CN106549618A - 基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统及其控制方法，电动汽车安全系统在电机运转过程中，采用了冗余检测系统，即采用了旋转变压器和电流传感器同时检测电机转子的运行状态，其控制方法是通过不断将由电流传感器检测数据推算出的估算角度、估算速度与旋转变压器检测到的测量角度、测量速度对比，对估算角度、估算速度进行补偿修正，比单纯的无速度传感技术估算的角度和速度要精确，当旋转变压器或编码器发生故障时，自动切换至估算值输出，保证了电机控制不失控，增加了电动汽车的可靠性和安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制方法领域，特别是涉及一种基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统及其控制方法。
背景技术
2014年，随着国务院及有关部门先后发布多项新能源汽车发展促进政策，推动新能源汽车市场快速发展，中国的新能源汽车开始进入产业化阶段。2015年实现新能源汽车销售超越美国，成为全球第一大新能源汽车市场。电动汽车的迅速发展引起了人们对电动汽车的安全性能的关注，现在市场上电动汽车电机的控制方式基本依赖于旋转变压器或编码器测得的转子角度和速度完成闭环控制，一旦旋转变压器发生故障将导致电机失控，造成安全隐患。然而针对这一问题市场上的电动汽车并没有提出一个很好的解决方案。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以在旋转变压器故障情况下继续保持电机稳定运行、保证安全形势的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统及其控制方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统包括电机、电源、IGBT逆变电路、控制电路以及门极驱动电路；所述电源、IGBT逆变电路、电机三者依次串联，电机上设置有用于测量电机转子角度位置以及旋转速度的旋转变压器，所述旋转变压器通过解码电路连接所述控制电路；所述控制电路通过门极驱动电路连接IGBT逆变电路；所述IGBT逆变电路与电机的连接线路上设置有电流传感器，所述电流传感器连接控制电路；所述控制电路包括冗余判断单元。
进一步地，所述控制电路为基于DSP的DSP主控电路。
进一步地，所述电源与IGBT逆变电路之间设置有吸收电容。
进一步地，所述吸收电容与IGBT逆变电路之间的线路上设置有电压传感器，所述电压传感器连接所述控制电路。
进一步地，所述IGBT逆变电路上设有用于检测其温度的温度传感器，所述温度传感器连接所述控制电路。
基于上述电动汽车安全系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：利用高频注入法估算电机转子的角度位置和旋转速度，得到所述电机的转子的估算角度θ1和估算速度n1；
步骤2：利用所述旋转变压器测量得到所述电机的转子的测量角度θ2和测量速度n2；
步骤3：将估算角度θ1、估算速度n1、测量角度θ2以及测量速度n2送入所述冗余判断单元，比较估算值和测量值，根据两者的差值进行相互监督，在所述旋转变压器无故障时根据测量值对估算值进行补偿、修正；
步骤4：当所述旋转变压器无故障报错时，冗余判断单元输出电机转子的角度θ＝θ2以及速度n＝n2用于整个闭环控制；当旋转变压器发生故障时，冗余判断单元输出转子角度θ由测量角度θ2切换至估算角度θ1，速度n由测量速度n2切换至估算速度n1用于整个闭环控制。
进一步地，利用高频注入法估算电机转子的估算角度θ1和估算速度n1的方法为：
步骤1：向所述电机的转子的绕组注入高频电压信号，通过带通滤波器将高频响应电流信号从所述电流传感器检测到的电枢电流中分离出来，得到高频响应电流Ih(t)；
步骤2：计算对进行最大值、最小值以及极值的计算处理，并计算出每一个极值对应的角度位置θh；
步骤3：根据(k＝0,1,2....，θ0为转子的初始位置)得到转子的估算角度θ1，并由转子的估算角度θ1得到估算速度n1。
