一种三相电缺相检测装置和检测方法与流程

1.本技术涉及三相电检测技术领域，具体而言，涉及一种三相电缺相检测装置和检测方法。


背景技术：

2.在三相电使用过程中，如伺服驱动系统中，需要对三相电进行缺相检测，现有的检测方法如在u、v、w三相上通过一系列元件构成电流/电压检测电路，再根据检测的电流/电压判断是否缺相，这种方法所采用的电路结构复杂，增加了检测成本；有的方法通过测量相电流的大小来判断，该方法需要依靠软件的一系列复杂判断来实现，且准确性较低。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的在于提供一种三相电缺相检测装置和检测方法，利用三相电流的相位差为120
°
，矢量和为0的原理测量三相电叠加形成的磁场的磁感应强度，以判断是否缺相，解决现有的方法电路结构复杂、增加了检测成本且准确性较低的问题。
4.本技术实施例提供了一种三相电缺相检测装置，该装置包括：
5.磁场生成模块，用于利用三相电缆生成叠加磁场；
6.缺相检测模块，用于检测所述磁场生成模块的中心位置的磁感应强度，并根据所述磁感应强度判断是否缺相。
7.在上述实现过程中，将三相电缆进行叠加，生成叠加磁场，在正常情况下，三相电压/电流是相位差为120
°
的正弦波形，其矢量和为0，叠加形成的磁场也是相互重叠的，形成的磁场生成模块中心位置的磁场将会被抵消，只剩余由于漏磁现象而产生的微弱磁场，而缺相时，三相输出电流将严重不平衡，因此，可以根据磁场生成模块中心位置的磁感应强度的大小判断是否缺相，该方法无需复杂电路且检测结果较准确，解决了现有的方法结构复杂、增加了检测成本且准确性较低的问题。
8.进一步地，所述磁场生成模块包括：
9.至少为4层的多层绝缘板，用于放置三相电缆，所述三相电缆中的每相电缆分别设置在所述多层绝缘板的相邻的不同层之间，且每相电缆上下重叠，以生成叠加磁场。
10.在上述实现过程中，将三相电缆分别设置在多层绝缘板相邻的不同层内，且三相电缆在竖直方向是相互重叠的，根据电磁感应原理，在三相电缆中有电流通过时，将产生磁场，由于电缆上下重叠放置，所以产生的磁场也是重叠的，在磁场生成模块的中心位置附近合成的磁场大部分被相互抵消，磁场接近于零，可以根据该原理进行缺相检测，保证了检测结果的准确性。
11.进一步地，所述缺相检测模块包括：
12.磁场检测模块，设置在所述磁场生成模块的中心位置，用于检测所述磁场生成模块的中心位置的磁感应强度并输出对应的电压模拟量。
13.在上述实现过程中，利用磁场检测模块检测磁场生成模块的中心位置处的磁感应
强度，磁感应强度的大小直接反映了对应的三相电是否缺相，使用该方法可以准确检测缺相故障，并且使用电路简单，降低了成本。
14.进一步地，所述磁场检测模块包括根据霍尔效应制成的磁场检测元件；
15.所述磁场检测元件的输出电压与所述磁场生成模块生成的电磁感应强度呈线性关系。
16.在上述实现过程中，磁场检测元件输出的电压模拟量与所处磁场的磁感应强度呈线性关系，磁感应强度为0时对应的输出电压为基准电压，由于磁场生成模块叠加形成的磁场在磁场生成模块中心位置的磁场将会被抵消，但是由于漏磁现象仍然会有微弱磁场，因此，在不缺相时，正负方向的磁感应强度对应的输出电压具有阈值，分别为上限电压和下限电压，在上限电压和下限电压的范围内时，判定为不缺相；在上限电压和下限电压的范围之外时，即输出电压大于上限电压或小于下限电压，则可以认为此时由于缺相，三相电流严重失衡而导致检测到的磁感应强度过大，对应的输出电压也在上限电压和下限电压的范围之外，判定为缺相。
17.进一步地，所述缺相检测模块还包括：
18.电压比较电路，连接所述磁场检测模块，用于将所述磁场检测模块测得的电压模拟量与预设值进行比较；
19.判断电路，连接所述电压比较电路，用于根据所述电压比较电路输出的高低电平判断是否缺相。
20.在上述实现过程中，磁场检测模块输出的电压模拟量经过电压比较电路处理后，将所述磁场检测模块测得的电压模拟量与预设值进行比较，将缺相前后的电压模拟量转化为高低电平，从而能够明确判定是否缺相。
21.进一步地，所述电压比较电路为窗口比较电路：
22.当缺相时，所述磁场检测模块输出的电压模拟量在预设的阈值范围之外，所述窗口比较电路的输出端为高电平；
23.当不缺相时，所述磁场检测模块输出的电压模拟量在预设的阈值范围之内，所述窗口比较电路的输出端为低电平。
24.在上述实现过程中，通过窗口比较电路将磁场检测模块输出的电压模拟量与预设的阈值范围进行比较，该预设的阈值范围的端值为不缺相时正向磁感应强度和负向磁感应强度对应的临界值，因此，当缺相时，窗口比较电路的输出端将由低电平变为高电平状态。
