TWI745056B - 馬達連接故障偵測方法 - Google Patents

Abstract

一種馬達連接故障偵測方法，應用於變頻器的驅動架構，包含：擷取馬達的三相定子電流；轉換三相定子電流以得到在靜止座標系的兩軸電流分量；根據兩軸電流分量計算馬達的旋轉角度；根據旋轉角度計算角速度；比較角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率；以及若角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率的差異大於一設定值，則判定馬達為連接故障。

Description

馬達連接故障偵測方法

本發明係有關一種馬達連接故障偵測方法，尤指一種透過在靜止座標系進行運算之馬達連接故障偵測方法。

請參見圖1所示，其係為三相馬達發生開路之示意圖。如圖所示，變頻器(inverter)10A的三相(例如U、V、W三相)輸出功率輸出端子需與馬達20A穩固地連接，才能使馬達20A依變頻器10A的輸出適當地運轉。然而一旦由於電力線斷掉，使得馬達20A開路時，變頻器10A的輸出功率無法正常地被傳遞至馬達20A，而使得馬達20A無法正常運轉。

以電梯系統為例，當馬達20A發生開路時，無法正常輸出轉矩，此時需立即地檢出故障並啟動機械煞車，使電梯廂體停止移動，避免電梯廂體在無法正常控制的狀態下持續移動，造成乘客生命財產的損失及系統的損害。需說明的是，馬達開路故障或短路故障，均屬於馬達連接故障的一種。

為此，如何設計出一種馬達連接故障偵測方法，來解決前述的技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之目的在於提供一種馬達連接故障偵測方法，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的馬達連接故障偵測方法，應用於變頻器的開迴路驅動架構，偵測方法包含：擷取馬達的三相定子電流；轉換三相定子電流，得到在靜止座標系的兩軸電流分量；根據兩軸電流分量計算馬達的旋轉角度；根據旋轉角度計算角速度；比較角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率；以及若角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率的差異大於頻率設定差值，則判定馬達為連接故障。

在一實施例中，若角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率的差異大於頻率設定差值，且狀態持續超過預定時間，則判定馬達為連接故障。

在一實施例中，頻率設定差值為5赫茲。

藉由所提出的開迴路(開環)馬達連接故障偵測方法，可立即檢出開路故障或短路故障等的連接故障，以避免馬達繼續運轉而造成人員生命財產的損失及系統的損害。

本發明之另一目的在於提供一種馬達連接故障偵測方法，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的馬達連接故障偵測方法，應用於變頻器的閉迴路驅動架構，偵測方法包含：擷取馬達回授的三相定子電流；轉換三相定子電流，得到在靜止座標系的多軸電流分量；取得變頻器在同步座標系的兩軸電流命令；轉換在同步座標系的兩軸電流命令，得到變頻器在靜止座標系的多軸電流命令；以及比較在靜止座標系的多軸電流命令與多軸電流分量，得到在靜止座標系的多軸電流誤差值，其中當任一軸的電流誤差值大於電流設定差值，則判定馬達為連接故障。

在一實施例中，其中靜止座標系的多軸電流命令可為兩軸電流命令或三軸電流命令，靜止座標系的多軸電流分量可為兩軸電流分量或回授的三相定子電流，多軸電流誤差值可為兩軸電流誤差值或三軸電流誤差值。

在一實施例中，更包含將兩軸電流誤差值或三軸電流誤差值取絕對值相加，得到總電流誤差值；以及若總電流誤差值大於總電流設定差值，則判定馬達為連接故障。

在一實施例中，其中總電流設定差值為額定輸出電流最大值的3.5%。

在一實施例中，若總電流誤差值大於總電流設定差值，且狀態持續超過預定時間，則判定馬達為連接故障。

在一實施例中，其中任一軸的電流設定差值為變頻器的額定輸出電流最大值的2%。

在一實施例中，若當任一軸的電流誤差值大於電流設定差值，且狀態持續超過預定時間，則判定馬達為連接故障。

藉由所提出的閉迴路(閉環)馬達連接故障偵測方法，可立即檢出開路故障或短路故障等的連接故障，以避免馬達繼續運轉而造成人員生命財產的損失及系統的損害。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

以開迴路控制，例如電壓／頻率(V/f)比例控制為例，由於此開迴路控制只依照頻率輸出對應電壓，並且沒有轉子位置及電流向量的資訊等等，因此若僅以純量電流差異檢出馬達開路故障或短路故障等的連接故障的方式，不容易進行電流閥值的設定。

