CN114114068A - 马达连接故障检测方法 - Google Patents

Abstract

一种马达连接故障检测方法，应用于变频器的驱动架构，包含：获取马达的三相定子电流；转换三相定子电流以得到在静止坐标系的两轴电流分量；根据两轴电流分量计算马达的旋转角度；根据旋转角度计算角速度；比较角速度的频率与变频器的输出电压的频率；以及若角速度的频率与变频器的输出电压的频率的差异大于一设定值，则判定马达为连接故障。

Description

马达连接故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种马达连接故障检测方法，特别涉及一种通过在静止坐标系进行运算的马达连接故障检测方法。

背景技术

请参见图1所示，其为三相马达发生开路的示意图。如图所示，变频器(inverter)10A的三相(例如U、V、W三相)输出功率输出端子需与马达20A稳固地连接，才能使马达20A依变频器10A的输出适当地运转。然而一旦由于电力线断掉，使得马达20A开路时，变频器10A的输出功率无法正常地被传递至马达20A，而使得马达20A无法正常运转。

以电梯***为例，当马达20A发生开路时，无法正常输出转矩，此时需立即地检出故障并启动机械煞车，使电梯厢体停止移动，避免电梯厢体在无法正常控制的状态下持续移动，造成乘客生命财产的损失及***的损害。需说明的是，马达开路故障或短路故障，均属于马达连接故障的一种。

为此，如何设计出一种马达连接故障检测方法，来解决前述的技术问题，乃为本公开发明人所研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种马达连接故障检测方法，解决现有技术的问题。

为实现前揭目的，本发明所提出的马达连接故障检测方法，应用于变频器的开回路驱动架构，检测方法包含：获取马达的三相定子电流；转换三相定子电流，得到在静止坐标系的两轴电流分量；根据两轴电流分量计算马达的旋转角度；根据旋转角度计算角速度；比较角速度的频率与变频器的输出电压的频率；以及若角速度的频率与变频器的输出电压的频率的差异大于频率设定差值，则判定马达为连接故障。

在一实施例中，若角速度的频率与变频器的输出电压的频率的差异大于频率设定差值，且状态持续超过预定时间，则判定马达为连接故障。

在一实施例中，频率设定差值为5赫兹。

通过所提出的开回路(开环)马达连接故障检测方法，可立即检出开路故障或短路故障等的连接故障，以避免马达继续运转而造成人员生命财产的损失及***的损害。

本发明的另一目的在于提供一种马达连接故障检测方法，解决现有技术的问题。

为实现前揭目的，本发明所提出的马达连接故障检测方法，应用于变频器的闭回路驱动架构，检测方法包含：获取马达反馈的三相定子电流；转换三相定子电流，得到在静止坐标系的多轴电流分量；取得变频器在同步坐标系的两轴电流命令；转换在同步坐标系的两轴电流命令，得到变频器在静止坐标系的多轴电流命令；以及比较在静止坐标系的多轴电流命令与多轴电流分量，得到在静止坐标系的多轴电流误差值，其中当任一轴的电流误差值大于电流设定差值，则判定马达为连接故障。

在一实施例中，其中静止坐标系的多轴电流命令可为两轴电流命令或三轴电流命令，静止坐标系的多轴电流分量可为两轴电流分量或反馈的三相定子电流，多轴电流误差值可为两轴电流误差值或三轴电流误差值。

