检测机动车辆的助力转向系统的电动马达的转矩控制故障的方法与流程

本发明涉及机动车辆的助力转向系统的电动马达的控制领域，并且更具体地涉及一种检测机动车辆的助力转向系统的三相电动马达的转矩控制故障的方法。

本发明尤其适用于检测允许控制机动车辆的助力转向的同步无刷（英语中称为“brushless”）类型的三相电动马达的电流控制故障。

背景技术：

在机动车辆中，已知使用同步“无刷”三相电动马达以使车辆导向变得容易。该电动马达连接至车辆的转向柱，使得构成车辆的称为“助力转向”的模块。

此马达的转矩控制由被称为电子控制模块（英语中称为“电子控制单元”或ecu）的计算机来实现。该电子控制模块包括微控制器以及直流/交流（英语中称为“直流/交流”或dc/ac）换流器，该直流/交流换流器一方面连接至微控制器且另一方面通过三个连接插头和两个电阻来连接至马达。两个模数转换器（英语中称为“模数转换器”或adc）各自电连接至两个电阻中的一个电阻的端子。

因此，为了检测马达的输入端的电流控制故障，微控制器通过模数转换器来测量马达输入端的电流。通过这样做，当模数转换器中的一个是饱和的时，微控制器可以检测到插头中的一个上的短路故障，或者当模数转换器中的一个在一段时间期间持续测量到恒定值时，微控制器可以检测到开路。

然而，在这种配置中，微控制器不能检测一个或多个相上的增益或偏移，但是这种增益或这种偏移是频繁的并且产生由微控制器所测量的电流的错误值，这可能导致响应于所执行的测量所生成的由微控制器施加至马达的可变转矩，并因此导致车辆的驾驶员对方向盘的不良控制，这具有严重的危险性。

此外，现有的故障检测方法需要马达转变至称为“诊断”的模式，该诊断模式规定要停止车辆的助力转向系统，而这样具有明显的缺点。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种检测机动车辆的三相电动马达的转矩控制故障的简单、可靠且有效的解决方案。

为此，本发明旨在一种检测机动车辆的助力转向系统的三相电动马达的转矩控制故障的方法，所述马达包括第一控制连接器、第二控制连接器、第三控制连接器、定子和转子，所述方法包括以下步骤：

•生成用于控制所述马达的第一相的第一pwm电压信号，用于控制所述马达的第二相的第二pwm电压信号和用于控制所述马达的第三相的第三pwm电压信号，

•根据所述第一pwm电压信号、所述第二pwm电压信号和所述第三pwm电压信号，估算在与所述马达的所述转子相关联的两相参考系中的直轴正弦电流和交轴正弦电流，

•测量传送至所述马达的所述第一控制连接器的第一电流和传送至所述马达的所述第二控制连接器的第二电流，

•测量传送至所述第三控制连接器的第三电流，或者根据所述第一电流和所述第二电流估算传送至所述第三控制连接器的第三电流，

•将所测量的所述第一电流、所测量的所述第二电流以及所测量的或所估算的所述第三电流变换为直轴电流和交轴电流，

•根据所测量的直轴正弦电流、所估算的直轴正弦电流、所测量的交轴正弦电流和所估算的交轴正弦电流，确定剩余直轴正弦电压和剩余交轴正弦电压，

•当所述剩余直轴正弦电压的值和它的移动平均值之间的差值大于第一阈值时和/或当所述剩余交轴正弦电压的值和它的移动平均值之间的差值大于第二阈值时，检测到故障。

因此，在第一剩余电压的平均值周围所确定的第一剩余电压的值的过大变化和/或在第二剩余电压的平均值周围所确定的第二剩余电压的值的过大变化表示由电子控制模块所进行的马达转矩电流控制中存在故障。

该故障可能是短路或开路，也可能是三相电动马达的三个相中的一个相或若干相的增益或偏移。

本发明的优点是：

•除了检测明显的故障（马达短路、换流器臂短路等）以外，还检测由失衡的换流器或失衡的马达所表现出的潜在的故障。此外，该发明与对两个或三个马达电流的测量相兼容；

•对于电流的估算，仅使用给定的马达和换流器参数，例如在20°c并在零电流下所给定的参数。无需增加温度传感器以在一时间期间补偿马达参数随温度的变化；

•不产生用于检测故障的电流，以避免计算机发热并避免产生不希望的转矩（在失效的情况下）。该故障检测是在运行过程中的正常控制模式下进行，而无需转变至称为“诊断”的模式；

