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CN110224662A - 用于获得对电动机的可能有故障的负载状况的提示的方法 - Google Patents

用于获得对电动机的可能有故障的负载状况的提示的方法 Download PDF

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CN110224662A
CN110224662A CN201910446850.7A CN201910446850A CN110224662A CN 110224662 A CN110224662 A CN 110224662A CN 201910446850 A CN201910446850 A CN 201910446850A CN 110224662 A CN110224662 A CN 110224662A
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约尔格·哈茨池
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Abstract

根据本发明，电动机借助于电路电气换向，其中相电流在每个马达相的特定时间点经历过零点。由于感性负载部分，相电流的所述过零的时间点与在纯欧姆负载情况下产生的过零时间点在时间上错开。在没有有故障的负载状况的情况下，所述过零的时间点处于可以由电路、环境条件和通过不同的电动机参数确定的预期值范围(例如，预期时间窗口)内。在该方法中，在电路中可预先给定的高侧和/或低侧相位连接的出现期间，探测通过被接通的高侧开关或低侧开关的电流(尤其在过零点附近)是否以及何时变得大于或小于可预先给定的阈值，其中，(如果需要的话)所述时间测量可以在PWM控制的情况下在一个或多个PWM周期上延伸。

Description

用于获得对电动机的可能有故障的负载状况的提示的方法
本专利申请是基于2015年06月30日提交的国际申请号为PCT/EP2015/064786的申请于2016年12月29日进入中华人民共和国国家知识产权局国家阶段而申请号为201580035641.3、发明名称为“用于获得对多相电动机的可能的有故障的负载状况的提示、尤其是开始提示的方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于获得对多相电动机的可能的有故障的负载状况的提示、尤其是开始提示的方法。
背景技术
在电动机中有故障的负载状况在短路发生时尤为关键。这样的短路通常是借助控制单元的内部或外部的驱动器晶体管的漏极-源极路径上的电压降被识别，通过该控制单元来控制电动机或其他负载。这些电压降通常是单独评估的，即在马达的每相上评估。当计量学上检测的电流大于最大允许的运行电流时，这意味着至马达连接线路中的至少一个的外部短路。在探测短路时的一个缺点是，特别是“软”的短接至地不一定能被识别到。另一个问题是，在较高欧姆的短路情况下或者在具有短路电流的电感性系数的短路情况下的过电流部分地并不位于马达运行中的最大允许电流之外。此外，在电感性系数的情况下和PWM驱动负载(例如，电动机)的情况下，可能的是，在短路情况下的电流增大是如此之慢(“软”短路)，使得一个PWM周期在达到过电流关断阈值之前结束。但功率晶体管可在这种情况下仍然加热到这样的程度，使得导致损坏，其发生得如此之快，甚至过热识别装置由于其时间延迟而不能提供足够的保护。
从DE-A-102011004911，DE-B-10 2004009046，DE-A-10236377和US-A-5266891已知一种用于识别多相切换电动机时有故障的负载状况的方法，其中分别对相电流的时间曲线进行评价。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种短路识别，其能够可靠地发现短路，从而保护晶体管免受损害，这可以阻止电子设备的起火。
为实现该目的，本发明提出根据权利要求1所述的一种方法。本发明的各个扩展方案是权利要求2至13的主题
本发明的方法用于获得对带有用控制单元进行电子换向的多相切换电感性负载的可能的有故障负载状况的提示、尤其是开始提示，尤其用于获得带有借助控制单元电气换向的三相电动机(例如BLDC马达,EC马达,SR马达,步进马达)的提示、尤其是开始提示，其中该控制单元包括用于每个马达相的高侧开关和低侧开关，马达相的高侧和低侧开关被按照切换方案循环地切换，所述切换方案相比于在纯欧姆性负载情况下会出现的过零时间点而在时间上错开地产生马达相中的电流经历由于电感性负载份额引起的过零的那些时间点，其中在没有有故障的负载状况的情况下过零的时间点在预期值范围(例如，预期时间窗)中出现，该预期值范围是由切换方案、环境条件(如，例如电源电压和温度)和由不同的马达参数(可以包括马达不对称性)确定的，其中，在存在有故障的负载状况的情况下，该过零的时间点在预期值范围外部，其中，借助与预期值范围的偏差可以得出有故障的负载状况的类型，其中，在该方法中
在切换方案中预先给定的出现的切换到高侧和/或低侧相位期间探测：流过接通的高侧开关或低侧开关的电流是否以及何时大于或小于可预先给定的阈值，在特定情况下在过零点附近，
其中，从切换方案的可预先给定的时间点起对其中流过两个马达相之一的接通的高侧或低侧开关的电流超过或低于可预先给定的阈值的时间跨度进行测量，其中，该时间测量在PWM控制的情况下必要时可在一个或多个PWM周期(高侧以及低侧开关的变换性切换的周期)上延伸，
其中，将各个马达相的所测时间跨度相互比较，和/或将每个单个马达相的时间上相继测量的时间跨度相互比较和/或与预期值范围相比较，和
其中，各马达相的所测时间跨度的大小之间的偏差和/或一个马达相的所测时间跨度按顺序与可预先给定的预期值范围的偏差被评价为对有故障的负载状况的提示、尤其开始提示。
根据本发明，电动机的电气换向是借助其中每马达相在特定时间点相电流经历过零的切换方案实现的。该相电流过零的时间点相比于在纯欧姆性负载会出现的时间点在时间上错开。在无有故障的负载状况情况下，过零的时间点处于预期值范围(例如，预期时间窗)内，该预期值范围可以由切换方案、环境条件和不同的马达参数确定。如果过零位于预期值范围之外，则这可以被认为是有故障的负载状况的标志。通过观察是否，并且如果是，在多大程度上预期过零时间点与预期值范围偏差或位于其中，然后可以得到马达的可能故障源的结论。在每种情况下，各马达相的所测时间跨度的大小之间的偏差和/或每个单个马达相的所测时间跨度按顺序与可预先给定的预期值范围的偏差是对有故障的负载状况的提示、尤其开始提示。下面如何处理这种开始提示不再是本发明的主题。这种开始提示的处理可以取决于应用地以不同方式进行。例如，可以首先观察开始提示，以便在一定的时间滞后之后才反应。该反应也可以是与应用相关地大不相同。例如，断开马达或者为不受损害而切换到另一运行模式。
为了分类所涉及的参数与相应的预期值或预期范围的偏差，可以将方法用于统计学模式识别，可以用以分类电动(步进)马达的运行状态，以便可以采取所定义的措施来最小化功能故障的影响和用于预测功能故障对马达未来的影响。预测可以以未来可能运行状态的形式进行，这些运行状态被对应于概率和/或评估值(如影响评估)。
这里，可进行一个或多个下面列出的处理步骤：
a)从同时和/或顺序确定的偏差的多个值中建立特征矢量，其中特征矢量可以包括这些值的一阶和更高阶导数和/或一次和更高次积分和/或其他从这些值导出的参量以及从别的传感器系统的来的别的参量。
b)将特征矢量与线性判别分析(LDA)矩阵相乘以得到修改的特征矢量，用于提高选择性。
