CN102769426A - 一种在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统，在现有驱动控制系统基础上添加了速度估计模块和在线容错控制模块，本发明采用一种后验概率的容错控制方法：在发生传感器故障时通过改变采集转速与估计转速的权值，即后验概率值，让反馈转速值由采集转速向估计转速平稳过渡，从而实现驱动控制系统从基于采集转速的矢量控制驱动系统向无速度传感器的矢量控制驱动系统的平稳过渡，进而完成对速度传感器故障的在线容错控制。在本发明中，速度估计模块、容错控制模块都是简单的加、乘除运算和判断，因此，计算量小，适用于在线容错控制。

Description

一种在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统

技术领域

本发明属于电动汽车交流感应电机驱动控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种解决速度传感器故障的在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统。

背景技术

目前电动汽车交流感应电机的驱动控制系统结构如图1所示，整个驱动控制系统结构主要由以下五个模块组成，矢量控制模块1、SVPWM调制模块2、三相逆变模块3，交流感应电机4和速度传感器5。驾驶员通过踏板信号给出驱动控制系统的期望转速

通过速度传感器5采集交流感应电机4的转速得到转速反馈值

两转速差值

通过矢量控制模块1计算得到两相静止电压，即控制电压u_α和u_β，然后将得到的两相静止电压u_α和u_β通过SVPWM调制模块2得到三路PWM波信号，并控制三相逆变模块3中对应开关管的开通与关断，从而产生三相正弦电压以控制交流感应电机输出相应的三相电流i_A、i_B和i_C，进而实现转速反馈值

达到转速期望值

但在实际应用中，由于工作时间的增长、环境的干扰等诸多因素的影响，速度传感器5的损坏、故障在所难免。如何避免因此种故障而影响整个驱动控制系统的安全、稳定运行已越来越受到人们所关注，因此容错控制技术也相应得到了越来越广泛的应用与发展。

目前应用较为广泛的几种智能控制容错方法如模糊故障容错控制、专家系统故障容错控制和神经网络故障容错控制都存在系统复杂、计算量大、计算时间长等明显的问题，又由于控制芯片性能的局限性，上述几种方法都很难应用于在线容错控制当中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种简单、计算量小的在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统，以提高对速度传感器故障的容错能力，实现整个驱动控制系统在发生速度传感器故障后一段时间内依然能够安全、平稳、正常的运行，进而提高整个驱动控制系统的抗扰性与鲁棒性。

为实现上述发明目的，本发明在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统，包括：包括：矢量控制模块、SVPWM调制模块、三相逆变模块，交流感应电机和速度传感器，驾驶员通过踏板信号给出驱动控制系统的期望转速

然后与转速反馈值

进行差值，两转速差值通过矢量控制模块计算得到两相静止电压，即控制电压u_α和u_β，然后将得到的两相静止电压u_α和u_β通过SVPWM调制模块得到三路PWM波信号，并控制三相逆变模块中对应开关管的开通与关断，从而产生三相正弦电压以控制交流感应电机输出相应的三相静止电流i_A、i_B和i_C，进而实现转速反馈值

