CN112352377B - 用于确定降级模式下三相电动马达的估计电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定流经马达（M）的绕组的估计电流（Iestx、Iesty）的方法，该马达于是在两个活动相上受到控制。所述方法涉及：在绕组的输入端处测量两个活动相中的每一相的测量电压（Ux、Uy），校正两个测量电压（Ux、Uy）以产生相应的校正电压（Umesx、Umesy），确定根据温度进行补偿的马达电阻（Rmot），并且基于根据温度进行补偿的马达电阻（Rmot）和两个活动相的测量电压（Umesx、Umesy）确定分别流经绕组的两个活动相中的每一相的至少一个估计电流（Iestx、Iesty）。

Description

用于确定降级模式下三相电动马达的估计电流的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定流经永磁同步三相电动马达的绕组的估计电流的方法，该永磁同步三相电动马达是包括至少一个可由开关装置控制的绕组的类型，于是该马达在降级模式下在两个活动相上受到控制。降级模式意味着马达在两相上受到控制，第三相被认为是有故障的，并被置于断开状态。

然后，电流确定方法可以用于诊断流经同步三相电动马达的绕组的相应相的测量电流的测量值的有效性的方法，特别是为了检测电流传感器中的故障。

本发明优选地但是非限制性地应用于汽车领域，特别是用于机动车辆的助力转向马达。

背景技术

根据现有技术，已知一种用于估计流经电动马达绕组的估计电流的方法，该电动马达是包括至少一个可由开关装置控制的绕组的类型。开关装置连接到绕组的输入端，在其输入端接收控制电压形式的控制，并将其变换成施加到绕组输入端的电压。

控制电压通常是交流电压。一个单元将控制电压转换成脉宽调制电压，其占空比等于控制电压的值。

该脉宽调制电压用于切换连接在绕组和基本恒定电势之间的第一开关，而调制电压的相反电压用于切换连接在绕组和地之间的第二开关。这样，两个控制基本上是反相的，并且两个开关的断开状态使得两个开关中最多一个在给定时刻被开关/接通，另一个在同一时刻未被开关/关闭。

变压模块能够接收控制电压，并且能够基于控制电压分别控制两个开关的断开。

在该现有技术中描述的估计方法包括测量绕组输入端的测量电压的步骤、校正测量电压以产生校正电压的步骤、确定开关装置的电阻的步骤以及通过将用于控制开关装置的控制电压和校正电压之间的差除以电阻来确定流经绕组的至少一个估计电流的步骤。

尽管通过这种解决方案可以获得流经每个绕组的电流的单独估计，并且通过使用施加到马达的控制和该控制的测量值之间的差来估计电流，从而检测电流测量阶段中的故障，但是它的缺点是不能在马达的高速下使用。此外，最重要的是，就降级模式下的故障检测而言，该解决方案并不牢靠。

另一种现有技术，具体由文献FR-A-3 039 283描述，涉及一种方法，该方法能够检测马达相的电流测量阶段中的故障，或者由逆变器控制的永磁三相同步马达或逆变器本身中的故障。

检测到的故障类型是一个或多个马达相的短路或电流测量值的损失，由于例如马达相的电流测量值的偏移和/或增益误差、对地或相之间的短路或一个或多个相的损失、不可信的受控马达的参数（这表示马达阻抗严重不平衡）而变得不可信的一个或多个相的测量电流，逆变器因电源开关电阻过大而不平衡。

该文献提出的解决方案的缺点是，当***处于降级模式时，不能进行电流测量值的诊断。

另一种现有技术提出了第三种解决方案，以允许检测电流测量阶段中的故障。已经建议对马达的每一相使用一个电流传感器，并通过节点规则检查这些电流传感器之间的一致性，节点规则规定三相的三个电流之和必须为零。

该第三解决方案的缺点是其成本及其在电路板上的物理实现，因为提出了增加电流传感器及其相关元件，并且还通过微控制器处的新模拟输入来连接所述电流传感器，并且因为为了容纳这些新部件所以电路板表面积增加。