在一实施例中，还包含将两轴电流误差值或三轴电流误差值取绝对值相加，得到总电流误差值；以及若总电流误差值大于总电流设定差值，则判定马达为连接故障。

在一实施例中，其中总电流设定差值为额定输出电流最大值的3.5％。

在一实施例中，若总电流误差值大于总电流设定差值，且状态持续超过预定时间，则判定马达为连接故障。

在一实施例中，其中任一轴的电流设定差值为变频器的额定输出电流最大值的2％。

在一实施例中，若当任一轴的电流误差值大于电流设定差值，且状态持续超过预定时间，则判定马达为连接故障。

通过所提出的闭回路(闭环)马达连接故障检测方法，可立即检出开路故障或短路故障等的连接故障，以避免马达继续运转而造成人员生命财产的损失及***的损害。

为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1：为三相马达发生开路的示意图。

图2：为本发明三相电流与静止坐标系的示意图。

图3：为本发明马达连接故障检测方法的第一实施例的***示意图。

图4：为本发明马达连接故障检测方法的第一实施例的流程图。

图5：为本发明三相电流、静止坐标系与同步坐标系的示意图。

图6：为本发明马达连接故障检测方法的第二实施例的***示意图。

图7：为本发明马达连接故障检测方法的第二实施例的流程图。

附图标记说明：

10A：变频器

20A：马达

S11～S16：步骤

S21～S26：步骤

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。

以开回路控制，例如电压/频率(V/f)比例控制为例，由于此开回路控制只依照频率输出对应电压，并且没有转子位置及电流向量的信息等等，因此若仅以纯量电流差异检出马达开路故障或短路故障等的连接故障的方式，不容易进行电流阈值的设定。

因此，在变频器的开回路驱动架构，本发明判定马达为开路故障或短路故障等的连接故障与否的方法是通过以马达电流转换并计算的角速度的频率与变频器的输出电压的频率进行比较，若两者差异小于一频率设定差值时，则判定该多相马达没有发生连接故障；反之，若两者差异大于该频率设定差值时，则判定该多相马达发生连接故障，前述多相马达例如为三相马达或六相马达，本发明主要以三相马达为例，详细说明如下。

请参见图2所示，其为本发明三相电流与静止坐标系的示意图。本发明公开马达连接故障检测方法的步骤，应用于变频器的开回路驱动架构，所述连接故障可包括开路故障或短路故障。配合图3，其为本发明马达连接故障检测方法的第一实施例的***示意图；再配合图4所示，其为本发明马达连接故障检测方法的第一实施例的流程图。以下以图4的流程为主要说明，此方法应用于变频器的开回路驱动架构：首先，获取一马达反馈的一三相定子电流(步骤S11)，本实施例以检测三相马达开路故障作为示意，而亦可应用于六相马达，且亦可应用于短路故障检测，予以说明。然后，转换该三相定子电流，得到在一静止坐标系的两轴电流分量(步骤S12)。其中，所述静止坐标系亦称为α/β(alpha/beta)坐标系(图示为i_qss及i_dss)。通过转换，可将三相的定子电流(i_a,i_b,i_c)转换为两轴的α/β坐标系的定子电流。亦即，静止坐标系与定子电流纯量之间的关系如下：

其中，I_s为定子电流纯量的最大值、θ_e为合成电流与参考轴的夹角。

因此，通过关系式(1)可转换该三相定子电流以得到在静止坐标系的两轴电流分量(i_qss,i_dss)。

然后，根据在静止坐标系的该两轴电流分量计算马达的一旋转角度(步骤S13)。其中，定子电流向量角度的计(估)算如下(关系式(2))：

然后，根据该旋转角度计算一角速度(步骤S14)。具体地，通过对该旋转角度进行微分，可得到角速度如下(关系式(3))：

然后，比较该角速度的频率与变频器的输出电压的频率(步骤S15)。在误差范围允许的状态下，因马达角速度是自马达电流转换并计算而得，马达角速度的频率与定子电流的频率接近，故比较马达角速度的频率与变频器的输出电压的频率，是可取代比较马达定子电流的频率与变频器的输出电压的频率的实施方式，其中该变频器用以驱动控制该马达。

最后，根据比较的结果判断马达是否发生连接故障。具体地，若该角速度的频率与变频器的输出电压的频率的差异大于一频率设定差值，则判定该马达为连接故障(步骤S16)。由于

这个估计的角速度的频率

基本上与驱动控制该马达的变频器的输出电压的频率f_e应该相等(在不考虑误差的理想状态下)，因此，本发明利用马达的定子电流的频率与变频器的输出电压的频率应该相同的特性，通过马达的定子电流转换并计算角速度的频率，并且与变频器的输出电压的频率进行比较。一旦两者差异过大时，即可判定马达为连接故障。反之，若该角速度的频率与该变频器的输出电压的频率的差异小于或等于该频率设定差值，则判定该马达无连接故障。换言之，通过对定子电流进行角速度估测，可得知马达在正常连接及驱动状态下(即无发生开路故障或短路故障)，经由定子电流转换并计算的角速度的频率与变频器实际输出的电压的频率应该相当接近，甚至相同。再者，由于经由反馈定子电流转换并计算以估测角速度的频率的响应快速，可实时地追随变频器的输出电压的频率，因此，可利用反馈定子电流转换并计算以估测角速度的频率这个信息快速地进行马达连接故障与否的检测。

