CN108063572B - 一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法 - Google Patents

一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法，解决现有技术中电机转子位置信息抖动大的问题。控制方法包括以根据旋变和解码芯片失效模式下位置和速度信息判断电机运行状态；在电机运行失效状况下，电机切换到无感模式下运行，并根据电机转子磁链信号计算电机转子位置信号；根据计算的电机转子位置信号恢复电机正常工作。本发明的优点是从电机转子的磁链信号中提取电机位置信号，相比传统反电动势法等，解决了提取位置信号抖动太大，无法作为闭环控制反馈信号的问题。避免了高频信号的引入以及周期性转矩脉冲的产生。电机在切换到无感模式后，能对电机速度和扭矩进行一定限制，保证了驾驶人的安全。

Description

一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法
技术领域
本发明涉及一种电机控制技术领域，尤其是涉及一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法。
背景技术
随着经济和科技的快速发展，我国的人均汽车保有量逐年上升，电动汽车用永磁同步电机在工业生产中占据着越来越重要的位置。对于永磁同步电机来说，矢量控制是一种常见的控制策略，矢量控制需要知道电机转子的速度和位置。传统的方法是使用机械传感器来检测电机的转子速度和位置，但是这种方法不仅造价昂贵而且不可靠。无传感器控制方法有许多优点，例如成本低，硬件结构简单，以及更高的可靠性等等。无传感器控制的关键是状态观测器的使用,如果能够合理的选取控制参数，那么无传感器控制方法就可以在线提供准确的速度和位置变量。
到目前为止，已经有很多方法被用来估计永磁同步电机的转子的位置和速度，例如反电动势法，模型参考自适应法，滑模观测器方法等等。在以上提到的方法中，滑模观测器法是一种最常见的基于状态观测器的方法，虽然这种方法设计过程非常简单，但是它会引起严重的抖振问题。尤其是对于车用永磁同步电机来说,非线性因素多,且电机参数在长期的运行之后易发生变化,这样位置观测精度会随时间而逐渐下降。
车用内埋式永磁同步电机控制系统长时间处于动态调节过程中，频繁的在加速、减速、制动、巡航等工况间切换，因此对系统性能要求较高。不仅如此，车用内埋式永磁同步电机控制系统对可靠性和安全性的要求极高，毕竟这直接关系着乘客的生命安全。因此必须充分的考虑控制系统中可能出现的故障及其处理方法。
传统上，FOC控制使用的角度信号纯粹依赖位置传感器反馈途径，包括安装在电机中的RDC IC和旋转变压器。这是一个关键途径。在这个反馈途径中，任何组件故障都会造成严重安全问题，比如输出不必要的转矩。这会导致电动汽车的不可控，进而危及相关人员的生命安全。为了加强系统的可靠性，我们需要设计一个冗余路径。无传感器方案使用相电流和相电压作为输入，至少涵盖两个LEM电流传感器、一个作为滤波器的运放IC和一些无源组件。在微控制器中，模拟电流信号被馈入与RDC IC接口不同的ADC模块。总之，无传感器方案依赖独立于旋转变压器的反馈路径。因此，无传感器方案是理想的安全冗余方案，同时能保持差异化。
根据系统对安全稳定性的要求，电机无感算法控制需要作出相应的调整或者对于电机的速度和扭矩作出一定限制来保证驾驶人的安全。但是传统的无感算法一般仅仅一味追求位置观测精度，忽略了安全功能的开发，导致了这些算法很难在电动汽车上得到应用。
因此，我们迫切需要设计一种方法，既能稳定的估计电机转子的位置信号，也可以随着电机参数的改变实时的调整算法，对偏移量进行补偿，确保长时间运行下，观测精度不会发生降低。同时考虑汽车行驶的安全性能要求，在电机旋变发生故障时，能够以一种尽可能可靠的方式切换到无感控制，实现汽车蠕行至安全区域，并进行相应的修理。。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中电机转子位置信息抖动大，不适合用作闭环控制反馈信号的问题，提供了一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法，包括以下步骤：
S1.根据旋变和解码芯片失效模式下位置和速度信息判断电机运行状态；
S2.在电机运行失效状况下，电机切换到无感模式下运行，并根据电机转子磁链信号计算电机转子位置信号；
S3.根据计算的电机转子位置信号恢复电机正常工作。本发明能够从电机转子的磁链信号中提取电机位置信号，相比传统反电动势法，解决了提取位置信号抖动太大，无法作为闭环控制反馈信号的问题。避免了高频信号的引入以及周期性转矩脉冲的产生。
作为一种优选方案，步骤S1中判断电机运行状态的具体过程包括：
S11.根据旋变和解码芯片情况设定电机运行的三种模式，分别为：
模式一，旋变和解码芯片均正常运行，
模式二，旋变正常运行，解码芯片失效，
模式三，旋变失效，解码芯片正常运行；
S12.分别计算三种模式下电机转子位置信号；
S13.将模式一下电机转子位置信息分别与模式二、模式三电机转子位置信息进行比较，判断偏差是否超过设定阈值，若在阈值范围内，电机转子运行正常，若超出阈值范围，电机转子运行失效。