25.进一步地，所述判断电路为控制器电路：
26.所述控制器电路连接所述窗口比较电路，当所述窗口比较电路输出高电平且持续时间超出预设时间时，判定为缺相故障。
27.在上述实现过程中，当窗口比较电路的输出状态由低电平变为高电平时，控制器电路开始计时，当持续时间超出预设时间时，则判定为缺相故障，利用电平状态和吃高电平持续时间两个因素来判断是否缺相，提高了判断的准确率。
28.进一步地，所述缺相检测模块包括：
29.信号放大器，连接所述磁场检测模块，用于对所述磁场检测模块的输出信号进行缩小或放大。
30.在上述实现过程中，利用信号放大器将磁场检测模块的输出信号进行放大或缩
小，使之与后续电路的输入相匹配，便于后续电路对信号进行进一步处理，有利于提高灵敏度和检测准确性。
31.本技术实施例还提供一种三相电缺相检测方法，所述方法包括：
32.对利用三相电缆生成的叠加磁场的中心位置的磁感应强度进行检测；
33.根据检测结果判断是否缺相。
34.在上述实现过程中，利用三相电流的矢量和为0的原理，将缺相检测转化为对三相电流形成的叠加磁场的磁感应强度的检测，当缺相时，磁感应强度将会变大，利用这一原理可以实现对缺相的准确检测，并且电路结构简单，成本低廉，解决了现有的检测方法电路结构复杂、增加了检测成本且准确性较低的问题。
35.进一步地，所述根据检测结果判断是否缺相，包括：
36.利用电压比较电路对测得的电压模拟量与预设值进行比较；
37.将比较结果输入至判断电路，所述判断电路根据所述电压比较电路输出的高低电平判断是否缺相。
38.在上述实现过程中，对磁场检测模块测得的电压模拟量进行信号的量化比较，从而可以准确进行缺相检测，电路结构简单，利用三相电的特性进行检测，确保检测结果准确。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
40.图1为本技术实施例提供的一种三相电缺相检测装置的结构框图；
41.图2为本技术实施例提供的伺服驱动系统中的电机缺相示意图；
42.图3为本技术实施例提供的伺服驱动系统中的u、v、w三相输出电压的正弦波形示意图；
43.图4为本技术实施例提供的三相电流环绕型走线结构示意图；
44.图5为本技术实施例提供的磁场检测元件在三相电流环绕型走线结构上的位置示意图；
45.图6为本技术实施例提供的磁场检测元件的输出电压与检测磁场的磁感应强度的关系示意图；
46.图7为本技术实施例提供的缺相检测模块的电路结构示意图；
47.图8为本技术实施例提供的窗口比较电路的输入输出关系示意图；
48.图9为本技术实施例提供的三相电缺相检测方法的流程图；
49.图10为本技术实施例提供的根据检测结果判断是否缺相的流程图；
50.图11为本技术实施例提供的判断电路的判断流程图。
51.图标：
52.100-pcb板；200-磁场检测元件。
具体实施方式
53.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
54.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
55.实施例1
56.请参看图1，图1为本技术实施例提供的一种三相电缺相检测装置的结构框图。该装置可以应用于伺服驱动系统中的缺相检测，如图2所示，为伺服驱动系统中的电机缺相示意图。
57.在伺服驱动系统中，伺服驱动器与电机电连接的三条动力线缆上流动的是三相相位差为120
°
的正弦波电压/电流，一般称为u、v、w三相输出，如图3所示，为伺服驱动系统中的u、v、w三相输出电压的正弦波形示意图，三相输出电流波形与图3类似。在实际使用中，存在着有一路或者两路动力线缆掉线的故障，即为驱动器输出缺相或者电机输入缺相，出现缺相故障必然导致电机运行故障，甚至会导致伺服驱动系统的损坏，所以在伺服驱动系统中需要进行缺相检测。
58.在正常情况下，伺服驱动器输出到电机的三相电压/电流是呈相互之间的相位差分别为120
°
的正弦波形，这种三相相位差120
°
的电压/电流的特点就是在任意时刻，三相电流的矢量和为零，相应地，三相电流形成的叠加磁场的磁感应强度也应接近于0。利用这一特点，在一般情况下，只要检测到某一时刻三相电流的矢量和不为零，且超过了一定数值后，就说明此时三相输出电流出现了严重的不平衡，即出现了缺相故障。
59.本发明利用三相电流的矢量和为0这一原理，将缺相检测转化为对三相电流形成的叠加磁场的磁感应强度的检测，构造电路结构来检测三相电流形成的叠加磁场的磁感应强度，通过对叠加磁场的磁感应强度做检测，从而判断是否有缺相故障。
60.该装置主要包括磁场生成模块和缺相检测模块两部分：