进一步地，当所述旋转变压器发生故障时，所述冗余判断单元输出转子角度θ由测量角度θ2逐渐切换至估算角度θ1，速度n由测量速度n2逐渐切换至估算速度n1。
有益效果：本发明的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统在电机运转过程中，采用了冗余检测系统，即采用了旋转变压器和电流传感器同时检测电机转子的运行状态，其控制方法是通过不断将估算角度、估算速度与测量角度、测量速度对比，对估算角度、估算速度进行补偿修正，比单纯的无速度传感技术估算的角度和速度要精确，当旋转变压器或编码器发生故障时，自动切换至估算值输出，保证了电机控制不失控，增加了电动汽车的可靠性和安全性能。
附图说明
附图1为电动汽车安全系统的结构原理图；
附图2为本发明控制方法的原理框图；
附图3为本发明利用高频注入法得到估算角度和估算速度的原理框图；
附图4为可变磁阻旋转变压器原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
附图1为基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统包括电机、电源、IGBT逆变电路、控制电路以及门极驱动电路；所述电源、IGBT逆变电路、电机三者依次串联，电机上设置有用于测量电机转子角度位置以及旋转速度的旋转变压器，所述旋转变压器通过解码电路连接所述控制电路；所述控制电路通过门极驱动电路连接IGBT逆变电路；所述IGBT逆变电路与电机的连接线路上设置有电流传感器，所述电流传感器连接控制电路；所述控制电路包括冗余判断单元。
作为优选，所述控制电路为基于DSP的DSP主控电路。
为了防止IGBT逆变电路被损坏，延长IGBT逆变电路的使用寿命，所述电源与IGBT逆变电路之间设置有吸收电容，吸收电容可吸收掉电源所提供电压中的尖峰电压。
为了进一步保证安全，所述吸收电容与IGBT逆变电路之间的线路上设置有电压传感器用于实时检测输入IGBT逆变电路中的电压，所述电压传感器连接所述控制电路。
此外，所述IGBT逆变电路上设有用于检测其温度的温度传感器，所述温度传感器连接所述控制电路，使得控制电路可实时监控IGBT逆变电路的温度。
附图2为本发明控制方法的原理框图，其中PI代表电流，MTPA代表最优转矩控制方法；SVPWM代表空间矢量脉宽调制；PMSM代表永磁同步电机；ia、ib、ic代表三相电流。整个系统是根据永磁同步电机转子的转速进行闭环控制的闭环系统，冗余判断单元输出电机转子的角度位置以及转速信息用于对电机转子进行闭环控制。
本发明的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统的控制方法包括如下步骤：
步骤1：利用高频注入法估算电机转子的角度位置和旋转速度，得到电机转子的估算角度θ1和估算速度n1；如附图3所示，具体估算方法为：向电机转子的绕组注入高频电压信号，通过带通滤波器将高频响应电流信号从检测到的电枢电流中分离出来，得到高频响应电流Ih(t)，并计算出对进行求导求出其最大值最小值以及极值点，并计算出每一个极值点对应的角度位置θh；根据(k＝0,1,2....，θ0为电机转子的初始位置)得到电机转子的估算角度θ1，并由转子的估算角度θ1得到估算速度n1。
步骤2：利用旋转变压器测量得到电机转子的测量角度θ2和测量速度n2；
如附图4所示为可变磁阻旋转变压器原理图，可变磁阻旋转变压器的初级绕组(R1-R2)、次级绕组(S1-S3、S2-S4)都分布在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的磁阻转子。其次级输出信号关系式如下：
式中，Vp-p为励磁信号的峰值电压，ω为励磁信号频率，E0为次级输出峰值电压，θ为转子位置角。Vp-p与E0存在关系：E0＝K×Vp-p(K为旋转变压器的变压比)，根据以上公式，在旋转变压器的转子与电机转子同步旋转时，分离出旋变信号中的θ就能获取电机的角度位置信息。继而得到电机的速度信息。
步骤3：将估算角度θ1、估算速度n1、测量角度θ2以及测量速度n2送入冗余判断单元，比较估算值和测量值，根据两者的差值进行相互监督，在旋转变压器无故障时根据测量值对估算值进行补偿、修正；
