电机控制系列模块解析（28）—

其他功能概述

软件侧：观测器估计发散保护、时序异常检测

主电路侧：IGBT结温估算、直流母线电容容值估算

电机侧：电机温度估计、轴承异常估计、电机退磁检测

负载侧：负载不平衡检测、掉载检测、负载惯量自适应

上述各项功能，主要涵盖了变频器驱动系统在运行过程中对关键参数的监测与保护。下面分别对这些功能进行详细解释：

软件侧

观测器估计发散保护

作用：在使用状态观测器（如电压、电流、转速、位置等的观测器）进行无传感器控制时，确保观测器的估计结果不会因为系统模型误差、噪声、干扰等因素而发散，从而失去对实际状态的准确跟踪。

方法：设置观测器的发散检测机制（或者采用备用并联的观测器），如监测观测器残差（实际测量值与估计值之差）、观测器增益矩阵条件数等指标。一旦检测到发散趋势，立即采取措施，如切换到备用观测器、调整观测器参数、暂停控制输出等，防止控制系统的不稳定。

时序异常检测

作用：确保软件控制逻辑、通讯协议、硬件定时器等按预定的时序正确执行，防止因时序混乱导致的控制失效、数据丢失等问题。

方法：设置时序监控模块，定期或事件触发时检查各任务执行时间、中断响应时间、通讯周期等是否符合预期。当检测到时序偏差超出阈值时，触发相应的纠错或保护措施，如重置任务、调整优先级、切换通讯通道等。

主电路侧

IGBT结温估算

作用：实时监测逆变器中IGBT模块结温，防止因过热导致的器件寿命缩短、性能下降损坏。

方法：通过以下一种或多种方式结合估算：

（1）直接测量：使用贴附于IGBT模块上的热敏电阻（NTC）或热电偶采集温度数据。

（2）间接计算：基于IGBT的门极驱动电流、集射极电压、器件功耗等电气参数，结合器件热模型估计结温。

（3）智能功率模块集成：部分高级IGBT模块内置温度传感器和监测电路，可以直接读取结温信息。

直流母线电容容值估算

作用：监测直流母线电容的健康状态，及时发现电容容量衰减、漏电流增大等故障，确保母线电压稳定，防止过压或欠压。

方法：通过以下一种或多种方式结合估算：

（1）充放电法：在变频器停机或低负载时，进行充放电试验，根据电容电流电压变化曲线计算电容容值。

（2）纹波电压法：变频器运行时，监测母线电压（或电流）纹波，根据纹波电压与电容容量的关系进行估算。

（3）电容内阻测量：注入测试电流测量电容两端电压降，由电容模型计算容值和内阻，间接反映电容健康状态。

电机侧

电机温度估计

作用：监测电机内部绕组、铁芯、轴承等关键部位的温度，防止因过热导致的绝缘破坏、机械磨损、退磁等问题。

方法：与主电路侧类似，可通过热敏电阻、热电偶、红外测温等方式直接测量，或利用电机电流、电压、损耗等电气参数结合电机热模型进行间接计算。

轴承异常估计

作用：早期发现电机轴承磨损、润滑不良、异物侵入等故障，防止轴承损坏引发的电机振动、噪声增大、转速不稳定等问题。

方法：通过以下一种或多种方式结合监测：

（1）振动监测：振动传感器，检测轴承运行时的振动信号，分析其幅值、频率成分等特征，识别轴承异常。

（2）噪声分析：声学传感器收集电机运行声音，通过频谱分析等手段识别轴承异常产生的特定噪声特征。

（3）电流监测：轴承故障导致电机电流波动、谐波增大等现象，监测电机电流特征变化辅助判断轴承状态。

电机退磁检测

作用：及时发现电机永磁体退磁现象，避免因磁场强度下降导致的电机输出扭矩减小、效率降低、发热增加等问题。

方法：通过以下一种或多种方式结合检测：

（1）反电动势法：在电机空载或轻载运行时，测量电机反电动势，与正常值对比，异常降低表明永磁体退磁。

（2）电流-转矩特性法：通过实验测定电机在不同电流下的转矩输出，对比退磁前后曲线变化，识别退磁现象。

（3）在线监测系统：部分高端电机配备永磁体温度、磁场强度等在线监测功能，直接报告退磁情况。

负载侧

负载不平衡检测

在多相供电系统中，各个相的负载电流如果存在较大差异，就会出现负载不平衡现象。这种情况下，系统可能会出现过载、效率降低、设备寿命缩短等问题。负载不平衡检测功能就是实时监测各相负载电流，当发现不平衡超过设定阈值时，及时发出报警信号或者通过控制策略进行调整，以保证系统平衡运行。在机械系统中也有“负载不平衡”的概念，比如旋转机械（如电动机带动的风机、泵、压缩机等）的轴向或径向机械力不平衡，会导致振动增大、轴承磨损加速、设备寿命缩短等后果。这时的负载不平衡检测涉及到振动分析、转子动平衡校验等方面的技术。

掉载检测

主要用于电机驱动系统中，当连接在电机上的负载突然减少或消失（例如机器卡死、物料输送中断等情况）时，系统能够快速检测并识别出这一变化，并采取相应措施，如停机保护，防止因电机空载运行导致的电机损坏或系统故障。

负载惯量自适应

对于动态负载变化较大的系统，如机器人关节、精密机床等，负载惯量自适应是一种高级控制技术，它能根据实际负载的转动惯量大小和分布特性，自动调整电机的控制参数，实现对不同负载的精确、快速跟踪与定位，提高系统的动态性能和稳定性。

电机转子偏心

电机转子偏心的软件检测通常涉及到对电机运行时的振动信号、电流信号或电磁场信号进行分析。以下是几种常见的软件检测方法：

（1）振动分析：

通过安装在电机或其支撑结构上的加速度计收集振动数据。利用快速傅里叶变换(FFT)将时域信号转换到频域，分析特定频率下的振动幅值，偏心通常会在旋转频率及其谐波上产生峰值。进一步分析这些频率成分的幅度和相位，以确定偏心的严重程度和位置。

（2）电流信号分析：

分析电机的定子电流信号，尤其是在起动或低速运行时，转子偏心会导致非正弦的电流波形。使用PQ变换或DQ变换将三相电流分解为与转矩和磁链相关的分量，偏心会使得这些分量出现额外的谐波。通过分析电流中的特定谐波成分，可以间接推断转子偏心的程度。

（3）基于模型的故障诊断：

建立电机的数学模型，结合电机的实际运行参数（如电压、电流、转速等），通过比较模型预测与实际测量值的差异来识别偏心。优化算法（如遗传算法、粒子群优化等）可以用于调整模型参数，以最佳拟合实际数据并评估偏心参数。