61.磁场生成模块，用于利用三相电缆生成叠加磁场；
62.缺相检测模块，用于检测磁场生成模块的中心位置的磁感应强度，并根据该磁感应强度判断是否缺相。
63.由上述可知，对缺相检测简化为对三相电流形成的叠加磁场的磁感应强度的检测，构造的电路简单，降低了成本，并且缺相时，磁感应强度的变化剧烈，因此根据磁感应强度的变化可以准确检测缺相故障，解决现有的方法电路结构复杂、增加了检测成本且准确性较低的问题。
64.其中，磁场生成模块包括：
65.至少为4层的多层绝缘板，用于放置三相电缆；
66.三相电缆中的每相电缆分别设置在多层绝缘板的相邻的不同层之间，且每相电缆上下重叠，以生成叠加磁场。
67.作为其中一种实施例，磁场生成模块可以采用三相电流环绕型走线结构，使用该结构有利于电流形成足够强的磁场，有利于被后续的缺相检测模块中的磁场检测模块检测到。
68.三相电流环绕型走线结构具体可以包括：
69.4层以上的多层pcb板100，将u、v、w的电缆分别布置在相邻的不同层，同时他们呈上下重叠的圆弧形如半圆形的走线形式，如图4所示，为三相电流环绕型走线结构示意图，包括4层pcb板100，从上到下依次为l1层、l2层、l3层和l4层，将u相线缆路放至l2层，v相线缆放至l3层，w相线缆放至l4层，并且u相线缆、v相线缆和w相线缆在竖直方向上相互重叠。
70.根据电磁感应原理，当u、v、w三相电缆中有电流流动时，将分别产生三个磁场，由于u、v、w三相电缆的走线是竖直方向上相互重叠的，因此产生的磁场也是相互重叠的。如果u、v、w三相中电流的矢量和为零，在走线环绕的中间位置附近，合成的磁场大部分会被相互抵消，只剩余由于漏磁现象而产生的微弱磁场；当缺相时，u、v、w三相电流的矢量和不为零，磁场的磁感应强度将增大。
71.缺相检测模块包括：
72.磁场检测模块，设置在磁场生成模块的中心位置，用于检测磁场生成模块的中心位置的磁感应强度并输出对应的电压模拟量。
73.示例的，磁场检测模块采用根据霍尔效应制成的磁场检测元件200，磁场检测元件200输出电压为基准电压；
74.当不缺相时，对应的最大磁感应强度的输出电压为上限电压；
75.当不缺相时，对应的最小磁感应强度的输出电压为下限电压；磁场检测元件200用于根据输出电压是否在上限电压和下限电压的范围内判断对应的三相电是否缺相。
76.作为其中一种实施例，磁场检测元件200可以采用磁场强度检测芯片，如图5所示，为磁场检测元件200在三相电流环绕型走线结构上的位置示意图。在pcb板100的l1层的三相电流环绕型走线结构的中心位置上方放置一个磁场检测元件200，来检测磁感应强度的大小，磁场检测元件200的输出为电压模拟量，且磁场检测元件200输出的电压模拟量与磁场的磁感应强度成线性关系，如图6所示，为磁场检测元件200的输出电压与检测磁场的磁感应强度的关系示意图。其中，磁感应强度为0时对应的输出电压为基准电压v0，当不缺相时，对应的最大磁感应强度(正向磁感应强度) b
th
的输出电压为上限电压u
rh
；当不缺相时，对应的最小磁感应强度(负向磁感应强度)-b
th
的输出电压为下限电压u
rl
，b
th
的值需要在实际电路中根据三相电流的大小、环绕型走线的面积以及pcb板100的板层参数等多种参考因素进行确定。
77.缺相检测模块还包括：
78.电压比较电路，连接磁场检测模块，用于将磁场检测模块测得的电压模拟量与预设值进行比较；
79.判断电路，连接电压比较电路，用于根据电压比较电路输出的高低电平判断是否缺相。
80.示例的，电压比较电路为窗口比较电路：
81.当缺相时，磁场检测模块输出的电压模拟量在预设的阈值范围之外，所述窗口比较电路的输出端为高电平；
82.当不缺相时，磁场检测模块输出的电压模拟量在预设的阈值范围之内，窗口比较电路的输出端为低电平。
83.判断电路为控制器电路：
84.控制器电路连接窗口比较电路，当所述窗口比较电路输出高电平且持续时间超出
预设时间时，判定为缺相故障。
85.作为其中一种实施方式，如图7所示，为缺相检测模块的电路结构示意图。窗口比较电路的输入端接入磁场检测元件200，窗口比较电路的输出端接入控制器电路，示例的，控制器电路可以采用mcu(micro control unit，微控制单元)控制电路，其中，如图8所示，为窗口比较电路的输入输出关系示意图，磁场检测元件200的输出电压为u1，作为窗口比较电路的输入，窗口比较电路的输出为u2，当u
rl
<u1<u
rh
时，说明磁场检测元件200对应的检测磁场的磁感应强度在-b
th
到 b
th
之间，处于不缺相的磁感应强度范围内，此时窗口比较电路的输出u2为低电平；当u1≤u
rl
或u1≥u
rh
