专利名称：电机容错控制的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及AC马达驱动系统，尤其涉及存在电流传感器故障情况下的AC马达驱动系统的容错控制的方法和设备。
背景技术：
现在多数高性能AC马达驱动系统使用相电流传感器，相电流信息被用于控制电机定子电流，其又间接控制电机转矩。电流传感器失灵通常导致AC马达驱动系统的失控和停机。
最近，由于在自动化工业中越来越多地应用AC驱动，AC马达驱动的容错控制已在文献中引起关注。例如，Raymond Sepe，Jr.(″FaultTolerant Operation of Induction Motor Drives with Automatic ControllerReconfiguration″，IEM0DC 2001，通过引用将其结合在此)陈述的感应电机型驱动的电流传感器故障。在电流传感器失灵情况下，驱动从间接场定向控制(IFOC)重构为伏特/赫兹标量控制。虽然这种方法可能适合于异步感应电机驱动，但它不可应用于永磁(PM)型同步电机驱动。
今天，场定向控制方案是高性能AC驱动的工业标准。场定向控制依赖于同步帧电流电流调节器来正确控制电机转矩。最经常的是通过检测三个定子相电流中的两个来获得电流信息。电机只需要两个传感器，因为电机被假定具有平衡的三相电流。从两个测量的电流可简单地计算第三电流。
在电流传感器失灵的情况下，电机电流变得不可调。通常，电流将变得过大，并导致换流器进入关闭驱动的故障模式。没有电流传感器信息，常规驱动系统无法重新开始操作。
发明内容
因此，本发明的某些配置提供用于控制具有电流传感器的电机的方法，其中电流传感器少于电机的全部的相。该方法包括操作处理器来执行测试以确定电流传感器中的一个或多个是否存在故障。该方法还包括操作处理器来利用电机状态观测器估计电机状态，其中向状态观测器提供来自无故障电流传感器的输入测量结果，如果有任何这样的电流传感器的话。忽略来自被确定为有故障的一个或多个电流传感器的测量结果。处理器利用来自状态观测器的结果控制电机。在某些配置中，执行第一测试来初步确定在电流传感器中的一个或多个上存在故障，并执行另一测试来最终确定在一个或多个初步确定的电流传感器中存在故障。第一测试可能包括平衡测试、增益误差测试、以及偏移误差测试。
本发明的各种配置提供用于控制具有电流传感器的电机的设备，其中电流传感器少于电机的全部的相。该设备包括配置成给电机提供电流的换流器，以及配置成按照期望的转矩、功率或速度来控制由换流器向电机所提供的电流的处理器。处理器还配置成利用换流器测试电流传感器来确定电流传感器中的一个或多个上是否存在故障。如果确定存在故障，该处理器还被配置成利用电机的状态观测器，如果有无故障电流传感器的话，利用来自每个无故障电流传感器的状态输入测量结果，来估计电机状态。处理器还被配置成忽略确定为故障的一个或多个电流传感器；并利用换流器和来自状态观测器的结果来控制电机。
本发明的各种配置允许AC马达驱动系统在检测到一个或多个电流传感器故障后便利地重启。因此，驱动系统的操作可以继续，虽然有时伴随有性能下降。而且，本发明的配置提供一种可应用于PM型驱动系统的故障控制类型。
更具体地说，本发明的配置允许AC马达驱动系统以适度的方式重新开始操作，性能上可能有某些降级。这种能力在某种应用中也许是重要的。例如，用在电动车辆(EV)或混合电动车辆(HEV)中的本发明的配置允许驾驶员在电流传感器失灵后“缓慢费力地回家”。
本发明的可应用性的其他范围将会在下文提供的详细说明中变得清晰。应理解的是，表示本发明的优选实施例的详细说明和具体实例，只是为了说明的目的而不是用来限制发明的范围。
通过详细描述与附图，将会更充分地理解本发明，其中 图1是代表本发明的AC马达驱动系统的示意图。
图2是图1的AC马达驱动系统的示意图，为了解释的目的添加了某些另外的细节。图1所示出或包括的部件没有全部在图2中示出。
图3是用于计算和说明目的的图2的等效电路。
图4是施加到图3的电路的某种电压和电流以及从图3的电路测量的某种电压和电流的曲线图。
图5、6和7代表图2的等效电路，说明在最终确定图2的一个或多个电流传感器为故障的测试过程中施加到图2的电机的绕组上的三个不同电压模式。
