包括如下步骤 ： 通过处理器产生用于定子的测量电机电流， 通过 处理器确定转子的解算器角度， 通过处理器确定转子的磁通量角度， 通过处理器并使用解 算器角度、 磁通量角度或者两者计算第一转换角度， 通过处理器从磁通量角度减去解算器 角度从而产生滑移角度， 通过处理器并使用滑移角度和磁通量角度计算第二转换角度， 通 过处理器并使用第一转换角度执行电机电流的第一转换从而产生第一故障分量， 通过处理 器并使用第二转换角度执行电机电流的第二转换从而产生第二故障分量， 通过处理器并使 用第一故障分量和第二故障分量计算故障指数， 以及通过处理器并使用所述故障指数识别 故障状况。
根据本发明的又一个示例实施方式， 提供一种用于车辆的电动系统。该电动系统 包括电机、 能量源、 逆变器模块、 电流传感器和控制模块。电机具有转子和定子。逆变器模 块联接在能量源和定子之间， 并且构造成提供从能量源至电机的定子的命令电压。电流传 感器联接在逆变器模块和定子之间， 并且构造成测量通过定子的电流， 从而产生测量电流。控制模块联接到逆变器模块和多个电流传感器， 并且构造成 ： 产生用于定子的测量电流， 确 定转子的解算器角度， 确定转子的磁通量角度， 使用解算器角度、 磁通量角度或者两者计算 第一转换角度， 从磁通量角度减去解算器角度从而产生滑移角度， 使用滑移角度和磁通量 角度计算第二转换角度， 使用第一转换角度执行电机电流的第一转换从而产生第一故障分 量， 使用第二转换角度执行电机电流的第二转换从而产生第二故障分量， 使用第一故障分 量和第二故障分量计算故障指数， 以及使用所述故障指数识别故障状况。
方案 1、 一种用于电机转子的故障诊断的方法， 所述电机还具有定子， 所述方法包 括如下步骤 ：
通过处理器产生定子的测量电机电流 ；
通过处理器确定转子的解算器角度 ；
通过处理器确定转子的磁通量角度 ；
通过处理器并使用所述解算器角度和所述磁通量角度计算转换角度 ；
通过处理器并使用所述转换角度执行所述电机电流的转换 ； 以及
通过处理器并基于所述转换识别故障状况。
方案 2、 如方案 1 所述的方法， 其中通过处理器产生定子的电机电流的步骤包括如 下步骤 ：
通过传感器测量从传感器获取的仅一个相电流的测量电流。
方案 3、 如方案 1 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器从所述磁通量角度中减去所述解算器角度， 由此计算出滑移角度 ；
其中计算转换角度的步骤包括通过处理器并使用所述滑移角度和所述磁通量角 度来计算转换角度的步骤。
方案 4、 如方案 1 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器进行所述磁通量角度的转换， 由此产生转换的磁通量角度 ；
其中计算转换角度的步骤包括通过处理器并使用所述滑移角度和所述转换的磁 通量角度计算转换角度的步骤。
方案 5、 如方案 1 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器并使用所述解算器角度、 所述磁通量角度或两者来确定第二转换角 度； 以及
通过处理器并使用所述第二转换角度进行所述电机电流的第二转换 ；
其中识别故障状况的步骤包括基于所述转换和所述第二转换识别故障状况的步 骤。
方案 6、 如方案 5 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器确定等于所述磁通量角度的转换角度 ；
通过处理器从所述磁通量角度中减去所述解算器角度， 由此计算出滑移角度 ； 以 及
通过处理器并使用所述滑移角度和所述磁通量角度计算第二转换角度。
方案 7、 如方案 5 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器对所述磁通量角度和所述解算器角度求和， 由此计算出组合角度 ；
通过处理器从所述磁通量角度中减去所述解算器角度， 由此计算出差值角度 ；通过处理器并使用所述组合角度计算转换角度 ； 以及
通过处理器并使用所述差值角度计算第二转换角度。
方案 8、 如方案 6 所述的方法， 其中 ：
进行转换的步骤包括通过处理器并使用同步参考帧进行转换的步骤 ； 以及
进行第二转换的步骤包括通过处理器并使用故障参考帧进行第二转换的步骤。
方案 9、 如方案 7 所述的方法， 其中 ：
进行转换的步骤包括通过处理器并使用故障参考帧进行转换的步骤 ； 以及
进行第二转换的步骤包括通过处理器并使用故障参考帧进行第二转换的步骤。
方案 10、 如方案 5 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器并使用所述第一转换计算第一故障分量 ； 以及
通过处理器并使用所述第二转换计算第二故障分量 ；
其中识别故障状况的步骤包括通过处理器并使用所述第一故障分量和所述第二 故障分量识别故障状况的步骤。
方案 11、 如方案 10 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器并使用所述第一故障分量和所述第二故障分量计算故障指数 ；
其中识别故障状况的步骤包括通过处理器并基于所述故障指数识别故障状况的步骤。 方案 12、 如方案 11 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器并基于所述故障指数估计故障状况的严重性。
方案 13、 如方案 12 所述的方法， 还包括如下步骤 ：
通过处理器并基于所述故障指数实施一个或多个补救措施。
方案 14、 一种用于电机转子的故障诊断的方法， 该电机还具有定子， 该方法包括如 下步骤 ：
通过处理器产生定子的测量电机电流 ；
通过处理器确定转子的解算器角度 ；