本发明所基于的问题是，对于由开关装置控制的同步三相电动马达，在马达以降级模式运行、电动马达的一个电源相处于断开状态时，确定流经电动马达绕组的估计电流。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于确定流经永磁同步三相电动马达的绕组的估计电流的方法，该永磁同步三相电动马达是包括至少一个可由开关装置控制的绕组的类型，其特征在于，该方法包括以下步骤，于是马达在两个活动相上受到控制，第三相处于断开状态：

· 在绕组的输入端测量两个活动相中每一个的测量电压，

· 校正两个测量电压以产生相应的校正电压，

· 确定马达的温度补偿电阻，

· 基于马达的温度补偿电阻Rmot和两个活动相的测量电压Umesx、Umesy，通过求解以下方程来确定分别流经绕组的两个活动相之一的至少一个估计电流，x是两个活动相中的第一活动相，y是两个活动相中的第二活动相：

其中，方程Lmot是马达在20℃和0安培时的电感，Φ是马达在20℃和0安培时的通量，ω_mot是马达的转速，θ_mot是马达转子的角位置，k是常数，对于1相等于0，对于2相等于1，对于3相等于2。

本发明使得克服上述两种现有技术的所有缺点成为可能。除了很少的软件设计成本之外，无需添加任何新部件或增加任何成本就可以实现这一点。此外，最重要的是，本发明使得当马达在降级模式下运行、三相中的一相断开时，可以确定估计电流。

用于检测可能是上述故障的故障的方法在于识别基于永磁同步马达的电模型估计的电流相对于马达相的测量电流的动态行为中的误差。

有利地，通过使用用于微分方程近似的数值分析方法来确定估计电流。

有利地，用于微分方程近似的所选数值分析方法是二阶龙格库塔法，其具有用于计算x相的估计电流Iestx的以下方程，x相是两个活动相之一：

其中Δt是计算的采样时间，n是迭代次数，计算y相（两个活动相中的另一个）的估计电流的方程是相似的，在上述方程中，将x替换为y，反之亦然。

有利地，对两个测量电压进行校正以产生相应的校正电压，首先通过低通滤波器对因此呈锯齿形的测量电压进行滤波以产生相应的正弦电压，然后通过能够补偿低通滤波器的衰减效应的补偿器对相应的正弦电压进行补偿以产生相应的校正电压。

有利地，低通滤波器是二阶或更高阶的低通滤波器。

有利地，补偿使用基于马达转速的插值表。

有利地，通过取设置在温度传感器附近的开关装置的电子元件的平均温度Tmos来对马达电阻的确定进行温度补偿，电阻Rmot根据以下方程进行补偿：

Rmot = Rmot20*(1+0.004 * (Tmos – 20°C))

0.004是铜的温度系数，Rmot20对应于马达在20℃时的一相电阻。

本发明还涉及一种用于诊断流经永磁同步三相电动马达的绕组的相应相的测量电流的测量值的有效性的方法，该永磁同步三相电动马达是包括至少一个可由开关装置控制的绕组的类型，于是该马达在两个活动相上受到控制，第三相处于断开状态，其特征在于实施：

· 测量流经两个活动相中至少一相的测量电流，

· 通过这种估计方法来确定流经绕组的两个活动相中的至少一相的估计电流，

· 对于两个活动相中的至少一相，分别根据以下公式之一来计算在多个样本的滑动范围上，两个活动相中的所述至少一相的测量电流和估计电流之间的差的相应滑动标准偏差：

或者

NbEchantillon是样本数，

· 将两个活动相中的至少一相的相应滑动标准偏差与预定阈值进行比较，其中，当标准偏差高于预定阈值时，为所述至少一相诊断出测量电流中的误差，并且当标准偏差低于预定阈值时，为两个活动相中的所述至少一相诊断出测量电流的有效性。

本发明涉及一种与电流控制并行执行的方法，用于检测马达相的电流测量阶段中的故障，或者由逆变器控制的永磁三相同步马达或逆变器本身中的故障，这使得能够建立对测量电流的测量值有效性的诊断。