•能够检测不转动的马达故障（例如，马达断相）；

•能够在系统的所有运行条件下检测故障（在例如温度[-40°c，125°c]的、计算机供电电压[10v，24v]的、电动马达速度[-4000tr/m，4000tr/m]的整个范围内）。

传送至马达的第三控制连接器的第三电流可被测量或估算。实际上，由于第一电流、第二电流与该第三电流的和为零，所以该第三电流可以根据传送至马达的第一控制连接器的第一电流以及传送至马达的第二控制连接器的第二电流来容易地计算得到。

根据本发明的一个方面，由于在与所述定子相关联的参考系中所述转子以由角度所限定的位置和旋转速度为特征，所述方法还包括测量所述转子的位置的角度和所述转子的旋转速度的步骤。

有利地，估算步骤包括：

•对所述第一pwm电压信号、所述第二pwm电压信号和所述第三pwm电压信号进行滤波的滤波步骤，以分别获得在与所述马达的所述定子相关联的三相参考系中所表示的第一正弦电压、第二正弦电压和第三正弦电压，

•根据给出所述转子的位置的所述角度，将所述第一正弦电压、所述第二正弦电压和所述第三正弦电压变换为在与所述马达的所述转子相关联的两相参考系中所表示的直轴正弦电压和交轴正弦电压的变换步骤，

•根据所述直轴正弦电压、所述交轴正弦电压、所述马达的所述转子的所述旋转速度、所述剩余直轴正弦电压和所述剩余交轴正弦电压，确定对应于所述直轴正弦电压的所估算的直轴正弦电流和对应于所述交轴正弦电压的所估算的交轴正弦电流的确定步骤。

仍有利地，通过应用clarke变换、park变换或dqo（英语中为“directquadraturezero”或直轴交轴零轴）变换来实现将第一正弦电压、第二正弦电压和第三正弦电压变换为在与马达的转子相关联的两相参考系中所表示的直轴正弦电压和交轴正弦电压的步骤。

根据本发明的特征，根据所确定的马达的转子的位置的角度来实现将第一电流和第二电流变换为直轴电流和交轴电流的变换步骤。

优选地，确定剩余直轴正弦电压和剩余交轴正弦电压的确定步骤包括：

•计算直轴正弦电流的强度和所估算的直轴正弦电流的强度之间的差值的计算步骤，

•计算交轴正弦电流的强度和所估算的交轴正弦电流的强度之间的差值的计算步骤。

还优选地，检测到故障的步骤包括：

•根据持续接收的剩余直轴正弦电压的值和剩余交轴正弦电压的值并尤其通过使用电动马达的转子的旋转速度来计算剩余直轴正弦电压的移动平均值和剩余交轴正弦电压的移动平均值的计算步骤，

•计算剩余直轴正弦电压的值和它的移动平均值之间的差值的计算步骤，

•计算剩余交轴正弦电压的值和它的移动平均值之间的差值的计算步骤。

有利地，该方法还包括根据马达的转子的旋转速度来校正低通滤波器件的增益降低的校正步骤。

本发明还涉及一种检测机动车辆的助力转向系统的三相电动马达的转矩控制故障的装置，所述马达包括第一控制连接器、第二控制连接器、第三控制连接器、定子和转子，所述装置包括：

•生成器件，所述生成器件生成用于控制所述马达的第一相的第一pwm电压信号、用于控制所述马达的第二相的第二pwm电压信号和用于控制所述马达的第三相的第三pwm电压信号，

•估算器件，所述估算器件根据所述第一pwm电压信号、所述第二pwm电压信号和所述第三pwm电压信号来估算位于与所述马达的所述转子相关联的两相参考系中的直轴正弦电流和交轴正弦电流，

•测量单元，所述测量单元测量传送至所述马达的所述第一控制连接器的第一电流和传送至所述马达的所述第二控制连接器的第二电流并且确定传送至所述马达的所述第三控制连接器的第三电流，