通过处理器确定转子的磁通量角度 ；
通过处理器并使用所述解算器角度、 所述磁通量角度或者两者计算第一转换角 度；
通过处理器从所述磁通量角度减去所述解算器角度从而产生滑移角度 ；
通过处理器并使用所述滑移角度和所述磁通量角度计算第二转换角度 ；
通过处理器并使用所述第一转换角度执行电机电流的第一转换， 从而产生第一故 障分量 ；
通过处理器并使用所述第二转换角度执行电机电流的第二转换， 从而产生第二故 障分量 ；
通过处理器并使用所述第一故障分量和所述第二故障分量计算故障指数 ； 以及
通过处理器并使用所述故障指数识别故障状况。
方案 15、 如方案 14 所述的方法， 其中通过处理器产生定子的电机电流的步骤包括 如下步骤 ：
通过传感器测量从传感器获取的仅一个相电流的测量电流。
方案 16、 如方案 14 所述的方法， 其中 ：
通过处理器进行第一转换的步骤包括通过处理器并使用同步参考帧进行第一转 换的步骤 ； 以及
通过处理器进行第二转换的步骤包括通过处理器并使用故障参考帧进行第二转 换的步骤。
方案 17、 如方案 14 所述的方法， 其中 ：
通过处理器进行第一转换的步骤包括通过处理器并使用故障参考帧进行第一转 换的步骤 ； 以及
通过处理器进行第二转换的步骤包括通过处理器并使用故障参考帧进行第二转 换的步骤。
方案 18、 一种用于车辆的电动系统， 所述电动系统包括 ：
具有转子和定子的电机 ；
能量源 ；
联接在所述能量源和所述定子之间的逆变器模块， 所述逆变器模块构造成提供从 所述能量源至所述电机的定子的命令电压 ； 联接在所述逆变器模块和所述定子之间的电流传感器， 所述电流传感器构造成测 量通过所述定子的电流， 从而产生测量电流 ； 以及
联接到所述逆变器模块和多个电流传感器的控制模块， 所述控制模块构造成 ：
产生所述定子的测量电流 ；
确定所述转子的解算器角度 ；
确定所述转子的磁通量角度 ；
使用所述解算器角度、 所述磁通量角度或者两者计算第一转换角度 ；
从所述磁通量角度减去所述解算器角度从而产生滑移角度 ；
使用所述滑移角度和所述磁通量角度计算第二转换角度 ；
使用所述第一转换角度执行所述电机电流的第一转换， 从而产生第一故障分量 ；
使用所述第二转换角度执行所述电机电流的第二转换， 从而产生第二故障分量 ；
使用所述第一故障分量和所述第二故障分量计算故障指数 ； 以及
使用所述故障指数识别故障状况。
方案 19、 如方案 18 所述的电动系统， 其中所述控制模块进一步构造成 ：
通过从传感器获取的仅一个相电流产生测量电流。
方案 20、 如方案 18 所述的电动系统， 其中所述控制模块进一步构造成 ：
基于所述故障指数估计所述故障状况的严重性。
附图说明
下面将结合附图描述本发明， 附图中类似的附图标记指代类似的元件， 并且其中： 图 1 是根据一个示例实施方式的适于在车辆中使用的电动系统的框图 ；
图 2 是根据一个实施方式的适于与图 1 的电动系统一起使用的示例转子诊断过程 的流程图 ；
图 3 是根据一个示例实施方式的设计成用于诊断断裂转子条并且还可与图 2 的电 动系统一起使用的图 2 的转子诊断过程的一个变型的流程图 ；
图 4 是根据一个示例实施方式的设计成用于诊断转子偏心故障并且还可与图 2 的 电动系统一起使用的图 2 的转子诊断过程的另一个变型的流程图。 具体实施方式
下面的详细描述本质上仅是示例性的， 而不是用来限制本发明或者本发明的应用 或用途。此外， 也没有任何意图将本发明限制于前面的背景技术或下面的详细描述中给出 的任何理论。
图 1 示出了适于在车辆中使用的电动系统 100 的一个示例实施方式。电动系统 100 包括但不限于 ： 能量源 102、 逆变器模块 104、 电机 106、 解算器系统 108、 控制模块 110 和 多个电流传感器 112。在示例实施方式中， 控制模块 110 产生对应于将通过逆变器模块 104 从能量源 102 施加到电机 106 的定子的电压的电机电流。在此方面， 逆变器模块 104 和控 制模块 110 以配合方式构造成使用脉冲宽度调制 (PWM) 技术来调制逆变器模块 104 的相脚 (phase leg) 并且向电机 106 施加或者以其他方式提供命令电压。 应当理解， 图 1 是电动系 统 100 的简化图， 其目的是用于解释而不是用于以任何方式限制这里描述的主题的范围或 者应用。在此方面， 尽管图 1 示出控制模块 110 和逆变器模块 104 是彼此区别并且分开的 元件， 但实际上， 控制模块 110 可与逆变器模块 104 制成一个整体 ( 或者结合在其中 )。 在一个示例实施方式中， 逆变器模块 104 联接在能量源 102 和电机 106 之间。在 一个示例实施方式中， 电流传感器 112 联接在逆变器模块 104 和电机 106 之间， 并且构造成 测量从逆变器模块 104 流经电机 106 的定子的电流， 如下面更详细所述的。控制模块 110 联接到电流传感器 112 并且从电流传感器 112 获得通过电机 106 的定子的测量电流。解算 器系统 108 联接在电机 106 和控制模块 110 之间， 并且解算器系统 108 合适地构造成用于 测量、 感测或者以其他方式获取电机 106 的转子的位置。如下面更详细所述的， 在一个示例 实施方式中， 控制模块 110 构造成通过控制从能量源 102 提供至电机 106 的电压来将通过 定子的电流调节到一个命令值。在一个示例实施方式中， 控制模块 110 构造成基于下面更 详细描述的转子故障诊断方法来识别电机 106 的转子中的故障状况。