步骤4：当旋转变压器无故障报错时，冗余判断单元输出电机转子的角度θ＝θ2以及速度n＝n2用于整个闭环控制；当旋转变压器发生故障时，冗余判断单元输出转子角度θ由测量角度θ2逐渐缓慢切换至估算角度θ1，速度n由测量速度n2逐渐缓慢切换至估算速度n1用于整个闭环控制，保证电机的平稳运行，保证电动汽车的安全行驶。
本发明的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统的控制方法在电机运转过程中，不断将估算角度、估算速度与测量角度、测量速度对比，对估算角度、估算速度进行补偿修正，比单纯的无速度传感技术估算的角度和速度要精确，当旋转变压器或编码器发生故障时，自动切换至估算值输出，保证了电机控制不失控，增加了电动汽车的可靠性和安全性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统，其特征在于：包括电机、电源、IGBT逆变电路、控制电路以及门极驱动电路；所述电源、IGBT逆变电路、电机三者依次串联，电机上设置有用于测量电机转子角度位置以及旋转速度的旋转变压器，所述旋转变压器通过解码电路连接所述控制电路；所述控制电路通过门极驱动电路连接IGBT逆变电路；所述IGBT逆变电路与电机的连接线路上设置有电流传感器，所述电流传感器连接控制电路；所述控制电路包括冗余判断单元。
2.根据权利要求1所述的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统，其特征在于：所述控制电路为基于DSP的DSP主控电路。
3.根据权利要求1所述的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统，其特征在于：所述电源与IGBT逆变电路之间设置有吸收电容。
4.根据权利要求3所述的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统，其特征在于：所述吸收电容与IGBT逆变电路之间的线路上设置有电压传感器，所述电压传感器连接所述控制电路。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统，其特征在于：所述IGBT逆变电路上设有用于检测其温度的温度传感器，所述温度传感器连接所述控制电路。
6.基于权利要求1所述的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：利用高频注入法估算电机转子的角度位置和旋转速度，得到所述电机的转子的估算角度θ1和估算速度n1；
步骤2：利用所述旋转变压器测量得到所述电机的转子的测量角度θ2和测量速度n2；
步骤3：将估算角度θ1、估算速度n1、测量角度θ2以及测量速度n2送入所述冗余判断单元，比较估算值和测量值，根据两者的差值进行相互监督，在所述旋转变压器无故障时根据测量值对估算值进行补偿、修正；
步骤4：当所述旋转变压器无故障报错时，冗余判断单元输出电机转子的角度θ＝θ2以及速度n＝n2用于整个闭环控制；当旋转变压器发生故障时，冗余判断单元输出转子角度θ由测量角度θ2切换至估算角度θ1，速度n由测量速度n2切换至估算速度n1用于整个闭环控制。
7.根据权利要求6所述的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统的控制方法，其特征在于：利用高频注入法估算电机转子的估算角度θ1和估算速度n1的方法为：
步骤1：向所述电机的转子的绕组注入高频电压信号，通过带通滤波器将高频响应电流信号从所述电流传感器检测到的电枢电流中分离出来，得到高频响应电流Ih(t)；
步骤2：计算对进行最大值、最小值以及极值的计算处理，并计算出每一个极值对应的角度位置θh；
步骤3：根据(k＝0,1,2....，θ0为转子的初始位置)得到转子的估算角度θ1，并由转子的估算角度θ1得到估算速度n1。
8.根据权利要求6所述的基于磁场角度冗余算法的电动汽车安全系统的控制方法，其特征在于：当所述旋转变压器发生故障时，所述冗余判断单元输出转子角度θ由测量角度θ2逐渐切换至估算角度θ1，速度n由测量速度n2逐渐切换至估算速度n1。
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