•变换单元，所述变换单元将所述第一电流、所述第二电流和所述第三电流变换为直轴正弦电流和交轴正弦电流，

•确定单元，所述确定单元根据所测量的直轴正弦电流、所估算的直轴正弦电流、所测量的交轴正弦电流和所估算的交轴正弦电流来确定剩余直轴正弦电压和剩余交轴正弦电压，

•故障检测单元，当所述剩余直轴正弦电压的值和它的移动平均值之间的差值大于第一阈值时和/或当所述剩余交轴正弦电压的值和它的移动平均值之间的差值大于第二阈值时，所述故障检测单元检测到故障。

测量单元可以配置来测量传送至马达的第三控制连接器的第三电流，或者根据传送至马达的第一控制连接器的第一电流的测量值和传送至马达的第二控制连接器的第二电流的测量值来确定所述第三电流，这三个电流的和为零。

本发明最后涉及一种包括三相电动马达和如前所述的装置的机动车辆，所述三相电动马达包括第一控制连接器、第二控制连接器、第三控制连接器、定子和转子。

附图说明

根据以下关于以非限制性示例的方式给出且其中相同的附图标记指代类似物体的附图所做的描述，将使本发明的其它特征和优点变得清楚的。

图1示意性地示出了根据本发明的系统的实施方式。

图2示意性地示出了根据本发明的方法的实施例。

具体实施方式

现将参照图1和图2来描述本发明。

首先参照图1，装置1允许检测三相电动马达10的转矩控制故障，并因此用于安装在包括这种三相电动马达10的机动车辆（未示出）中。

已知，这种三相电动马达10包括定子10a、转子10b、第一控制连接器11、第二控制连接器12以及第三控制连接器13。

转子10b的位置由在与定子10a相关联的固定参考系中表示为θmot的角度所定义，并且转子10b相对于定子10a的旋转速度表示为ωmot。

在根据本发明的装置1的优选实施例中，三相电动马达10是同步无刷（或“brushless”）三相电动马达。

仍然参照图1，该马达10由用于控制马达10的第一相的第一pwm电压信号u’1、用于控制马达10的第二相的第二pwm电压信号u’2以及用于控制马达10的第三相的第三pwm电压信号u’3所控制，这三个电压信号由装置1的生成器件所生成，包括微控制器110和换流器120。

微控制器110配置来通过换流器120来控制具有可变占空比的第一pwm（英语中称为“pulse-widthmodulation（脉宽调制）”，或者是本领域技术人员所公知的脉冲宽度调制信号）电压u’1、第二pmw电压u’2以及第三pmw电压u’3的生成（未在图1中示出这些电压）。

换流器120是将直流电压转换为交流电压的dc/ac类型的转换器。该换流器120允许将向车辆供应电能的电池（例如向ecu（如本领域技术人员所公知地，英语中称为“电子控制单元”）类型的计算机供能的电池）的直流电压转换为三相的三个交流电压，分别为第一pmw电压u’1、第二pmw电压u’2和第三pmw电压u’3。为此，换流器可以包括用于操纵三相功率桥的电子电压放大器。

第一pmw电压信号u’1产生传送至第一控制连接器11的第一电流i’1，第二pmw电压信号u’2产生传送至第二控制连接器12的第二电流i’2并且第三pwm电压信号u’3产生传送至第三控制连接器13的第三电流i’3，以便以已知的方式控制三相电动马达10。

除了该微控制器110和该换流器120之外，装置1还包括速度和位置测量单元130、马达电流测量单元140以及三相电流至两相电流变换单元142。

速度和位置测量单元130配置为，在与定子10a相关联的固定参考系中测量转子10b的位置的角度θmot和转子10b的旋转速度ωmot。

马达电流测量单元140配置为，测量提供至第一控制连接器11的第一电流i’1、提供至第二控制连接器12的第二电流i’2以及提供至第三控制器连接器13的第三电流i’3。将注意到，由于这三个强度的和为零，所以能够仅测量这三个电流中的两个强度，并且第三电流的强度可以由测量单元140通过计算从这两个测量值推算得出。

三相电流至两相电流变换单元142配置为，根据马达10的转子10b的位置的角度θmot而将在与定子10a相关联的固定三相参考系中所测量第一电流i’1、第二电流i’2以及第三电流i’3变换为在与马达10的转子10b相关联的两相参考系中所表示的直轴电流（directcurrent）id以及交轴电流（quadraturecurrent）iq。

