電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法及系統的製作方法
2023-11-07 23:15:27
電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法及系統，採用仿真的方式模擬永磁同步電機當前的實際運行工況，並得到當仿真電機運行在該實際運行工況的情況下發生三相短路故障時的短路故障閾值，然後根據該短路故障閾值判斷實際的永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障，從而能夠針對電動汽車永磁同步電機所處的不同運行工況，快速準確地判斷永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障，具有診斷速度快、診斷精度高等技術優勢，能夠實現永磁同步電機驅動系統安全可靠地運行。
【專利說明】電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法及系統【技術領域】
[0001]本發明涉及電動汽車【技術領域】，尤其涉及一種電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法及系統。
【背景技術】
[0002]目前，環境和能源成為人們日益關注的問題。在汽車領域，高效、節能和環保的新能源汽車，已經成為汽車行業的必然發展趨勢之一。永磁同步電機驅動系統能做到低能耗和零排放的目的，極具市場化前景。
[0003]電動汽車驅動電機多採用無刷直流電機(Brushless Direct Current Motor,BLDCM)和永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM),性能更為優越的PMSM越來越受到研究者和電動汽車製造商的青睞，作為新能源汽車核心零部件之一的PMSM驅動系統，其安全可靠運行至為關鍵。傳統的故障檢測及診斷方法相對簡單，不能適用於新能源汽車的所有運行工況，故不能夠達到新能源汽車高安全性、可靠性的要求。
[0004]電機的短路故障通常採用某相電流大於或等於8倍額定電流這一判據，而對於輕載、低速行駛的電動汽車，假設驅動電機出現三相短路故障，因其短路電流達不到8倍額定電流，利用上述的短路故障判據檢測不到三相短路故障，勢必影響電動汽車的安全可靠運行和使用壽命。
【發明內容】
[0005]為了解決現有技術中不能準確檢測三相短路故障，影響電動車運行的可靠性和使用壽命的問題，本發明提供了一種電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法。
[0006]為實現上述目的，本發明的技術方案為:
[0007]一種電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法，包括:
[0008]按照設定的採樣周期獲取永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流、以及所述永磁同步電機的轉子位置角，並根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定所述永磁同步電機的實際功率；
[0009]按照所述採樣周期獲取所述永磁同步電機的實際負載電流和實際轉速；
[0010]建立永磁同步電機驅動系統仿真模型，並且當仿真模型中仿真電機的負載電流和轉速分別等於所述實際負載電流和實際轉速時，將所述仿真電機的定子三相電壓均置零，並獲取此時所述仿真電機的仿真功率；
[0011]根據所述a相電流和b相電流、以及所述實際功率和仿真功率，確定所述永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障。
[0012]優選的是,所述根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角,確定所述永磁同步電機的實際功率包括:
[0013]根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，得到旋轉坐標系下定子的d軸電流和q軸電流；[0014]根據所述d軸電流和q軸電流，確定所述永磁同步電機的轉矩；
[0015]根據所述永磁同步電機的轉矩和所述實際轉速，確定所述永磁同步電機的實際功率。
[0016]優選的是，所述根據所述a相電流和b相電流、以及所述實際功率和仿真功率，確定所述永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障包括:
[0017]根據所述永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流，獲取所述永磁同步電機的定子的c相電流；