图8代表状态观测器，其可由图2的电路的处理器利用来提供当电流传感器中的一个有故障时对图2的电机进行控制。
图9代表另一个状态观测器，其可由图2的电路的处理器利用来提供当电流传感器中的一个有故障时对图2的电机进行控制。
具体实施例方式以下对优选的实施例的描述本质上只是示例性的，决不是用来限制本发明及其应用或使用。
更具体地说，参考图1，在本发明的马达驱动控制设备10的某些配置中，三相电机利用两相电流传感器。驱动系统包括DC电源12(在电动车辆配置中其可能是电池组)，DC总线电容器CDC，DC总线电压传感器14，三相换流器16，两个电流传感器18和20，AC马达22和位置传感器24。更一般地，给电机22提供的电流传感器(18和20)比电机22的绕组的数量少一个，提供的换流器16与电机22的相数相同。还提供处理器26，它可包括或者由具有存储器和数模(D/A)与模数(A/D)转换器的存储有程序的微处理器或微控制器组成。处理器26有至少一个输入Te，它是指示电机22产生的期望的转矩、速度或功率的控制信号。处理器26还利用分别来自电流传感器18和20的信号ia和ib，以及来自位置传感器24的θr和来自总线电压传感器14的Vdc。使用这些信号，处理器26为换流器16产生一组门驱动信号28。例如，电机22可能是内部永磁(IPM)马达，且处理器26可包括IPM控制。IPM控制对那些本领域的技术人员是公知的，这里不需要进一步地解释。换流器16给电机22提供电流。更精确地，在许多配置中，换流器16通过由电压源12提供的脉冲宽度调制电流或门控给电机22提供电流。处理器26配置成诸如通过使用存储的程序，按照期望的转矩、功率或速度来控制由换流器16提供给电机22的电流。例如，提供信号Te就是为此目的。
在某种配置中，利用诊断部件和故障后控制部件来完成控制。为了简化本的说明，实际上，将假设电机22是内部永磁型的AC马达，但本发明也可应用于其他类型的马达。
电流传感器18或20的突然严重的故障将导致马达驱动控制设备10的过流事故。如果换流器16的门驱动电路没提供保护，这种严重的故障将会导致换流器16的功率半导体不可恢复的故障。诸如电流传感器18和/或20的增益和偏移漂移这样的小故障将会导致与换流器16的输出频率同步的转矩脉动。在某个水平之上的偏移和增益漂移将会导致在电机22的高速下的过电流故障和重负载状态。
按照本发明的各种配置，当电机22不旋转时，检测包括偏移和增益漂移的故障。更具体地说，处理器26被配置成诸如通过存储的程序，利用换流器16以测试电流传感器18和20来确定电流传感器中的一个或多个是否存在故障。如果确定存在故障，处理器26就利用电机22的状态观测器，如果有无故障电流传感器的话，利用来自无故障电流传感器18和/或20的状态输入测量结果，来估计电机状态。忽略被确定有故障的电流传感器，以便它们的测量结果不被使用。处理器26还被配置成利用换流器16和来自状态观测器的结果来控制电机22。
因此，在某些配置中并参考图2，对c相半导体开关Sc+和Sc-的门控信号最初被处理器26阻塞。线对线的测试电压波形，Vab＝Vmsin(ωt+α)，在处理器26的控制下由脉冲宽度调制(PWM)换流器16进行同步。(Vm是测试电压大小，ω是电压角频率，α是电压初始相位。)图2中的部分电路10可以用图3所示的等效电路30来分析。用Lab代表电机22的a相端和b相端之间的感应系数。Lab是转子位置的函数。让Rs代表用作电机22的IMP马达的相绕组的定子阻抗和功率半导体的传导阻抗的总和。由施加的电压Vab在电路中产生的电流是ia=-ib=VmZsin(α-φ)exp2RsLabt+VmZsin(ωt+α-φ),]]>其中Z=4Rs2+(ωLab)2,]]>和φ=tan-1ωLab2Rs]]> 可以看到瞬态项VmZsin(α-φ)exp2RsLabt]]>可通过按照电路30的功率因子调节施加的电压Vab的相位来抑制。
