CN105871283B - 传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感器故障下车用永磁同步电机的容错驱动系统，包括控制算法集成模块、容错控制模块、逆变器模块、电流传感器模块、位置传感器模块和永磁同步电机；所述永磁同步电机上设置位置传感器模块；所述控制算法集成模块输出6路PWM信号到逆变器模块，所述逆变器模块输出三相电流信号到永磁同步电机，同时将三相电流信号中的两相电流信号输出到电流传感器模块；所述位置传感器模块将位置信号θp输出到容错控制模块；所述电流传感器模块将电流信号ia和电流信号ib输出到容错控制模块；所述容错控制模块将交直轴电流信号iq和id与位置信号输出到控制算法集成模块；所述控制算法集成模块(1)将交直轴电压信号Uq和Ud输出到容错控制模块。

Description

传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统及方法
技术领域
本发明涉及车用永磁同步电机容错驱动系统技术，尤其涉及一种用于不同传感器故障下车用永磁同步电机的容错驱动系统及方法，即本发明的传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统及方法。
背景技术
汽车产业的蓬勃发展极大提升了人类社会现代文明和经济的前进步伐，但与此同时，非常严峻的能源问题和环境问题也随之产生。而电动汽车以其环保和节能的优势，己经逐渐受到各国政府以及汽车生产企业的关注。在各国政府相关鼓励政策的刺激下，电动汽车产业相关的关键技术在近几十年里取得了巨大的进步，电动汽车整车与关键器件性能得到了长足的发展，并且电动汽车产业化和市场化规模也逐步形成。作为电机驱动系统中的主流电机之一，永磁同步电机凭借本身结构的特殊，发挥出了其突出的节能优势，被很好地运用到电动汽车产业。而永磁同步电机和普通电机相比，需要在电机上安装传感器，用于获得电机实际运行时的电流、速度和位置信息，以实现永磁同步电机的矢量控制。但传感器是敏感元件，很有可能在使用环节出现故障，从而不利于系统的可靠运行。对汽车的电驱动系统而言，系统连续可靠的安全运行至关重要，为此，迫切需要研究传感器故障下车用永磁同步电机的容错驱动系统及方法，来提高整个系统的运行可靠性从而降低故障出现后导致的人身、财产损失。目前，国内已有一些针对不同传感器故障下容错的解决方案，如文献1(专利号为201010166030.1)所示，该方法中的电机控制单元利用自身的检测电路采集电流传感器输出电压幅值，检测电流传感器的电气故障；无故障信息时，电机控制单元按照空间矢量控制策略使动力总成系统完好运行；短路或断路故障时，电机控制单元进入VVVF控制模式，通过改变加在电机上的电压、频率的大小，实现电机的粗略的速度控制和扭矩控制；过流故障时，电机控制单元将进入降功率模式，降低动力总成系统输出扭距，动力总成系统以部分负荷状态继续运行。如文献2(专利号为201310395718.0)所示，该方法中通过判断霍尔信号顺序是否正确、判断转子经过某霍尔区域所走过的电角度是否大于最小值或判断转子经过某霍尔区域所走过的电角度是否小于最大值来判断霍尔传感器是否出现故障，并找出哪相霍尔传感器出现故障。这两个专利都是针对单一类型传感器故障的容错控制，且文献1中的电机控制单元进入VVVF控制模式时，电机存在失步、抖振、调速范围不宽等问题；文献2是针对霍尔传感器的容错控制，在电动车里常常使用的是旋转变压器，且实际应用中电动车除了旋转变压器还有电流传感器，电流传感器也会常常出现故障。为此，我们围绕电动汽车领域，提出位置传感器和电流传感器这两种传感器故障下永磁同步电机的容错驱动系统及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统及方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种传感器故障下车用永磁同步电机的容错驱动系统，包括控制算法集成模块、容错控制模块、逆变器模块、电流传感器模块、位置传感器模块和永磁同步电机；所述永磁同步电机上设置位置传感器模块；所述逆变器模块输出三相电流信号到永磁同步电机，同时将三相电流信号中的两相电流信号输出到电流传感器模块；