c)将修改的特征矢量与原型矢量、即尤其存储在原型数据库中的运行状态原型相比较，其中，对于每个被评价的原型矢量而言，比较的结果是修改的特征矢量与相应的原型矢量之间的二进制和/或数字和/或模拟的距离值。
d)基于距离值选择所述数据库的至少一个运行状态原型，其中，特别是具有最短距离值和/或具有影响最严重的运行状态和/或具有最严重影响评价的运行状态原型被选择。
e)输出至少所选择的运行状态原型。
f)必要时输出相对于所选的运行状态原型而言与特征矢量对应的至少一个距离值和/或从中导出的值。
g)必要时输出其它所选的运行状态原型和所属的距离值和/或从中导出的值，以输出假设列表，其典型地还包括所选运行状态原型和其距离值。
h)必要时确定运行状态原型的概率链和预测至少一个下面预测的运行状态或预测的运行状态序列。
ⅰ)必要时在所选择的运行状态和/或所确定的假设列表和/或预测的运行状态或该预测运行状态序列的基础上引入措施。
替代统计模式识别的本身已知的基本方法，可以将神经网络和/或Petri网和/或模糊逻辑和/或维特比算法用于处理所涉及的参数与该对应的预期值或预期范围的偏差。
预期值或预期值范围可以合乎目的地凭经验确定。在此可能的是：
在具有无故障负载状态的一个或多个被预熟化处理(vorgealterten)的参考系统上学习了对于在其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值，即确定典型值以及带有可选的附加允许容差地将其在控制单元中存储为最大允许预期值范围，和/或，
在每个在生产后具有无故障负载状状态的马达系统上学习了其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值，即确定典型值以及带有可选的附加允许容差地将其在控制单元中存储为最大允许预期值范围，和/或，
在马达的使用寿命进程中为其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值设置更大容差，和/或
通过与目标区域的换向角度的偏差形成所探测的有故障的负载状况，以及通过匹配幅度和相位这两个控制参数中的至少一个来补偿故障。
在本发明的有利改进方案中可以规定：从与各个马达相的预期值范围的、相互间的偏差类型得出有故障的负载状况的类型，如相对于马达相而言的旁路马达相，相对于地而言的旁路马达相，相对于供电电压而言的旁路马达相，(可能由于插头中接触问题造成的)过高欧姆的马达相端子，马达相的接触不良，各个高侧或低侧驱动器(可能仅在特定负载状态下)的有故障的驱动电阻；和/或，对于每个马达相按顺序得出有故障的负载状况，如接触不良、机械故障、轴承间隙、传动故障、应用中的机械故障，其中顺序出现的偏差的频度可以给出关于精确故障位置的论断。
在本发明的一个有利的改进方案中可以进一步规定，替代电流大小测量代表电流大小的电参数，并且例如测量在电气/电子部件上的压降，尤其在分路电阻或晶体管上的压降，其中尤其涉及高侧和/或低侧开关。
此外会适宜的是，将电流的不等于0的值选做电流阈值。
有利的可能是，将接近过零点的值选为电流阈值。
借助线性时间测量部件以恒定计数速度测量时间跨度可以是有利的。
另外，可以有利的是，借助对数时间测量部件以随着测量时间增长而增加的计数速度对时间跨度进行测量。
在本发明的有利改进方案中还可以规定，替代所描述的精确时间测量，仅在切换到高侧和/或低侧驱动器后的固定的时间点上检查是否超过或低于可预先给定的电流阈值，并且之后按由此形成的分辨率(PWM周期数)进行时间测量。
有利的会是，替代在切换方案的所述时间点与取电流阈值之间的时间跨度，测量直至电流在下一马达相切换时又达到电流阈值的时间跨度，并且将各个马达相的时间跨度相互比较和/或将每个马达相的按时间顺序的这些时间跨度相比较或与适用于马达的无故障运行的预期值相比较，其中当前时间跨度大小彼此间的偏差和/或与预期值的偏差被评价为对故障电流的提示、尤其开始提示。
尤其是在该背景下，本发明表明：为了控制多相电动机和其它电感性负载而越来越多地使用低欧姆的功率晶体管。这种功率晶体管可以成本低廉地制造，使得其总成本对于整个系统相比于例如以用于冷却常规功率驱动器(其具有较高的RSDON)的冷却体工作而言是较低的。使用现代的低欧姆功率晶体管的又一优点是由于这种功率晶体管较小的损耗功率而可以简化安装在电子设备中。此外，在总能量平衡来看减少了CO2排放。然而通过低欧姆功率晶体管使得短路情况下的压降由于低RSDON而小至使得用迄今的手段不能可靠探测到短路情况。因此用明显更灵敏的短路阈工作，以能够应对由于低欧姆功率晶体管而造成的变化的要求。在此然而涉及解决不能识别所有短路情况的技术问题。尤其关于BLDC和DC桥式驱动器IC以及步进马达驱动器IC，根据本发明的方案具有清晰优点，即，该方案由于对这种驱动器IC的大量需求而可以快速被实行。
本发明的第一变型涉及一种用于获得对多相电动机的可能的有故障的负载状况的提示、尤其开始提示的方法。
电动机中有故障的负载状况尤其是当出现短路时是关键的。这种短路通常借助在控制单元的内部或外部驱动器晶体管的漏极-源极路径上的压降来识别，通过该控制单元控制电动机或者其它负载。这些压降通常被单个地评价，即对于马达的每相来评价。当测量技术上检测的电流高于运行中允许的最大电流时，这意味着马达端子线路中的至少一个出现外部短路。在探测短路时的缺点是：尤其不一定能识别朝向地的“软”短路。另一问题在于：在较高欧姆的短路或者在具有短路电流的电感性系数的短路中过电流部分地并不位于马达运行中允许的最大电流之外。在电感性系数和在PWM控制负载例如电动机时也可能的是，短路情况中的电流上升慢(“软”短路)至使得PWM周期在达到过电流断开阈值之前结束。然而功率晶体管在该情况下强烈发热为使得会导致损坏，该损坏如此之快地出现使得过热识别装置由于其时间延迟也不能提供足够的保护。
例如从DE-A-102011 003897和DE-T-69721455已知用于识别故障的电动机监视。
因此，本发明的目的是提供一种对有故障的负载状况、例如短路的识别，其能够可靠发现这种情况并且由此保护应用，即保护被驱动晶体管控制的硬件不受损坏，这意味着，现在可以可靠地阻止例如至今并未在所有情况下避免的电子设备燃烧。
为了实现这一目的，利用本发明提出一种根据权利要求14的方法。从属权利要求15至24的主题涉及本发明的各个扩展方案。
所以根据本发明提出了一种用于获得对借助对于每个马达相具有高侧开关和低侧开关的控制单元进行电气换向的多相电动机(例如BLDC马达,EC马达,PMSM马达,SR马达,步进马达)的可能的有故障负载状况进行的提示、尤其初始提示的方法，其中，循环切换马达相的高侧和低测开关，并且是根据对于每个马达相具有至少一个周期复现的等效时间点的切换方案进行切换，其中各个马达相之间的这些等效时间点具有相等的时间相位偏移(例如在3相马达中技术决定地该相位偏移是120°，并且在4相马达中是90°)，并且其中在这些时间点上在所涉及的马达相中电流的大小相应地与在其它马达相中在属于其的等效时间点上的电流的大小成基本相同的比例，其中在该方法中，
对于至少两个马达相，在切换方案的循环复现的等效时间点上，确定代表在所涉及的马达相中的电流大小的测量值，并且循环重复执行该过程，
将所确定的马达相测量值至少成对互相比较，其中，对测量值的每次比较进行检查，看比较结果是否处于对于待比较的马达相而言适用于无故障负载状况的预期空间内，以及
其中将比较结果与所属的预期空间的偏差尤其在考虑可预先给定的允许容差的条件下评价为对有故障负载状况的提示、尤其开始提示，例如接触不良、机械故障、轴承间隙、传动故障、应用中的机械故障，其中同类型的顺序出现的偏差的重复率可以给出关于故障位置的论断，和/或