该诊断检测方法仅适用于降级模式，即，当永磁三相同步马达在两相而不是三相上受到控制时。

所诊断的故障类型可以涉及一个或多个马达相的短路和/或电流测量值的损失，由于例如马达相的电流测量值的偏移和/或增益误差、对地或相之间的短路和/或一个或多个马达相的损失而变得不可信的一个或多个相的测量电流。

本发明提供了用估计电流代替错误测量电流并基于该估计电流继续以降级模式控制马达的可能性。

有利地，该诊断方法在两个活动相上实施，在第二活动相中测量或不测量电流，并且当在第二活动相中没有测量电流时，从第一活动相的测量电流外推该第二活动相中的电流值，等于第一相的电流的负值，标准偏差根据为该第二相给出的上述公式计算。

有利地，在对应于两相中所述至少一相的稳定电流的马达角位置范围内采集样本。

有利地，它被应用于能够测量所述两个活动相中的所述至少一相中的电流的物理或虚拟强度传感器，当标准偏差高于预定阈值时，强度传感器被表征为有故障。

附图说明

本发明的其他特征、目的和优点在阅读下面的详细描述和参照通过非限制性例子提供的附图时将变得显而易见，其中：

图1示出了根据本发明的诊断方法，该诊断方法用于诊断流经永磁同步三相电动马达的绕组的相应相的测量电流的测量值的有效性，该永磁同步三相电动马达是包括至少一个可由开关装置控制的绕组的类型，于是马达在两个活动相上受到控制，该方法是通过计算两个活动相的测量电流和估计电流之间的偏差，

图2示出了根据本发明一个实施例的诊断方法的流程图，

图3a和图3b示出了马达旋转角度下的电流强度和转矩曲线，这些曲线用于限定采样区域。

具体实施方式

更具体地参照图1，本发明涉及一种用于确定流经永磁同步三相电动马达M的绕组的估计电流Iestx、Iesty的方法，该永磁同步三相电动马达M是包括至少一个可由开关装置11控制的绕组的类型。

在图1中，用开关装置的指定元件符号11表示逆变器，逆变器是开关装置的一部分。

这种确定方法对于马达M进行，马达M于是在两个活动相上受到控制，第三相处于断开状态。

开关装置包括直流（DC）-交流（AC）逆变器11，该逆变器由外部电源以DC电压Ubat供电，该电压可以是机动车辆的电池电压。逆变器11将直流电压转换成锯齿形电压，对于该锯齿形电压，向马达M供电的两相x和y的电压分别为Ux和Uy。

在绕组的输入端测量两个活动相中的每一相的电压。然后，对两个测量电压Ux、Uy进行校正以产生相应的校正电压。该校正在两个连续的模块1和2中进行。

在有利地可以是低通滤波器的第一模块1中，在输入端，测量的电压是锯齿形的，并且在输出端获得的电压是正弦电压。

在作为补偿模块2或补偿器的第二模块2中，相应的正弦电压分别由补偿器补偿，该补偿器能够补偿低通滤波器的衰减效应，以产生相应的校正测量电压Umesx和Umesy。

在获得校正的测量电压Umesx和Umesy的同时，确定马达M的温度补偿相电阻。这在模块3和4中基于由开关装置和电子元件附近的传感器检测的温度Tsens连续执行，以给出开关装置的温度Tmos。该温度被外推以给出马达M的温度，并继续校正马达M的电阻。

基于校正的测量电压Umesx和Umesy以及马达M的温度补偿电阻Rmot，通过求解以下方程来确定分别流经绕组的两个活动相之一的至少一个估计电流Iestx或Iesty，x是两个活动相的第一活动相，y是两个活动相的第二活动相：

其中方程Lmot是马达M在20℃和0安培时的电感，Φ是马达M在20℃和0安培时的通量，ω_mot是马达M的转速，θ_mot是马达M的转子的角位置，k是常数，对于1相等于0，对于2相等于1，对于3相等于2。