在本实施例中，该频率设定差值(Δf)可为5赫兹，然不以此为限制本发明。亦即，若该角速度的频率与该变频器的输出电压的频率的差异大于5赫兹，因为在连接正常时定子电流的频率应与变频器的输出电压的频率相同，则根据此频率差异过大的现象判定马达为连接故障。上述马达包括三相马达或六相马达，上述连接故障包括开路故障或短路故障。

在不同的实施例中，为了避免噪声的影响而误判断为发生马达连接故障，因此，可以设计当该角速度的频率与该变频器的输出电压的频率的差异即使已大于5赫兹(即该频率设定差值)，仍不立即判定为发生马达连接故障，而是进一步地判断此状态(超过该频率设定差值)是否持续且超过一预定时间，例如4毫秒，然不以此为限制本发明。换言之，当该角速度的频率与该变频器的输出电压的频率的差异大于该频率设定差值，且差异超过该频率设定差值的状态一直持续且超过该预定时间时，则判定该马达为连接故障。反之，当该角速度的频率与该变频器的输出电压的频率的差异大于该频率设定差值，但是该状态没有持续且没有超过该预定时间时，则判定该马达无连接故障。借此，多一个辅助判断的时间机制，可避免噪声的影响造成瞬间(暂态)该角速度的频率与该变频器的输出电压的频率的差异大于该频率设定差值，而误判断为发生马达连接故障。上述马达包括三相马达或六相马达，上述连接故障包括开路故障或短路故障。

请参见图5所示，其为本发明三相电流、静止坐标系与同步坐标系的示意图。本发明马达连接故障检测方法的步骤，应用于变频器的闭回路驱动架构，所述连接故障可包括开路故障或短路故障。配合图6，其为本发明马达连接故障检测方法的第二实施例的***示意图；再配合图7所示，其为本发明马达连接故障检测方法的第二实施例的流程图。以下以图7的流程为主要说明，此方法应用于变频器的闭回路驱动架构：首先，获取一马达反馈的一三相定子电流(i_a,i_b,i_c)(步骤S21)，本实施例以检测三相马达开路故障作为示意，而亦可应用于六相马达，且亦可应用于短路故障检测，予以说明。然后，转换该三相定子电流，得到在一静止坐标系的两轴电流分量或三轴电流分量(步骤S22)。其中，所述静止坐标系亦称为α/β(alpha/beta)坐标系(图示为i_qss及i_dss)。通过转换，可将三相的定子电流(i_a,i_b,i_c)转换为两轴的α/β坐标系的定子电流；若欲取得静止坐标系的三轴电流值，可直接取用反馈的该三相定子电流(i_a,i_b,i_c)。亦即，静止坐标系定子电流纯量之间的关系如下：

因此，通过关系式(4)可转换该三相定子电流(i_a,i_b,i_c)得到在静止坐标系的两轴电流分量(i_qss,i_dss)；需说明的是，如图6所示同步坐标系上的电流命令与反馈的马达定子电流均可依需要区分不同实施例进行多轴转换，例如分别转换成静止坐标系上的两轴电流命令或三轴电流命令与两轴电流分量或三轴电流分量，再进行比较以达故障检测目的，其中反馈的静止坐标系上的三轴电流分量可直接取用前述反馈的三相定子电流值(i_a,i_b,i_c)以简化及加速运算。

然后，取得变频器在一同步坐标系的两轴电流命令(步骤S23)。其中，该同步坐标系为d-q轴旋转坐标系。所述变频器在同步坐标系的两轴电流命令是指一直轴(d轴)电流命令

以及一交轴(q轴)电流命令

然后，转换该同步坐标系的两轴电流命令得到变频器在该静止坐标系的两轴电流命令或三轴电流命令(步骤S24)，其中同步坐标系电流命令转换至静止坐标系两轴电流命令及三轴电流命令的关系分别如下式(5a)及(5b)所示：