如果需要的话，也可以顺序地在等效时间点上执行至少一个单个马达相的电流值的分析，并且将比较结果与期望空间的偏差尤其在考虑可预先给定的允许容差的条件下评价为对有故障负载状况的提示、尤其开始提示，例如接触不良、机械故障、轴承间隙、传动故障、应用中的机械故障，其中同类型的顺序出现的偏差的重复率可以给出关于故障位置的论断。
另外，根据本发明规定：至少两个马达相的高侧开关对应于用于监视高侧开关的漏极-源极压降的高侧监视单元，和/或，至少两个马达相的低侧开关对应于用于监视低侧开关的漏极-源极压降的低侧监视单元，并且使用每个用于确定测量值的监视单元，该测量值代表马达相中的电流大小。
此外，根据本发明规定：每个监视单元具有比较器和数模转换器，用于为比较器给出参考值作为用于探测高侧和/或低侧开关中的过电流的压降阈值，并且调制该参考值，以便借助比较器的分析确定代表当前电流大小的测量值，其中在确定测量值期间出现的比较器响应并不被直接评价为过电流，而是在该情况下结束对测量值的确定以及接下来将模数转换器的参考切换到实际的过电流值上，以及随后执行实际的评价：即是否出现了过电流情况。
在根据本发明的方法中，在马达通电方案的特定的循环复现的即等效的时间点上在一个马达相中或者跨马达相地确定分别流过的电流。这样确定的电流值然后被相互比较或者求相互比例，其中在此又仅观察每相的电流值或者跨相的电流值。电流值的比较或者电流值的比例求出引起如下结果，该结果在必要时之前限定的预期值范围内或者在凭经验或者通过采样电动机而事先确定的预期值范围内。如果比较结果或者电流值的比例求出偏离该预期值范围，则这被视为对电动机可能的有故障负载状况的提示或开始提示。从其出发，现在可以按照应用采取措施，即，例如输出警告或者强制断开电动机。在探测到对电动机的有故障负载状况的提示之后的过程不一定是本发明的主题。
与现有技术不同，在使用根据本发明的方法情况下通过改进的有用信号和改进的探测方法性能得到对故障负载状况的更高的识别可靠性。对于有故障负载状况(例如短路)的存在的识别阈值不再取决于在运行中最大允许的电流的大小。此外，根据本发明的方法的方便的实现是可能的。
尤其是在该背景下，本发明表明：为了控制多相电动机和其它电感性负载而越来越多地使用低欧姆的功率晶体管。这种功率晶体管可以成本低廉地制造，使得其总成本对于整个系统相比于例如以用于冷却常规功率驱动器(其具有较高的RSDON)的冷却体工作而言是较低的。使用现代的低欧姆功率晶体管的又一优点是，由于这种功率晶体管较小的损耗功率而可以简化安装在电子设备中。此外，在总能量平衡来看减少了CO2排放。然而通过低欧姆功率晶体管使得短路情况下的压降由于低RSDON而小至使得用迄今的手段不能可靠探测到短路情况。因此，用明显更灵敏的短路阈值工作以能够应对由于低欧姆功率晶体管而造成的变化的要求。在此然而涉及解决不能识别所有短路情况的技术问题。尤其相比于BLDC和DC桥式驱动器IC以及步进马达驱动器IC，根据本发明的方案具有清晰的优点，即，该方案由于对这种驱动器IC的大量需求而可以快速实行。
从上述可以得出：单个监视进行切换的驱动晶体管上的电流或压降是不够的。相反，根据本发明提出了将多个和理想地所有驱动晶体管的电流几乎同时相互比较。为此可以设有多个测量装置，然而也可以出于效率原因顺序使用(例如唯一的)测量装置。在此，可以利用如下知识：单个电流以及(在多个线圈情况下成立)所有马达线圈的电流都由于线圈电感而不经历过快变化。可以在一定程度上时间错开地测量所有参与的功率晶体管的电流(在特殊实施例中例如作为相应功率晶体管上的压降)，并且仍受限较少地获得当前的图。只要可能，就可以在PWM控制驱动晶体管时同时或几乎同时测量不同的马达相或负载相。
此外，根据本发明的方法利用如下特性，即在包括多相电动机和控制单元的系统中在没有一个或多个马达相朝着正电源电势或地的附加短路的情况下，所有的高侧驱动器的电流之和等于所有的低侧驱动器的电流的总和。如果这里出现不相等，则可以认为存在至马达之外的电势的短路。本发明的方法在此可适用于几乎所有类型的受高侧和低侧驱动器控制的马达(电动机类型)；这同样适用于其它电感性负载如电动机的控制。
关于该电流测量方法，本发明的方法可以不同地且根据常见的电流测量方法来实施。于是根据本发明的方法例如可以用模拟电压测量方法和因此利用模拟也或数字计算差或比较和/或各个电流值的比例来实施。然而更紧凑的是在SC技术中实现，其中将各个电压与代数符号相关地“堆叠”，并且将剩余的差(比较)与阈值相比。在此，可以从合适的点起更适于使用数字处理。还可能的是，将电容上的压降放电，数字地测量放电时间和将其输送给数字评估部。在该情况下，特别版本是感兴趣的，在其中在所连接的电容器上进行放电并且计数所需的放电循环的数目以及进一步处理器。由于可能较小的信号水平，也可能感性兴趣的版本是，在其中信号在“堆叠”之前或之后还被放大，其中在特殊情况下将这种放大如此频繁地进行(电压相乘)，直至达到特定的参考电压。对此所需的放大循环的数目于是可以作为用于结果值的度量而被进一步处理。在高侧驱动器中这种进一步处理可以直接在高压区域“上方”进行，或者该信号可以借助“电压镜像”转移到低压区域中并且在那里在需要时施加到电容上。在后一种情况下，于是优选在所有测量中使用相同的结构，这对可能的偏置误差的大部分进行了补偿。剩余的偏置误差可以借助不通电情况下的参考偏置测量来补偿。
预期值或预期值范围合适地凭经验来确定。在此可能的是：
在具有无故障的负载状态的一个或多个被预熟化处理的参考系统上学习了对于其中将还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值，即确定典型值以及带有可选的附加允许容差地在控制单元中将其存储为最大允许预期值范围，和/或，
在每个在生产后具有无故障负载状况的马达系统上学习了其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值，即确定典型值和带有可选的附加允许容差地在控制单元中将其存储为最大允许预期值范围，和/或，
在马达的使用寿命进程中为其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值设置更大容差，和/或
通过与目标区域的换向角度的偏差形成所探测的有故障的负载状况，以及通过匹配幅度和相位这两个控制参数中的至少一个来补偿故障。
在该方法的简化变型中，可以通过在整个控制周期上仅观察低侧压降来探测短路。在原则上不改变马达电流的情况下，所有激活的低侧驱动器在该时间上的压降之和应该相等，并且无关于是哪个低侧驱动器恰好被激活。马达路径之一中的短路将引起低侧总电流的取决于当前激活低侧驱动器的组合的差异。通过将单压降相互比较可以附加地识别绕组短路或者未被接触的绕组。在测量装置相应的灵敏度下，可以将上面描述的信号也用于将马达换向。在替选的方法中可以对低通滤波后的单电压或者低通滤波后的中间电压(例如虚拟星点)在其具体的预期值范围方面进行检查。如果电压相比于预期值范围有明显偏差，则该系统被旁路移出了其“平衡状态”。
在本发明的有利改进方案中可以规定，从马达相对或者对于其确定预期空间外的偏差的马达相组合、以及所属的等效时间点在切换方案内的位置得出有故障负载状况的类型，对于其将所述偏差评价为提示，尤其评价为开始提示。
此外，合乎目的的是：与电流大小对应的测量值是电参数，并且例如是电气/电子部件上的压降，尤其是分流电阻或晶体管上的压降，其尤其涉及高侧和/或低侧开关。
有利的会是，参考值的修改在用于探测过电流的参考值处开始，并且发展为更小的数值，其中为确定待得出的测量值，比较器仅在减小的末端响应一次。