因此，在變頻器的開迴路驅動架構，本發明判定馬達為開路故障或短路故障等的連接故障與否的方法係透過以馬達電流轉換並計算的角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率進行比較，若兩者差異小於一頻率設定差值時，則判定該多相馬達沒有發生連接故障；反之，若兩者差異大於該頻率設定差值時，則判定該多相馬達發生連接故障，前述多相馬達例如為三相馬達或六相馬達，本發明係主要以三相馬達為例，詳細說明如下。

請參見圖2所示，其係為本發明三相電流與靜止座標系之示意圖。本發明揭示馬達連接故障偵測方法的步驟，應用於變頻器的開迴路驅動架構，所述連接故障可包括開路故障或短路故障。配合圖3，其係為本發明馬達連接故障偵測方法的第一實施例之系統示意圖；復配合圖4所示，其係為本發明馬達連接故障偵測方法的第一實施例之流程圖。以下以圖4的流程為主要說明，此方法應用於變頻器的開迴路驅動架構：首先，擷取一馬達回授的一三相定子電流(步驟S11)，本實施例以偵測三相馬達開路故障作為示意，惟亦可應用於六相馬達，且亦可應用於短路故障偵測，予以說明。然後，轉換該三相定子電流，得到在一靜止座標系的兩軸電流分量(步驟S12)。其中，所述靜止座標系亦稱為α/β(alpha/beta)座標系(圖示為

及

)。透過轉換，可將三相的定子電流(

,

,

)轉換為兩軸的α/β座標系的定子電流。亦即，靜止座標系與定子電流純量之間的關係如下：

(1)

其中，

為定子電流純量的最大值、

為合成電流與參考軸的夾角。

因此，透過關係式(1)可轉換該三相定子電流以得到在靜止座標系的兩軸電流分量(

,

)。

然後，根據在靜止座標系的該兩軸電流分量計算馬達的一旋轉角度(步驟S13)。其中，定子電流向量角度的計(估)算如下(關係式(2))：

(2)

然後，根據該旋轉角度計算一角速度(步驟S14)。具體地，透過對該旋轉角度進行微分，可得到角速度如下(關係式(3))：

(3)

然後，比較該角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率(步驟S15)。在誤差範圍允許的狀態下，因馬達角速度是自馬達電流轉換並計算而得，馬達角速度的頻率與定子電流的頻率接近，故比較馬達角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率，是可取代比較馬達定子電流的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率的實施方式，其中該變頻器用以驅動控制該馬達。

最後，根據比較的結果判斷馬達是否發生連接故障。具體地，若該角速度的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率的差異大於一頻率設定差值，則判定該馬達為連接故障(步驟S16)。由於

，這個估計的角速度的頻率

基本上與驅動控制該馬達的變頻器的輸出電壓的頻率

應該相等(在不考慮誤差的理想狀態下)，因此，本發明利用馬達的定子電流的頻率與變頻器的輸出電壓的頻率應該相同的特性，透過馬達的定子電流轉換並計算角速度的頻率，並且與變頻器的輸出電壓的頻率進行比較。一旦兩者差異過大時，即可判定馬達為連接故障。反之，若該角速度的頻率與該變頻器的輸出電壓的頻率的差異小於或等於該頻率設定差值，則判定該馬達無連接故障。換言之，透過對定子電流進行角速度估測，可得知馬達在正常連接及驅動狀態下(即無發生開路故障或短路故障)，經由定子電流轉換並計算的角速度的頻率與變頻器實際輸出的電壓的頻率應該相當接近，甚至相同。再者，由於經由回授定子電流轉換並計算以估測角速度的頻率的響應快速，可即時地追隨變頻器的輸出電壓的頻率，因此，可利用回授定子電流轉換並計算以估測角速度的頻率這個資訊快速地進行馬達連接故障與否的檢測。

在本實施例中，該頻率設定差值(

)可為5赫茲，然不以此為限制本發明。亦即，若該角速度的頻率與該變頻器的輸出電壓的頻率的差異大於5赫茲，因為在連接正常時定子電流的頻率應與變頻器的輸出電壓的頻率相同，則根據此頻率差異過大的現象判定馬達為連接故障。上述馬達包括三相馬達或六相馬達，上述連接故障包括開路故障或短路故障。