在一个示例实施方式中， 车辆体现为汽车。 在可选实施方式中， 车辆可以是多种不 同类型的汽车中的任一种， 例如轿车、 货车、 卡车或者运动型多功能汽车 (SUV)， 并且可以是 两轮驱动 (2WD)( 即后轮驱动或者前轮驱动 )、 四轮驱动 (4WD) 或者全轮驱动 (AWD)。车辆 还可以结合多种不同类型发动机中的任一种或者其组合， 例如汽油机或者柴油机、 “柔性燃 料车辆” (FFV) 发动机 ( 即， 使用汽油和乙醇的混合物 )、 气体混合物 ( 例如氢气和天然气 ) 燃料发动机、 内燃机 / 电机混合动力发动机以及电动机。在可选实施方式中， 车辆可以是插 电式混合动力车辆、 纯电动车辆、 燃料电池车辆 (FCV) 或者其他合适的可选燃料车辆。
在一个示例实施方式中， 能量源 102( 或动力源 ) 能够向逆变器模块 104 提供直流 (DC) 电压用于操作电机 106。根据该实施方式， 能量源 102 可以用电池、 燃料电池、 可充电 高压电池组、 超级电容器或者本领域已知的其他合适能量源来实现。
在一个示例实施方式中， 电机 106 是感应电机。 然而， 在多种实施方式中， 电机 106 可以是多种不同类型的电机中的一种。 这里描述的主题不应当解释为限制于使用任何特定
类型的电机。例如， 在某些其他实施方式中， 电机 106 可以实现为内部永磁 (IPM) 电机、 同 步磁阻电机或者本领域已知的其他任何合适的电机。在此方面， 电机 106 可以实现为隐极 电机 ( 例如感应电机、 永久表面安装电机 )， 这种电机具有不依赖于转子位置的空间阻抗， 或者可以实现为凸极电机 ( 例如同步磁阻电机、 内部永磁电机 )， 这种电机具有依赖于转子 相对于定子的位置的空间阻抗， 这在本领域将很容易理解， 或者可以使用其他可能的不同 类型的电机来实现。
在一个示例实施方式中， 电机 106 是具有转子和定子绕组 ( 或线圈 ) 的三相交流 (AC) 电机。在一个示例实施方式中， 对于三相电机， 定子设置在三组绕组内， 其中每组绕组 对应于电机 106 的一个相。在此方面， 每个电流传感器 112 与电机 106 的特定相关联并且 以传统方式获取电机 106 的各相的电流。应当理解， 尽管该主题可在此结合三相电机描述， 但是该主题不限于三相电机， 并且可以适用于具有任何相数的电机或者具有任何数量的电 流传感器的电动系统。
在一个优选实施方式中， 仅需要一个这种电流传感器 112。 这相对于通常依赖于三 个电流传感器进行测量的本行业中的其他设计提供了重要优点。因此， 在一个优选实施方 式中， 任何一个电流传感器的故障将在本行业中的这种现有设计中产生故障， 但是不会在 这里公开的实施方式中产生故障， 因为这里公开的实施方式利用来自其他正常传感器的电 流。
在一个示例实施方式中， 逆变器模块 104 包括功率逆变器， 该功率逆变器构造成 将来自能量源 102 的 DC 电力转换成 AC 电力， 用于以传统方式驱动电机 106， 这在本领域将 容易理解。在此方面， 逆变器模块 104 包括对应于电机 106 的一相或多相的一个或多个相 脚， 其中相脚的切换以特定的切换频率被调制 ( 打开或关闭 ) 以产生通过电机 106 的定子 的 AC 电压， 该 AC 电压又在定子内产生扭矩生成电流并且操作电机 106， 这在本领域将容易 理解。
在一个示例实施方式中， 解算器系统 108 包括联接到电机 106 的解算器， 并且解算 器的输出端联接到解算器至数字转换器。解算器 ( 或类似的感测设备 ) 感测电机 106 的转 子的位置 (θr)。解算器至数字转换器将来自解算器的信号转换为数字信号 ( 例如， 数字转 子位置信号 )， 该数字信号被提供给控制模块 110。
控制模块 110 总体上代表如下硬件 ： 该硬件合适地构造成通过控制和 / 或操作逆 变器模块 104 以将来自能量源 102 的命令电压提供给电机 106 来实施电机 106 的场定向控 制或者电流调节控制。在此方面， 命令电压是电流调节电压， 即配置成将电机 106 的定子内 的电流调节到特定值的电压， 这将在下面进行更详细地描述。根据该实施方式， 控制模块 110 可利用设计成用来执行这里描述的功能的通用处理器、 内容可访问存储器、 数字信号处 理器、 专用集成电路、 现场可编程门阵列、 任何合适的可编程逻辑设备、 离散门或者晶体管 逻辑电路、 离散硬件部件或者它们的任意组合来实现。在此方面， 控制模块 110 可实现为 微处理器、 控制器、 微控制器、 状态机或类似装置。控制模块 110 还可实施为计算设备的组 合， 例如数字信号处理器和微处理器、 多个微处理器、 一个或多个微处理器与数字信号处理 器芯或任何其他这种构造的组合。实践中， 控制模块 110 包括处理逻辑， 该处理逻辑可配置 为执行与电动系统 100 的操作相关联的功能、 技术和处理任务， 这在下面将更详细地描述。 此外， 结合这里公开的实施方式描述的方法或算法的步骤可直接在硬件、 固件、 由控制模块110 执行的软件模块或它们的任何实用组合中实施。
在一个示例实施方式中， 控制模块 110 在 d-q 同步参考帧中实施， 即参考帧的 d-q 轴与电机 106 的转子的参考特征 ( 例如转子位置、 转子磁通量角度 ) 一致地转动， 从而转子 特征的转动 ( 或角位移 ) 产生 d-q 轴的对应转动 ( 或角位移 )。在一个示例实施方式中， 控 制模块 110 在逆时针同步参考帧中实施， 从而转子特征的转动产生 d-q 轴的对应的逆时针 转动。如图 1 示出的实施方式所示， 在感应电机的情况下， 同步参考帧优选地相对于转子磁 通量角度 (θe) 确定。