在这方面，还可以是有利的是，参考值的数值的减少是不线性的，而是以对数的逼近级进行，以这样的方式，从一个数值到下一数值的百分比减小近似相等。
参考值的调制，也可以根据逐次逼近进行，其中在比较器每次响应时中断对测量值的确定，以便暂时检查可能的过电流情况。
本发明的一个有利变型中，在时间重复性方面检查所探测到的对可能的有故障负载状况的开始提示，并且在至少周期连续重复中从可预先给定的频度起诊断有故障的负载状况。
在本发明的有利改进方案中还可以规定，当在具有至少电动机和控制单元的无故障系统中探测到对有故障负载状况的可周期性重现的开始提示时，将该开始提示并不归因于实际的有故障负载状况，而是归因于至少一个系统部件(诸如控制单元和/或马达机构和/或传动系和/或另一由电动机驱动的部件)的马达相之间的电和/或机械不对称性，并且将其在未来可预先给定的用于无故障系统的预期值范围中考虑。
最后，也可以在需要的情况下规定，当在具有至少一个电动机和控制单元的无故障系统中探测到对有故障负载状况的可周期性重现的开始提示时，将该开始提示并不归因于实际的有故障负载状况，而是归因于至少一个系统部件(诸如控制单元和/或马达机械和/或传动系和/或另一由电动机驱动的部件)的马达相之间的电和/或机械不对称性，并且补偿该不对称性从而获得关于切换方案的修改的改善系统特性。
在特殊情况下，对有故障负载状况的开始提示可以是换向角度与其额定值的偏差，并且显得有帮助的是控制单元通过匹配控制参数幅度和相位以及旋转频率中的至少一个来补偿该误差。
在三相电动机的情况下，在至少在马达相上确定测量值的时间点可以与在另一马达相中的电流被(例如借助任意方法例如借助BEMF比较器)探测为变为0的时间点相同。
在本发明的一个有利改进方案中可以规定，代表电流的测量值是压降(例如在驱动器或分流元件上的压降)，并且为确定两个测量值的比较结果而将各个压降的差和/或绝对值存放到所连接的电容上，并且借助来自下面提及的方法组的至少一个方法来对其进行处理和/或评估：放大，将时间上顺序的测量值堆叠，比较，求差，滤波、AD转换。
在本发明一个特别优选的实施变型中，可以将各个马达端子的电流值以如下方式顺序确定，即，对于切换方案中相同的通电条件、即特定的相同的相关系来测量其。于是评价各个马达端子中的电流之比是否偏离了之前确定的(涉及比例的)期望值范围。
根据这种可能出现的偏差的持续时间可以确定：涉及短的干扰(接触不良或者电源层面或负载情况上的干扰)还是持续或者总是复现的有故障负载状况。这种有故障负载状况可能持续引起部件加热和由此引起损坏。根据所识别的故障的后果严重性而断开、扼流或者在规避模式中运行马达，该规避模式减小或阻止由于故障影响引起的加热。例如也可以在弃用对各个连接的部件的控制的条件下运行电换向马达。
为了分类所涉及的参数与相应的预期值或预期范围的偏差，可以应用用于统计学模式识别方法，借助其可以分类电(步进)马达的运行状态，以便能够采取定义的措施来将故障功能的影响最小化以及预测故障功能未来对马达的影响。诊断在此可以以未来可能的运行状态进行，其与概率和/或评价值(例如影响评价)对应。
在此可以执行下面列出的处理步骤中的一个或多个：
a)从被同时和/或顺序确定的多个偏差值中形成特征矢量，其中特征矢量可以包括这些值的一阶和更高阶导数和/或一次和更高次积分和/或其他从这些值导出的参量以及从别的传感器系统的来的别的参量。
b)将特征矢量与线性判别分析(LDA)矩阵相乘以得到修改的特征矢量，用于提高选择性。
c)将修改的特征矢量与原型矢量、即尤其存储在原型数据库中的运行状态原型相比较，其中，对于每个被评价的原型矢量而言，比较的结果是修改的特征矢量与相应的原型矢量之间的二进制和/或数字和/或模拟的距离值。
d)基于距离值选择所述数据库的至少一个运行状态原型，其中，特别是具有最短距离值和/或具有影响最严重的运行状态和/或具有最严重影响评价的运行状态原型被选择。
e)输出至少所选择的运行状态原型。
f)必要时至少输出相对于所选的运行状态原型而言与特征矢量对应的距离值和/或从中导出的值。
g)必要时输出其它所选的运行状态原型和所属的距离值和/或从中导出的值，以输出假设列表，其典型地还包括所选运行状态原型和其距离值。
h)必要时确定运行状态原型的概率链和预测至少一个下面预测的运行状态或预测的运行状态序列。
ⅰ)必要时在所选择的运行状态和/或所确定的假设列表和/或预测的运行状态或该预测运行状态序列的基础上引入措施。
替代统计模式识别的本身已知的基本方法，可以将神经网络和/或Petri网和/或模糊逻辑和/或维特比算法用于处理所涉及的参数与该对应的预期值或预期范围的偏差。
本发明的可以应用于任意多相马达的特别优选的变型在于该方法的用于如下情况的形式中：即，单个电流测量装置不能用于对于全部马达端子。在此将现有的电流测量装置用于确定马达总电流。为了在该限制下仍实现评价而需要特别的、稍后还要描述的定时。本发明另一特别的形式使用可参数化的过电流断开部的可能存在的测量装置，以便在特殊配置中进行所描述的电流测量。在此，调制对于过电流断开所需的数字参考值以用于测量当前电流，直至过电流断开部的比较器触发该过电流断开部。在该情况下，然而不进行所连接的部件的强制断开，而是仅存储在比较器反应时刻所确定的数字参考值作为当前的电流值。为了在测量期间还在低欧姆短路中能够保证过电流断开部的功能，必要的是，在达到比较器阈值之后立即切换回用于过电流探测的“正常”参考值，并且对比较器的响应的断开反应被重新激活。如果控制应当通过微处理器，则不一定保证足够快的反应。在该情况下，过电流断开部的数字参考值静态地可用，并且逻辑电路可以以硬件方式以足够大的速度切换为参考值。
本发明的另一变型涉及用于获得对多相电动机的可能的有故障负载状况的提示、尤其开始提示。
电动机中有故障的负载状况尤其在出现短路时是关键的。这种短路通常根据控制单元的内部或外部驱动晶体管的漏极-源极路径上的压降来识别，通过该控制单元控制电动机或其他负载。这些压降通常单个地、即对于马达的每个相被评价。当计量学上检测的电流大于运行中最大允许的电流时，这意味着至马达连接线路中的至少一个的外部短路。在探测短路的一个缺点是，特别是“软”的短接至地不一定能被识别。另一个问题是，在较高欧姆的短路情况下或者在具有短路电流的电感性系数的短路情况下的过电流部分地并不位于马达运行中的最大允许电流之外。此外，在电感性系数的情况下和PWM控制负载(例如，电动机)的情况下，可能的是，在短路情况下电流增大是如此之慢(“软”短路)，使得一个PWM周期在达到过电流关断阈值之前结束。但功率晶体管可在这种情况下仍然加热到这样的程度，使得导致损坏，其发生得如此之快，甚至过热识别部由于其时间延迟而不能提供足够的保护。
从DE-A-102 16 986，US-B-8 054 026，EP-A-2 164 169和EP-A-2 116 857已知了一种用于在电气换向的电动机中探测故障电流的方法，并且基于电动机的重复出现的电参数的模式与适用于无故障运行的预期值相比较。
因此，本发明的目的是提供一种短路识别，其能够可靠地发现短路，从而保护晶体管免受损害，这可以阻止电子设备的起火。
为实现该目的，本发明提出根据权利要求25所述的一种方法。本发明的各个扩展方案是从属权利要求26至39的主题。
本发明的方法用于获得对借助对于每个马达相具有高侧开关和低侧开关的电子控制单元进行电气换向的多相电动机(例如BLDC马达,EC马达,SR马达,步进马达)的可能的有故障负载状况进行的提示、尤其初始提示，其中马达相的高侧和低侧开关被按照切换方案循环地接通以及断开，该切换方案具有周期复现的时间点，在这些时间点中对于至少一个马达相将高侧和低侧开关对于断开间隔切换为高欧姆的，即断开，其中在无故障负载状况下至少在各断开间隔开始时或者在多个断开间隔上还对于一定的再循环时间跨度(其等于用于马达的无故障运行的相应的预期值)流过电流，其中在该方法中：