处理器26采样a相和b相电流ias和ibs的检测值，或者更精确地，使用作为时间函数的来自电流传感器18和20的采样测量结果来推断随时间变化的电流ias和ibs。在图4中，与施加的用于适当操作具有适当操作的电流传感器18和20的电机22的参考电压Vab*一起，分别示出了检测的a相和b相电流ias和ibs的迹线。还示出了函数vvvs(ias+ibs)，其在施加输入测试电压波形过程的整个间隔上基本是零。图4中的结果代表利用有数百μH电感和包括功率半导体的阻抗的大约10mΩ阻抗的电机22执行的测试。电路的时间常数是数十毫秒。在适当设置参考电压初始相位角的情况下，电流迹线无DC瞬态。测试电压波形的频率是200Hz，持续时间为5个周期。因此，这种测试只需要执行50毫秒。
如果电机22的绕组、换流器16以及电流传感器18和22没有问题，分别采样的a相和b相电流ias和ibs应该如图4所示大小相等而符号相反。这种比较包括对具有电流传感器的电机22的三个绕组中的两个绕组的平衡测试。电路的容差会使得电路不太可能完全的匹配，但本领域熟练的工程师将能够(也许凭经验)确定预定的限度±ε1，以使ias＝-ibs±ε1成为电机22的可接受的控制的指示。该预定的限度可能包括百分误差而不是恒定误差，或者除恒定误差之外包括百分误差。同样，采样的电流的均方根(RMS)值对每一相电流大约分别为 因此，增益误差测试包括确定采样电流的RMS值是否在(也许凭经验确定的)第二预定的限度内，该第二预定的限度限定预定的标称范围。此外，由于零DC瞬态和整数个激励周期，每相电流的测量值的总和应该大约为零。该总和是否小于(也许凭经验确定的)预定的一个或多个值的测试包括偏移误差测试。如果该总和不为零或不在零附近，在一个或多个电流传感器18、20中可能有显著的偏移误差，或者换流器电源电路16或IPM马达22绕组La、Lb或Lc有故障。
平衡测试、增益误差测试和偏移误差测试的组合可确定是否存在一个或多个故障，以及初步识别两个电流传感器中的哪一个可能有故障。例如，如果平衡测试或偏移误差测试失败，一个或两个电流传感器可能都有故障。如果增益误差测试失败，使测试失败的采样的一个或多个电流指示哪一个传感器可能有故障。然而，这些测试不能排除除传感器之外的其他东西发生故障而不是传感器(例如马达绕组)有故障的可能性。因此，如果显示有故障，则执行另一测试以确定识别的一个或多个电流传感器有故障。
对这种附加的测试，参考图5，在马达的a相和b相端施加第二测试电压波形Vh＝Vmsin(ωt+α)。这种第二测试电压在处理器26的控制下由脉冲宽度调制换流器16进行同步。同样在处理器26的控制下，通过向C相发送适当的门驱动信号来使c相端与b相端短路。测量a相和/或b相电流并将其存储在处理器26的存储器中。接下来，在如图6所示的b相与c相之间施加第二测试电压，并且最后也在b相与c相之间施加第二测试电压，如图7所示。如果换流器16与a相、b相和c相马达22的绕组La、Lb和Lc平衡很好，则在图5、6和7中的测量的相电流的每个相应的时间点处存储的值的总和应当为零。更具体地说，如果值的总和小于(可能凭经验确定的)一个量值，最终确定通过其他测试初步确定为有故障的电流传感器实际上是有故障的。
如果一个或多个电流传感器被最终确定为有故障，来自该传感器的测量的值随后被处理器26忽略。而参考图8，处理器26使用电机22的状态观测器32来调节由PWM换流器16提供给电机22的电流。参考图8，在本发明的某些配置中利用观测器来给处理器26提供估计的电流信息。基于估计的d-q电流来调节旋转d-q轴中的电流。在电流传感器16和18两者都有故障的情况下由开环观测器来观测估计的d-q电流，或者在单个电流传感器(16或18)有故障的情况下由闭环观测器来观测估计的d-q电流。观测器的结构如图8所示，其中如果无故障的电流传感器可用，则测量的值被用作校正项并被反馈给状态估计器以减小估计误差。
观测器的输出是估计的状态向量 ，其包括估计的同步帧电流 和 。矩阵A是状态矩阵。矩阵C反馈与测量的定子电流(如果可用的话)比较的估计的状态。矩阵L衡量作为减小观测器误差的校正项而反馈给观测器的测量误差。
在某些配置中，参考图9，电机22是内部永磁马达，同步帧电流估计器34被用作状态观测器32。
更一般地，按照用作电机22的电机的类型制作所提供的状态观测器。
这些实验举例说明了在存在电流传感器故障的情况下如何获得适度的性能，于是，为期望的“缓慢费力地回家”的能力，允许以降级的性能来操作。