所述控制算法集成模块包括第一减法器、第二减法器、第三减法器、第一PI调节器、第二PI调节器、开环/闭环电压矢量切换模块、IPARK变换模块、空间矢量调制模块和速度计算模块；
所述开环/闭环电压矢量切换模块包括直轴电压开环给定模块、交轴电压开环给定模块和电压矢量切换模块；
所述的容错控制模块包括有/无电流传感器模块与有/无位置传感器模块；
所述的有/无电流传感器模块包括CLARK变换模块、PARK变换模块、相电流算法重构模块和电流切换开关模块；
所述有/无位置传感器模块包括基于滑模观测器的转子位置估算模块和位置切换开关模块；
所述电流传感器模块将电流信号ia和电流信号ib输出到CLARK变换模块和基于滑模观测器的转子位置估算模块；
所述CLARK变换模块接收到电流信号ia和电流信号ib，经运算将电流信号iα和电流信号iβ输出到PARK变换模块；
所述PARK变换模块输出直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1到电流切换开关模块；
所述的相电流算法重构模块接收到直轴电压实际给定信号Ud、交轴电压实际给定信号Uq和位置信息θp后经运算输出直轴电流信号id2和交轴电流信号iq2到电流切换开关模块；
所述基于滑模观测器的转子位置估算模块接收到电流信号ia和电流信号ib，并将位置信号θe输出到位置切换开关模块；
所述位置传感器模块将位置信号θp输出到相电流算法重构模块和位置切换开关模块；
当位置传感器模块正常运作时，位置切换开关模块根据位置信号θp经运算得到位置信号当位置传感器模块发生故障时，位置切换开关模块根据位置信号θe经运算得到位置信号
所述位置切换开关模块分别输出位置信号到IPARK变换模块、速度计算模块和PARK变换模块；
所述第一减法器接收给定速度信号ωref和实际速度信号ωr，经运算输出电信号到第一PI调节器；
第一PI调节器经运算输出给定交轴电流信号到第二减法器；
所述第二减法器接收给定交轴电流信号和实际交轴电流信号iq，经运算输出电信号到第二PI调节器；
所述第三减法器接收给定直轴电流信号和实际直轴电流信号id，经运算输出电信号到第二PI调节器；
所述第二PI调节器经运算分别输出交轴电压闭环给定信号和直轴电压闭环给定信号到电压矢量切换模块；
当电流传感器与位置传感器都正常运作时，采用基于传感器矢量控制子模块进行控制，电压矢量切换模块的输出切换到PI调节器输出的交轴电压闭环给定信号和直轴电压闭环给定信号位置切换开关模块的输出切换到位置传感器模块的输出位置信号θp，电流切换开关模块的输出切换到经PARK变换模块运算后输出的直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1；
当电流传感器发生故障而位置传感器正常运作时，采用基于相电流重构控制子模块进行控制，电压矢量切换模块的输出切换到PI调节器输出的交轴电压闭环给定信号和直轴电压闭环给定信号位置切换开关模块的输出切换到位置传感器模块的输出位置信号θp，电流切换开关模块的输出切换到经相电流算法重构模块运算后输出的直轴电流信号id2和交轴电流信号iq2；
当电流传感器正常工作而位置传感器发生故障时，采用基于无位置传感器矢量控制子模块进行控制，电压矢量切换模块的输出切换到PI调节器输出的交轴电压闭环给定信号和直轴电压闭环给定信号位置切换开关模块的输出切换到基于滑模观测器的转子位置估算模块输出的位置信号θe，电流切换开关模块的输出切换到经PARK变换模块运算后输出的直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1；
当电流传感器与位置传感器都发生故障时，采用基于恒压频比V/F控制子模块进行控制，电压矢量切换模块的输出切换到交轴电压开环给定模块输出的电压信号直轴电压开环给定模块输出的电压信号位置切换开关模块和电流切换开关模块此时不输出信号；
所述电压矢量切换模块经运算分别输出直轴电压实际给定信号Ud和交轴电压实际给定信号Uq到IPARK变换模块和相电流算法重构模块；
所述IPARK变换模块接收到直轴电压实际给定信号Ud和交轴电压实际给定信号Uq后经运算分别输出电压信号Uα和电压信号Uβ到空间矢量调制模块；
所述空间矢量调制模块输出6路PWM信号到逆变器模块；