在一个示例实施方式中， 控制模块 110 包括速度调节装置 114、 磁通量调节装置 116、 电流调节装置 118、 第一转换块 120、 第二转换块 122、 速度计算装置 124、 磁通量估计装 置 126 和转子诊断块 128。控制模块 110 的元件合适地构造成产生电流调节控制环 ( 或可 选地， 场定向控制环或电流控制反馈环 )， 这在下面将更详细地描述。在一个示例实施方式 中， 转子诊断块 128 构造成识别或检测电机 106 的转子内的故障状况的存在 ( 例如断裂转 子故障或转子偏心故障 )， 这在下面将更详细地描述。在一个优选实施方式中， 转子诊断块 128 包括控制模块 129， 控制模块 129 具有处理器 130， 处理器 130 执行计算、 判断或转子诊 断块 128 的其他功能、 步骤和过程。 在示例实施方式中， 第一累加接头 113 的输出端联接到速度调节装置 114 的输入 端， 而速度调节装置的输出端联接到第二累加接头 115。 第三累加接头 117 的输出端联接到 磁通量调节装置 116 的输入端， 而磁通量调节装置 116 的输出端联接到第四累加接头 119。 第二累加接头 115 的输出端和第四累加接头 119 的输出端均联接到电流调节装置 118 的输 入端。 电流调节装置 118 的输出端联接到第一转换块 120， 而第一转换块 120 的输出端联接 到逆变器模块 104。第二转换块 122 联接到电流传感器 112， 而第二转换块 122 的各输出端 联接到第二累加接头 115 和第四累加接头 119， 这在下面将更详细地描述。 在一个示例实施 方式中， 磁通量估计装置 126 的输入端联接到第二转换块 122 的输出端和电流调节装置 118 的输出端， 这在下面将更详细地描述。磁通量估计装置 126 的第一输出端联接到第三累加 接头 117， 而磁通量估计装置 126 的第二输出端联接到转换块 120、 122 和转子诊断块 128。
在一个示例实施方式中， 第一累加接头 113 构造成接收速度命令 (ωr*)， 该速度命 令表示电机 106 的转子的期望速度 ( 或命令速度 )。速度命令可通过车辆中的另一模块提 供， 该模块例如是电子控制单元 (ECU)。速度计算器 124 基于转子位置 (θr) 相对于时间的 变化计算或者以其他方式确定观察的 ( 或测量的 ) 转子速度 (ωr)， 这在本领域将容易理 * 解。第一累加接头 113 构造成确定命令速度 (ωr ) 和观察的转子速度 (ωr) 之间的差并且 将该差值提供给速度调节装置 114。基于命令速度 (ωr*) 和转子速度 (ωr) 之间的差， 速度 e* 调节装置 114 确定和 / 或产生一个 q 轴同步帧电流命令 (iq )( 例如扭矩产生 q 轴电流命 令 )。速度调节装置 114 可实现为比例积分 (PI) 控制器或者其他本领域已知的合适元件。
在一个示例实施方式中， 第三累加接头 117 构造成接收磁通量命令 (λe*)， 该磁通 量命令表示电机 106 的期望的转子磁通量。该磁通量命令可由车辆中的另一模块提供， 该 e e 模块例如是电子控制单元 (ECU)。磁通量估计装置 126 基于同步电机电流 (id ， iq ) 和同步 e e e 电机电压 (vd ， vq ) 之间的关系计算或者以其他方式估计转子磁通量 (λ )， 这在本领域将 容易理解并且在下面将更详细地描述。第三累加接头 117 构造成确定磁通量命令 (λe*) 和 估计转子磁通量 (λe) 之间的差， 并且将该差值提供给磁通量调节装置 116。基于磁通量命
令和估计磁通量之间的差， 磁通量调节装置 116 确定并且 / 或者产生 d 轴同步帧电流命令 e* (id )( 例如磁通量产生 d 轴电流命令 )。磁通量调节装置 116 可实现为比例积分 (PI) 控 制器或本领域已知的其他合适元件。
在一个示例实施方式中， 磁通量估计装置 126 还基于同步电机电流 (ide， iqe) 和同 步电机电压 (vde， vqe) 之间的关系计算或者以其他方式估计电机 106 的转子的转子磁通量 角度 (θe)。在图 1 示出的实施方式中， 转子磁通量角度 (θe) 被用作控制环的转换角度， 这在本领域将容易理解。在此方面， 转换角度表示当将同步参考帧中的一个量转换和 / 或 转化为静态参考帧中的一个对应量时使用的角度， 反之亦然 ( 例如， “dqo” 或 “dq0” 转换为 “abc” ， 反之亦然 )。在可选实施方式中， 转换角度可包括转子角位置 (θr) 或者其他合适的 角位置。磁通量估计装置 126 的输出端配置为向第一转换块 120、 122 提供估计的转子磁通 量角度 (θe)。第二转换块 122 联接到电流传感器 112 并且构造成基于转换角度 ( 即估计 的转子磁通量角度 (θe)) 将来自静态参考帧的测量定子电流 (ias， ibs， ics) 转换到同步参考 帧 (ide， iqe)。以类似的方式， 第一转换块 120 构造成基于估计的转子磁通量角度 (θe) 将 来自同步参考帧的命令电压 ( 或电压命令 )(vde*， vqe*) 转换到静态参考帧 (vas*， vbs*， vcs*)， 这将在下面更详细地描述。 电流调节装置 118 通过产生并且 / 或者提供对应于电机 106 的定子的命令电压的 用于逆变器模块 104 的电压命令来调节通过定子的电流， 使得通过定子的测量电流被调节 到命令电机电流 ( 或电流命令 ) 或者以其他方式跟踪该命令电机电流。在一个示例实施 方式中， 电流调节装置 118 实现为同步帧电流调节装置， 其构造为基于命令电流 (ide*， iqe*) ( 可选地在这里称为同步帧电流命令 ) 和测量电机电流 (ide， iqe)( 可选地在这里称为同步 帧电机电流 ) 之间的差产生同步参考帧中的电压命令 (vde*， vqe*)( 可选地在这里称为同步 帧电压命令 )。 在此方面， 根据一个或多个实施方式， 第二累加接头 115 基于 q- 轴电流命令 e* e (iq ) 和测量 q- 轴电机电流 (iq ) 之间的差确定 q- 轴电流误差命令 (iq-e*_err)， 而第四累加 e* e 接头 119 基于 d- 轴电流命令 (id ) 和测量 d- 轴电机电流 (id ) 之间的差确定 d- 轴电流误 差命令 (ide*_err)。电流调节装置 118 基于同步帧电流误差命令 (ide*_err， iqe*_err) 产生同步帧 电压命令 (vde*， vqe*)， 同步帧电流误差命令 (ide*_err， iqe*_err) 反映了在同步参考帧中表示的 命令电流和测量电机电流之间的差。在此方面， 电流调节装置 118 可实现为比例积分导数 (PID) 控制器、 滞后电流控制器、 复向量电流调节装置或者本领域已知的其他合适的电流调 节元件。应当指出， 电流调节装置 118 在电机 106 中产生了基本平衡且对称的电流。