[0018]判斷所述實際功率是否小於或者等於所述仿真功率；
[0019]如果是，則根據所述永磁同步電機的額定電流，確定短路故障電流閾值；
[0020]如果否，則根據所述永磁同步電機的峰值電流，確定短路故障電流閾值；
[0021]判斷所述a相電流、所述b相電流或者所述c相電流是否連續η次大於所述故障電流閾值，η為大於O的自然數；
[0022]如果是，則確定所述永磁同步電機驅動系統出現短路故障；
[0023]否則，確定所述永磁同步電機驅動系統未出現短路故障。
[0024]優選的是，當所述實際功率小於或者等於所述仿真功率時，確定所述短路故障電流閾值為所述永磁同步電機的額定電流的第一參數倍，所述第一參數為1.1?1.5 ;
[0025]當所述實際功率大於所述仿真功率時，確定所述短路故障電流閾值為所述永磁同步電機的峰值電流的第二參數倍，所述第二參數為1.1?1.5。
[0026]一種電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷系統，包括:
[0027]第一數據採集單元，用於按照設定的採樣周期獲取永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流、以及所述永磁同步電機的轉子位置角；
[0028]實際功率確定單元，用於根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定所述永磁同步電機的實際功率；
[0029]第二數據採集單元，用於按照所述採樣周期獲取所述永磁同步電機的實際負載電流和實際轉速；
[0030]仿真單元，用於建立永磁同步電機驅動系統仿真模型，並且當仿真模型中仿真電機的負載電流和轉速分別等於所述實際負載電流和實際轉速時，將所述仿真電機的定子三相電壓均置零，並獲取此時所述仿真電機的仿真功率；
[0031 ] 短路故障判斷單元，用於根據所述a相電流和b相電流、以及所述實際功率和仿真功率，確定所述永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障。
[0032]優選的是，所述實際功率確定單元包括:
[0033]電流轉換單元，用於根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，得到旋轉坐標系下定子的d軸電流和q軸電流；
[0034]轉矩確定單元，用於根據所述電流轉換單元得到的所述d軸電流和q軸電流，確定所述永磁同步電機的轉矩；
[0035]實際功率子確定單元，用於根據所述轉矩確定單元確定的永磁同步電機的轉矩和所述實際轉速，確定所述永磁同步電機的實際功率。
[0036]優選的是，所述短路故障判斷單元包括:
[0037]c相電流確定單元，用於根據所述永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流，獲取所述永磁同步電機的定子的C相電流；
[0038]第一判斷單元，用於判斷所述實際功率是否小於或者等於所述仿真功率；並且在所述實際功率小於或者等於所述仿真功率的情況下，根據所述永磁同步電機的額定電流，確定短路故障電流閾值；在所述實際功率大於所述仿真功率的情況下，根據所述永磁同步電機的峰值電流，確定短路故障電流閾值；
[0039]第二判斷單元，用於判斷所述a相電流、所述b相電流或者所述c相電流確定單元獲取的c相電流是否連續η次大於所述第一判斷單元確定的故障電流閾值，η為大於O的自然數；並且在所述a相電流、所述b相電流或者所述c相電流連續η次大於所述故障電流閾值的情況下，確定所述永磁同步電機驅動系統出現短路故障；在所述a相電流、所述b相電流以及所述c相電流未連續η次大於所述故障電流閾值的情況下，確定所述永磁同步電機驅動系統未出現短路故障。
[0040]優選的是，所述第一判斷單元具體用於在所述實際功率小於或者等於所述仿真功率的情況下，確定所述短路故障電流閾值為所述永磁同步電機的額定電流的第一參數倍，所述第一參數為1.1?1.5 ;在所述實際功率大於所述仿真功率的情況下，確定所述短路故障電流閾值為所述永磁同步電機的峰值電流的第二參數倍，所述第二參數為1.1?1.5。
[0041]本發明的有益效果在於，應用本發明實施例電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法及系統，採用仿真的方式模擬永磁同步電機當前的實際運行工況，並得到當仿真電機運行在該實際運行工況的情況下發生三相短路故障時的短路故障閾值，然後根據該短路故障閾值判斷實際的永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障，從而能夠針對電動汽車永磁同步電機所處的不同運行工況，快速準確地判斷永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障，具有診斷速度快、診斷精度高等技術優勢，能夠實現永磁同步電機驅動系統安全可靠地運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]圖1示出了本發明實施例電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法的流程圖；