速度计算模块输出电机的实际速度信号ωr到第一减法器。
作为本发明的控制方法的改进：通过电压矢量切换模块、位置切换开关模块、电流切换开关模块一起可以实现四种工作状态的切换。
本发明针对电动汽车的电机驱动系统，在传感器发生故障的情况下实现容错驱动而提出，可以减小或避免在传感器故障时产生的人身财产损失。其中的容错控制模块可以分别对电流和位置信号的读取进行容错控制，控制算法集成模块可以实现有位置传感器矢量闭环控制、无位置传感器矢量闭环控制和V/F开环控制的切换，开环/闭环切换模块配合控制算法集成模块实现开环控制与闭环控制的有效切换。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统总体框架图；
图2为传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统中控制算法集成模块的框架图；
图3为传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统中容错控制模块的框架图；
图4为控制算法集成模块中的开环/闭环电压矢量切换模块的框架图。
具体实施方式
实施例1、图1～图4给出了一种传感器故障下车用永磁同步电机的容错驱动系统，包括控制算法集成模块1、容错控制模块2、逆变器模块3、电流传感器模块4、位置传感器模块5和永磁同步电机6。
以上所述的控制算法集成模块1包括第一减法器7、第二减法器9、第三减法器15、第一PI调节器8、第二PI调节器10、开环/闭环电压矢量切换模块11、IPARK变换模块12、空间矢量调制模块13和速度计算模块14；以上所述的容错控制模块2包括有/无电流传感器模块16与有/无位置传感器模块17；有/无电流传感器模块16包括CLARK变换模块21、PARK变换模块22、相电流算法重构模块23和和电流切换开关模块26；有/无位置传感器模块17包括基于滑模观测器的转子位置估算模块24、位置切换开关模块25；以上所述的开环/闭环电压矢量切换模块11包括直轴电压开环给定模块20、交轴电压开环给定模块18和电压矢量切换模块19。其连接关系如下：
第一减法器7接收给定速度信号ωref(上位机系统给定的速度信号ωref)和实际速度信号ωr，经运算输出误差信号(ωref-ωr)到第一PI调节器8；第一PI调节器8经运算输出给定交轴电流信号到第二减法器9；第二减法器9接收给定交轴电流信号和实际交轴电流信号iq，经运算输出误差信号到第二PI调节器10；第三减法器15接收给定直轴电流信号(上位机系统给定的直轴电流信号)和实际直轴电流信号id，经运算输出误差信号到第二PI调节器10；第二PI调节器10经运算分别输出交轴电压信号和直轴电压信号到电压矢量切换模块19，电压矢量切换模块19再分别接收到交轴电压开环给定模块18输出的电压信号直轴电压开环给定模块20输出的电压信号经运算将得到的交直轴电压信号Uq与Ud分别输出到IPARK变换模块12和相电流算法重构模块23；IPARK变换模块12接收到直轴电压信号Ud和交轴电压信号Uq后经运算分别输出电压信号Uα和电压信号Uβ到空间矢量调制模块13；空间矢量调制模块13输出6路PWM信号到逆变器模块3，逆变器模块3输出三相信号到永磁同步电机6和电流传感器模块4(该电流传感器模块4接收到A、B两相电流信号)。电流传感器模块4将电流信号ia、电流信号ib分别输出到CLARK变换模块21和和基于滑模观测器的转子位置估算模块24；永磁同步电机6运行后，其自带的位置传感器模块5输出位置信号θp到相电流算法重构模块23和位置切换开关模块25；CLARK变换模块21接收到电流信号ia和电流信号ib，经运算将电流信号iα和电流信号iβ输出到PARK变换模块22；PARK变换模块22输出直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1到电流切换开关模块26；相电流算法重构模块23接收到直轴电压信号Ud、交轴电压信号Uq和位置信息θp后经运算输出直轴电流信号id2和交轴电流信号iq2到电流切换开关模块26；电流切换开关模块26经运算分别将直轴电流信号id和交轴电流信号iq输出到第三减法器15和第二减法器9；基于滑模观测器的转子位置估算模块24接收到电流信号ia和电流信号ib，并将位置信号θe输出到位置切换开关模块25；位置切换开关模块25接收到位置信号θe和θp，经运算输出位置信号到PARK变换模块22、IPARK变换模块12、速度计算模块14，速度计算模块14经过计算后输出实际速度信号ωr到第一减法器7。