如上所述， 第一转换块 120 将来自电流调节装置 118 的输出端的同步帧电压命令 e* e* (vd ， vq ) 转换到静态参考帧， 从而产生对应于电机 106 的定子的各相的命令电压的三相静 s* s* s* 态电压命令 (va ， vb ， vc )。在一个示例实施方式中， 逆变器模块 104 构造为处理静态电压 命令并且产生 PWM 命令信号， 用于操作功率逆变器的相脚以便将命令电压以传统方式提供 给定子的各相， 这在本领域将容易理解。以此方式， 同步帧电压命令 (vde*， vqe*) 的变化在静 态电压命令中产生相应的变化， 由此， PWM 命令的负载循环被用来调制逆变器相脚的切换。 e* e* 以此方式， 同步帧电压命令 (vd ， vq ) 可被用来估计转子磁通量 (λe) 和转换角度 (θe)( 例 如， vde* ≈ vde， vqe* ≈ vqe)， 这基于如下假设 ： 逆变器模块 104 准确地复制定子中的命令电压 s* s* s* (va ， vb ， vc )， 并且代替使用电压传感器来感测穿过定子的电压， 或者执行其他密集的计 算任务以获得电机电压。
现在参考图 2， 在一个示例实施方式中， 电动系统可构造成执行转子诊断过程 200 和如下将描述的额外的任务、 功能、 和操作。 所述多种任务可通过软件、 硬件、 固件或它们的 任意组合执行。为解释目的， 下面的描述可指代结合图 1 在上面提到的元件。实际上， 所述 任务、 功能和操作可通过所述系统的不同元件执行， 例如逆变器模块 104、 控制模块 110、 电 流调节装置 118、 磁通量估计装置 126 和 / 或转子诊断模块 128。应当理解， 其中可包括任 意数量的额外或可选任务， 并且任意数量的额外或可选任务可结合到具有这里没有详细描 述的额外功能的更综合的过程或程序中。
再参考图 2， 并继续参考图 1 以及图 3 和 4， 在一个示例实施方式中， 转子诊断过程 200 被执行以在受到电流调节控制环的控制的电机操作过程中诊断电机的转子。图 3 和 4 讨论了根据示例实施方式的转子诊断过程 200 的示例性变型， 其具体调适为分别诊断断裂 转子条故障 ( 即， 图 3 和其中示出的第一变型算法 300) 以及诊断转子偏心故障 ( 即， 图4 和其中示出的第二变型算法 400)， 这将在下面进行更详细的描述。
如图 2 所示， 转子诊断过程 200 开始于产生电机测量电流 ( 步骤 202)。在一个优 选实施方式中， 测量电流属于电机的定子。并且在优选实施方式中， 在步骤 202 中， 电机测 量电流还由来自图 1 的电流传感器 112 的仅一个电机相产生或者获得。此外， 在优选实施 方式中， 测量电流通过图 1 的处理器 130 并基于来自图 1 的电流传感器 112 的仅一个电机 相产生。 此外， 获取解算器角度 (θr)( 步骤 204)。解算器角度 (θr) 表示转子的角度。在 优选实施方式中， 解算器角度 (θr) 通过图 1 的解算器系统 108 由图 1 的转子诊断块 128 获 得。在优选实施方式中， 解算器角度 (θr) 来自解算器 108。并且在优选实施方式中， 解算 器角度 (θr) 以机械弧度为单位表示。在图 3 的实施方式中， 用于计算转换角度的解算器 角度 (θr) 以电弧度为单位表示。这可以通过将以机械弧度为单位的解算器角度 (θr) 乘 以电机的极对以给出呈电弧度的角度。相反， 对于图 4 的特定故障检测的实施方式， 用来计 算转换角度的解算器角度以机械弧度为单位进行表示。
还获取磁通量角度 (θe)( 步骤 206)。磁通量角度 (θe) 表示转子的磁通量的角 度。在一个优选实施方式中， 磁通量角度 (θe) 通过图 1 的磁通量估计装置 126 由图 1 的 转子诊断块 128 获得。
然后计算第一转换角度 ( 步骤 208)。在一个优选实施方式中， 使用解算器角度 (θr)、 磁通量角度 (θe) 或两者计算第一转换角度。 在一个优选实施方式中， 第一转换角度 通过图 1 的转子诊断块 128 计算， 优选通过图 1 的其处理器 128 计算。
在一个优选实施方式中， 还计算第二转换角度 ( 步骤 210)。在一个优选实施方式 中， 使用解算器角度 (θr)( 在转换为图 3 和 4 的实施方式的合适的相应单位后， 如上所述 ) 和磁通量角度 (θe) 计算第二转换角度。在一个优选实施方式中， 第二转换角度也通过图 1 的转子诊断块 128 计算， 优选通过图 1 的其处理器 128 计算。
如上所述， 在图 3 的实施方式中， 用来计算转换角度的解算器角度 (θr) 以电弧度 为单位表示。这可以通过将以机械弧度为单位的解算器角度 (θr) 乘以电机的极对而给出 电弧度的角度来获得。相反， 对于图 4 的特定故障检测的实施方式， 用来计算转换角度的解 算器角度以机械弧度为单位表示。
随后使用第一和第二转换角度针对步骤 202 的电机电流执行转换 ( 步骤 212)。 在