达到转速期望值

速度传感器对采集交流感应电机的转速，得到采集转速

其特征在于，包括：

一速度估计模块，根据两相静止电压u_α和u_β、三相静止电流i_A、i_B和i_C对交流感应电机转速进行估计，得到估计转速

一容错控制模块，在容错控制模块中，首先计算速度传感器采集转速变化率δ：

为速度传感器上一时刻采集的交流感应电机的转速；

然后根据设定的故障检测阀值θ（此值由用户根据实际系统自行调整设置）判断速度传感器的状态，并依据采集转速

估计转速

计算得到转速反馈值

（1）、若δ<θ，则认为速度传感器未发生故障，转速反馈值

（2）、若δ≥θ，则认为速度传感器发生故障，转速反馈值为：

公式（2）中，

为故障发生前一时刻的速度传感器采集转速值，为采集转速

对应的后验概率，

为估计转速

对应的后验概率，其计算公式为：

公式（3）中，

为速度传感器采集转速用于控制的先验概率，

为估计转速用于控制的先验概率，先验概率根据经验确定，且

公式（3）中，为速度传感器采集转速用于控制的条件概率，

为估计转速用于控制的条件概率，且：

其中，T为故障发生持续时间，Ts为控制周期，λ为概率变化率，表征条件概率变化的快慢，由用户根据实际系统自行调整设置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统，在现有电动汽车交流感应电机驱动控制系统基础上添加了速度估计模块和在线容错控制模块，其中速度估计模块对转速的估计有较为成熟的现有技术，能够对交流感应电机转速进行较准确的在线估计。但由于驱动控制系统运行中参数变化等因素的影响，估计转速与传感器采集转速之间存在一定的静差，由于该静差的存在若在发生速度传感器故障时直接将转速反馈值切换到估计转速，就可能导致整个驱动控制系统的振荡，引起不稳定，估计转速、采集转速两者之间的静差越大可能造成的系统振荡就越明显。为避免该种情况的发生，本发明采用一种后验概率的容错控制方法：在发生传感器故障时通过改变采集转速与估计转速的权值，即后验概率值，让反馈转速值由采集转速向估计转速平稳过渡，从而实现驱动控制系统从基于采集转速的矢量控制驱动系统向无速度传感器的矢量控制驱动系统的平稳过渡，进而完成对速度传感器故障的在线容错控制。在本发明中，速度估计模块、容错控制模块都是简单的加、乘除运算和判断，因此，计算量小，适用于在线容错控制。

在线容错控制的策略思想为：通过检测采集转速变化率的大小，来判断是否发生速度传感器故障。若采集转速变化率在正常范围内变化，即未超过故障检测阀值θ，则认为速度传感器未发生故障；若采集转速变化过快超过故障检测阀值θ，则认为速度传感器发生故障。驱动控制系统在速度传感器未故障时采用采集转速

作为转速反馈值

即容错控制模块的输出；在速度传感器发生故障时通过公式（7），即

计算得到转速反馈值

即容错控制模块的输出。在检测发现发生速度传感器故障后，随着故障时间的增长传感器采集转速对应后验概率逐渐缩小，估计转速对应后验概率逐渐增大，转速反馈值

由采集转速

向估计转速

平稳切换，最后切换为估计转速做控制，从而成功切换为无速度传感器的驱动控制系统，保证了驱动控制系统的平稳运行。

综合考虑容错控制过程中采集转速切换到估计转速的平滑性与计算的便利性，本发明采用后验概率容错控制法。后验概率是指在得到结果的信息后重新修正的概率，后验概率的计算以先验概率为基础，而先验概率是指根据以往经验和分析得到的概率。后验概率容错控制法的采用即保证了在发生速度传感器故障时进行速度切换的平稳性与系统的稳定性，同时极大的降低了系统的复杂性，缩短了容错控制计算时间，从而更利于容错控制的在线实现与应用。

附图说明

图1是现有技术电动汽车交流感应电机驱动控制系统结构图；

图2是本发明基于后验概率容错控制的在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统一种具体实施方式结构图；

图3是发生速度传感器故障时直接进行转速反馈值切换时感应电机转速变化图；

图4是发生速度传感器故障时采用本发明方法进行转速反馈值切换时感应电机转速变化图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图2是本发明基于后验概率容错控制的在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统一种具体实施方式结构图。

在本实施例中，如图2所示，本发明在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统包括矢量控制模块1、SVPWM调制模块2、三相逆变模块3、交流感应电机4、速度传感器5、速度估计模块6、容错控制模块7。

驾驶员通过踏板信号给出驱动控制系统的期望转速

然后与转速反馈值

进行差值，两转速差值

通过矢量控制模块1计算得到两相静止电压，即控制电压u_α和u_β，然后将得到的两相静止电压u_α和u_β通过SVPWM调制模块2得到三路PWM波信号，并控制三相逆变模块3中对应开关管的开通与关断，从而产生三相正弦电压以控制交流感应电机输出相应的三相电流i_A、i_B和i_C，进而实现转速反馈值