在不同的實施例中，為了避免雜訊的影響而誤判斷為發生馬達連接故障，因此，可以設計當該角速度的頻率與該變頻器的輸出電壓的頻率的差異即使已大於5赫茲(即該頻率設定差值)，仍不立即判定為發生馬達連接故障，而係進一步地判斷此狀態(超過該頻率設定差值)是否持續且超過一預定時間，例如4毫秒，然不以此為限制本發明。換言之，當該角速度的頻率與該變頻器的輸出電壓的頻率的差異大於該頻率設定差值，且差異超過該頻率設定差值的狀態一直持續且超過該預定時間時，則判定該馬達為連接故障。反之，當該角速度的頻率與該變頻器的輸出電壓的頻率的差異大於該頻率設定差值，但是該狀態沒有持續且沒有超過該預定時間時，則判定該馬達無連接故障。藉此，多一個輔助判斷的時間機制，可避免雜訊的影響造成瞬間(暫態)該角速度的頻率與該變頻器的輸出電壓的頻率的差異大於該頻率設定差值，而誤判斷為發生馬達連接故障。上述馬達包括三相馬達或六相馬達，上述連接故障包括開路故障或短路故障。

請參見圖5所示，其係為本發明三相電流、靜止座標系與同步座標系之示意圖。本發明馬達連接故障偵測方法的步驟，應用於變頻器的閉迴路驅動架構，所述連接故障可包括開路故障或短路故障。配合圖6，其係為本發明馬達連接故障偵測方法的第二實施例之系統示意圖；復配合圖7所示，其係為本發明馬達連接故障偵測方法的第二實施例之流程圖。以下以圖7的流程為主要說明，此方法應用於變頻器的閉迴路驅動架構：首先，擷取一馬達回授的一三相定子電流(

,

,

) (步驟S21)，本實施例以偵測三相馬達開路故障作為示意，惟亦可應用於六相馬達，且亦可應用於短路故障偵測，予以說明。然後，轉換該三相定子電流，得到在一靜止座標系的兩軸電流分量或三軸電流分量(步驟S22)。其中，所述靜止座標系亦稱為α/β(alpha/beta)座標系(圖示為

及

)。透過轉換，可將三相的定子電流(

,

,

)轉換為兩軸的α/β座標系的定子電流；若欲取得靜止座標系的三軸電流值，可直接取用回授的該三相定子電流(

,

,

)。亦即，靜止座標系定子電流純量之間的關係如下：

(4)

因此，透過關係式(4)可轉換該三相定子電流(

,

,

)得到在靜止座標系的兩軸電流分量(

,

)；需說明的是，如圖6所示同步座標系上的電流命令與回授的馬達定子電流均可依需要區分不同實施例進行多軸轉換，例如分別轉換成靜止座標系上的兩軸電流命令或三軸電流命令與兩軸電流分量或三軸電流分量，再進行比較以達故障偵測目的，其中回授的靜止座標系上的三軸電流分量可直接取用前述回授的三相定子電流值(

,

,

)以簡化及加速運算。

然後，取得變頻器在一同步座標系的兩軸電流命令(步驟S23)。其中，該同步座標系係為d-q軸旋轉座標系。所述變頻器在同步座標系的兩軸電流命令係指一直軸(d軸)電流命令(

)以及一交軸(q軸)電流命令(

。

然後，轉換該同步座標系的兩軸電流命令得到變頻器在該靜止座標系的兩軸電流命令或三軸電流命令(步驟S24)，其中同步座標系電流命令轉換至靜止座標系兩軸電流命令及三軸電流命令的關係分別如下式(5a)及(5b)所示：

(5a)

(5b)

因此，透過關係式(5a)及5(b)可轉換在同步座標系的兩軸電流命令(

,

)得到在靜止座標系的兩軸電流命令(

,

)或三軸電流命令(

,

,

)。

然後，在一實施例中比較在該靜止座標系的該兩軸電流命令與在該靜止座標系的該兩軸電流分量，或者在另一實施例中比較在該靜止座標系的該三軸電流命令與在該靜止座標系的該三軸電流分量(亦即，回授的該三相定子電流值)，以分別得到在該靜止座標系的兩軸電流誤差值或三軸電流誤差值，其中，只要任一軸的電流誤差值大於一電流設定差值，則判定馬達為連接故障(步驟S25)。更者，亦可再將前述計算的兩軸電流誤差值或三軸電流誤差值取絕對值相加，以得到在該靜止座標系的一總電流誤差值，最後，根據比較該總電流誤差值是否大於一總電流設定差值的結果判斷馬達是否發生連接故障，亦即，若該總電流誤差值大於該總電流設定差值，則判定該馬達為連接故障(步驟S26)。其中以在轉換為靜止座標系的兩軸分量的實施例為例說明，透過將在靜止座標系的交軸電流命令(