在切换方案中预先给定的断开间隔的开始时起动时间测量单元以及测量再循环时间跨度，直至在关断的马达相中还有这样大小的电流流过，其与代数符号无关的数值大于预先给定的阈值，
其中，如果再循环时间跨度在所述断开间隔期间不结束，则该时间测量在至少下一断开间隔中继续进行，直至再循环时间跨度结束，
其中该过程对于断开间隔在马达的每个相的之前的高侧开关激活之后和/或在之前的低侧开关激活之后重复，
其中，对于马达的不同相所测量的再循环时间跨度相互之间和/或对于马达的每一个相按顺序测量的再循环时间跨度彼此之间和/或与预期值或预期值相比较，以及
其中，与相应的预期值的偏差被评价为对故障电流的提示、尤其开始提示。
根据本发明规定了用于多相电动机的通电的切换方案，其对于每个马达相设有高欧姆切换的高侧和低侧开关。马达相的这两个开关于是短暂地断开。由此流过由电动机示出的电感性负载引起的电流，其衰减和尤其其衰减时间使得可以推断出电动机是否当前在有故障的负载状况下运行。为此，根据本发明将每个马达相的再循环时间跨度或者马达从相位到相位的再循环时间跨度彼此比较或者求出相互比例。如果再循环时间跨度的当然存在的波动位于期望值范围内，则认为电动机无故障运行。在再循环时间跨度改变时，这可以(必要时在另外的程序之后)被视为对于马达的可能有故障的负载状况的开始提示。以何种形式反应于这种被识别的第一提示(例如关断电动机，将电动机转移到另一运行状态中以保护马达不遭受逼近的干扰等)原则上不是本发明的主题。原则上还对于本发明意义不大的是，从第一次识别到对可能存在的有故障负载状况的提示起的何种时间跨度之后以何种形式进行反应。
通过形成跨马达相彼此相继的再循环时间跨度或者马达的每个相的彼此相继的再循环时间跨度的比例而计算值，将所述值与预期值或预期值范围相比较。如果计算的值位于预期值范围中，则不能认为存在有故障负载状况。
尤其是在该背景下，本发明表明：为了控制多相电动机和其它电感性负载而越来越多地使用低欧姆的功率晶体管。这种功率晶体管可以成本低廉地制造，使得其总成本对于整个系统相比于例如以用于冷却常规功率驱动器(其具有较高的RSDON)的冷却体工作而言是较低的。使用现代的低欧姆功率晶体管的又一优点是：由于这种功率晶体管较小的损耗功率而可以简化安装电子设备。此外在总能量平衡来看减少了CO2排放。然而，通过低欧姆功率晶体管使得短路情况下的压降由于低RSDON而小至使得用迄今的手段不能可靠探测到短路情况。因此用明显更灵敏的短路阈工作，以能够应对由于低欧姆功率晶体管而造成的变化的要求。在此然而涉及解决不能识别所有短路情况的技术问题。尤其相比于BLDC和DC桥式驱动器IC以及步进马达驱动器IC，根据本发明的方案具有清晰优点，即，该方案由于对这种驱动器IC的大量需求而可以快速实行。
预期值或预期值范围合适地通过经验确定。在此可能的是：
在具有无故障的负载状态的一个或多个被预熟化处理的参考系统上学习了对于其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值，即确定典型值和带有可选的附加允许容差地将其在控制单元中存储为最大允许预期值范围，和/或，
在每个在生产后具有无故障负载状况的马达系统上学习了其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值，即确定典型值和带有可选的附加允许容差地将其在控制单元中存储为最大允许预期值范围，和/或，
在马达的使用寿命进程中为其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值设置较大的容差，和/或
通过换向角度与目标区域的偏差形成所探测的有故障的负载状况，以及通过匹配幅度和相位这两个控制参数中的至少一个来补偿故障。
在本发明的一个有利的改进方案中可以规定，从与各个马达相的预期值的相互间的偏差类型得出有故障的负载状况的类型，如相对于马达相而言的旁路马达相，相对于地而言的旁路马达相，相对于供电电压而言的旁路马达相，(可能由于插头中接触问题造成的)过高欧姆的马达相端子，马达相的接触不良，各个高侧或低侧驱动器(可能仅在特定负载状态下)的有故障的驱动电阻，和/或，对于每个马达相按顺序得出有故障的负载状况，如接触不良、机械故障、轴承间隙、传动故障、应用中的机械故障，其中，顺序出现的偏差的频度可以给出关于精确故障位置的论断。
为了分类所涉及的参数与相应的预期值或预期范围的偏差，可以应用用于统计学模式识别的方法，用其可以分类电动(步进)马达的运行状态，以便可以采取所定义的措施来最小化功能故障的影响和用于预测未来功能故障对马达的影响。预测可以以未来可能运行状态的形式进行，这些运行状态被对应于概率和/或评估值(如影响评估)。
这里，可进行一个或多个下面列出的处理步骤：
a)从同时和/或顺序确定的偏差的多个值中形成特征矢量，其中特征矢量可以包括这些值的一阶和更高阶导数和/或一次和更高次积分和/或其他从这些值导出的参量以及从别的传感器系统的来的别的参量。
b)将特征矢量与线性判别分析(LDA)矩阵相乘以得到修改的特征矢量，用于提高选择性。
c)将修改的特征矢量与原型矢量、即尤其存储在原型数据库中的运行状态原型相比较，其中，对于每个被评价的原型矢量而言，比较的结果是修改的特征矢量与相应的原型矢量之间的二进制和/或数字和/或模拟的距离值。
d)基于距离值选择所述数据库的至少一个运行状态原型，其中，特别是具有最短距离值和/或具有影响最严重的运行状态和/或具有最严重影响评估的运行状态原型被选择。
e)输出至少所选择的运行状态原型。
f)必要时输出相对于所选的运行状态原型而言与特征矢量对应的至少一个距离值和/或从中导出的值。
g)必要时输出其它所选的运行状态原型和所属的距离值和/或从中导出的值，以输出假设列表，其典型地还包括所选运行状态原型和其距离值。
h)必要时确定运行状态原型的概率链和预测至少一个下面预测的运行状态或预测的运行状态序列。
ⅰ)必要时在所选择的运行状态和/或所确定的假设列表和/或预测的运行状态或该预测运行状态序列的基础上引入措施。
替代统计模式识别的本身已知的基本方法，可以将神经网络和/或Petri网和/或模糊逻辑和/或维特比算法用于处理所涉及的参数和与其对应的预期值或预期范围的偏差。
在本发明的一个有利的改进方案中还可以规定，替代电流大小测量代表电流大小的电参数，并且例如测量在电气/电子部件上的压降，尤其在分流电阻或晶体管上的压降，其中尤其是涉及高侧和/或低侧开关。
还合乎目的的是，当马达相的电压超过或低于所设定的比较器阈时，通过该比较器结束在高欧姆马达相中的时间测量。
有利的会是，将预先给定的、与再循环电流相反的检验电流接入实际上高欧姆的马达相，从而在将再循环电流降低到所设定的检验电流上的情况下进行在马达相端子上的电压切换。
有利的会是，时间测量单元是线性的，即以不变的计数速度工作。
还会有利的是，时间测量单元按对数工作。
在本发明一个有利改进方案中规定，在高欧姆切换的各个间隔之间暂停时间测量。
在本发明一个有利改进方案中规定，时间测量在高欧姆切换的各个间隔之间继续。
有利的会是，替代所描述的精确时间测量，仅在高欧姆切换之后的固定时间点上进行对可预先给定的比较器阈的超过或低于的检查，并且从而按由此形成的分辨率进行时间测量(带有高欧姆切换的PWM周期的数目)。
