CN107112943B - 用于在用于控制机动车辆的同步旋转电机的系统中诊断相电流传感器缺陷的方法和装置 - Google Patents

用于在用于控制机动车辆的同步旋转电机的系统中诊断相电流传感器缺陷的方法和装置 Download PDF

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Abstract

根据本发明的方法能够诊断(15、16)用于控制机动车辆的同步旋转电机的系统中的相电流传感器缺陷。根据本发明，该方法考虑了由传感器提供(14)的测量值和相电流(i，i，i)的标称值之间的差(Id，Iq)，以诊断缺陷。所述差在旋转Park参考系(17)中计算(18)，并且与电机的机电模型分离。如果差基本上不为零(19)，则该方法检测传感器缺陷，并且如果差的残余脉动(ωres)基本上等于所述控制系统的测量速度(ω)，则检测偏移传感器缺陷。

Description

用于在用于控制机动车辆的同步旋转电机的系统中诊断相电 流传感器缺陷的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于在用于控制机动车辆的同步旋转电机的系统中诊断相电流传感器缺陷的方法和装置。
本发明还涉及包括这种装置的同步旋转电机，特别是诸如用于电气和混合机动车辆、电动助力转向系统、空调压缩机和风扇的应用中的永磁同步电机的机器。
背景技术
在安装在车辆中的系统中的电子装置和电气功能的数量不断增加。这是由于它们使用的大的灵活性，它们的紧凑性和它们的低维护要求。
然而，它们的可用性和它们的可靠性表现出挑战，因为它们可能容易失灵。
由于从它们的设计阶段非常早期地设想该机制，使得有助于缺陷的检测、控制的诊断和适当的重新配置。
在电气控制系统故障检测及它们的表征(characterization)方面进行了大量工作。
永磁同步电动机的控制单元的电流传感器、角度位置传感器和DC传感器的情况是现有技术中已知的，并且获得了好的实验结果，但是在电流传感器的情况下隔离故障的问题上，很少的细节是可用的。
对于本领域技术人员来说，最常用于故障检测和表征的方法(FDI：“故障检测与隔离”的英文缩写)是基于观察与理想模型相比的实际系统的行为。
出现的差使得其能够决定系统是否引起故障或其他。
然而，这种方法存在许多缺点。
特别地，必须建立考虑到系统的所有可变状态的模型，并且例如由于不是故障的电阻转矩或速度变化而难以复制缺陷。
为了克服这些缺点，基于源于关于有关测量的相电流和标称(nominal)相电流之间的差的原理的微分方程系统的估计值的替代方案在文献“Current Sensor FaultDiagnosis in Stationary Frame for PMSM Drive in Automotive Systems”，S.Diao etal.,2014Ninth International Conference on Ecological Vehicles and RenewableEnergies,(EVER)IEEE中提出。
然而，所涉及的评估者利用不与机器分离的电参数，并且在不允许所有可能的方式以简化要使用的控制系统的静止参考系中计算。
发明内容
因此，本发明的目的是考虑控制系统的特性，以便简化这些差的计算。
根据第一方面，本发明涉及用于在用于控制机动车辆的同步旋转电机的系统中诊断相电流传感器缺陷的方法。
根据本发明，如果差基本上不为零，则该方法考虑由传感器提供的测量值与相电流的标称值之间差Id，Iq以诊断缺陷，这些差在旋转的Park参考系中被计算并与机器的机电模型分离，通过控制系统的测量电气角度θ与由公式
定义的残余电气角度θres进行比较来识别传感器之中的故障传感器，
其中Id和Iq是所述差。
根据创造性的方法的特定特征，如果差的残余波动基本上等于控制系统的测量速度，则检测传感器中的至少一个传感器的偏移误差。
根据另一特定特征，如果差的残余波动基本上等于控制系统的测量速度的两倍，则检测传感器中的至少一个传感器的增益误差。
根据本发明的另一方面，本发明还涉及能够实现上述简要描述的方法的、用于在用于控制机动车辆的同步旋转电机的系统中诊断相电流传感器缺陷的装置，包括：
-获取由传感器提供的测量值和控制系统的电气角度的器件；
-数字地处理测量值的器件；以及
-生成指示传感器缺陷的标志的器件。
根据本发明，处理的器件执行Park变换，并且包括分析在Park参考系中的相电流的波形的器件，该分析波形的器件包括用于计算时间加权移动平均的器件。