本发明的传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统的控制方法的实现步骤如下：
电压矢量切换模块19、位置切换开关模块25、电流切换开关模块26包括四种工作状态的切换：
当电流传感器4与位置传感器5都正常运作时，采用基于传感器矢量控制子模块进行控制，电压矢量切换模块19的输出切换到PI调节器输出的交轴电压信号和直轴电压信号位置切换开关模块25的输出切换到位置传感器模块5的输出位置信号θp，电流切换开关模块26的输出切换到经PARK变换模块22运算后输出的直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1。
当电流传感器4发生故障而位置传感器5正常运作时，采用基于相电流重构控制子模块进行控制，电压矢量切换模块19的输出切换到PI调节器输出的交轴电压信号和直轴电压信号位置切换开关模块25的输出切换到位置传感器模块5的输出位置信号θp，电流切换开关模块26的输出切换到经相电流算法重构模块23运算后输出的直轴电流信号id2和交轴电流信号iq2。
当电流传感器4正常工作而位置传感器5发生故障时，采用基于无位置传感器矢量控制子模块进行控制，电压矢量切换模块19的输出切换到PI调节器输出的交轴电压信号和直轴电压信号位置切换开关模块25的输出切换到基于滑模观测器的转子位置估算模块24输出的位置信号θe，电流切换开关模块26的输出切换到经PARK变换模块22运算后输出的直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1。
当电流传感器4与位置传感器5都发生故障时，采用基于恒压频比V/F控制子模块进行控制，电压矢量切换模块19的输出切换到交轴电压开环给定模块18输出的电压信号直轴电压开环给定模块20输出的电压信号位置切换开关模块25和电流切换开关模块26此时不输出信号。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.传感器故障下车用永磁同步电机的容错驱动系统，包括控制算法集成模块(1)、容错控制模块(2)、逆变器模块(3)、电流传感器模块(4)、位置传感器模块(5)和永磁同步电机(6)；其特征是：所述永磁同步电机(6)上设置位置传感器模块(5)；所述逆变器模块(3)输出三相电流信号到永磁同步电机(6)，同时将三相电流信号中的两相电流信号输出到电流传感器模块(4)；
所述控制算法集成模块(1)包括第一减法器(7)、第二减法器(9)、第三减法器(15)、第一PI调节器(8)、第二PI调节器(10)、开环/闭环电压矢量切换模块(11)、IPARK变换模块(12)、空间矢量调制模块(13)和速度计算模块(14)；
所述开环/闭环电压矢量切换模块(11)包括直轴电压开环给定模块(20)、交轴电压开环给定模块(18)和电压矢量切换模块(19)；
所述的容错控制模块(2)包括有/无电流传感器模块(16)与有/无位置传感器模块(17)；
所述的有/无电流传感器模块(16)包括CLARK变换模块(21)、PARK变换模块(22)、相电流算法重构模块(23)和电流切换开关模块(26)；
所述有/无位置传感器模块(17)包括基于滑模观测器的转子位置估算模块(24)和位置切换开关模块(25)；
所述电流传感器模块(4)将电流信号ia和电流信号ib输出到CLARK变换模块(21)和基于滑模观测器的转子位置估算模块(24)；
所述CLARK变换模块(21)接收到电流信号ia和电流信号ib，经运算将电流信号iα和电流信号iβ输出到PARK变换模块(22)；
所述PARK变换模块(22)输出直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1到电流切换开关模块(26)；
所述的相电流算法重构模块(23)接收到直轴电压实际给定信号Ud、交轴电压实际给定信号Uq和位置信息θp后经运算输出直轴电流信号id2和交轴电流信号iq2到电流切换开关模块(26)；