装置1还包括根据所述第一pwm电压信号u’1、所述第二pwm电压信号u’2和所述第三pwm电压信号u’3来估算在与马达10的转子10b相关联的两相参考系中的直轴正弦电流id_est和交轴正弦电流iq_est的估算器件。

这些估算器件包括低通滤波器件150、校正器件152、变换器件154以及电流估算单元156。

低通滤波器件150（例如，二阶低通滤波器件）允许将第一pwm电压信号u’1、第二pwm电压信号u’2和第三pwm电压信号u’3分别变换为定义在与马达10的定子10a相关联的固定三相参考系中的第一正弦电压u1、第二正弦电压u2和第三正弦电压u3。

校正器件152允许，根据马达10的转子10b的旋转速度ωmot来校正低通滤波器件150的增益降低。低通滤波器的增益降低表示为如下形式：rfiltre=f（ωmot），其中f（ωmot）是对于二阶低通滤波器的二阶多项式（a*ωmot^2+b*ωmot+c）

因此，增益降低的校正因子gcorrfiltre表示为：

gcorrfiltre=（-rfiltre+1）。

该校正因子适用于所有电压，以便对其进行校正：

ucorr1=u1×gcorrfiltre、ucorr2=u2×gcorrfiltre、ucorr3=u3×gcorrfiltre。

根据给出转子10b的位置的角度θmot，变换器件154将在与马达10的定子10a相关联的固定三相参考系中所表示的第一正弦电压u1、第二正弦电压u2和第三正弦电压u3变换为在与马达10的转子10b相关联的可活动的两相参考系中所表示的直轴正弦电压ud和交轴正弦电压uq。

优选地，通过应用本领域技术人员已知的clarke变换和/或park变换和/或dqo变换来实现该变换。

clarke变换和park变换是尤其用于矢量控制的数学工具，以便借助两相模型对三相系统进行建模。这涉及参考系的改变。

clarke变换和park变换各自将具有由三相电流供能的三个绕组的旋转机器建模为具有由正弦电流供能的两个固定垂直绕组的旋转机器。

对于同步机器而言，如同这种情况，clarke或park参考系固定于定子10a。此外，在park参考系中，同步机器的电流具有显著的直流性质。

将在后文描述电流估算单元156，该电流估算单元156配置为，根据直轴正弦电压ud、交轴正弦电压uq、马达10的转子10b的旋转速度ωmot、剩余直轴正弦电压ud_res和剩余交轴正弦电压uq_res来确定对应于直轴正弦电压ud的所估算的直轴正弦电流id_est和对应于交轴正弦电压uq的所估算的交轴正弦电流iq_est。

该装置还包括第一微分器158和第二微分器159，一方面，第一微分器158配置来计算直轴正弦电流id的强度和所估算的直轴正弦电流id_est的强度之间的差值epsid，并且另一方面，第二微分器159配置来计算交轴正弦电流iq的强度与所估算的交轴正弦电流iq_est的强度之间的差值epsiq。

然后，装置1包括确定单元160，根据分别由第一微分器158和第二微分器159所计算的直轴正弦电流id的强度和所估算的直轴正弦电流id_est的强度之间的差值epsid以及交轴正弦电流iq的强度和所估算的交轴正弦电流iq_est的强度之间的差值epsiq，该确定单元160确定与直轴正弦电压ud相关的剩余直轴正弦电压ud_res以及与交轴正弦电压uq相关的剩余交轴正弦电压uq_res。

如图1所示，剩余直轴正弦电压ud_res和剩余交轴正弦电压uq_res允许通过在电流估算单元156和确定单元160之间的循环的逐次迭代来补偿所估算的直轴正弦电流id_est和所估算的交轴正弦电流iq_est，以使所估算的直轴正弦电流id_est和所估算的交轴正弦电流iq_est在持续时间中分别等于直轴正弦电流id和交轴正弦电流iq。