这是在用于估计流经每相的电流的估计模块中进行的，该模块在图1中用5表示，在估计模块5的输出端有两个估计电流Iestx和Iesty。

该确定是基于永磁三相同步马达M的降级模式下的电气模型进行的，假设***是平衡的，即马达M的活动相之间没有阻抗不平衡。

有多种方式来求解上述方程，下面描述两种优选的方式。估计电流Iestx、Iesty可以通过使用用于微分方程近似的数值分析方法来确定。

在非优选的第一可选实施例中，可以根据以下方程在单次迭代中应用欧拉法：

。

在第二优选的可选实施例中，用于微分方程近似的所选数值分析方法可以是二阶龙格-库塔法。

然后，可以求解以下方程来计算x相的估计电流Iestx，x相是两个活动相之一：

其中Δt是计算的采样时间，n是迭代次数，其他参数已事先确定。

对于y相，计算y相（两个活动相中的另一个）的估计电流Iesty的方程是相似的，在上述方程中，x被替换为y，y被替换为x。

回到模块1和2中的两个测量电压的校正，对这两个测量电压进行校正以产生相应的校正电压，可以首先通过模块1中的低通滤波器对因此呈锯齿形式的测量电压进行滤波1以产生相应的正弦电压，然后通过能够补偿低通滤波器的衰减效应的补偿器对相应的正弦电压进行补偿2以产生相应的校正电压来执行。

在滤波1期间，低通滤波器可以是二阶或更高阶的低通滤波器，用于对施加到马达M的相位的锯齿或方波电压进行滤波，这允许通过对与电压脉宽调制***的脉宽调制频率相对应的载波进行滤波来进行解调。

在补偿2期间，可以通过位置速度模块10使用基于马达M的转速ωmot的插值表。活动相的两个电压中的至少一个电压的幅值的增益由于滤波器而减小，因此根据马达M的转速ωmot进行校正。位置速度模块10是马达M的转子的速度和位置测量模块。

关于马达M的电阻的确定，马达M的电阻可以通过在已知的环境温度下获取马达M的电阻Rmot20来进行温度补偿。

为此，可以获取开关装置的电子元件的平均温度Tmos，该开关装置的电子元件设置在检测温度Tsens的温度传感器附近。马达M的电阻Rmot然后可以根据以下方程基于开关装置11的电子元件的平均温度Tmos进行补偿：

Rmot = Rmot20*(1+0.004 * Tmos – 20°C)

0.004是铜的温度系数，Rmot20对应于马达M的一相在20℃时的电阻。

用于确定流经马达M的绕组的估计电流Iestx、Iesty的方法的优选应用旨在用于诊断流经永磁同步三相电动马达M的绕组的相应相的测量电流的测量值的有效性的方法，该永磁同步三相电动马达M是包括至少一个可由开关装置11控制的绕组的类型，于是马达M总是在两个活动相上受到控制，第三相处于断开状态。

在该方法中，测量流经两个活动相中至少一相的测量电流，有利地，测量流经两个活动相的测量电流。这是由图1中的测量模块9实现的，该测量模块9能够测量一相的电流或两个活动相的电流Imesx、Imesy。

还通过上述估计方法来确定流经绕组的两个活动相中的至少一相的估计电流Iestx、Iesty，并且获得估计电流值Iestx、Iesty。

然后，对于两个活动相中的至少一相，分别根据以下公式之一来计算在多个样本的滑动范围上，两个活动相中的所述至少一相的测量电流和估计电流Iestx、Iesty之差的相应滑动标准偏差，所述公式分别针对两相之一：

或者

NbEchantillon是样本数。

最后，将两个活动相中的所述至少一相的相应滑动标准偏差与预定阈值进行比较。当标准偏差高于预定阈值时，为所述至少一相诊断出测量电流Imesx或Imesy的误差，而当标准偏差低于预定阈值时，为两个活动相中的所述至少一相诊断出测量电流Imesx或Imesy的有效性。

预定阈值可以通过考虑整个测量链和所有可能的漂移（包括热漂移、采样漂移、电源漂移、校准漂移和其他漂移）来考虑最坏情况下的测量误差。

图1示出了故障检测模块6，其通过评估一个或多个标准偏差lecx和lecy来实现上述诊断方法。在该故障检测模块6的输入端传输至少一相的、优选两个活动相的一个或多个测量电流值Imesx和Imesy，以及一个或多个估计电流值Iestx、Iesty。

