本发明涉及一种用于电动机或发电机的控制单元，并且特别涉及一种用于识别电动机或发电机中的故障的控制单元。
背景技术：
随着社会对环境友好车辆的兴趣的增加，对使用电动车辆的兴趣也相应地增加了。
电动车辆通常使用电动机来提供对车辆的驱动和用于停止车辆的再生制动。为了实现再生制动，连接至电动机的驱动轮的旋转运动被转换成电能。
然而，当在汽车应用中使用电动机时，期望的是电动机不引起意外的加速或致动的发生。
因此，期望电动机具有用于测量/监视电动机参数的传感器，以便在电动机参数超过阈值的情况下，故障通常能被识别出来。
然而，直接基于测量的参数值来判断故障是否发生可能导致将一次性伪测量结果不正确地识别为故障。此外，被测量参数的数量将限制在电动机中可识别故障的类型。
需要对这种情况加以改进。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种根据所附权利要求的用于电动机或发电机的方法和控制单元。
所请求保护的本发明提供了以下优点：降低将电动机内的瞬态或噪声情况或一次性伪测量结果识别为故障情况的风险。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式来描述本发明，其中：
图1示出了在本发明的实施例中使用的电动机的分解视图；
图2从另一个角度示出了图1所示的电动机的分解视图；
图3示出了根据本发明实施例的电动机的线圈组的一种示例配置；
图4示出了三相定子电流复空间矢量；
图5示出了根据本发明实施例的一种用于电动机的闭环控制系统；
图6示出了三相定子电流参考坐标系与d,q旋转参考坐标系。
具体实施方式
所描述的本发明的实施例是一种用在车辆的车轮中的电动机的控制单元。然而，控制单元可以对于电动机远程放置。电动机是这样一种类型：其具有一组线圈，该线圈作为定子的一部分附接至车辆，并且由转子径向环绕，该转子承载一组磁体以附接至车轮。为免存疑，本发明的各个方面同样可应用于具有相同布置的发电机。因而，电动机的定义旨在包括发电机。另外，本发明的一些方面可应用于具有在径向环绕的线圈内在中心安装的转子的布置。本领域技术人员应该意识到，本发明可应用于其它类型的电动机。
为了本实施例的目的，如图1所示，轮内电动机40包括定子252，定子252包括形成组件外壳的第一部分的后部230以及热沉和驱动装置231，驱动装置231包括多个线圈和驱动线圈的电子装置。线圈驱动装置231固定至后部230以形成定子252，定子252可以固定至车辆并且在使用期间不相对于车辆旋转。线圈本身形成在齿状叠片上以形成线圈绕组，其与驱动装置231和后部230一起形成定子252。
转子240包括前部220和形成盖的圆筒部分221，其基本上围绕定子252。转子包括围绕圆筒部分221的内侧配置的多个永磁体242。为了本实施例的目的，32个磁体对安装在圆筒部分221的内侧。然而，可以使用任意数量的磁体对。
磁体紧密靠近组件231上的线圈，以使得由组件231中的线圈所产生的磁场与围绕转子240的圆筒部分221的内侧配置的磁体242相互作用以使转子240旋转。因为永磁体242被利用以生成用于驱动电动机的驱动转矩，永磁体通常被称为驱动磁体。
转子240通过轴承块223附接至定子252。轴承块223可以是能被用于将要安装该电动机组件的车辆中的标准轴承块。该轴承块包括两个部件，第一部件固定至定子，第二部件固定至转子。轴承块固定至定子252的壁230的中央部分233并且还固定至转子240的外壳壁220的中央部分225。由此，转子240在转子240的中央部分225处经由轴承块223旋转地固定至与其一起使用的车辆。这具有以下优点：轮缘和轮胎之后可以通过使用普通的车轮螺栓将轮缘固定至转子的中央部分，从而牢固地固定在轴承块223的可旋转侧，而在中央部分225处固定至转子240。车轮螺栓可以穿过转子的中央部分225固定至轴承块本身。在转子240和车轮都被安装至轴承块223的情况下，转子和车轮的旋转角之间一一对应。