所述基于滑模观测器的转子位置估算模块(24)接收到电流信号ia和电流信号ib，并将位置信号θe输出到位置切换开关模块(25)；
所述位置传感器模块(5)将位置信号θp输出到相电流算法重构模块(23)和位置切换开关模块(25)；
当位置传感器模块(5)正常运作时，位置切换开关模块(25)根据位置信号θp经运算得到位置信号当位置传感器模块(5)发生故障时，位置切换开关模块(25)根据位置信号θe经运算得到位置信号
所述位置切换开关模块(25)分别输出位置信号到IPARK变换模块(12)、速度计算模块(14)和PARK变换模块(22)；
所述第一减法器(7)接收给定速度信号ωref和实际速度信号ωr，经运算输出电信号到第一PI调节器(8)；
第一PI调节器(8)经运算输出给定交轴电流信号到第二减法器(9)；
所述第二减法器(9)接收给定交轴电流信号和实际交轴电流信号iq，经运算输出电信号到第二PI调节器(10)；
所述第三减法器(15)接收给定直轴电流信号和实际直轴电流信号id，经运算输出电信号到第二PI调节器(10)；
所述第二PI调节器(10)经运算分别输出交轴电压闭环给定信号和直轴电压闭环给定信号到电压矢量切换模块(19)；
当电流传感器(4)与位置传感器(5)都正常运作时，采用基于传感器矢量控制子模块进行控制，电压矢量切换模块(19)的输出切换到PI调节器输出的交轴电压闭环给定信号和直轴电压闭环给定信号位置切换开关模块(25)的输出切换到位置传感器模块(5)的输出位置信号θp，电流切换开关模块(26)的输出切换到经PARK变换模块(22)运算后输出的直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1；
当电流传感器(4)发生故障而位置传感器(5)正常运作时，采用基于相电流重构控制子模块进行控制，电压矢量切换模块(19)的输出切换到PI调节器输出的交轴电压闭环给定信号和直轴电压闭环给定信号位置切换开关模块(25)的输出切换到位置传感器模块(5)的输出位置信号θp，电流切换开关模块(26)的输出切换到经相电流算法重构模块(23)运算后输出的直轴电流信号id2和交轴电流信号iq2；
当电流传感器(4)正常工作而位置传感器(5)发生故障时，采用基于无位置传感器矢量控制子模块进行控制，电压矢量切换模块(19)的输出切换到PI调节器输出的交轴电压闭环给定信号和直轴电压闭环给定信号位置切换开关模块(25)的输出切换到基于滑模观测器的转子位置估算模块(24)输出的位置信号θe，电流切换开关模块(26)的输出切换到经PARK变换模块(22)运算后输出的直轴电流信号id1和交轴电流信号iq1；
当电流传感器(4)与位置传感器(5)都发生故障时，采用基于恒压频比V/F控制子模块进行控制，电压矢量切换模块(19)的输出切换到交轴电压开环给定模块(18)输出的电压信号直轴电压开环给定模块(20)输出的电压信号位置切换开关模块(25)和电流切换开关模块(26)此时不输出信号；
所述电压矢量切换模块(19)经运算分别输出直轴电压实际给定信号Ud和交轴电压实际给定信号Uq到IPARK变换模块(12)和相电流算法重构模块(23)；
所述IPARK变换模块(12)接收到直轴电压实际给定信号Ud和交轴电压实际给定信号Uq后经运算分别输出电压信号Uα和电压信号Uβ到空间矢量调制模块(13)；
所述空间矢量调制模块(13)输出6路PWM信号到逆变器模块(3)；
速度计算模块(14)输出电机的实际速度信号ωr到第一减法器(7)。
2.利用如权利要求1所述传感器故障下车用永磁同步电机的容错驱动系统的传感器故障下车用永磁同步电机容错驱动系统的控制方法，其特征是：
通过电压矢量切换模块(19)、位置切换开关模块(25)、电流切换开关模块(26)一起可以实现四种工作状态的切换。
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永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统;鲁文其;《中国电机工程学报》;20101125;第30卷(第33期);第78-83页 *

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