根据本发明的诊断方法可以在两个活动相上实施。这可以在测量或不测量第二活动相的电流的情况下进行。如果没有为第二活动相测量电流，则从第一活动相的测量电流Imesx或Imesy外推该第二活动相的测量电流值，等于第一相电流的负值，标准偏差根据为该第二相给出的上述公式计算。

图2示出了根据本发明的诊断方法的流程图，包括用于确定估计电流Iestx、Iesty的方法。

在流程图左侧的分支中，在滤波操作1和补偿操作2中校正一个或多个测量的电压测量值Ux、Uy，以给出一个或多个校正的电压测量值Umesx、Uesy。

并行地，在马达M停止期间，在外部环境温度下获取马达的相电阻Rmot20，所述电阻通过如下方式补偿：在附图标记3处，计算由传感器获取的温度并外推至马达M附近的开关装置的电子元件，然后在附图标记4处，通过该外推温度来补偿马达M的电阻，以获得补偿后的马达电阻Rmot。

然后，在附图标记5处，计算流经一相或每相的一个或多个电流的一相或两相的估计强度Iestx、Iesty。

基于马达输入端的一个或多个实际电流强度Ix、Iy，在9处提供有利地由传感器测量的一个或多个测量电流值Imesx、Imesy。如果测量有误，这些测量值可能与实际电流强度值Ix、Iy不同。

在附图标记6处，通过对于两个活动相中的至少一相，评估该活动相或两个活动相的测量电流Imesx、Imesy与估计电流Iestx、Iesty之差的标准偏差之间的相应滑动，检测电流强度测量值中的故障。

对于诊断方法而言，样本数NbEchantillon被选择成确定持续时间长于最小值的范围，该最小值足够高以执行滤波并避免错误警报。

相反，样本数NbEchantillon被选择成确定持续时间短于最大值的范围，该最大值存在在强度测量值中存在故障的情况下，例如在传感器中，继续控制马达M的风险。

不受此限制，该范围可以在10到15毫秒之间，采样周期为500微秒。在这些情况下，样本数量可能在20到30之间。

应当在对应于所述两相中的所述至少一相的稳定电流的马达M的角位置范围内采集样本。

图3a和图3b分别示出了马达M的电流强度I和马达转矩C，随对于两个电流相中每一相的马达电角位置角θmot而变。

降级模式下的电流形状如图3a所示。优选地，误差检测和诊断方法可以在电流以低变化梯度保持相对稳定的区域中实施。这对应于由图3a中的凹部形成的区域。

因此，有利地，为了根据电动马达M的角位置，仅在该凹部的凹坑中进行待诊断电流的采样，在马达M的电角位置范围内，角度θmot在对应于该凹部的区间内。

给定1 rad的采样窗口，TetaRef1为参考，参考窗口在TetaRef1-0.5 rad和TetaRef1+0.5rad之间或TetaRef1-0.5rad+π和TetaRef1+0.5rad+π之间延伸；该方法通过以下方式选择测量电流Imesx和估计电流Iestx或Iesty：

如果1相有故障，则TetaRef1 = 0 rad

如果2相有故障，则TetaRef1 = 2π/3

如果3相有故障，则TetaRef1 = 4π/3 rad。

当马达M在两相上受到控制时，该诊断有效。

有利地，它被应用于物理强度传感器，即，实际存在的电流传感器或虚拟电流传感器，在后一种情况下是软件，其能够测量两个活动相中的所述至少一相中的电流，当标准偏差高于预定阈值时，强度传感器被表征为有故障。

当强度传感器被表征为有故障时，来自所述传感器的强度测量值可以由估计的电流强度测量值Iestx、Iesty代替。然后马达M可以继续用这个新的估计电流强度值Iestx、Iesty来控制。

Claims (11)

1.一种用于确定流经永磁同步三相电动马达(M)的绕组的估计电流Iestx、Iesty的方法，该永磁同步三相电动马达(M)是可由开关装置(11)控制的包括至少一个绕组的类型，其特征在于，该方法包括以下步骤，于是所述马达(M)在两个活动相上受到控制，第三相处于断开状态：