图2从相反侧示出了图1的相同组件的分解视图，其示出定子252，定子252包括后定子壁230以及线圈和电子组件231。转子240包括外部转子壁220和周壁221，磁体242沿圆周配置其中。如之前所述，定子252在转子和定子壁的中央部分经由轴承块连接至转子240。
图1中还另外示出了承载控制电子器件的控制装置80，也被称为电动机驱动控制器或逆变器。
在转子的周壁221和定子外壳230的外边缘之间设置了v形密封件350。
转子还包括用于位置感测的一组磁体227，也被称为换向磁体，其与安装在定子上的传感器结合以允许估计转子磁通角。转子磁通角定义驱动磁体相对于线圈绕组的位置关系。可替换地，代替一组单独的磁体，转子可以包括磁性材料环，其具有用作一组单独磁体的多个磁极。
为了使换向磁体能够用于计算转子磁通角度，优选地，每个驱动磁体具有关联的换向磁体，其中，通过校准测量到的换向磁体磁通角度，根据与换向磁体组相关的磁通角度来获得转子磁通角度。为了简化换向磁体磁通角度和转子磁通角度之间的关联性，优选地，该换向磁体组具有与驱动磁体对组相同数量的磁体或磁极对，其中，换向磁体和关联的驱动磁体大致径向地彼此对齐。因此，为了本实施例的目的，换向磁体组具有32个磁体对，其中每个磁体对与一个相应的驱动磁体对大致径向地对准。
传感器在本实施例中为霍尔传感器，并且该传感器被安装在定子上。传感器的定位使得随着转子旋转，形成换向磁体环的各个换向磁体分别旋转经过传感器。
随着转子相对于定子旋转，换向磁体相应地旋转经过传感器，并且该霍尔传感器输出ac电压信号，其中，传感器为经过相应传感器的每个磁体对输出360度电角度的一个完整电压周期。
为了有助于确定转子的方向，传感器还可以具有相隔90度电角度放置的关联的第二传感器。
如图3所示，在本实施例中的电动机40包括8个线圈组60，其中每个线圈组60具有耦合至相应控制装置80的三个线圈子组61、62、63，其中每个控制装置80和相应线圈子组形成三相逻辑或子电动机，其可以独立于其他子电动机而被控制。控制装置80利用三相电压源驱动它们的相应子电动机，由此使相应线圈子组得以生成旋转磁场。尽管本实施例将每个线圈组60描述为具有三个线圈子组61、62、63，但本发明不受此限制，并且应该理解，每个线圈组60可以具有两个或更多个线圈子组。同样地，尽管本实施例描述了具有八个线圈组60(即，八个子电动机)的电动机，但电动机可以具有一个或多个线圈组以及关联的控制装置。
每个控制装置都包括三相桥式逆变器，如本领域技术人员公知的，其包含六个开关。三相桥式逆变器耦合至线圈组60的三个子组线圈，以形成三相电动机构造。因此，如上所声明的，电动机包括八个三相子电动机，其中，每个三相子电动机包括一个耦合至线圈组60的三个子组线圈的控制装置80。
每个三相桥式逆变器被配置为在相应的线圈子组61、62、63上提供pwm电压控制，以提供相应子电动机所需的转矩。
针对给定线圈组，控制装置64的三相桥式开关被配置为在线圈子组61、62、63中的每一个上施加单个电压相。
尽管本实施例中所述的轮内电动机包括多个逻辑子电动机，如本领域技术人员可以理解的，电动机可以是常规设计而不使用逻辑子电动机。
在本实施例中，每个控制装置80是大致楔形的。该形状使多个控制装置80得以在电动机内相互邻近放置，形成扇状布置。