更具体地说，本发明的各种配置允许AC马达驱动系统在检测到一个或多个电流传感器故障后方便地重启。于是，驱动系统的操作可以继续，虽然有时有降低的性能。而且，本发明的配置提供了一种可应用于PM型驱动系统的故障控制类型。
另外，本发明的配置允许AC马达驱动系统以适度的方式重新开始操作，可能伴随有性能的降级。这样的能力在电动车辆(EV)与混合电动车辆(HEV)中是很有用的，这样的能力允许驾驶员“缓慢费力地回家”或在这样的电流传感器失灵之后提供充足的牵引将车辆拖到安全的位置。
本发明的描述本质上只是示例性的，因此，不偏离发明要点的各种变化被视为在本发明的范围之内。这样的变化不被看作与本发明的精神和范围相背离。
权利要求
1.一种用于控制具有电流传感器的电机的方法，其中所述电流传感器少于所述电机的全部的相，当所述电流传感器中的一个或多个发生故障时，所述方法包括操作处理器来执行测试以确定所述电流传感器中的一个或多个是否存在故障；利用所述电机的状态观测器以估计所述电机的状态，其中向所述状态观测器提供来自无故障电流传感器的输入测量结果，如果有的话，忽略来自被确定为有故障的一个或多个电流传感器的测量结果；以及利用来自所述状态观测器的结果控制所述电机。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述执行测试以确定在所述电流传感器中的一个或多个中存在故障，包括操作处理器来执行测试以初步确定存在于一个或多个电流传感器中的故障；以及执行测试以最终确定存在于一个或多个电流传感器中的所述故障。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述电机是具有三个绕组的三相马达，在所述三个绕组中的两个绕组上有电流传感器，且其中执行测试以初步确定存在于一个或多个电流传感器中的故障，包括操作处理器来向具有电流传感器的所述三个绕组中的两个上施加第一测试电压波形；采样作为时间函数的来自所述两个电流传感器的测量结果；利用所述采样的测量结果，对具有电流传感器的所述两个绕组执行平衡测试；利用所述采样的测量结果，对所述电流传感器执行增益错误测试；利用所述采样的测量结果，对所述两个电流传感器执行偏移误差测试；以及利用所述测试确定存在故障，并初步识别所述两个电流传感器中的哪一个可能有故障。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述执行平衡测试包括操作所述处理器以确定由所述采样的测量结果代表的所述三个绕组中的两个的每一个中的采样的电流，是否大小相等且相位相反，并在预定的限度内。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述执行增益误差测试包括操作所述处理器以确定由所述采样的测量结果代表的所述三个绕组中的两个的每一个中的采样的电流的均方根值是否在预定的标称范围内。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述执行偏移误差测试，包括操作所述处理器以确定由所述采样的测量结果代表的所述两个绕组中的采样的电流的总和是否小于预定的一个或多个值。
7.如权利要求3所述的方法还包括，当存在故障时，操作处理器来在所述三个绕组中的每一对之间逐次地施加第二测试电压波形，同时把剩余的未成对的绕组短接到所述绕组对中的一个绕组上；采样作为时间函数的来自所述两个电流传感器的测量结果；利用由施加所述第二测试电压产生的所述采样的测量结果，确定识别的电流传感器有故障。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述操作所述处理器以利用所述电机的状态观测器来估计所述电机的状态包括，按照由闭环观测器观测的估计的d-q电流来调节旋转d-q轴中的电流。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述操作所述处理器以利用所述电机的状态观测器来估计所述电机的状态包括，按照由开环观测器观测的估计的d-q电流来调节旋转d-q轴中的电流。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述状态观测器是同步帧电流估计器。