一个优选实施方式中， 针对来自图 1 的电流传感器 112 的仅一相测量电流 ( 这在上述步骤 202 中获得 ) 执行转换。在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 进行转换。
使用不同的转换计算多个故障分量 ( 步骤 214)。在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 计算故障分量。
这些故障分量随后被用来计算转子的故障指数 ( 步骤 216)。故障指数包括一个 值， 该值随后被用来与已知的数表或其他数值组对比， 以便识别转子中是否存在任何故障， 该值还可被用来识别任何这种故障的具体性质和严重性。在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 计算故障指数。
具体而言， 在一个优选实施方式中， 进行第一判定以确定转子中是否存在故障 ( 步骤 217)。在一个优选实施方式中， 该判定通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的 其处理器 128 进行， 其中使用了步骤 216 中计算的故障指数并且将故障指数值与对应于转 子中的可能故障的已知的数表或者其他数值组对比， 这些数表或数值例如基于现有知识、 公开文献和 / 或实验数据。
在一个示例实施方式中， 如果转子诊断过程 200 在步骤 217 中判定不存在故障状 况， 则过程返回步骤 202， 并且步骤 202-217 重复进行， 直至在步骤 217 的一个循环中判定发 动机的转子中存在故障。如果在步骤 217 的任何循环中判定转子中存在故障， 那么在步骤 218 中使用在步骤 216 中计算的故障指数并且比较该故障指数与对应于转子中的可能故障 及其严重性的已知数表或者其他数值组来判定故障的具体性质和严重性， 上述数表或数值 组例如基于现有知识、 公开文献和 / 或实验数据。在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子 诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 做出这些判定。
此外在一个优选实施方式中， 执行一个或多个补救措施以帮助补救转子的这种故 障 ( 步骤 220)。在一个优选实施方式中， 补救措施适应于在上述步骤 218 中确定的具体故 障及其严重性。此外在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的 其处理器 128 启动上述补救措施。
如上所述， 图 3 和 4 讨论了转子诊断过程 200 的示例性变型。具体地说， 图 3 示出 了用于诊断断裂转子条故障的第一具体调适的第一变型算法， 而图 4 示出了用于诊断转子 偏心故障的第二具体调适的第二变型算法， 二者均根据示例实施方式给出。下面将先后讨 论图 3 和图 4。
在图 3 的实施方式的第一变型算法 300 中， 第一转换角度 ( 参考图 2 的步骤 208) 在图 3 的步骤 301 中确定为等于磁通量角度 (θe)。在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转 子诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 做出该确定。
此外， 在图 3 的步骤 308 和 310 中以如下方式确定第二转换角度 ( 参考图 2 的步骤 210) ： (1) 首先， 在步骤 308 中从磁通量角度 (θe) 中减去解算器角度 (θr)( 其在图 3 和 4 的不同实施方式中分别转换为合适的测量单位， 如上所述 ) 以产生滑移角度 (θslip) ； 以及 (2) 其次， 在步骤 310 中从磁通量角度 (θe) 中减去等于两倍滑移角度 (θslip) 的值以根据 如下方程确定第二转换角度 ：
第二转换角度＝ (θe)-2(θslip)
在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器128 做出这些计算。 此外， 在一个优选实施方式中， 如这里所述， 滑移角度包括转子相对于转 子磁通量的角度。 换种说法， 谐波分量将以等于两倍的故障或滑移角度的角度 - 即 2(θslip) 转动。
在上述步骤 202 中获得并且在转换过程中使用的来自电流传感器 112 的一个相的 测量电机电流的转换 ( 参照步骤 212) 随后分别针对步骤 202 的测量电机电流相对于第一 和第二转换角度并且根据图 3 的步骤 302 和 312 独立进行。具体地说， 第一转换在图 3 的 步骤 302 中使用同步参考帧中的磁通量角度 (θe)( 即图 3 的第一变型算法 300 的第一转 换角度 ) 并根据下列方程进行 ： ixcos(-θ) 和 ixsin(-θ)。此外， 第二转换在图 3 的步骤 312 中使用故障参考帧中的步骤 310 的第二转换角度并根据下列方程进行 ： ixcos(-θ) 和 ixsin(-θ)。步骤 302 和 312 的转换优选根据下列方程进行， 该方程表示用于诊断转子断 裂条故障的第一变型算法 300 的一个示例实施方式的故障频率， 这在下面将进一步讨论 ：
fbroken_bar ＝ (1±2ks)f1
其中断裂条是估计数目的断裂条， f1 是基础频率， s 是滑移角度， 而 k 是预定常数。 此外， 在一个优选实施方式中， 步骤 302 和 312 的第一和第二转换分别通过图 1 的转子诊断 块 128 进行， 优选通过图 1 的其处理器 128 进行。