[0043]圖2示出了本發明實施例中根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定永磁同步電機的實際功率的流程圖；
[0044]圖3示出了本發明實施例電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷系統的結構示意圖；
[0045]圖4示出了本發明實施例中實際功率確定單元的結構示意圖；
[0046]圖5示出了本發明實施例中短路故障判斷單元的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0047]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0048]為解決現有技術中採用某相電流大於或等於8倍額定電流作為永磁同步電機短路故障的診斷判據，導致的不能準確檢測三相短路故障，最終影響電動車運行的可靠性和使用壽命的問題，本發明實施例提供了一種電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法及系統。
[0049]如圖1所示，是本發明實施例電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法的流程圖，所述方法包括以下步驟:
[0050]步驟101:按照設定的採樣周期獲取永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流、以及所述永磁同步電機的轉子位置角，並根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定所述永磁同步電機的實際功率。
[0051]具體地，設定永磁同步電機的定子的三相電流分別為a相電流、b相電流和c相電流，由於c相電流可以通過i。= _(ia+ib)計算得到，所以在米集電流時，僅需利用相應的電流傳感器採集永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流即可。永磁同步電機的轉子位置角可以通過設置在電機轉子處的位置傳感器採集到。由於上述定子電流和轉子位置角的檢測屬於本領域技術人員常規採用的技術手段，故在此不做過多闡述。
[0052]另外,所述根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定所述永磁同步電機的實際功率的方法，將在下文中結合圖2進行詳細地闡述。
[0053]步驟102:按照所述採樣周期獲取所述永磁同步電機的實際負載電流和實際轉速。
[0054]具體地，永磁同步電機的實際負載電流可以通過電流傳感器採集到，另外，永磁同步電機輸出的實際轉速既可以通過轉速傳感器採集到，也可以根據所述轉子位置角計算得至IJ。由於上述負載電流和電機轉速的獲取及計算方法均屬於本領域技術人員常規採用的技術手段，故在此不做過多闡述。
[0055]步驟103:建立永磁同步電機驅動系統仿真模型，並且當仿真模型中仿真電機的負載電流和轉速分別等於所述實際負載電流和實際轉速時，將所述仿真電機的定子三相電壓均置零，並獲取此時所述仿真電機的仿真功率。
[0056]具體地，所述建立永磁同步電機驅動系統仿真模型以及基於該仿真模型進行的仿真，是本領域技術人員常規採用的技術手段，例如南京工業大學自動化學院的高延榮於2008年7月在名為《工具機與液壓》的期刊上發表的名為「基於Matlab/Simulink的永磁同步電機(PMSM)矢量控制仿真」一文中所記載的仿真手段，故在本文中不進行詳細闡述。
[0057]步驟104:根據所述a相電流和b相電流、以及所述實際功率和仿真功率，確定所述永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障。其中所述確定所述永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障包括以下步驟:
[0058]根據所述永磁同步電機的定子的a相電流込和13相電流ib，利用公式i。= _(ia+ib)獲取所述永磁同步電機的定子的c相電流i。；
[0059]判斷所述實際功率P是否小於或者等於所述仿真功率P』 ；
[0060]如果是，則根據所述永磁同步電機的額定電流Ie，確定短路故障電流閾值Imax ;