控制装置80的开关可以包括诸如mosfet或igbt的半导体装置。在本示例中，开关包括igbt。然而，可以使用任何合适的已知的开关电路用于控制电流。这种开关电路的一个公知的例子是具有六个开关的三相桥式电路，其被配置为驱动三相电动机。六个开关被配置为三组并联，每组两个开关，其中，每对开关串联并形成三相桥式电路的一个桥臂。
多个开关被配置为在相应线圈子组上施加交流电压。
如上所述，多个开关被配置为形成n相桥式电路。因此，如本领域技术人员公知的，开关的数量将取决于要施加至相应子电动机的电压相的数量。尽管当前设计示出每个子电动机具有三相构造，但子电动机可以被构造为具有两相或更多相。
线圈子组的接线(例如，铜线)可以视情况直接连接至开关装置。
控制装置80包括若干用于控制安装在控制装置80上的开关运行的电子部件。安装在控制装置80上的电子部件的例子包括用于控制开关运行以提供pwm电压控制的控制逻辑单元，以及诸如can接口芯片的接口部件，其使控制装置80得以与控制装置80外部的诸如其他控制装置80或电动机控制器的装置进行通信。通常，控制装置80会通过接口通信以接收转矩需求请求并传输状态信息。通常，用于确定转子磁通角的传感器将被安装在控制装置80上，控制装置80继而被安装至定子。可选地，针对附加的余度，传感器可以被安装至每个控制装置80。
由控制装置80在电动机控制器(未示出)的控制下在电动机中生成的正弦电压波形是使用磁场定向控制创建的，其中，合成的转子磁通和定子电流由分隔120度的各个矢量表示，如图4，由三个轴a、b、c示出。
如图4所示，电流ia、ib、ic表示三相电流参考坐标系的a、b和c轴中各个定子线圈中的瞬时电流，其中定子电流矢量被定义为is＝ia+αib+α2ic，其中，α＝e(i*2*π/3)。
场定向控制基于以下投影：将两坐标时不变系统变换至三相时间和速度相关系统，反之亦然。在两坐标时不变系统中，定子电流或电压分量与正交轴q对齐，以及磁通量分量与纵轴d对齐。
图5中示出了一个使用闭环控制系统的例子，在电动机中生成由输入iq*的值表示的所需转矩τ、和由输入id*的值表示的所需磁通量λ。
然而，应该注意，在正常情况下，永磁同步电动机通常具有设置为零的id。
图5所示的闭环控制系统100包括比例积分pi控制器，其位于对应于驱动器转矩需求的各个电动机输入id*和iq*电流需求与电动机的线圈绕组之间。
闭环控制系统100包括电流传感器，用于测量电动机的线圈绕组中的电流。为了确定相应的id和iq电流值，使用克拉克变换(clarketransform)和派克变换(parktransform)。
克拉克变换利用用于驱动电动机的在各个定子线圈中流动的三相电流ia、ib和ic来计算两相正交定子坐标轴系统中的电流iα和iβ。之后进行派克变换，其将两个固定坐标定子坐标轴iα和iβ变换至两坐标时不变系统id和iq，其定义了d,q旋转参考坐标系。图6示出d,q旋转参考坐标系中的定子电流相对于两相正交定子坐标轴iα和iβ以及a、b、c静止参考坐标系的关系。
在正常驱动条件下，转子相位角θr(也称为驱动磁体的转子磁通角ψr，由转子磁通矢量定义)和定子电相位角θe应该理想地与q轴对齐，由此维持转子相位角θr和定子电相位角θe之间的同步。
为了使派克变换102能够导出时不变变换，将转子相位角θr提供至派克变换，其中，使用转子换向磁体和安装在控制装置80上的位置传感器来确定转子相位角θr。
将所测量的id和iq值反馈至相应的输入id*和iq*电流值，其中，计算基于所测量的id和iq电流与驱动器转矩需求(即，id*和iq*电流需求)之间的差的误差值。
针对id和iq的相应误差值被反馈至相应的pi控制器。