还会有利的是，替代在切换方案中的所述测量开始时间点与达到电流阈值之间的时间跨度，测量对比较器阈值的各个超过和/或低于之间的时间跨度，并且将各个马达相的该时间相互比较和/或将每个马达相的时间序列中的该时间相互比较或者与适用于马达的无故障运行的预期值相比较，其中，将当前时间跨度的大小相互之间的偏差和/或与预期值的偏差评价为对故障电流的提示、尤其开始提示。
相比于现有技术，在使用根据本发明的方法的条件下通过改进的有用信号和改进的探测方法性能得到对故障负载状况的更高的识别可靠性。对于有故障负载状况(例如短路)的存在的识别阈不再取决于在运行中最大允许的电流的大小。此外，根据本发明的方法的方便的实现是可能的。
尤其是在该背景下，本发明表明：为了控制多相电动机和其它电感性负载而越来越多地使用低欧姆的功率晶体管。这种功率晶体管可以成本低廉地制造，使得其总成本对于整个系统相比于例如以用于冷却常规功率驱动器(其具有较高的RSDON)的冷却体工作而言是较低的。使用现代的低欧姆功率晶体管的又一优点是由于这种功率晶体管较小的损耗功率而可以简化安装电子设备。此外，在总能量平衡来看减少了CO2排放。然而通过低欧姆功率晶体管使得短路情况下的压降由于低RSDON而小至使得用迄今的手段不能可靠探测到短路情况。因此用明显更灵敏的短路阈工作，以能够应对由于低欧姆功率晶体管而造成的变化的要求。在此，然而涉及解决不能识别所有短路情况的技术问题。尤其关于BLDC和DC桥式驱动器IC以及步进马达驱动器IC，根据本发明的方案具有清晰优点，即，该方案由于对这种驱动器IC的大量需求而可以快速被实行。
附图说明
下面借助实施例和参考附图详细阐述本发明。其中：
图1示出了用于基本上任意构造的三相电动机的切换选项。
图2局部地示出了通过驱动器的电流代数符号变换范围中的正弦或空间矢量换向，
图3示例性示出了三相马达的块换向(Block-Kommutierung)，
图4示出了特殊情况下示例性三相马达的切换，其中并非对于所有马达端子存在单个的电流测量装置，
图5示出了切换方案的示例(在该情况下针对三相马达)，其中切换方案不包含高欧姆相，
图6示出了在故障电流流向地的情况下故障情形对电流测量的影响，
图7示出了在故障电流流向正电源电势的情况下故障情形对电流测量的影响，
图8示出了用于带有在高侧和低侧开关的漏极-源极-电压监视装置的任意三相马达的又一切换选项，其中这些电压监视装置可以分相位地用于当前的电流测量，
图9和10用图示阐明了用于按照图8的切换选项的、针对电流测量期间没有出现短路的情况(图9)和电流测量期间出现短路的情况(图10)的信息，
图11示出了用于控制基本上任意的多相(在该实施例中是三相)电动机的切换选项，
图12示出了用于例如三相马达类型(例如根据图11)的块换向的示例，
图13是用于双极性电换向马达(例如步进马达)的切换选项，和
图14是用于(例如根据图13的)双极性电换向马达的块换向。
具体实施方式
本发明基于如下认识，即，在驱动诸如电动机的电感性负载时利用比较器确定晶体管在接通状态中是否具有正的压降(在负载情况下)或者负的压降(在电感性反馈的情况下)。
这是通过该驱动器(开关)的电流的方向的标记。在电感性负载如马达的情况下，电流方向反转的时间点当然一方面通过调制马达的控制来确定，然而另一方面还通过已知地追赶该调制电压的线圈电流的特性来确定。对于何时将发生从正到负压降的变换(即通过相应的驱动器的电流降到0)的预期值是通过马达的PWM调制和马达参数预先给出的。
如果现在一个端子(马达相)的代数符号变换的位置与另一端子(马达相)的有偏差，或者与预先给定的预期值以可复现的方式有偏差，则认为马达或端子中有故障，尤其是当各个马达相在时间上观察该代数符号变换的情况下彼此非典型地相区别时。偏差类型标志着：是否以及在哪个端子上出现了何种类型的短路(向着地的或者向着正电源电势的旁路)或者连接的高欧姆性。
在个别情况下足够的是，如所说明地仅监视低侧驱动器或高侧低侧驱动器。在测量装置的相应的灵敏度的情况下还可以将上面描述的信号用于马达换向。
图1中示出了用于具有电气换向的三相电动机的可能的切换方案。马达BLDC通过驱动器全桥控制，其中每个马达相U、V和W对应于一个开关对，其由高侧开关UH,VH或WH和低侧开关UL,VL或WL构成。监视每个开关上的压降，并且借助比较器KUH,KVH,KWH,KUL,KVL和KWL来监视。每个马达相U、V和W在此对应于比较器或比较器对。借助这些比较器可以确定：流过开关的电流何时反转。由此，可以确定流过开关的电流的过零。由设计决定地和由控制决定地，过零位于预期值范围内(预期时间窗)。通过检查在多个或所有马达相上观察的或者说在一个马达相内观察的过零时间点，可以推断出有故障负载状况。如果当然从相到相偏移或者在一个相内偏移的过零时间点遵循可复现的模式，则可以将这与马达和后面的负载的设计决定的不对称性相关联。非可复现和尤其非可预见的过零时间点与预期值范围的偏差可以得出有故障负载状况的结论。这种偏差于是被评价为对于马达的有故障的电或机械负载状况的第一标志。
图2示出了用于多相电动机的换向选项。在该情况下示出了正弦或空间矢量换向，并且在换向过程的一个片段内，在该片段内电流方向的代数符号变换在该示例中是在相U中发生的。图2中的细曲线示出了任意低欧姆控制驱动开关时的理论电压。较粗的曲线示出了在考虑所涉及的驱动开关上的压降的情况下的电压曲线。
本发明的基础是确定换向方案中的相应固定时间点和达到各个驱动器上的确定压降的相应当前时间点之间的时间差。固定时间点应合适地位于过零点之前。特殊情况在此是达到电流I＝0，这等于压降为0伏特。然而，可以将任何其他在换向期间可靠地达到的电流值当做时间测量结束的承载点确定在达到一个马达端子中的所选电压阈前直至达到下一马达端子中的相同条件的时间差也是可能的。在该情况下不存在用于时间测量的固定起始时间点。
用于确定再循环时间跨度的一个优选实施变型方案是对数的时间测量。其遵循对数逼近函数，并且使得计数器速度随着计数时间增大而减小。这具有如下优点：
a)可以用相同的相对精度来确定小的和大的时间。消除了在大的绝对时间测量中不必要地高的精度。
b)每个测量值的待评价比特数大幅下降。
c)通常需要“乘除运算”的时间比例的确定可以通过求对数而被“加减运算”模拟。这减小了比较运算中的硬件和软件开销。
d)可以通过控制器中较小的逻辑电路和/或CPU省时的实现来进行所述评价的省成本的实现。
图3中示例性示出了基本上任意的三相马达的块换向时的通电方案。根据本发明的方法然而还可以在正弦或空间矢量通电或者类似的调制类型中应用，并且还可以在诸如双极性或单极性步进马达的其它马达类型中使用。
不同的切换方案和马达是共同的，即根据本发明对于(相对于每次电旋转为360°而言的)固定的相位角测量当前电流并且在相应端子相同的个别相位角的情况下将不同的端子的电流测量值彼此比较。在(其中形成之前确定的固定相位角关系的)不同时刻将不同端子的电流或电流比例在与预期值范围的可复现的偏差方面相比较。不对称构建的马达例如可以导致不同的预期值范围，其并非对于所有相位相同。根据本发明的方法规定可以补偿该效果。此外规定，在这种马达中还在可以包括多个360°电旋转的机械旋转上匹配预期值范围。由此在所有马达类型上在使用根据本发明的方法的条件下达到高精度和针对故障触发的保护。在图3中示出了三个马达相U、V和W的高侧和低侧驱动器UH、VH和WH以及UL、VL和WL。在借助本发明方法分析电流和电流比例时得到：
小的、持久的和可复现非对称已经是可能的故障电流的诱因，
可以通过故障电流下游连接的逻辑电路来分离暂时的非对称，该非对称作为干扰例如通过负载变换波动或电源层面的波动或者通过“接触不良”形成，该故障电流会导致电子设备的过高负荷和损坏，