[0061]如果否，則根據所述永磁同步電機的峰值電流Im，確定短路故障電流閾值Imax ;
[0062]判斷所述a相電流ia、所述b相電流ib或者所述c相電流i。是否連續η次大於所述故障電流閾值Imax，η為大於O的自然數；
[0063]如果是，則確定所述永磁同步電機驅動系統出現短路故障；
[0064]否則，確定所述永磁同步電機驅動系統未出現短路故障。[0065]具體地，由於現有技術中永磁同步電機的短路故障判定依據是一個固定的閥值，通常為，而對於電動汽車，這種判據不能適用所有的運行狀態。譬如對於輕載、低速行駛的電動汽車，假設驅動電機出現三相短路故障，因其短路電流達不到8倍額定電流，利用上述的短路故障判據檢測不到三相短路故障，勢必影響電動汽車的安全可靠運行和使用壽命。
[0066]為此，本發明實施例採取的措施是:利用MATLAB的SMULINK建模仿真組件中的仿真電機模擬永磁同步電機的短路故障，並利用仿真電機在發生短路故障時的功率(仿真功率)以及永磁同步電機的實際功率，判斷永磁同步電機是否發生短路故障。
[0067]具體地，首先在MATLAB的SMULINK建模仿真組件中搭建永磁同步電機驅動系統仿真模型，考慮到單相短路故障和兩相短路故障，它們所引起的短路電流都高於三相短路故障引起的短路電流，為此，僅需考慮三相短路故障。仿真時，逐漸增加仿真電機的負載電流並控制仿真電機的轉速增加，直到仿真電機的負載電流和轉速分別等於永磁同步電機的實際負載電流和實際轉速時，將仿真電機的定子三相電壓ua、Ub、U。同時置零，這樣即可在SMULINK中模擬永磁同步電機三相短路故障的發生。然後將仿真電機的峰值電流Ini作為三相短路故障發生時引起的短路故障電流的最大值Im』，並根據仿真電機的峰值電流Im計算出當前仿真電機的功率(即仿真功率)P』。從而意味著當永磁同步電機的實際功率P低於仿真電機的仿真功率P』時，永磁同步電機發生短路故障所引起的短路電流最小值低於所述電機的峰值電流Ini，而當永磁同步電機的實際功率P高於仿真電機的仿真功率P』時，永磁同步電機發生短路故障所引起的短路電流最小值將高於所述電機的峰值電流Im。一旦獲得仿真電機的仿真功率P』，將該仿真功率P』與所述實際功率P』相比較:如果實際功率PS仿真功率P』，則將短路故障電流閾值Imax設定為第一參數倍的電機額定電流Ie ;如果實際功率P〉仿真功率P』，電流閥值Imax設定為第二參數倍的電機峰值電流Im，這裡第一參數和第二參數均為修正係數，一般可選為1.1~1.5。
[0068]然後，根據獲取到的永磁同步電機定子的a相電流ia、b相電流ib、c相電流i。、以及根據上述方法得到的故障電流閾值Imax實現永磁同步電機驅動系統的短路故障診斷:判斷所述a相電流ia是否連續η次大於所述故障電流閾值Imax、或者所述b相電流ib是否連續η次大於所述故障電流閾值Imax、或者所述c相電流i。是否連續η次大於所述故障電流閾值Imax，其中η為大於O的自然數，優選為3 ;如果是，則確定所述永磁同步電機驅動系統出現短路故障；否則，確定所述永磁同步電機驅動系統未出現短路故障。
[0069]如圖2所示，是本發明實施例中根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定永磁同步電機的實際功率的流程圖，所述確定所述永磁同步電機的實際功率包括以下步驟:
[0070]步驟201:根據所述a相電流ia、b相電流ib和轉子位置角Θ，利用公式
【權利要求】
1.一種電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷方法，其特徵在於，包括: 按照設定的採樣周期獲取永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流、以及所述永磁同步電機的轉子位置角，並根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定所述永磁同步電機的實際功率； 按照所述採樣周期獲取所述永磁同步電機的實際負載電流和實際轉速； 建立永磁同步電機驅動系統仿真模型，並且當仿真模型中仿真電機的負載電流和轉速分別等於所述實際負載電流和實際轉速時，將所述仿真電機的定子三相電壓均置零，並獲取此時所述仿真電機的仿真功率； 根據所述a相電流和b相電流、以及所述實際功率和仿真功率，確定所述永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定所述永磁同步電機的實際功率包括: 根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，得到旋轉坐標系下定子的d軸電流和q軸電流； 根據所述d軸電流和q軸電流，確定所述永磁同步電機的轉矩； 根據所述永磁同步電 機的轉矩和所述實際轉速，確定所述永磁同步電機的實際功率。