随后分别根据图 3 的步骤 304、 306、 314 和 316 分别针对步骤 202 的电机电流相对 于第一和第二转换角度进行故障分量计算 ( 参照步骤 214)。具体地说， 作为步骤 302 的第 一转换的一部分或跟随步骤 302 的第一转换， 第一转换结果在步骤 304 中通过一个低通数 字滤波器， 并且第一故障分量在步骤 306 中被计算为相对于步骤 301 的第一转换角度和步 骤 302 的第一转换的第一分量部分的平方和的平方根。此外， 作为步骤 312 的第二转换的 一部分或跟随步骤 312 的第二转换， 第二转换结果在步骤 314 中通过一个低通数字滤波器， 并且第二故障分量在步骤 316 中被计算为相对于步骤 310 的第二转换角度和步骤 312 的第 二转换的第二分量部分的平方和的平方根。在一个优选实施方式中， 步骤 306 的第一故障 分量包括同步参考帧中的正序电流值 (Ip)， 而步骤 316 的第二故障分量包括故障参考帧中 的低边带电流值 (ILSB)。此外在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通 过图 1 的其处理器 128 执行这些计算和步骤。
不同的故障分量随后在步骤 318 中组合在一起以产生步骤 320 的故障指数。在示 出的实施方式中， 步骤 306 和 316 的故障分量在步骤 318 中根据下列方程组合 ：
(ILSB/IP)×NB，
其中 ILSB 表示低边带电流值 (lower side-band current value)( 即步骤 316 的第 二故障分量 )， IP 表示正序电流值 ( 即步骤 316 的第一故障分量 )， 而 NB 表示转子的条数。 该方程可用来计算表示在步骤 320( 也对应图 2 的步骤 216) 的数目故障指数值中的预期转 子断裂条数 ( 优选四舍五入为最接近的整数值 )。 在优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断 块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 来执行步骤 318 和 320 的计算。
转子的断裂条的估计数目还用来在步骤 322( 也对应图 2 的步骤 218) 中度量故障 的类型和严重性， 并且作为在步骤 324( 也对应图 2 的步骤 220) 中实施补救措施的基础。 在 一个优选实施方式中， 也通过图 1 的转子诊断块 128、 最优选通过图 1 的其处理器 128 执行 或启动这些步骤。
在图 4 的实施方式的第二变型算法 400 中， 第一转换角度 ( 参照图 2 的步骤 208)在图 4 的步骤 402 中通过将磁通量角度 (θe) 和解算器角度 (θr) 根据下列公式相加以产 生组合角度而用作第一转换角度来确定 ：
第一转换角度 ( 组合角度 ) ＝ (θe)+(θr)
在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 做出该计算。
此外， 在图 4 的步骤 410 中通过根据下列公式从磁通量角度 (θe) 中减去解算器 角度 (θr) 以产生用作第二转换角度的差值角度来确定第二转换角度 ( 参照图 2 的步骤 210) ：
第二转换角度 ( 差值角度 ) ＝ (θe)-(θr)
在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 做出该计算。
电机电流的转换 ( 参照步骤 212) 随后分别针对步骤 202 的测量电机电流相对于 第一和第二转换角度并且根据图 4 的步骤 404 和 412 独立进行。具体地说， 第一转换在 图 4 的步骤 404 中使用故障参考帧中的步骤 402 的第一转换角度并根据下列方程进行 ： ixcos(-θ) 和 ixsin(-θ)。此外， 第二转换在图 4 的步骤 412 中使用故障参考帧中的步骤 410 的第二转换角度并根据下列方程进行 ： ixcos(-θ) 和 ixsin(-θ)。在一个优选实施方 式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的其处理器 128 分别进行步骤 404 和 412 的第一和第二转换。步骤 404 和 412 的转换优选根据下列方程进行， 该方程表示用于诊断 转子的转子偏心故障的第二变型算法 400 的一个示例实施方式的故障频率， 这在下面将进 一步讨论 ：
此外， 也在一个优选实施方式中， 步骤 404 和 412 的第一和第二转换分别通过图 1 的转子诊断块 128 进行， 优选通过图 1 的其处理器 128 进行。
随后分别根据图 4 的步骤 406、 408、 414 和 416 针对步骤 202 的电机电流分别相对 于第一和第二转换角度进行故障分量计算 ( 参照步骤 214)。具体地说， 作为步骤 404 的第 一转换的一部分或跟随步骤 404 的第一转换， 第一转换结果在步骤 406 中通过一个低通数 字滤波器， 并且第一故障分量在步骤 408 中被计算为相对于步骤 402 的第一转换角度和步 骤 404 的第一转换的第一分量部分的平方和的平方根。此外， 作为步骤 412 的第二转换的 一部分或跟随步骤 412 的第二转换， 第二转换结果在步骤 414 中通过一个低通数字滤波器， 并且第二故障分量在步骤 416 中被计算为相对于步骤 410 的第二转换角度和步骤 412 的第 二转换的第二分量部分的平方和的平方根。在一个优选实施方式中， 步骤 408 的第一故障 分量包括故障参考帧中的上边带电流值， 而步骤 416 的第二故障分量包括故障参考帧中的 下边带电流值。此外在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的 其处理器 128 进行这些计算和步骤。