11.一种用于控制具有电流传感器的电机的设备，其中所述电流传感器少于所述电机的全部的相，所述设备包括换流器，被配置成给所述电机提供电流；处理器，被配置成按照期望的转矩、功率或速度来控制通过所述换流器提供给所述电机的电流；所述处理器还被配置成利用所述换流器来测试所述电流传感器，以确定在所述电流传感器中的一个或多个上是否存在故障，且如果确定存在故障，利用所述电机的状态观测器，如果有无故障电流传感器的话，利用来自每一个无故障电流传感器的状态输入测量结果，来估计所述电机的状态，忽略被确定为有故障的一个或多个电流传感器；以及利用所述换流器和来自所述状态观测器的结果来控制所述电机。
12.如权利要求11所述的设备，其中还配置所述处理器以执行测试来初步确定存在于一个或多个所述电流传感器中的故障；以及执行测试来最终确定存在于一个或多个所述电流传感器中的所述故障。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述电机是具有三个绕组的三相马达，在所述三个绕组中的两个绕组上带有电流传感器，并且其中执行测试来初步确定在所述电流传感器中的一个或多个上存在故障，所述处理器被配置成操作所述换流器给具有电流传感器的所述三个绕组中的两个绕组上施加第一测试电压波形；采样作为时间函数的来自所述两个电流传感器的测量结果；利用所述采样的测量结果对有电流传感器的所述两个绕组执行平衡测试；利用所述采样的测量结果对所述电流传感器执行增益误差测试；利用所述采样的测量结果对所述两个电流传感器执行偏移误差测试；以及利用所述测试确定存在故障并初步识别所述两个电流传感器中的哪一个可能有故障。
14.如权利要求13所述的设备，其中执行平衡测试，所述处理器还被配置成确定由所述采样的测量结果代表的所述三个绕组中的两个绕组的每一个上的采样的电流是否在预定的限度内大小相等且相位相反。
15.如权利要求13所述的设备，其中执行增益误差测试，所述处理器还被配置成确定由所述采样的测量结果代表的所述三个绕组中的两个绕组的每一个上的采样的电流的均方根值是否在预定的标称范围内。
16.如权利要求13所述的设备，其中执行偏移误差测试，所述处理器被配置成确定由所述采样的测量结果代表的所述两个绕组上的采样的电流的总和是否小于预定的一个或多个值。
17.如权利要求13所述的设备，其中所述处理器被配置成控制所述换流器在所述三个绕组中的每一对之间逐次施加第二测试电压波形，同时把剩余的未成对的绕组短接到所述绕组对中的一个绕组上；采样作为时间函数的来自所述两个电流传感器的测量结果；以及利用由施加所述第二测试电压产生的所述采样的测量结果，确定识别的电流传感器有故障。
18.如权利要求11所述的设备，其中利用所述换流器和所述状态观测器来控制所述电机，所述处理器被配置成按照由闭环观测器观测的估计的d-q电流来操作所述换流器以调节旋转d-q轴中的电流。
19.如权利要求11所述的设备，其中利用所述换流器和所述状态观测器来控制所述电机，所述处理器被配置成按照由开环观测器观测的估计的d-q电流来调节旋转d-q轴中的电流。
20.如权利要求11所述的设备，其中所述状态观测器是同步帧电流估计器，以及所述电机是内部永磁马达。
全文摘要
一种用于控制具有电流传感器的电机的方法，其中所述电流传感器少于所述电机的全部的相，包括操作处理器以执行测试来初步确定所述电流传感器中的一个或多个是否存在故障，并且执行测试以最终确定在一个或多个电流传感器中存在故障。所述方法还包括操作处理器以利用所述电机的状态观测器来估计所述电机的状态，其中向所述状态观测器提供来自每一个无故障电流传感器的输入测量结果，如果有无故障电流传感器的话。忽略来自被确定为有故障的一个或多个电流传感器的测量结果。利用来自所述状态观测器的结果控制所述电机。
文档编号H02P29/02GK1833354SQ200480022479
公开日2006年9月13日 申请日期2004年6月1日 优先权日2003年6月2日
发明者S·E·舒尔茨, N·R·帕特尔, J·M·纳加施马, Y·-S·永, S·K·苏尔 申请人:通用汽车公司