因此，通过关系式(5a)及5(b)可转换在同步坐标系的两轴电流命令

得到在静止坐标系的两轴电流命令

或三轴电流命令

然后，在一实施例中比较在该静止坐标系的该两轴电流命令与在该静止坐标系的该两轴电流分量，或者在另一实施例中比较在该静止坐标系的该三轴电流命令与在该静止坐标系的该三轴电流分量(亦即，反馈的该三相定子电流值)，以分别得到在该静止坐标系的两轴电流误差值或三轴电流误差值，其中，只要任一轴的电流误差值大于一电流设定差值，则判定马达为连接故障(步骤S25)。更者，亦可再将前述计算的两轴电流误差值或三轴电流误差值取绝对值相加，以得到在该静止坐标系的一总电流误差值，最后，根据比较该总电流误差值是否大于一总电流设定差值的结果判断马达是否发生连接故障，亦即，若该总电流误差值大于该总电流设定差值，则判定该马达为连接故障(步骤S26)。其中以在转换为静止坐标系的两轴分量的实施例为例说明，通过将在静止坐标系的交轴电流命令

与所对应在静止坐标系的交轴电流分量(i_qss)相减，可得到在静止坐标系的交轴的电流误差值

同样地，通过将在静止坐标系的直轴电流命令

与所对应在静止坐标系的直轴电流分量(i_dss)相减，可得到在静止坐标系的直轴的电流误差值

然后，将交轴的电流误差值与直轴的电流误差值分别取绝对值后相加，可得到该总电流误差值。前述交轴的电流误差值i_qerr、直轴的电流误差值i_derr或总电流误差值均可用以判断马达是否为连接故障，至于三轴的比对方式类似，且所述电流设定差值或所述总电流设定差值可以依据需要分别设定或统一设定，本发明不以此为限。

由于在马达正常的连接及驱动运转时，以下仍以转换为静止坐标系的两轴分量的实施例为例说明，静止坐标系反馈的电流值(i_qss,i_dss)，应该与同步坐标系的电流命令

转换至静止坐标系的电流命令

相近，即静止坐标系反馈的电流值(i_qss,i_dss)会追随静止坐标系的电流命令

进行调节(即调整、改变输出电压使实际电流与电流命令一致)，因此，本发明利用这样的特性，通过比较电流误差值是否超过所预设的电流设定差值，确认静止坐标系反馈的电流值是否无法追随静止坐标系的电流命令，据此判定此时马达发生连接故障。在本实施例中，该电流设定差值为该变频器额定输出电流最大值的2％，然不以此为限制本发明。一旦直轴或交轴中的任一轴电流误差值过大而超过该单轴的电流设定差值时，或该多轴的总电流误差值过大而超过该多轴的总电流设定差值时，例如总电流误差值超过该变频器额定输出电流最大值的3.5％，则可判定马达为连接故障。反之，若直轴或交轴的电流误差值均小于或等于该电流设定差值时，或该多轴的总电流误差值小于或等于该多轴的总电流设定差值时，则判定该马达无连接故障。换言之，通过确认直轴或交轴中的任一轴电流误差值过大，或确认该总电流误差值是否过大进行判断，可得知马达发生连接故障，因为在正常驱动状态下(即无发生开路故障或短路故障)，静止坐标系反馈的电流值(i_qss,i_dss)，应该与同步坐标系的电流命令

转换至静止坐标系的电流命令

相当接近，甚至相同。再者，无论马达为暂态加速或稳态运转时，由于静止坐标系反馈的电流值(i_qss,i_dss)追随静止坐标系的电流命令

的响应快速，因此，可利用电流误差值这个信息快速地进行马达连接故障与否的检测。上述马达包括三相马达或六相马达，上述连接故障包括开路故障或短路故障，亦可应用于两轴或三轴的电流值比对。

在不同的实施例中，为了避免噪声的影响而误判断为发生马达连接故障，因此，可以设计即使直轴或交轴中的任一轴电流误差值大于该变频器额定输出电流最大值的2％，或该总电流误差值大于该变频器额定输出电流最大值的3.5％，仍不立即判定为发生马达连接故障，而是进一步地判断该状态是否持续且超过一预定时间，例如4毫秒，然不以此为限制本发明。换言之，当直轴或交轴中的任一轴电流误差值大于该电流设定差值，或该总电流误差值大于该总电流设定差值，且该状态持续且超过该预定时间时，始判定该马达为连接故障。反之，即使当直轴或交轴中的任一轴电流误差值大于该电流设定差值，或该总电流误差值大于该总电流设定差值，但是该状态没有持续且没有超过该预定时间时，则判定该马达无连接故障。借此，多一个辅助判断的时间机制，可避免噪声的影响造成瞬间(暂态)该电流误差值大于该设定值，而误判断为发生马达连接故障。上述马达包括三相马达或六相马达，上述连接故障包括开路故障或短路故障，亦可应用于两轴或三轴的电流值比对。