根据创造性的诊断装置的特定特征，获取的器件还获取控制系统的速度，并且处理的器件还包括根据所述速度检测传感器中的至少一个传感器的偏移误差和/或增益误差的器件。
根据另一特定特征，处理的器件还包括根据电气角度识别的传感器中的故障传感器的器件。
根据其他方面，本发明还涉及包括如上简要描述的诊断装置的同步旋转电机，以及设计成集成在诊断装置中并包含代表本发明方法的计算机代码的半导体存储器。
对于本领域技术人员显而易见的是，与现有技术相比，这些基本说明呈现了由用于在用于控制机动车辆的同步旋转电机的系统中诊断相电流传感器缺陷的方法和装置以及同步旋转电机和相关联的计算机存储器提供的优点。
在以下结合附图的描述中给出了本发明的详细说明。应当注意，这些附图仅为了说明说明书的文本，没有其他目的，并不以任何方式构成对本发明范围的限制。
附图说明
图1是用于控制同步旋转电机的系统的一般示意图。
图2是结合用于诊断相电流传感器缺陷的创造性的装置的用于图1所示的同步旋转电机的控制系统的控制单元的示意图。
图3是示出用于在用于控制同步旋转电机的系统中诊断相电流传感器缺陷的创造性的方法的流程图。
具体实施方式
诸如图1所示的同步旋转电机的同步旋转电机2的控制系统1通常包括控制逆变器4的控制单元3，所述逆变器4基于DC源5运行来供应同步电机2。
来自DC源5的直流电压Vbat、对应于电气角度θ的三个相A，B，C的相电流Ia，Ib，Ic以及与转矩Iref和速度ωref设定点相关联的速度ω的测量值是控制单元3的常规输入。
该控制单元3生产逆变器4的控制信号U，V，W，使得同步电机2以特定的速度ωref提供必要的转矩Iref，其为通常经由总线6传送的参数。
图2示出了控制单元3的主要部件。
控制系统1的电气角度θ由旋转同步电机2的转子8的位置传感器7提供给控制单元3。速度ω由速度传感器9或通过基于电气角度θ的计算来提供。
相电流Ia，Ib，Ic的测量值由相电流传感器10提供。
其正是那些相可能呈现缺陷(偏移误差或者增益误差)的电流传感器10。
这些缺陷明显地不利于同步旋转电机2的控制系统1的良好性能，并且检测它们并识别故障传感器是可取的。
控制单元3的目的是允许在转矩和速度的大范围内控制系统1的有效运行。
为了该目的，需要闭环控制回路11。闭环控制回路11是确保基于参考电流Iref测量的相电流的良好控制的校正模块。
参考电流计算模块12基于转矩Iref或速度ωref参考和旋转电机2的电气参数来提供该参考电流Iref。
该参考电流计算模块12将机械参考转换为电气参考。
在由闭环控制回路11已经计算出参考电压Vref之后，脉宽调制控制单元13生成逆变器4的脉宽调制控制信号U，V，W(或PWM：“脉宽调制”的英文缩写)。
关于闭环控制回路11，由于其涉及控制系统1，所以能够在各种参考系中实现控制。
众所周知的Clarke变换是在两个固定轴线(α，β)上的相位变量的投影。
然后，接着Clarke变换的可以是旋转，所述旋转将参考系(α，β)的替代分量转换为直轴和交轴(参考系(d，q))上的连续分量。
Clarke变换以及参考系(α，β)与参考系(d，q)的旋转的组合通常被称为Park变换。
这些变换的主要优点是减少系统的阶数(从3到2)和控制变量的去耦合。
电气控制系统1的有效控制要求瞬时电流Ia，Ib，Ic是已知的。为了电气控制系统1的可靠运行，控制策略必须容忍传感器10的缺陷。然后确保运行的连续性并满足安全要求。
目前，在最苛刻的应用中，硬件的冗余被用于克服传感器10的失灵。该解决方案使得电气控制系统1的设计更加复杂并且增加其成本。
另一方面，软件的冗余更令人关注，除了其低成本之外，还由于其发展潜力。为了该目的，阐述了基于分析旋转参考系(参考系(d，q))中的电流的波形的诊断的方法。
如图3所示的这种方法只需要供给14相电流Ia，Ib，Ic、电气角度θ和速度ω以检测15并识别16所有相电流传感器10中的故障传感器。
假设只有一个传感器10的失灵，但是这个假设是现实的，因为两个传感器的同时失灵的概率非常低。
如下详述旋转参考系中电流的波形的分析。
在没有传感器10的缺陷的情况下，在正常或标称操作模式下，自然参考系(a，b，c)和Park参考系(d，q)中首先给出电流的方程(这种模式中h表示变量)。
在自然参考系(a，b，c)中，标称值写成如下：
ia，h＝Icos(θ)
Figure BDA0001290560150000051
Figure BDA0001290560150000052
下面在Park参考系(d，q)17中计算：
Figure BDA0001290560150000053
然后，在偏移误差的第一种情况下和在增益误差的第二种情况下对故障传感器的结果建模。