)與所對應在靜止座標系的交軸電流分量(

)相減，可得到在靜止座標系的交軸的電流誤差值

。同樣地，透過將在靜止座標系的直軸電流命令(

)與所對應在靜止座標系的直軸電流分量(

)相減，可得到在靜止座標系的直軸的電流誤差值

。然後，將交軸的電流誤差值與直軸的電流誤差值分別取絕對值後相加，可得到該總電流誤差值。前述交軸的電流誤差值

、直軸的電流誤差值

或總電流誤差值均可用以判斷馬達是否為連接故障，至於三軸的比對方式類似，且所述電流設定差值或所述總電流設定差值可以依據需要分別設定或統一設定，本發明不以此為限。

由於在馬達正常的連接及驅動運轉時，以下仍以轉換為靜止座標系的兩軸分量的實施例為例說明，靜止座標系回授的電流值(

,

)，應該與同步座標系的電流命令(

,

)轉換至靜止座標系的電流命令(

,

)相近，即靜止座標系回授的電流值(

,

)會追隨靜止座標系的電流命令(

,

)進行調節(即調整、改變輸出電壓使實際電流與電流命令一致)，因此，本發明利用這樣的特性，藉由比較電流誤差值是否超過所預設的電流設定差值，確認靜止座標系回授的電流值是否無法追隨靜止座標系的電流命令，據此判定此時馬達發生連接故障。在本實施例中，該電流設定差值為該變頻器額定輸出電流最大值的2%，然不以此為限制本發明。一旦直軸或交軸中的任一軸電流誤差值過大而超過該單軸的電流設定差值時，或該多軸的總電流誤差值過大而超過該多軸的總電流設定差值時，例如總電流誤差值超過該變頻器額定輸出電流最大值的3.5%，則可判定馬達為連接故障。反之，若直軸或交軸的電流誤差值均小於或等於該電流設定差值時，或該多軸的總電流誤差值小於或等於該多軸的總電流設定差值時，則判定該馬達無連接故障。換言之，透過確認直軸或交軸中的任一軸電流誤差值過大，或確認該總電流誤差值是否過大進行判斷，可得知馬達發生連接故障，因為在正常驅動狀態下(即無發生開路故障或短路故障)，靜止座標系回授的電流值(

,

)，應該與同步座標系的電流命令(

,

)轉換至靜止座標系的電流命令(

,

)相當接近，甚至相同。再者，無論馬達為暫態加速或穩態運轉時，由於靜止座標系回授的電流值(

,

)追隨靜止座標系的電流命令(

,

)的響應快速，因此，可利用電流誤差值這個資訊快速地進行馬達連接故障與否的檢測。上述馬達包括三相馬達或六相馬達，上述連接故障包括開路故障或短路故障，亦可應用於兩軸或三軸的電流值比對。

在不同的實施例中，為了避免雜訊的影響而誤判斷為發生馬達連接故障，因此，可以設計即使直軸或交軸中的任一軸電流誤差值大於該變頻器額定輸出電流最大值的2%，或該總電流誤差值大於該變頻器額定輸出電流最大值的3.5%，仍不立即判定為發生馬達連接故障，而係進一步地判斷該狀態是否持續且超過一預定時間，例如4毫秒，然不以此為限制本發明。換言之，當直軸或交軸中的任一軸電流誤差值大於該電流設定差值，或該總電流誤差值大於該總電流設定差值，且該狀態持續且超過該預定時間時，始判定該馬達為連接故障。反之，即使當直軸或交軸中的任一軸電流誤差值大於該電流設定差值，或該總電流誤差值大於該總電流設定差值，但是該狀態沒有持續且沒有超過該預定時間時，則判定該馬達無連接故障。藉此，多一個輔助判斷的時間機制，可避免雜訊的影響造成瞬間(暫態)該電流誤差值大於該設定值，而誤判斷為發生馬達連接故障。上述馬達包括三相馬達或六相馬達，上述連接故障包括開路故障或短路故障，亦可應用於兩軸或三軸的電流值比對。

綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：

1、本發明提出的馬達連接故障偵測方法的應用範圍可廣泛地涵蓋現有大體基於變頻器驅動架構的控制方法，例如，V/f控制、V/f-PG控制、SVC控制、FOC-PG控制、FOC-PGPM控制…等等，可同時應用於變頻器的開迴路及閉迴路驅動架構，惟判定的數值依據略異。本發明可應用於三相、六相或其他多相馬達。本發明提出的偵測方法可偵測包括開路故障或短路故障等的連接故障。