在流向正电源电势的故障电流W的情况下dV在WLON状态下提高，而在WHON状态下不再有影响，以及
在流向V的故障电流W的情况下，dV相比于其他组合提高，并且是在WHON和VL0N状态下或者还在WHON和VL0N状态下提高。
图4示出了针对特殊情况下的基本上任意构建的三相马达的切换选项，该特殊情况是，对于任何马达端子都不存在与其对应的单个电流测量装置。三相马达例如可以是BLDC或者步进马达。
在图4中用UH,VH和WH及UL,VL和WL标出了与三个马达相U、V和W对应的高侧驱动器和低侧驱动器。马达本身标以BLDC。虚线示出的是三个产生潜在故障电流的事件，即相W的朝向地的产生故障电流的旁路(参见在RNSM中)，相W的朝向正电源电势的产生故障电流的旁路(参见在RNSP中)以及相V和W之间的短路(参见在RVw)中。单个电流测量装置在该实施例中位于低侧驱动器路径中，并且通过分流器Rshunt示出。分流电阻可以替选地同样良好地还布置在高侧路径中。替代分流电阻还可以使用任意其他的电流测量装置。特别有利的是，对于电流测量考虑在驱动器上的压降。
图5示出了切换方案，其包含高欧姆相，并且例如是(任意)三相马达的切换方案。切换周期的各个间隔称作相位0至5。高侧和低侧开关如在之前附图中那样标出。三个相的电压曲线分别用V(U),V(V)和V(W)标记，其中在两个最下方的图中放大示出了相W的电压V(W)的相应地表现特性的过渡区域。
在该变型方案中电流测量可能的时间点是其中通过马达端子无直流分量流过的时间点。这些时间点的采集选项是：
a)可能存在的BEM F(Back EM F)信号的所有采集时间点(参见图3的曲线V(U),V(V),V(W))；
b)只要信号位于边界Vth+和Vth-中，由此将达到阈值Vth+或Vth-当做定时器(参见图3两个最下方图表中的放大示图)，
c)在a)或b)下的时间点，可以在触发测量之前将合适的时间相加，其中在根据a)，b)或c)的时间点采集在其它马达端子的至少一个上的电流。
换向方案的合适相位的电流值可以彼此比较。电流值相互的差值或比例可以在可现在的重复的偏差方面被检查，并且如上面描述那样被评价。
在图6和7中假设应用之前描述过的块换向方案，示出了故障对电流测量的影响。在此假设对于任何马达端子都不存在特殊的电流测量装置(参见根据图4的情况)。相U,V和W的以及分流电阻上的各个电流曲线在图4和5的下方部分中在IU,Iv,Iw或IShunt中示出。在分流电阻上的电流的每个相位进行采集的时间点标以TShunt。
图6中示出了相U的对地的故障电流的故障情况。在没有相U的对地的这种旁路的情况下，在电流测量时间段和在其它时间段中得到根据虚线的相应相电流曲线，而在旁路引起电流曲线的情况下，如其在图6中在下面部分通过实线示出。
图7示出了相应的情况，其中在此示出了相U朝着正电源电势的旁路的故障情况。如果没有这种旁路，则得到虚线示出的电流曲线，在该旁路的情况下得到根据图7的实线的电流曲线。又用TShunt标记电流测量时间段。
图8示出了用带有相U、V和W的(任意)三相马达M的切换选项的情形，其中对于每个高侧开关和每个低侧开关存在电流监视装置SU。每个电流监视装置具有比较器，其各与一个驱动开关对应。高侧开关UH,VH和WH的组对应于比较器KUH,KVH和KWH，其共同地通过数模转换器DAH获得数字参考值(HS)，将电流与该数字参考值(HS)相比较。以相同方式，与该三个低侧开关UL,VL和WL分别对应有单独的比较器KUL,KVL和KWL，其又经由共同的数模转换器DAL输送给数字参考值Ref(LS)，将电流与该数字参考值相比较。控制单元SE控制数模转换器DAH和DAL。高侧开关或低侧开关分别分组地共同被控制单元SE控制。控制单元SE经由比较器的输出端获得信号，其可能显示流过开关之一的过电流。参考值Ref(HS)和参考值Ref(LS)在每次接通驱动器时被置于其常见的短路识别值上，以便能够如通常那样识别低欧姆的短路。
下面将数模转换器DAH和DAL和带有输出信号OC(x)的过流比较器KUH,KVH,KWH KUL,KVL和KWL一起用作电流测量装置。对于如之前描述那样的合适的测量时间点，将参考值从该数值起连续减小。之前或之后引起比较器OC(x)的触发的值Ref(HS)或Ref(LS)被作为电流测量值进一步处理。在此不进行驱动器断开，然而相反地在触发比较器之后又激活Ref(HS)或Ref(LS)上的常见的过电流阈(短路保护)。如果在减小阈期间出现短路，则
a)立即触发所涉及的比较器，
b)立即切换到正常的短路识别阈，以及
c)下面进行短路断开。
这在图9和10中对于在电流测量期间没有短路出现的情况(图9)和对于电流测量期间有短路出现的情况(图10)再次以高侧驱动器上的电压曲线为例图形示出。
所描述的方法要求其部件有足够动态性，由此短路情况下的延迟不会过高。使用过流监视装置来进行电流测量的优点(参见图8到10)在于通过双重使用现有元件而节省成本，同时不中断地监视过电流。过电流监视装置的比较器的切换阈变化的一个优选实施变型在于用于相应的参考值的发生器，其在下降的坡度内包含逼近对数的函数，使得参考值逐步以一定的百分比值减小。该策略的优点是，在相同的相对精度下会明显更快地经过坡度，这使得可以以较小的占空比时间来进行测量。每个测量值的待评估比特数显著降低。确定电流比例时通常需要的“乘除运算”可以因为求对数而被“加减运算”模拟。分析的省成本实现是通过较小的逻辑电路或者通过控制器中节省CPU工作时间的实现方案而实现的。
如果在多相电感性负载(例如多相电动机)的切换方案中出现具有切换为高欧姆的末端级的间隔，或者能够将间隔构入多相电感性负载的切换方案，则可借助简单的比较器在负载端子的切换为高欧姆的状态中探测在切换为高欧姆之后电流代数符号变换的时间点。在切换方案中通常不出现切换为高欧姆的马达相的情况下，将所述间隔以根据本发明的方法在如下位置前不久构入：在该位置上所涉及的电流值达到0。根据本发明测量的再循环时间是对在高欧姆切换的时间点上在电感性负载(马达线圈)中存在的电流的度量和对马达端子的电感的度量。在此，可以将这些时间点与通过PWM控制预先给出的规定值比较，或者优选地对于特定的PWM组合来测量高欧姆切换和比较器激活之间的时间，并且将各个马达相的时间测量相互比较。
如果该比较结果与预期值有偏差，则可以根据偏差类型推断出不同的故障电流成因。不对称构建的马达在此可以引起包含不对称性的预期值。
当例如多极马达需要遍历多个电周期时，也可以在多个电运动周期上改变预期值，以便遍历机械旋转。在此可以出现比较值(即预期值)的循环模式。
如果没有故障电流，应该出现所述的比较值模式。在旁路或其他故障中再循环时间的相互比例与预期值有偏差。在测量装置相应的灵敏度下还可以将上面描述的信号用于马达换向。一个实现方式可以大部分以紧凑的数字技术实现。
图11示出了用于三相电动机的该实施例中借助全桥进行的接线的示例，其具有与三个相U,V和W分别对应的高侧开关UH,VH和WH，以及与三个相分别对应的低侧开关UL,VL和WL。电动机标以BLDC(无刷直流)并且可以例如以星形或三角形运行来开动。
图12中示出了带有根据图11的接线的这种三相马达的块换向。360°电旋转的各个片段用0至5标记。高侧和低侧开关UH,UL,VH,VL,WH和WL的接通状态和断开状态在图12用1(用于接通)和0(用于断开)示出。所识别的是，切换和换向方案具有时间片段，在其中将各个马达相切换为高欧姆的。