在第一种情况下，由相位电流传感器10提供的测量值14对于三个相A，B，C中的每一个相写为如下：
iam＝ia，h+Δia
ibm＝ib，h+Δib
icm＝ic，h+Δic
其中：
Δia，Δib和Δic分别为相A，B，C上的偏移。
iam，ibm和icm分别为A，B，C相电流传感器10提供的测量值。
通过公式在Park参考系中得到18测量值和标称值之间的差Id，Iq：
Figure BDA0001290560150000061
如果不知道标称值Id,h和Iq,h，则可以通过对当前值应用时间加权移动平均来近似。
对于每个相A，B和C有：
Figure BDA0001290560150000062
在旋转参考系中，电流Id,h和Iq,h是标称模式下的直流电流。如果在三个相电流传感器10中的一个上出现偏移误差，则以电气频率将正弦分量Id,q加到直流电流Id,h和Iq,h上。
如果差Id1，Iq基本上为零19(具有噪声)，则在创造性的方法中，生成代表传感器10的缺陷不存在的标志Flag_A，B，C 20(Fla_A，B，C＝0)。
另一方面，如果差Id，Iq基本上非零19，则在创造性的方法中，通过用公式
Figure BDA0001290560150000063
定义残余电气角度θres和通过用表达式ωres＝dθres/dt.计算残余波动ωres在Park参考系中分析相电流的波形21。
在偏移误差的第一种情况下，该残余波动ωres与速度ω相等(具有测量和计算误差)，并且，在增益误差的第二种情况下，该残余波动ωres等于速度ω的两倍，如下所示。
利用创造性的方法对Park参考系中的相电流的波形21的这种分析使得如果没有检测到对频率ω/2π或ω/π的替代分量，则能够确定22不存在传感器缺陷(Flag_A，B，C＝0)23。
如果检测到替代分量，则在创造性的方法中，确认22缺陷，并且残余电气角度θres与电气角度θ的比较16使得能够确定对应于在三个相电流传感器10中的故障传感器的相A，B，C如下：
Figure BDA0001290560150000071
根据本发明的方法，生成24标志FLAG_A，B，C，代表相电流传感器10中的一个上存在故障(FLAG_A，B，C＝1)。
在传感器缺陷(增益误差)的第二种情况下，由相电流传感器10提供14的三个相A，B，C的每一个的测量值Iam，Ibm，Icm写为如下：
iam＝GaIcosθ
其中Ga，Gb，Gc分别是用于相A，B，C的相电流传感器10的增益(在标称模式中，Ga＝Gb＝Gc＝1)，并且I是同步旋转电机2的定子绕组中循环的电流。
通过公式在Park参考系中得到18测量值和标称值之间的差Id，Iq：
Figure BDA0001290560150000073
Figure BDA0001290560150000074
如果不知道标称值Id,h和Iq,h，则可以通过对当前值应用时间加权移动平均来近似。
对于每个相A，B和C：
相A
相B
Figure BDA0001290560150000076
相C
Figure BDA0001290560150000081
这些公式表明，如果增益误差出现在三个相电流传感器10中的一个上，那么以两倍的电气频率将正弦分量Id,q加到直流电流Id,h和Iq,h。
用于在机动车辆的同步旋转电机2的控制系统1中诊断相电流传感器10的缺陷的装置(也是本发明的目的)是实现上述方法并集成在如图2所示的控制单元3中的特定模块25。
根据公知的架构，该特定模块25包括：
-获取由传感器10提供的相电流Ia，Ib，Ic的测量值和控制系统1的电气角度θ的器件；
-数字地处理这些测量值的器件；
-生成指示传感器10中的一个上不存在或存在故障的标志FLAG_A，B，C 20、23、24的器件。
在控制单元3已经包括特别地实现闭合控制回路11的微处理器、微控制器或模拟数字电路的情况下，这些获取器件、这些数字处理器件和这些生成器件是控制单元3的器件。
代表创造性的方法的、储存在存储器26中的计算机代码使得能够使用该共同架构：
-以执行必要的Park变换；
-以在Park参考系中的相电流的波形；
-以检测传感器10的偏移和/或增益误差；
-以识别故障传感器。
由闭环控制回路11考虑标志FLAG_A，B，C 20、23、24以重新配置处理算法，从而确保控制系统1的连续运行，即使在相电流传感器10中的一个失灵的情况下。
凭借使用与机器2的机电模型分离的非参数方法，创造性的方法和装置是鲁棒的。
不言而喻，本发明不限于上述单个优选实施例。其他实施例只要由权利要求书得出，则将不会偏离本发明的框架。

