基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术涉及电机驱动及故障检测技术领域，具体是基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统及其检测方法，该系统包括系统SOC控制芯片，还包括：Y电容充放电模型运算模块、PWM发波模块、三相桥驱动模块、电流采样模块、故障检测及保护模块；其具体检测步骤如下：S51、Y电容充放电模型构建；S52、短路模型关键参数运算；S53、PWM初始化组件；S54、PWM状态机控制；S55、PWM关键参数运算；S56、PWM发波模块；S57、三相桥驱动模块；S58、电流采样电路；S59、Σ

【技术实现步骤摘要】
基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统及其检测方法


[0001]本专利技术涉及电机驱动及故障检测
，具体是基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统及其检测方法。

技术介绍

[0002]电机及其驱动器广泛应用于于电动汽车、精密数控机床、工业机器人、纺织设备以及3C制造等众多自动化领域，由于其市场保有量巨大，电机驱动器的故障检测功能对于提升系统可靠性和工作效率就显得愈发重要了。电机相对机壳地短路故障作为电机驱动系统的常见故障，频繁影响系统的正常运行，严重时会导致设备损坏。现有的电机相对机壳地故障检测方法主要基于电机运行时的异常电流或是Y电容的电压检测；前者由于检测时电机已正常运行，电机的短路问题可能会导致设备出现不可恢复的永久性损坏；后者常常需要在电机驱动器硬件上增加电路来实现故障检测功能，提高了驱动器的硬件成本。
[0003]如中国专利号为201910366488.2的一种适用于阀段功率对冲及短路测试的电路中，所述电路由待测阀段、陪试阀段、功率模块供电回路、连接电抗器、切换开关、短路限流电抗器、直流电流激发电容器、交流电流激发变压器及其供电电源组成，所述阀段供电回路用于为陪试阀段功率模块提供外部能量支撑；所述连接电抗器用于实现两个等效电压源的连接，实现输出期望电流；所述切换开关用由第一开关、第二开关组成，用于退出运行电路，投入短路回路；所述短路限流电抗器用于控制短路工况下电流上升速率；所述直流电流激发电容器用于激发短路时的直流电流分量；所述交流电流激发变压器及交流电源用于产生短路电流中的交流电流分量。本专利技术能够测试阀段的过电流保护能力及故障电流耐受能力，该方法主要基于硬件实现，提高了保护功能的附件成本；且关键保护参数的计算并未构建模型，通用性及适配性较低；且该方法主要应用于电力系统与本专利的应用场景也不一致。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提出基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统及其检测方法。
[0005]基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统，包括系统SOC控制芯片，还包括：
[0006]Y电容充放电模型运算模块，构建三种不同的相对机壳地短路模型，针对每种模型运算得到对应的电容充放电电流峰值、峰值时间、放电时间、谐振频率类关键参数；
[0007]PWM发波模块，利用Y电容充放电运算模块得到充放电电流峰值、充放电电流峰值时间、上桥测试导通时间分别获取得到故障检测电流门限、故障检测过程中测试相的上桥测试导通时间、故障检测过程中的下桥放电导通时间；
[0008]三相桥驱动模块，根据PWM发波模块输出的控制信号完成三相桥对应功率开关器
件的导通，完成对Y电容的充放电过程；
[0009]电流采样模块，在故障检测过程中实时采集三相桥驱动模块中的电机U相电流和V相电流；
[0010]故障检测及保护模块，利用FPGA的逻辑资源实现，在故障检测流程中实时获取电流采样模块得到的两相电流，结合Y电容充放电模型运算模块获取到的关键参数进行故障判断。
[0011]所述的Y电容充放电模型运算模包括用于构建三种Y电容充放电模型的短路模型组件、用于实现短路保护用参数的计算的关键参数运算组件。
[0012]所述的Y电容充放电模型运算模块分为测试相对机壳地短路、除测试相外其他两相均对机壳地短路、除测试相外其他两相有一相对机壳地短路。
[0013]所述的Y电容充放电模型运算模块根据每种短路模型结合电机阻抗参数、功率开关器件阻抗参数以及Y电容参数可计算得到该模型对应的Y电容充放电电流峰值、峰值时间、放电时间、谐振频率类关键参数。
[0014]所述的PWM发波模块包括用于初始化PWM的开关频率、占空比、故障检测开关类属性的PWM初始化组件、用于控制PWM功能的切换时序的PWM状态机控制器、用于计算得到三相桥桥臂导通时间以及故障保护门限的PWM关键参数运算器。
[0015]所述的三相桥驱动模块包括将PWM发波模块发送的控制信号转换为可以控制三相桥组件的功率器件开通关断的驱动信号的PWM驱动单元、通过由PWM驱动单元得到的三相桥功率器件开通和关断驱动信号完成系统所要求的相对机壳地短路测试步骤的三相桥组件。
[0016]所述的电流采样模块包括用于将电流信号转换为电压信号的高精度采样电阻、用于将电压信号调节到期望的量程的采样电压调理器、用于将电压信号转换为数字信号的Σ
‑
Δ采样器以及用于将数字信号转换为ARM可识别的数字电压信号Σ
‑
Δ解调器。
[0017]所述的故障检测及保护模块包括用于控制相对机壳地短路故障检测时序的故障检测状态机、用于在检测到故障时实现快速保护及上报故障的功能故障后处理组件。
[0018]基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统的检测方法，其具体步骤如下：