不同的故障分量随后在步骤 417 中组合在一起并且在步骤 418 中被标准化以产生 步骤 420 的故障指数。在示出的实施方式中， 步骤 408 和 416 的故障分量在步骤 417 中根 据下列方程求和 ：
IUSB+ILSB ＝组合值
其中 IUSB 表示上边带电流值 ( 即步骤 408 的第一故障分量 )， 而 ILSB 表示下边带电 流值 ( 即步骤 416 的第二故障分量 )。所产生的组合值随后优选在步骤 418 中相对于非负 载电流被标准化。在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优选通过图 1 的其 处理器 128 进行步骤 417 和 418 的计算和标准化。
标准化的值随后用作步骤 420( 也对应于图 2 的步骤 216) 的故障指数。步骤 420 的故障指数随后可在步骤 422( 也对应于图 2 的步骤 218) 中用来确定转子中的一个或多个 转子偏心故障 ( 如果存在 ) 的性质和严重性， 并且还可在步骤 424( 也对应于图 2 的步骤 220) 中用作执行补救措施的基础。在一个优选实施方式中， 通过图 1 的转子诊断块 128、 优 选通过图 1 的其处理器 128 执行或启动这些步骤。
由于在上述系统和过程中使用的转换角度和技术， 可针对电动系统 ( 例如车辆电 机中的 ) 的转子进行改进的诊断。例如， 所公开的系统和过程提供了一种仅使用一个电流 传感器测量值在线诊断和监控感应电机中的转子故障状况的方法。 所公开的系统和过程使 用参考帧理论方法 (Reference Frame Theory approach)， 并且设计成在场定向控制 (FOC) 操作下工作。 例如， 由于边带频率分量因转子故障而出现在定子电流的所有相中， 因此仅需 要一个相的电流测量值。 这代表了相对于现有技术的显著改进。例如， 在一些使用参考帧理论方法进行故 障检测的现有技术中， 在转换过程中使用了所有三个电流测量值， 这与所公开的实施方式 中使用一个电流测量值形成了对比。 使用一个电流传感器测量值在具有补救控制的系统中 当电流传感器发生故障时具有特别的优点。 在此情况下， 本发明的方法仍然可以使用， 然而 使用所有三个电流测量值的现有技术却不能执行。 此外， 在一些现有技术中， 这些故障分量 还可使用快速傅立叶变换来获得。然而， 这些现有技术不能应用于在线诊断。在所公开的 实施方式中， 采用了参考帧理论方法进行在线故障检测， 其具有改善的结果。
例如， 在断裂转子条故障的情况下 ( 对应于图 3 的第一变型算法 )， 测量电流可在 正确的参考帧中根据下列方程转换 ：
fbroken bar ＝ (1±2ks)f1
具体地说， 通过对存在于 FOC 系统中的可得信息信号 ( 例如来自解算器或转子位 置传感器的电机速度 ) 进行杠杆化， 测量电流可被转换为以 (1-2s)f1 转动的参考帧。在此 参考帧中， 处于 (1-2s)f1 的各边带分量将表现为 DC 分量， 而存在于电机电流信号中的其他 谐波项将表现为 AC 谐波分量。使用低通滤波器， 该边带分量的幅值可被提取而用于故障严 重性评价。在上述示例中， 处于 (1-2s)f1 的边带分量 ( 在上面称为 LSB 或低边带 ) 被选择 为故障指示器， 这例如是由于 LSB 分量主要与转子断裂条故障相关的事实， 而处于 (1+2s)f1 的边带分量 ( 在上面称为 USB 或上边带 ) 可与因转子故障而产生的速度波动效应相关， 并 且此 USB 分量是依赖惯性的。此外， 具有 LSB 分量的幅值的知识在估计故障的严重性方面 ( 例如在图 3 示出的上述示例实施方式中的转子断裂条的数目 ) 是重要的。
通过另一示例， 在转子偏心故障的情况下 ( 对应于图 4 的第二变型算法 400)， 所公 开的方法和系统还可被延伸到使用其频率在下列方程中提供的正确故障参考帧来诊断转 子偏心故障 ：
通过将在该上述方程给出的相应频率下的边带分量的幅值与基础正常数据比较， 人们可以基于边带幅值的变化率识别出是否存在偏心故障， 并且还可获得关于这种转子偏 心故障 ( 如果存在 ) 的严重性的信息。
因此， 所公开的方法和系统提供了用于在例如汽车工业中对电机的转子进行故障 诊断的改进的技术。 例如， 所公开的方法和系统可提供改善的结果， 可需要更少的传感器和 / 或其他装置， 并且 / 或者与现有技术相比可更容易地和 / 或更节约成本地实施。
应当理解， 所公开的方法和系统可从这些示出的附图和这里的描述中进行改变。 例如， 如上所述， 图 1 的电动系统 100 的某些元件， 例如诊断块 108、 一个或多个其他部件以 及 / 或者其部分可进行改变， 并且 / 或者可以是彼此的一部分并且 / 或者彼此联接， 并且 / 或者是一个或多个其他系统和 / 或设备的一部分或者与其相联接。此外， 可以理解， 转子诊 断过程 200 的某些步骤、 第一变型算法 300、 第二变型算法 400 以及 / 或者它们的步骤、 部件 和 / 或部分可从图 2-4 中的图示和 / 或这里结合附图进行的描述进行改变， 并且 / 或者可 以同时执行和 / 或以与图 2-4 中的图示和 / 或这里结合附图进行的描述不同的顺序执行。 类似地可以理解， 所公开的方法和系统可结合多种不同类型的车辆和 / 或其他设备来实施 和 / 或使用。
虽然在前面的详细描述中提供了至少一个示例实施方式， 但是应当理解， 还存在 大量的变型。还应当理解， 这里描述的示例实施方式不是用来以任何方式限制本发明的范 围、 应用或者构造。 相反， 前面的详细描述将为本领域普通技术人员提供实施所描述的实施 方式的方便的路径。应当理解， 在不背离权利要求限定的本发明的范围 ( 该范围包括在提 交本申请时已知的等同方式和可预见的等同方式 ) 的情况下， 可以对元件的功能和设置做 出多种改变。