·在所述绕组的输入端处测量对于所述两个活动相中的每一相的测量电压(Ux、Uy)，

·校正两个测量电压(Ux、Uy)以产生相应的校正电压Umesx、Umesy，

·确定所述马达的温度补偿电阻Rmot，

·根据所述马达的温度补偿电阻Rmot和所述两个活动相的测量电压，通过求解以下方程来确定分别流经所述绕组的两个活动相中的每一相的至少一个估计电流Iestx、Iesty，x是所述两个活动相的第一活动相，y是所述两个活动相的第二活动相：

其中，方程Lmot是所述马达(M)在20℃和0安培时的电感，φ是所述马达(M)在20℃和0安培时的通量，ω_mot是所述马达(M)的转速，θ_mot是所述马达(M)转子的角位置，k是常数，对于1相等于0，对于2相等于1，对于3相等于2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使用用于微分方程近似的数值分析方法来确定所述估计电流Iestx、Iesty。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所选的用于微分方程近似的数值分析方法是二阶龙格-库塔法，具有用于计算x相的估计电流Iestx的以下方程，x相是所述两个活动相之一：

其中Δt是所述计算的采样时间，且n是迭代次数，

用于计算y相的估计电流Iesty的方程是相似的，在上述方程中，x被交换为y，反之亦然，y相是所述两个活动相中的另一相。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，校正两个测量电压(Ux、Uy)以产生相应的校正电压，这个校正的实现首先是通过用低通滤波器对因此呈锯齿形的测量电压(Ux、Uy)进行滤波(1)，以便产生相应的正弦电压，然后通过用能够补偿所述低通滤波器的衰减效应的补偿器来补偿(2)相应的正弦电压以产生相应的校正电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述低通滤波器是二阶或高阶低通滤波器。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述补偿(2)使用基于所述马达(M)的转速(ω_mot)的插值表。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过获取设置在温度传感器附近的开关装置(11)的电子元件的平均温度Tmos来对所述马达的电阻Rmot的确定进行温度补偿，所述电阻Rmot根据以下方程进行补偿：

Rmot＝Rmot20*(1+0.004*(Tmos–20℃))

0.004是铜的温度系数，Rmot 20对应于所述马达(M)的一相在20℃时的电阻。

8.一种用于诊断流经永磁同步三相电动马达(M)的绕组的相应相的测量电流Imesx、Imesy的测量值的有效性的方法，该永磁同步三相电动马达(M)是可由开关装置(11)控制的包括至少一个绕组的类型，所述马达(M)于是在两个活动相上受到控制，第三相处于断开状态，其特征在于，其执行：

·测量流经所述两个活动相中的至少一相的测量电流Imesx、Imesy，

·通过根据权利要求中1-7任一项所述的方法来确定流经所述绕组的两个活动相中的至少一相的估计电流Iestx、Iesty，

·对于两个活动相中的至少一相，在多个样本的滑动范围内，分别根据以下公式之一计算所述两个活动相中的所述至少一相的所述测量电流Imesx、Imesy和所述估计电流Iestx、Iesty之间的差值的相应滑动标准偏差Iecx或Iecy：

或者

NbEchantillon是样本数，

·将两个活动相中的所述至少一相的相应滑动标准偏差Icex、Icey与预定阈值进行比较，其中，当所述标准偏差高于所述预定阈值时，为所述至少一相诊断出所述测量电流Imesx、Imesy中的误差，并且当所述标准偏差低于所述预定阈值时，为所述两个活动相中的所述至少一相诊断出所述测量电流Imesx、Imesy的有效性。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其在所述两个活动相上实施，测量或不测量第二活动相中的电流，并且当在所述第二活动相中未测量所述电流时，从第一活动相的测量电流Imesx或Imesy外推该第二活动相中的电流值，该电流值等于第一相的电流的负值，所述标准偏差根据针对该第二活动相给出的上述公式计算。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在对应于两相中的所述至少一相的稳定电流的所述马达(M)的角位置范围内采集所述样本。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，其应用于能够测量两个活动相中的所述至少一相中的电流的物理的或虚拟的强度传感器，当所述标准偏差高于所述预定阈值时，所述强度传感器被表征为有故障。