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述根據所述a相電流和b相電流、以及所述實際功率和仿真功率，確定所述永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障包括: 根據所述永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流，獲取所述永磁同步電機的定子的c相電流； 判斷所述實際功率是否小於或者等於所述仿真功率； 如果是，則根據所述永磁同步電機的額定電流，確定短路故障電流閾值； 如果否，則根據所述永磁同步電機的峰值電流，確定短路故障電流閾值； 判斷所述a相電流、所述b相電流或者所述c相電流是否連續η次大於所述故障電流閾值，η為大於O的自然數； 如果是，則確定所述永磁同步電機驅動系統出現短路故障； 否則，確定所述永磁同步電機驅動系統未出現短路故障。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於， 當所述實際功率小於或者等於所述仿真功率時，確定所述短路故障電流閾值為所述永磁同步電機的額定電流的第一參數倍，所述第一參數為1.1~1.5 ; 當所述實際功率大於所述仿真功率時，確定所述短路故障電流閾值為所述永磁同步電機的峰值電流的第二參數倍，所述第二參數為1.1~1.5。
5.一種電動汽車永磁同步電機驅動系統短路故障診斷系統，其特徵在於，包括: 第一數據採集單元，用於按照設定的採樣周期獲取永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流、以及所述永磁同步電機的轉子位置角； 實際功率確定單元，用於根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，確定所述永磁同步電機的實際功率； 第二數據採集單元，用於按照所述採樣周期獲取所述永磁同步電機的實際負載電流和實際轉速；仿真單元，用於建立永磁同步電機驅動系統仿真模型，並且當仿真模型中仿真電機的負載電流和轉速分別等於所述實際負載電流和實際轉速時，將所述仿真電機的定子三相電壓均置零，並獲取此時所述仿真電機的仿真功率； 短路故障判斷單元，用於根據所述a相電流和b相電流、以及所述實際功率和仿真功率，確定所述永磁同步電機驅動系統是否出現短路故障。
6.根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述實際功率確定單元包括: 電流轉換單元， 用於根據所述a相電流、b相電流和轉子位置角，得到旋轉坐標系下定子的d軸電流和q軸電流； 轉矩確定單元，用於根據所述電流轉換單元得到的所述d軸電流和q軸電流，確定所述永磁同步電機的轉矩； 實際功率子確定單元，用於根據所述轉矩確定單元確定的永磁同步電機的轉矩和所述實際轉速，確定所述永磁同步電機的實際功率。
7.根據權利要求5或6所述的系統，其特徵在於，所述短路故障判斷單元包括: c相電流確定單元，用於根據所述永磁同步電機的定子的a相電流和b相電流，獲取所述永磁同步電機的定子的c相電流； 第一判斷單元，用於判斷所述實際功率是否小於或者等於所述仿真功率；並且在所述實際功率小於或者等於所述仿真功率的情況下，根據所述永磁同步電機的額定電流，確定短路故障電流閾值；在所述實際功率大於所述仿真功率的情況下，根據所述永磁同步電機的峰值電流，確定短路故障電流閾值； 第二判斷單元，用於判斷所述a相電流、所述b相電流或者所述c相電流確定單元獲取的c相電流是否連續η次大於所述第一判斷單元確定的故障電流閾值，η為大於O的自然數；並且在所述a相電流、所述b相電流或者所述c相電流連續η次大於所述故障電流閾值的情況下，確定所述永磁同步電機驅動系統出現短路故障；在所述a相電流、所述b相電流以及所述c相電流未連續η次大於所述故障電流閾值的情況下，確定所述永磁同步電機驅動系統未出現短路故障。
8.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述第一判斷單元具體用於在所述實際功率小於或者等於所述仿真功率的情況下，確定所述短路故障電流閾值為所述永磁同步電機的額定電流的第一參數倍，所述第一參數為1.1~1.5 ;在所述實際功率大於所述仿真功率的情況下，確定所述短路故障電流閾值為所述永磁同步電機的峰值電流的第二參數倍，所述第二參數為1.1~1.5。
【文檔編號】G01R31/02GK104007358SQ201410259128
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】周亞男, 李大偉, 李紅梅, 鄭樹松 申請人:安徽江淮汽車股份有限公司