时，说明磁场检测元件200对应的检测磁场的磁感应强度不在-b
th
到 b
th
之间，处于缺相的磁感应强度范围内，此时窗口比较电路的输出u2为高电平。
86.u
rl
和u
rh
作为窗口比较电路中的两个参考电压值需要根据窗口比较电路中的电路元件的具体参数设置，使得u
rl
和u
rh
的值对应于正向磁感应强度( b
th
)和负向磁感应强度(-b
th
)的判断临界值。
87.当出现缺相故障时，检测到的磁感应强度由于三相电流不平衡而变得特别大，使得窗口比较电路的输入低于u
rl
或者高于u
rh
，这样，窗口比较电路的输出由低变高，这一输出状态的变化会被后一环节的mcu控制电路获取。
88.mcu控制电路在接收到窗口比较电路的输出的电平变化后，将进行处理，如进行计数，当连续5个相电流波形周期的时间内均出现u2为高电平时，判定为缺相故障，可以进行报警提示缺相故障，其中，电流波形周期指伺服驱动器进行电流斩波的一个最小时间单位，电流波形周期的数值大小与伺服驱动器的软件算法有关，在此不再赘述。
89.由于磁场检测模块的灵敏度不同，电流形成的磁场的磁感应强度也不同，因此可以对磁场检测模块的输出做一定的处理，如对信号的缩小或者放大，使之与后续电路的输入相匹配。因此可以在磁场检测模块的输出端连接信号放大器，用于对磁场检测模块的输出信号进行缩小或放大。
90.另外，该装置除了在配备永磁同步电机的伺服驱动器输出端的缺相检测外，还可以应用在其他三相电机的缺相检测以及三相交流电缺相、断线的检测领域。因为其本质原理是一致的，即在这些应用场景下，正常情况时三相电路叠加为零，一旦出现缺相故障，将使得电流不平衡，叠加后的电流远大于零，进而其磁场感应强度变得很大，因此，其他三相电机的缺相检测以及三相交流电缺相、断线的检测领域也属于本技术的应用范围，在此不再赘述。
91.实施例2
92.本技术实施例提供一种三相电缺相检测方法，应用于实施例1中的三相电缺相检测装置，如图9所示，为三相电缺相检测方法的流程图。该方法包括以下步骤：
93.步骤s100：对磁场生成模块的中心位置的磁感应强度进行检测，磁场生成模块为利用三相电缆生成的叠加磁场；
94.步骤s100具体可以包括：
95.利用磁场检测模块对磁场生成模块的中心位置的磁感应强度进行检测；
96.当不缺相时，最大磁感应强度对应的所述磁场检测元件200的输出电压为上限电压；
97.当不缺相时，最小磁感应强度对应的所述磁场检测元件200的输出电压为下限电压。
98.步骤s200：根据检测结果判断是否缺相。
99.其中，如图10所示，为根据检测结果判断是否缺相的流程图。步骤s200根据检测结果判断是否缺相具体可以包括：
100.步骤s201：利用电压比较电路对磁场检测模块测得的电压模拟量与预设值进行比较；
101.示例的，电压比较电路为窗口比较电路：
102.当缺相时，所述磁场检测模块输出的电压模拟量在预设的阈值范围之外，所述窗口比较电路的输出端为高电平；
103.当不缺相时，所述磁场检测模块输出的电压模拟量在预设的阈值范围之内，窗口比较电路的输出端为低电平。
104.步骤s202：将比较结果输入至判断电路，判断电路根据电压比较电路输出的高低电平判断是否缺相。
105.示例的，判断电路为控制器电路：
106.控制器电路连接窗口比较电路，当窗口比较电路输出高电平且持续时间超出预设时间时，判定为缺相故障。
107.示例的，如图11所示，为判断电路的判断流程图。读取u2的电平状态，当u2为高电平时，判断u2在5个连续相电流波形周期内是否为高电平，如果是，则判定为缺相故障，进行报警；如果否，则判定未发生缺相故障，继续读取u2的电平状态。
108.通过该方法可以准确判定缺相故障，且电路结构简单，降低了成本。
109.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
110.另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
111.所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存
储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
112.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
113.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
114.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。