作为一种优选方案，步骤S2中在电机切换到无感模式下运行后，还包括对电机运行状态进行实时检测，若检测到电机电流信号或位置信号发生较大抖动，将电机的速度限定到设定的限定值。本方案确保电机能够稳定切换至无感模式，防止电机在无感模式下电机容易跑飞的问题。
作为一种优选方案，步骤S2中计算电机转子位置信号的过程包括：
S21.设定永磁电机在静止两相坐标系下的电压方程：
Figure BDA0001491857640000041
其中uα、uβ分别为α轴和β轴上的定子电压，iα、iβ分别为α轴、β轴上的定子电流，R为定子的等效电阻，ψsα、ψsβ分别为α轴、β轴转子磁链；
根据公式(1)计算得到转子磁链ψsα、ψsβ，
S22.根据定子磁链为永磁体转子磁链和定子电流产生的磁链合成而得，得到转子磁链公式：
其中ψrα、ψrβ分别为静止两相坐标系下的α轴、β轴转子磁链，L为定子电感；
S23.转子磁链矢量含有转子位置信息，其在静止两相坐标系下表达式为：
根据公式(4)得到：
并且还具有：
Figure BDA0001491857640000053
其中
Figure BDA0001491857640000054
为转子位置θ的估计值；
S24.根据公式(4)、(5)和(6)得到转子信号的正弦值：
其中
Figure BDA0001491857640000056
是估计误差，当
Figure BDA0001491857640000057
变得很小时，得到
Figure BDA0001491857640000058
最终当
Figure BDA0001491857640000059
Figure BDA00014918576400000510
得到电机转子位置θ。
作为一种优选方案，步骤S22中定子电感计算的过程包括：
S221.设定永磁电机在dp坐标系下电压方程：
Figure BDA00014918576400000511
其中ud、uq分别为定子dp轴上的电压，ψd、ψq分别为定子dp轴上的磁链，ω为转子的旋转电角度速度，p为微分算子；
获得定子磁链方程为：
Figure BDA00014918576400000512
S222.将方程(9)代入方程(8)获得：
Figure BDA00014918576400000513
电机在稳定运行状态下，dp轴瞬时电流近似保持稳定，简化方程(10)获得：
Figure BDA0001491857640000061
S223.计算获得dp轴电感：
Figure BDA0001491857640000062
根据(12)计算出定子电感
Figure BDA0001491857640000063
因此，本发明的优点是：从电机转子的磁链信号中提取电机位置信号，相比传统反电动势法等，解决了提取位置信号抖动太大，无法作为闭环控制反馈信号的问题。避免了高频信号的引入以及周期性转矩脉冲的产生。电机在切换到无感模式后，能对电机速度和扭矩进行一定限制，保证了驾驶人的安全。
附图说明
附图1是本发明中主电路的一种流程示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1.根据旋变和解码芯片失效模式下位置和速度信息判断电机运行状态；其中判断电机运行状态的具体过程包括：
S11.根据旋变和解码芯片情况设定电机运行的三种模式，分别为：
模式一，旋变和解码芯片均正常运行，
模式二，旋变正常运行，解码芯片失效，
模式三，旋变失效，解码芯片正常运行；
S12.分别计算三种模式下电机转子位置信号；
S13.将模式一下电机转子位置信息分别与模式二、模式三电机转子位置信息进行比较，判断偏差是否超过设定阈值，若在阈值范围内，电机转子运行正常，若超出阈值范围，电机转子运行失效。
S2.在电机运行失效状况下，电机切换到无感模式下运行，对电机运行状态进行实时检测，若检测到电机电流信号或位置信号发生较大抖动，将电机的速度限定到设定的限定值。并根据电机转子磁链信号计算电机转子位置信号；计算电机转子位置信号的过程包括：
S21.设定永磁电机在静止两相坐标系下的电压方程：
Figure BDA0001491857640000071
其中uα、uβ分别为α轴和β轴上的定子电压，iα、iβ分别为α轴、β轴上的定子电流，R为定子的等效电阻，ψsα、ψsβ分别为α轴、β轴转子磁链；
根据公式(1)计算得到转子磁链ψsα、ψsβ，
Figure BDA0001491857640000072
S22.根据定子磁链为永磁体转子磁链和定子电流产生的磁链合成而得，得到转子磁链公式：
Figure BDA0001491857640000073
其中ψrα、ψrβ分别为静止两相坐标系下的α轴、β轴转子磁链，L为定子电感；
S23.转子磁链矢量含有转子位置信息，其在静止两相坐标系下表达式为：
根据公式(4)得到：
Figure BDA0001491857640000082
并且还具有：
Figure BDA0001491857640000083
其中
Figure BDA0001491857640000084
为转子位置θ的估计值；
S24.根据公式(4)、(5)和(6)得到转子信号的正弦值：
其中