2、與在不同角度激勵電流訊號量測訊號響應的方法比較起來，本發明不需要額外注入訊號、量測電流響應，且馬達參數影響較小，故操作簡單且精準。

3、與判斷負序電壓高於閥值的控制方法比較起來，本發明直接以電流進定判定，可確保電流異常時，仍可立即檢出故障。

4、與透過偵測負序電壓、三相電壓有效值誤差及總諧波失真進行故障偵測等的方法比較起來，本發明不需要完整取樣一個週期，可在故障發生短時間內檢出故障。

藉由所提出的馬達連接故障偵測方法，可立即檢出連接故障，以避免馬達繼續運轉而造成人員生命財產的損失及系統的損害。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

10A:變頻器

20A:馬達

S11~S16:步驟

S21~S26:步驟

圖1：係為三相馬達發生開路之示意圖。

圖2：係為本發明三相電流與靜止座標系之示意圖。

圖3：係為本發明馬達連接故障偵測方法的第一實施例之系統示意圖。

圖4：係為本發明馬達連接故障偵測方法的第一實施例之流程圖。

圖5：係為本發明三相電流、靜止座標系與同步座標系之示意圖。

圖6：係為本發明馬達連接故障偵測方法的第二實施例之系統示意圖。

圖7：係為本發明馬達連接故障偵測方法的第二實施例之流程圖。

S11~S16:步驟

Claims (10)

1. 一種馬達連接故障偵測方法，應用於一變頻器的開迴路驅動架構，包含： 擷取一馬達的一三相定子電流； 轉換該三相定子電流，得到在一靜止座標系的兩軸電流分量； 根據該兩軸電流分量計算該馬達的一旋轉角度； 根據該旋轉角度計算一角速度； 比較該角速度的頻率與該變頻器的一輸出電壓的頻率；以及 若該角速度的頻率與該變頻器的該輸出電壓的頻率的差異大於一頻率設定差值，則判定該馬達為連接故障。
2. 如請求項1所述之馬達連接故障偵測方法，其中若該角速度的頻率與該變頻器的該輸出電壓的頻率的差異大於該頻率設定差值，且該狀態持續超過一預定時間，則判定該馬達為連接故障。
3. 如請求項1所述之馬達連接故障偵測方法，其中該頻率設定差值為5赫茲。
4. 一種馬達連接故障偵測方法，應用於一變頻器的閉迴路驅動架構，包含： 擷取一馬達回授的一三相定子電流； 轉換該三相定子電流，得到在一靜止座標系的多軸電流分量； 取得該變頻器在一同步座標系的兩軸電流命令； 轉換在該同步座標系的該兩軸電流命令，得到該變頻器在該靜止座標系的多軸電流命令；以及 比較在該靜止座標系的該多軸電流命令與該多軸電流分量，得到在該靜止座標系的多軸電流誤差值，其中當任一軸的電流誤差值大於一電流設定差值，則判定該馬達為連接故障。
5. 如請求項4所述之馬達連接故障偵測方法，其中該靜止座標系的該多軸電流命令可為兩軸電流命令或三軸電流命令，該靜止座標系的該多軸電流分量可為兩軸電流分量或回授的該三相定子電流，該多軸電流誤差值可為兩軸電流誤差值或三軸電流誤差值。
6. 如請求項5所述之馬達連接故障偵測方法，更包含： 將在該靜止座標系的該兩軸電流誤差值或該三軸電流誤差值取絕對值相加，得到一總電流誤差值；以及 若該總電流誤差值大於一總電流設定差值，則判定該馬達為連接故障。
7. 如請求項6所述之馬達連接故障偵測方法，其中該總電流設定差值為該變頻器的額定輸出電流最大值的3.5%。
8. 如請求項6所述之馬達連接故障偵測方法，其中若該總電流誤差值大於該總電流設定差值，且該狀態持續超過一預定時間，則判定該馬達為連接故障。
9. 如請求項4所述之馬達連接故障偵測方法，其中該任一軸的電流設定差值為該變頻器的額定輸出電流最大值的2%。
10. 如請求項4所述之馬達連接故障偵測方法，其中若當任一軸的電流誤差值大於該電流設定差值，且該狀態持續超過一預定時間，則判定該馬達為連接故障。

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