基于提供至相应pi控制器的误差值，pi控制器确定用于驱动电动机的相应vd和vq值(即，pi控制器的操纵变量)。如本领域技术人员所公知的，通过使用逆派克变换从vd和vq值导出用于生成在各个线圈绕组中流动的ia、ib和ic电流的pwm电压。
尽管本实施例利用pi控制器反馈回路，但可以利用任何控制回路反馈机制。
现在将描述根据第一实施例的用于识别与电动机相关的故障情况的处理过程。
在使用电动机(其根据本实施例是永磁同步电动机)模型的情况下，通过使用由相应pi控制器生成的输入vd和vq电压来计算电动机id和iq电流的估计。
例如，永磁电动机可以使用以下电压等式来建模：
其中，rs是相应定子线圈绕组的电阻,lsd和lsq是定子线圈绕组的电感分量，ωe是电频率，以及ψm是从永磁体产生的通量。
可以使用用于确定rs、lsd、lsq、ωe和ψm的值的任何合适的方式，例如通过测量。
为了提供用于电流的改变率的表达式，改写电压等式，如等式2所示。
为了获得id和iq的估计，等式2被积分。
可以使用所估计的id和iq来提供对由电动机生成的转矩的估计，使用转矩等式，例如：
其中，te是电磁转矩，以及np是电动机磁极对的数量。可以从等式3中看出，当id等于0或者lsd等于lsq时，由电动机生成的转矩与iq成正比。
将从等式2得到的所估计的id和iq电流值与所测量的id和iq电流值进行比较。
如果所估计的id和/或iq值与所测量的id和/或iq值之间的差大于第一预定值，则计数器值增加。可以使用任何合适的方式来确定第一预定值，例如通过实验或基于在电动机中引起的具体故障。然而，如果第一预定值被设置得过低，则瞬时情况很大可能被错误地识别为故障。相反，如果第一预定值被设置得过高，则可能无法识别出电动机中的故障情况。
如果所估计的id和/或iq值与所测量的id和/或iq值之间的差小于第一预定值，则减少计数器值。
尽管本实施例将所测量的id和/或iq值与所估计的id和iq值进行比较，但也可以比较其它电动机参数，例如，所估计的和所测量的转矩或功率的值。
如果计数器值超过第二预定值，则表示电动机存在故障并且触发了故障情景。
进行所估计值与所测量值的比较的频率通常基于故障情况变得关键之前的时间量。例如，如果故障情况需要在500ms内被识别并且每100ms进行一次比较，则计数值5表示已经发生故障。如果每50ms进行一次比较，计数值10表示已经发生故障。
可以利用任何合适的故障通知方式，例如故障指示器可以被设置为通知车辆的驾驶员车辆应该被带到服务/诊断中心和/或电动机的性能可以被限制，例如电动机转矩可以被降低或者降低最大转矩设置。
使用其值基于所估计和所测量的电流值之间的差而增加和减小的故障计数器具有以下优点：最小化瞬时或噪声情况被识别为故障情况的风险，其中，超出允许范围的情况仅在该情况持续预定时间长度或被识别达到预定次数时，才被识别为故障。
在可替换实施例中，针对具有多个子电动机的电动机，如上所述，可以比较各个子电动机的输入vq和vd电压。
如果两个子电动机之间的输入vq和vd电压之间的差大于第一预定值，则计数器值增加。如第一实施例那样，第一预定值可以通过任何合适的方式来确定。优选地，为了有助于定位特定子电动机的故障情况，比较三个子电动机的vq和vd电压。
如果相应的vq和vd值之间的差小于第一预定值，则计数器值减少。
尽管本实施例比较各个子电动机的vq和vd值，但可以比较其它电动机参数，例如电流。
如果计数器值超过第二预定值，则表示子电动机中的一个或多个存在故障，并且触发了故障情景。
可以利用任何合适的故障情景，例如，故障指示器可以被设置为通知车辆的驾驶员车辆应该被带到服务/诊断中心和/或电动机的性能可以被限制，例如电动机转矩可以被降低或者降低最大转矩设置。
上述用于识别电动机中的故障的两个实施例可以在电动机中一起实施或单独实施。