达到转速期望值

在本实施例中，如图2所示，转速反馈值

在容错控制模块7中，根据速度传感器6故障检测情况，依据交流感应电机的采集转速以及估计转速

计算得到。

在容错控制模块中，首先计算速度传感器6采集转速

的变化率δ：

为速度传感器上一时刻采集的交流感应电机的转速；

然后根据设定的故障检测阀值θ判断速度传感器的状态，分别计算得到转速反馈值

（1）、若δ<θ，则认为速度传感器未发生故障，转速反馈值

（2）、若δ≥θ，则认为速度传感器发生故障，转速反馈值

为：

其中：

公式（8）中，先验概率

根据经验确定，且

公式（9）中，T为故障发生持续时间，Ts为控制周期，λ为概率变化率，表征条件概率变化的快慢，由用户根据实际系统自行调整设置。

在本实施例中，所述的速度估计为：

在速度估计模块中，首先将交流感应电机的三相静止电流经过坐标变换公式（1）转化为两相静止电流i_α和i_β：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right]---\left(5\right)$

然后通过公式（2）计算得到参考模型的无功功率Q_m：

$Q_m=\frac{\mathrm{Lr}}{\mathrm{Lm}}{i}_s\&CircleTimes;(u_s-{\mathrm{\&sigma;Lspi}}_s)---\left(6\right)$

其中L_r、L_s、L_m分别为交流感应电机的转子自感、定子自感和定转子互感，σ为定转子漏感，u_s=[u_αu_β]^T,i_s=[i_αi_β]^T，p为微分运算，

为叉乘运算；

再通过公式（3）和公式（4）计算得到可调模型的无功功率

$Q_m^{*}=i_s\&CircleTimes;e_m^{*}---\left(8\right)$

其中

为两相反电动势，T_r为转子时间常数，

为转速估计值；

转速估计值

通过一PI环节对可调模型的无功功率

进行调节计算得到，计算公式如（9）所示：

考虑在发生速度传感器故障后一段时间内驱动控制系统能继续正常安全、平稳的运行，本发明加入速度估计模块6、容错控制模块7形成基于后验概率容错控制的感应电机驱动控制系统。本发明首先通过交流感应电机的控制电压u_α和u_β以及三相电流i_A、i_B和i_C作为速度估计模块6输入计算得到在线估计转速

由于运行过程中参数变换等因素的影响，该估计转速

与传感器采集转速

之间存在一定的静差，由于该静差的存在，使得驱动控制系统在从有速度传感器矢量控制到无速度传感器矢量控制进行切换的过程中可能产生转速、转矩的跳变或波动，而过大的跳变及振动会严重影响系统的运行性能，甚至造成驱动控制系统的不稳定。为消除两种控制模式切换中的这一跳变和振动，避免不稳定情况的发生，本发明提出一种后验概率的方法。