马达的三个相上的电压的时间曲线在V(U),V(V)和V(W)中示出。马达相上的电压曲线中的瞬间被放大地在最后两个曲线图中示出。瞬时时间、即再循环时间跨度(tu+,tu,tv+,tv-,tw+,tw-)从马达相到马达相地或者说跨相地相互比较，或者在一个马达相内连续地和/或间歇地和/或不定时地相互比较。通过再循环时间跨度的该比较可以推断出马达的故障状态。如果构造决定地给出的再循环时间跨度差异按周期重复，则可以推断出电动机不对称性。从再循环时间跨度的与之前描述的模式有差异的突然变化或者其它变化可以推断出有故障负载状况。通过根据本发明规定的再循环时间跨度比较可以获得对马达的故障状态的第一提示。
除了图12中示出的块换向之外，根据本发明的方法可以在以正弦或空间矢量换向工作的电动机中实现。在换向方案中通常不存在高欧姆状态，其对于探测再循环时间跨度而言足够长。然而可以在相电流的预期过零的区域中引入切换为高欧姆的马达相。该马达相可以具有固定的长度或者优选在时间测量结束后结束。
图13示出了具有高侧和低侧开关A1H,A2H,A1L,A2L,B1H,B2H,B1L和B2L的双极性电换向马达。用于这种电换向马达的相应的换向方案在图14中示例地示出。在此可以识别的是，在功能块L中将再循环时间跨度t(Al),t(A2),t(Bl)和t(B2)相互比较。该比较可以跨马达相地或者在一个马达相或每个马达相内进行。
确定再循环时间跨度的一个优选实施变型是对数型时间测量。这遵循对数逼近的函数，并且使得计数器的速度随计数时间增大而减小。这具有的优点是：
a)可以以相同的相对精度确定小和大的时间。在大的绝对时间测量中省去了不必要地高的精度。
b)每个测量值的待评估比特数大幅减小。
c)通常需要“乘除运算”的时间比例确定可以由于求对数而通过“加减运算”模拟。这减小了在比较运算中的硬件和软件开销。
d)评估的省成本的实现方案可以通过较小的逻辑电路和/或控制器中节省CPU时间的实现方案进行。

Claims (15)

1.一种用于获得对借助电子控制装置进行电气换向的多相电动机的可能的有故障负载状况的提示的方法，该控制装置对于每个马达相具有高侧开关和低侧开关，其中马达相的高侧和低侧开关被按照切换方案循环地接通以及断开，该切换方案具有周期复现的时间点，在这些时间点中对于至少一个马达相将高侧开关和低侧开关对于断开间隔切换为高欧姆的，即断开，其中在无故障负载状况下至少在各个断开间隔开始时或者也在多个断开间隔上还在一定的再循环时间跨度中流过电流，该再循环时间跨度等于适用于该电动机的无故障运行的预期值，其中在该方法中：
在切换方案中预先给定的断开间隔的开始时起动时间测量单元以及测量再循环时间跨度，直至在关断的马达相中还有这样大小的电流流过，其与代数符号无关的数值大于预先给定的阈值，
其中，如果再循环时间跨度在所述断开间隔期间不结束，则该时间测量在至少下一断开间隔中继续进行，直至再循环时间跨度结束，
其中该过程对于断开间隔在每个马达相的之前的高侧开关激活之后和/或在之前的低侧开关激活之后重复，
其中，对于不同马达相的所测量的再循环时间跨度相互之间和/或对于相应马达相的按顺序测量的再循环时间跨度彼此之间和/或与预期值或预期值相比较，以及
其中，与相应的预期值的偏差被评价为对存在故障电流的提示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从与各个马达相的预期值的相互间的偏差类型得出有故障的负载状况的类型，如相对于马达相而言的旁路马达相，相对于地而言的旁路马达相，相对于供电电压而言的旁路马达相，过高欧姆的马达相端子，马达相的接触不良，各个高侧开关或低侧开关的有故障的电阻，和/或，对于每个单个马达相按顺序得出有故障的负载状况，如接触不良、机械故障、轴承间隙、传动故障、应用中的机械故障，其中，顺序出现的偏差的频度能够给出关于精确故障位置的论断。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，替代电流大小测量代表电流大小的电参数，并且例如测量在电气/电子部件上的压降，尤其在分流电阻或晶体管上的压降，其中尤其是涉及高侧开关和/或低侧开关。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，当马达相的电压超过或低于所设定的比较器阈时，通过该比较器结束在断开间隔中的时间测量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将预先给定的、与再循环电流相反的检验电流接入断开间隔，从而在将再循环电流降低到所设定的检验电流上的情况下进行在相端子上的电压变换。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，时间测量单元是线性的，即以不变的计数速度工作。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，时间测量单元按对数工作。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，对于各个断开间隔之间的持续时间暂停时间测量。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在各个断开间隔之间继续时间测量。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，替代所描述的精确时间测量，仅在断开间隔开始之后的固定时间点上进行对可预先给定的比较器阈的超过或低于的检查，并且从而按由此形成的分辨率进行时间测量。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，替代在切换方案中的所述测量开始时间点与达到电流阈值之间的时间跨度，测量对比较器阈值的各个超过和/或低于之间的时间跨度，并且将各个马达相的时间跨度相互比较和/或将每个马达相的按时间序列的时间跨度相互比较或者与适用于该电动机的无故障运行的预期值相比较，其中，将当前时间跨度的大小相互之间的偏差和/或与预期值的偏差评价为对存在故障电流的提示。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，在具有无故障负载状态的至少一个被预熟化处理的参考系统上学习了对于在其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值，即确定典型值以及带有可选的附加允许容差地将其在控制单元中存储为最大允许预期值。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，在每个在生产后具有无故障负载状状态的马达系统上学习了其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值，即确定典型值以及带有可选的附加允许容差地将其在控制单元中存储为最大允许预期值。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，在马达的使用寿命进程中为其中应还未识别到有故障负载状况的最大允许偏差的预期值设置更大的容差。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，在通过换向角度与目标区域的偏差形成所探测的有故障的负载状况的情况下，控制单元通过匹配幅度和相位这两个控制参数中的至少一个来补偿故障。
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WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20190910

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