Claims (8)

1.一种用于在机动车辆的同步旋转电机(2)的控制系统(1)中诊断相电流传感器(10)的缺陷的方法(15、16)，其特征在于，所述方法考虑了由所述相电流传感器(10)提供(14)的测量值和所述相电流(Ia，Ib，Ic)的标称值之间的差
Figure FDA0002308724590000011
以诊断缺陷，如果所述差
Figure FDA0002308724590000012
基本上非零(19)，则所述差
Figure FDA0002308724590000013
在旋转Park参考系(17)中计算(18)并且与所述同步旋转电机(2)的机电模型分离，所述相电流传感器(10)中的故障传感器通过比较所述控制系统(1)的测量的电气角度θ与由公式：
Figure FDA0002308724590000014
定义的残余电气角度θres来识别，
其中
Figure FDA0002308724590000015
为所述差。
2.根据权利要求1所述的用于在机动车辆的同步旋转电机(2)的控制系统(1)中诊断相电流传感器(10)的缺陷的方法(15、16)，其特征在于，如果所述差
Figure FDA0002308724590000016
的残余波动(ωres)基本上等于所述控制系统(1)的测量速度(ω)，则检测(21、22)所述相电流传感器(10)中的至少一个的偏移误差。
3.根据权利要求1所述的用于在机动车辆的同步旋转电机(2)的控制系统(1)中诊断相电流传感器(10)的缺陷的方法(15、16)，其特征在于，如果所述差
Figure FDA0002308724590000017
的残余波动(ωres)基本上等于所述控制系统(1)的测量速度(ω)的两倍，则检测(21、22)所述相电流传感器(10)中的至少一个的增益误差。
4.一种用于在机动车辆的同步旋转电机(2)的控制系统(1)中诊断相电流传感器(10)的缺陷的装置(25)，能够实现根据以上权利要求1-3中任一项所述的方法，包括：
-获取由所述相电流传感器(10)提供的测量值(Ia，Ib，Ic)和所述控制系统(1)的测量的电气角度θ的器件；
-数字地处理所述测量值(Ia，Ib，Ic)的器件；
-生成指示相电流传感器(10)的所述缺陷的标志的器件；
其特征在于，所述处理的器件执行Park变换，并且包括分析所述Park参考系(17)中的所述相电流(Ia，Ib，Ic)的波形的器件，所述分析波形的器件包括计算时间加权移动平均的器件。
5.根据权利要求4所述的用于在机动车辆的同步旋转电机(2)的控制系统(1)中诊断相电流传感器(10)的缺陷的装置(25)，其特征在于，所述获取的器件还获取所述控制系统(1)的测量速度(ω)，并且在于，所述处理的器件还包括根据所述控制系统(1)的测量速度(ω)来检测所述相电流传感器(10)中的至少一个的偏移误差和/或增益误差的器件。
6.根据权利要求5所述的用于在机动车辆的同步旋转电机(2)的控制系统(1)中诊断相电流传感器(10)的缺陷的装置(25)，其特征在于，所述处理的器件还包括根据所述测量的电气角度θ来识别所述相电流传感器(10)中的故障传感器的器件。
7.一种同步旋转电机(2)，包括至少一个集成的控制系统(1)，其特征在于，其包括根据以上权利要求4至6中任一项所述的用于诊断所述控制系统(1)的相电流传感器缺陷的装置(25)。
8.一种半导体存储器(26)，设计为集成在根据以上权利要求4至6中任一项的用于在机动车辆的同步旋转电机(2)的控制系统(1)中诊断相电流传感器(10)的缺陷的装置(25)中，其特征在于，其包含代表根据以上权利要求1至3中任一项所述的方法的计算机代码。
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