本发明提出的后验概率方法的基本思想是在未发生传感器故障时，系统采用速度传感器采集转速作为反馈转速值

当发生速度传感器故障时，通过后验概率计算方法逐渐缩小传感器采集转速，即速度传感器故障上一时刻采集的交流感应电机的转速

的权重即对应的后验概率，同时逐渐增大估计转速

对应的权重来计算反馈转速值

这样驱动控制系统能实现从基于传感器采集转速的矢量控制系统向速度估计

的无速度传感器矢量控制系统的平稳、快速过渡，进而完成对速度传感器故障的在线容错控制。

本发明采用的后验概率的容错控制方法具有计算简单，控制平滑的优点，既保证了切换的平滑性，同时也能够满足较短的计算时间要求，从而该方法能够实现良好的在线容错控制。

实例

将本发明的基于后验概率的容错控制方法应用于具体应用中，通过模拟相同时刻给出同样的速度传感器故障信号，比较直接切换和通过后验概率切换的效果。

图3是发生速度传感器故障时直接进行转速反馈值切换时感应电机转速变化图。

由图3可知当发生速度传感器故障时，进行直接切换会产生较大的转速跳变，并且转速再次达到稳定相对时间较长。

图4是发生速度传感器故障时采用本发明方法进行转速反馈值切换时感应电机转速变化图。

图中给定先验概率

为0.9、

为0.1，概率变化率λ为0.9。通过后验概率容错控制，在发生速度传感器故障后，交流感应电机转速不会有很大波动，转速过渡平滑并且恢复时间较快，系统稳定无明显震荡。

根据上述实例，可得知利用后验概率容错控制大大的提高了整个驱动控制系统的稳定性，有效的避免了因速度传感器故障带来的严重后果，极大的保障了系统的安全性和平稳性，保证了电机安全平稳的运行。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种在线容错电动汽车交流感应电机驱动控制系统，包括：矢量控制模块、SVPWM调制模块、三相逆变模块，交流感应电机和速度传感器，驾驶员通过踏板信号给出驱动控制系统的期望转速 

然后与转速反馈值 进行差值，两转速差值 

通过矢量控制模块计算得到两相静止电压，即控制电压u_α和u_β，然后将得到的两相静止电压u_α和u_β通过SVPWM调制模块得到三路PWM波信号，并控制三相逆变模块中对应开关管的开通与关断，从而产生三相正弦电压以控制交流感应电机输出相应的三相静止电流i_A、i_B和i_C，进而实现转速反馈值 

达到转速期望值 

速度传感器对采集交流感应电机的转速，得到采集转速 

其特征在于，包括：

一速度估计模块，根据两相静止电压u_α和u_β、三相静止电流i_A、i_B和i_C对交流感应电机转速进行估计，得到估计转速 

一容错控制模块，在容错控制模块中，首先计算速度传感器采集转速变化率δ：

为速度传感器上一时刻采集的交流感应电机的转速；

然后根据设定的故障检测阀值θ（此值由用户根据实际系统自行调整设置）判断速度传感器的状态，并依据采集转速 

估计转速 计算得到转速反馈值 

（1）、若δ<θ，则认为速度传感器未发生故障，转速反馈值 

（2）、若δ≥θ，则认为速度传感器发生故障，转速反馈值 

为：

公式（2）中， 

为故障发生前一时刻的速度传感器采集转速值， 

为采集转速 

对应的后验概率， 为估计转速 

对应的后验概率，其计算公式为：

公式（3）中， 

为速度传感器采集转速用于控制的先验概率， 

为估计转速用于控制的先验概率，先验概率 

根据经验确定，且 

公式（3）中， 

为速度传感器采集转速用于控制的条件概率， 

为估计转速用于控制的条件概率，且：

其中，T为故障发生持续时间，Ts为控制周期，λ为概率变化率，表征条件概率变化的快慢，由用户根据实际系统自行调整设置。

2.根据权利要求1所述的驱动控制系统，其特征在于，所述的速度估计为：

在速度估计模块中，首先将交流感应电机的三相静止电流经过坐标变换公式（1）转化为两相静止电流i_α和i_β：

然后通过公式（2）计算得到参考模型的无功功率Q_m：

其中L_r、L_s、L_m分别为交流感应电机的转子自感、定子自感和定转子互感，σ为定转子漏感，u_s=[u_αu_β]^T,i_s=[i_αi_β]^T，p为微分运算， 

为叉乘运算；

再通过公式（3）和公式（4）计算得到可调模型的无功功率 

其中 

为两相反电动势，T_r为转子时间常数， 

为转速估计值；

转速估计值 

通过一PI环节对可调模型的无功功率 进行调节计算得到，计算公式如（9）所示： 

。

3.根据权利要求1所述的驱动控制系统，其特征在于，所述的先验概率分别 

为0.9、 

为0.1，概率变化率λ为0.9。 

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