综上所述，本发明是具有以下的特征与优点：

1、本发明提出的马达连接故障检测方法的应用范围可广泛地涵盖现有大体基于变频器驱动架构的控制方法，例如，V/f控制、V/f-PG控制、SVC控制、FOC-PG控制、FOC-PGPM控制……等等，可同时应用于变频器的开回路及闭回路驱动架构，而判定的数值依据略异。本发明可应用于三相、六相或其他多相马达。本发明提出的检测方法可检测包括开路故障或短路故障等的连接故障。

2、与在不同角度激励电流信号测量信号响应的方法比较起来，本发明不需要额外注入信号、测量电流响应，且马达参数影响较小，故操作简单且精准。

3、与判断负序电压高于阈值的控制方法比较起来，本发明直接以电流进定判定，可确保电流异常时，仍可立即检出故障。

4、与通过检测负序电压、三相电压有效值误差及总谐波失真进行故障检测等的方法比较起来，本发明不需要完整取样一个周期，可在故障发生短时间内检出故障。

通过所提出的马达连接故障检测方法，可立即检出连接故障，以避免马达继续运转而造成人员生命财产的损失及***的损害。

以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的构思与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本公开的权利要求。

Claims (10)

1.一种马达连接故障检测方法，应用于一变频器的开回路驱动架构，包含：

获取一马达的一三相定子电流；

转换该三相定子电流，得到在一静止坐标系的两轴电流分量；

根据该两轴电流分量计算该马达的一旋转角度；

根据该旋转角度计算一角速度；

比较该角速度的频率与该变频器的一输出电压的频率；以及

若该角速度的频率与该变频器的该输出电压的频率的差异大于一频率设定差值，则判定该马达为连接故障。

2.如权利要求1所述的马达连接故障检测方法，其中若该角速度的频率与该变频器的该输出电压的频率的差异大于该频率设定差值，且这样的状态持续超过一预定时间，则判定该马达为连接故障。

3.如权利要求1所述的马达连接故障检测方法，其中该频率设定差值为5赫兹。

4.一种马达连接故障检测方法，应用于一变频器的闭回路驱动架构，包含：

获取一马达反馈的一三相定子电流；

转换该三相定子电流，得到在一静止坐标系的多轴电流分量；

取得该变频器在一同步坐标系的两轴电流命令；

转换在该同步坐标系的该两轴电流命令，得到该变频器在该静止坐标系的多轴电流命令；以及

比较在该静止坐标系的该多轴电流命令与该多轴电流分量，得到在该静止坐标系的多轴电流误差值，其中当任一轴的电流误差值大于一电流设定差值，则判定该马达为连接故障。

5.如权利要求4所述的马达连接故障检测方法，其中该静止坐标系的该多轴电流命令可为两轴电流命令或三轴电流命令，该静止坐标系的该多轴电流分量可为两轴电流分量或反馈的该三相定子电流，该多轴电流误差值可为两轴电流误差值或三轴电流误差值。

6.如权利要求5所述的马达连接故障检测方法，还包含：

将在该静止坐标系的该两轴电流误差值或该三轴电流误差值取绝对值相加，得到一总电流误差值；以及

若该总电流误差值大于一总电流设定差值，则判定该马达为连接故障。

7.如权利要求6所述的马达连接故障检测方法，其中该总电流设定差值为该变频器的额定输出电流最大值的3.5％。

8.如权利要求6所述的马达连接故障检测方法，其中若该总电流误差值大于该总电流设定差值，且这样的状态持续超过一预定时间，则判定该马达为连接故障。

9.如权利要求4所述的马达连接故障检测方法，其中该任一轴的电流设定差值为该变频器的额定输出电流最大值的2％。

10.如权利要求4所述的马达连接故障检测方法，其中若当任一轴的电流误差值大于该电流设定差值，且这样的状态持续超过一预定时间，则判定该马达为连接故障。

Images