[0019]S51、Y电容充放电模型构建：基于三种相对机壳地短路工况构建Y电容充放电模型；
[0020]S52、短路模型关键参数运算：根据步骤S51构建的模型结合电机阻抗参数、功率开关器件阻抗参数以及Y电容参数计算得到该模型对应的Y电容充放电电流峰值、峰值时间、放电时间、谐振频率类关键参数；
[0021]S53、PWM初始化组件：对PWM的开关频率、占空比、故障检测开关类属性进行初始化处理，便于后续开展故障检测；
[0022]S54、PWM状态机控制：用于对PWM状态机进行控制，判断是否开启相对机壳地故障检测功能，若启用故障检测进入下一步，若不启用故障检测则直接进入结束状态；
[0023]S55、PWM关键参数运算：利用步骤S52得到的充放电电流峰值，可计算得到故障检测电流门限，利用得到了充放电电流峰值时间可计算得到故障检测过程中测试相的上桥测试导通时间，利用步骤S52得到了Y电容放电时间可计算得到故障检测过程中的下桥放电导通时间；
[0024]S56、PWM发波模块：将步骤S55得到的控制逻辑信号转换为可以驱动功率开关器件导通关断的驱动信号；
[0025]S57、三相桥驱动模块：接受步骤S56的驱动信号，通过过控制三相桥功率器件开通和关断动作完成系统所要求的相对机壳地短路故障检测步骤；
[0026]S58、电流采样电路：用于将步骤S57故障检测过程中产生的特征电流信号转换为系统可识别的电压信号；
[0027]S59、Σ
‑
Δ采样器及解调器：将步骤S58输出的电压信号转换为数字信号便于后续程序处理；
[0028]S510、判断当前是否存在故障：若不存在故障则进入故障检测结束状态，若存在故障则进入步骤S511；
[0029]S511、故障后处理：完成在检测到故障时实现快速保护及上报故障的功能。
[0030]所述的步骤S56PWM发波模块的具体控制流程如下：
[0031]S31、是否启用若系统启用相对机壳地故障检测；
[0032]S32、相对机壳地故障检测功能则进入故障检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统，包括系统SOC控制芯片，其特征在于：还包括：Y电容充放电模型运算模块(1)，构建三种不同的相对机壳地短路模型，针对每种模型运算得到对应的电容充放电电流峰值、峰值时间、放电时间、谐振频率等关键参数；PWM发波模块(2)，利用Y电容充放电运算模块得到充放电电流峰值、充放电电流峰值时间、上桥测试导通时间分别获取得到故障检测电流门限、故障检测过程中测试相的上桥测试导通时间、故障检测过程中的下桥放电导通时间；三相桥驱动模块(3)，根据PWM发波模块(2)输出的控制信号完成三相桥对应功率开关器件的导通，完成对Y电容的充放电过程；电流采样模块(4)，在故障检测过程中实时采集三相桥驱动模块(3)中的电机U相电流和V相电流；故障检测及保护模块(5)，利用系统SOC控制芯片中的FPGA逻辑资源实现故障检测。2.根据权利要求1所述的基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统，其特征在于：所述的Y电容充放电模型运算模包括用于构建三种Y电容充放电模型的短路模型组件、用于实现短路保护用参数的计算的关键参数运算组件。3.根据权利要求1所述的基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统，其特征在于：所述的Y电容充放电模型运算模块(1)分为测试相对机壳地短路、除测试相外其他两相均对机壳地短路、除测试相外其他两相有一相对机壳地短路。4.根据权利要求1所述的基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统，其特征在于：所述的PWM发波模块(2)包括用于初始化PWM的开关频率、占空比、故障检测开关类属性的PWM初始化组件、用于控制PWM功能的切换时序的PWM状态机控制器、用于计算得到三相桥桥臂导通时间以及故障保护门限的PWM关键参数运算器。5.根据权利要求1所述的基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统，其特征在于：所述的三相桥驱动模块(3)包括将PWM发波模块(2)发送的控制信号转换为可以控制三相桥组件的功率器件开通关断的驱动信号的PWM驱动单元、通过由PWM驱动单元得到的三相桥功率器件开通和关断驱动信号完成系统所要求的相对机壳地短路测试步骤的三相桥组件。6.根据权利要求1所述的基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统，其特征在于：所述的电流采样模块(4)包括用于将电流信号转换为电压信号的高精度采样电阻、用于将电压信号调节到期望的量程的采样电压调理器、用于将电压信号转换为数字信号的Σ
‑
Δ采样器以及用于将数字信号转换为ARM可识别的数字电压信号Σ
‑
Δ解调器。7.根据权利要求1所述的基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统，其特征在于：所述的故障检测及保护模块(5)包括用于控制相对机壳地短路故障检测时序的故障检测状态机、用于在检测到故障时实现快速保护及上报故障的功能故障后处理组件。8.利用权利要求1至7中任一项所述的基于电容充放电模型的电机相对机壳短路检测系统的检测方法，其特征在于：其具体步骤如下：S51、Y电容充放电模型构建：基于三种相对机壳地短路工况构建Y电容充放电模型；S52、短路模型关键参数运算：根据步骤S51...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，汪汉宁，董金宝，朱男男，林盛，党进，
申请(专利权)人：上海埃奇机器人技术有限公司，
类型：发明
国别省市：