实际上，如果没有上述这些，则马达的电气模型不考虑马达参数随温度以及在定子中流动的电流而产生的变化。因此，应该通过使用如后文将描述的剩余直轴正弦电压ud_res和剩余交轴正弦电压uq_res来一方面补偿所估算的直轴正弦电流id_est和直轴正弦电流id之间的偏差，且另一方面补偿所估算的交轴正弦电流iq_est和交轴正弦电流iq之间的偏差。

为此，确定单元160包括一个或多个比例积分调节器，以确定剩余直轴正弦电压ud_res和剩余交轴正弦电压uq_res。当温度和/或电流变化时，为了减小所估算的直轴电流id_est和直轴电流id之间的偏差，使用包括比例积分调节器的闭合伺服环路以确定剩余直轴正弦电压ud_res。

具有比例分量的比例积分调节器允许通过使剩余直轴正弦电压ud_res与直轴正弦电压ud相加来在直轴正弦电流id上操纵所估算的直轴正弦电流id_est，该比例分量由比例因子kpud与id和id_est之间的差值的乘积所确定并且与由因子kiud与id和id_est之间的差值的乘积所确定的积分分量并行。

当温度和/或电流变化时，为了减小所估算的交轴电流iq_est和交轴电流iq之间的偏差，使用包括比例积分调节器的闭合伺服环路以确定剩余交轴正弦电压uq_res。

具有比例分量的比例积分调节器允许通过使剩余交轴正弦电压uq_res与交轴正弦电压uq相加来在交轴正弦电流iq上操纵所估算的交轴正弦电流iq_est，该比例分量由比例因子kpuq与iq和iq_est之间的差值的乘积所确定并且与由因子kiuq与iq和iq_est之间的差值的乘积所确定的积分分量并行。

然后，装置1包括移动平均值计算单元170，该移动平均值计算单元170配置成尤其通过使用电动马达10的转子的旋转速度ωmot来计算剩余直轴正弦电压ud_res的移动平均值和剩余交轴正弦电压uq_res的移动平均值。

装置1还包括第三微分器180以及第四微分器182，该第三微分器配置来计算剩余直轴正弦电压ud_res的值和它的移动平均值ud_res_mean之间的差值epsud_res，并且该第四微分器182配置来计算剩余交轴正弦电压uq_res的值和它的移动平均值uq_res_mean之间的差值epsuq_res。

最后，装置1包括根据由第三微分器所计算的差值epsud_res和由第四微分器182所计算的差值epsuq_res来检测故障的检测单元190。

现在将参照图2在实施中描述本发明。

根据本发明的方法允许检测三相电动马达10的转矩控制故障，例如短路、开路、电压振幅增益或者马达10的输入端处所接收的pwm电压信号中的至少两个之间的相偏移。

通过使用用于控制马达10的第一相的第一pwm电压信号u’1、用于控制马达10的第二相的第二pwm电压信号u’2以及用于控制马达10的第三相的第三pwm电压信号u’3以已知的方式来实现对三相电动马达10的转矩控制。

为此，首先，在步骤e1中，由于微控制器110在三个电气连接上连接至换流器120，所以微控制器110控制换流器120，使得在步骤e2中，换流器120将例如由车辆的电池所提供的直流供电电压分别转换为生成传送至第一控制连接器11的第一电流i’1的第一pwm电压信号u’1、生成传送至第二控制连接器12的第二电流i’2的第二pwm电压信号u’2以及生成传送至第三控制连接器13的第三电流i’3的第三pwm电压信号u’3。

在步骤e3a中，速度和位置测量单元130测量转子10b的位置的角度θmot和转子10b的旋转速度ωmot。

与步骤e3a并行地，在步骤e3b1中，第一pwm电压信号u’1、第二pwm电压信号u’2和第三pwm电压信号u’3随后由低通滤波器件150进行滤波，以分别获得第一正弦电压u1、第二正弦电压u2和第三正弦电压u3。

在步骤e3b2中，校正器件152随后根据如前所述的马达10的转子10b的旋转速度ωmot来校正低通滤波器件150的增益降低。

在步骤e3b3中，变换器件154随后根据给出转子10b的位置的角度θmot通过应用clarke变换或park变换或dqo变换来将第一正弦电压u1、第二正弦电压u2和第三正弦电压u3变换为直轴正弦电压ud和交轴正弦电压uq。