Figure BDA0001491857640000086
是估计误差，当
Figure BDA0001491857640000087
变得很小时，得到最终当
Figure BDA00014918576400000810
得到电机转子位置θ。
步骤S22中定子电感计算的过程包括：
S221.设定永磁电机在dp坐标系下电压方程：
Figure BDA00014918576400000811
其中ud、uq分别为定子dp轴上的电压，ψd、ψq分别为定子dp轴上的磁链，ω为转子的旋转电角度速度，p为微分算子；
获得定子磁链方程为：
Figure BDA00014918576400000812
S222.将方程(9)代入方程(8)获得：
Figure BDA0001491857640000091
电机在稳定运行状态下，dp轴瞬时电流近似保持稳定，简化方程(10)获得：
Figure BDA0001491857640000092
S223.计算获得dp轴电感：
Figure BDA0001491857640000093
根据(12)计算出定子电感
Figure BDA0001491857640000094
S3.根据计算的电机转子位置信号恢复电机正常工作。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.根据旋变和解码芯片失效模式下位置和速度信息判断电机运行状态；
S2.在电机运行失效状况下，电机切换到无感模式下运行，并根据电机转子磁链信号计算电机转子位置信号，过程包括：
S21.设定永磁电机在静止两相坐标系下的电压方程：
Figure FDA0002280642710000011
其中uα、uβ分别为α轴和β轴上的定子电压，iα、iβ分别为α轴、β轴上的定子电流，R为定子的等效电阻，ψsα、ψsβ分别为α轴、β轴转子磁链；
根据公式(1)计算得到转子磁链ψsα、ψsβ，
Figure FDA0002280642710000012
S22.根据定子磁链为永磁体转子磁链和定子电流产生的磁链合成而得，得到转子磁链公式：
其中ψrα、ψrβ分别为静止两相坐标系下的α轴、β轴转子磁链，L为定子电感；
S23.转子磁链矢量含有转子位置信息，其在静止两相坐标系下表达式为：
Figure FDA0002280642710000021
根据公式(4)得到：
Figure FDA0002280642710000022
并且还具有：
Figure FDA0002280642710000023
其中
Figure FDA0002280642710000024
为转子位置θ的估计值；
S24.根据公式(4)、(5)和(6)得到转子信号的正弦值：
Figure FDA0002280642710000025
其中
Figure FDA0002280642710000026
是估计误差，当
Figure FDA0002280642710000027
变得很小时，得到
Figure FDA0002280642710000028
最终当
Figure FDA0002280642710000029
Figure FDA00022806427100000210
得到电机转子位置θ；
S3.根据计算的电机转子位置信号恢复电机正常工作。
2.根据权利要求1所述的一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法，其特征是步骤S1中判断电机运行状态的具体过程包括：
S11.根据旋变和解码芯片情况设定电机运行的三种模式，分别为：
模式一，旋变和解码芯片均正常运行，
模式二，旋变正常运行，解码芯片失效，
模式三，旋变失效，解码芯片正常运行；
S12.分别计算三种模式下电机转子位置信号；
S13.将模式一下电机转子位置信息分别与模式二、模式三电机转子位置信息进行比较，判断偏差是否超过设定阈值，若在阈值范围内，电机转子运行正常，若超出阈值范围，电机转子运行失效。
3.根据权利要求2所述的一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法，其特征是步骤S2中在电机切换到无感模式下运行后，还包括对电机运行状态进行实时检测，若检测到电机电流信号或位置信号发生较大抖动，将电机的速度限定到设定的限定值。
4.根据权利要求1所述的一种车用永磁电机位置传感器失效控制方法，其特征是步骤S22中定子电感计算的过程包括：
S221.设定永磁电机在dq坐标系下电压方程：
其中ud、uq分别为定子dq轴上的电压，ψd、ψq分别为定子dq轴上的磁链，ω为转子的旋转电角度速度，p为微分算子；
获得定子磁链方程为：
Figure FDA0002280642710000032
S222.将方程(9)代入方程(8)获得：
Figure FDA0002280642710000033
电机在稳定运行状态下，dq轴瞬时电流近似保持稳定，简化方程(10)获得：
S223.计算获得dq轴电感：
Figure FDA0002280642710000042
根据(12)计算出定子电感
Figure FDA0002280642710000043
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