在步骤e3b4中，电流估算单元156因此根据直轴正弦电压ud、交轴正弦电压uq、马达10的转子10b的旋转速度ωmot并通过求解以下方程式来确定对应于直轴正弦电压ud的所估算的直轴正弦电流id_est和对应于交轴正弦电压uq的所估算的交轴正弦电流iq_est：

其中：

•r20表示一方面包括换流器120的半臂且另一方面包括马达10的定子10a的马达相的电阻所构成的相在20℃时的总电阻。

•lq20表示在零电流下并在20℃时所确定的马达10的定子10a的交轴电感。

•ld20表示在零电流下并在20℃时所确定的马达10的定子10a的直轴电感。

•psi20表示由马达10的转子10b的磁体所生成的通量。

仍然与步骤e3a并行地，在步骤e3c1中，马达电流的测量单元140测量传送至马达10的第一控制连接器11的第一电流i’1和传送至马达10的第二控制连接器12的第二电流i’2，并在步骤e3c2中根据第一电流i’1和第二电流i’2来计算传送至马达10的第三控制连接器13的第三电流i’3，这三个电流的和为零（i’1+i’2+i’3=0）。

在步骤e3c3中，三相电流至两相电流变换单元142随后根据由速度和位置测量单元130所确定的马达10的转子10b的位置的角度θmot通过应用clark变换、park变换或dqo变换来将第一电流i’1、第二电流i’2和第三电流i’3变换为直轴电流id和交轴电流iq。

随后，在步骤e4a中，第一微分器158计算直轴正弦电流id的强度和所估算的直轴正弦电流id_est的强度之间的差值epsid。

同时，在步骤e4b中，第二微分器159计算交轴正弦电流iq的强度和所估算的交轴正弦电流iq_est的强度之间的差值epsiq。

因此，在步骤e5中，确定单元160根据分别由第一微分器158和第二微分器159所计算的直轴正弦电流id的强度和所估算的直轴正弦电流id_est的强度之间的差值epsid以及交轴正弦电流iq的强度和所估算的交轴正弦电流iq_est的强度之间的差值epsiq根据以下公式来确定与直轴正弦电压ud相关的剩余直轴正弦电压ud_res和与交轴正弦电压uq相关的剩余交轴正弦电压uq_res：

其中：

•kpud表示包括用于确定剩余直轴正弦电压ud_res的比例积分调节器的闭环伺服环路的比例分量。

•kiud表示包括用于确定剩余直轴正弦电压ud_res的比例积分调节器的闭环伺服环路的积分分量。

•kpuq表示包括用于确定剩余交轴正弦电压uq_res的比例积分调节器的闭环伺服环路的比例分量。

•kiuq表示包括用于确定剩余交轴正弦电压uq_res的比例积分调节器的闭环伺服环路的积分分量。

随后，在步骤e6中，移动平均值计算单元170根据持续接收的剩余直轴正弦电压ud_res的值和剩余交轴正弦电压uq_res的值并尤其通过使用电动马达10的转子的旋转速度ωmot来计算剩余直轴正弦电压ud_res的移动平均值和剩余交轴正弦电压uq_res的移动平均值。

随后，在步骤e7a中，第三微分器180计算剩余直轴正弦电压ud_res的值和它的移动平均值ud_res_mean之间的差值epsud_res。

并行地，在步骤e7b中，第四微分器182计算剩余交轴正弦电压uq_res的值和它的移动平均值uq_res_mean之间的差值epsuq_res。

在步骤e8中，当剩余直轴正弦电压ud_res的值和它的移动平均值ud_res_mean之间的差值epsud_res大于第一阈值时和/或当剩余交轴正弦电压uq_res的值和它的移动平均值uq_res_mean之间的差值epsuq_res大于第二阈值时，故障检测单元190检测到故障。

因此，围绕第一剩余电压ud_res的平均值ud_res_mean所确定的第一剩余电压ud_res的值的过大变化和/或围绕第二剩余电压uq_res的平均值uq_res_mean所确定的第二剩余电压uq_res的值的过大变化表明由电子控制模块所进行的马达转矩的电流控制故障。

该故障既可能是短路或开路，也可能是三相电动马达的三个相中的一个或多个的增益或偏移。

最后，应该注意到，本发明不限于上面所描述的示例，并且适用于本领域技术人员可能实现的多个变型。