CN114123936B - 一种用于eps的电机转子角度信号故障检测的方法 - Google Patents

一种用于eps的电机转子角度信号故障检测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于EPS的电机转子角度信号故障检测的方法，具体涉及电机检测技术领域，包括以下步骤：电机转速计算：通过转子角度变化计算电机理想状态下转速。队列数据采集：每间隔300us采集当前的电机转速和实时角度。数据分组控制：将采集的数据进行分组操作。数据分析和故障处理：每次判定使用四组数据N，并利用组n和组n‑1进行判定。本发明通过利用转速惯性的思想，去判断转子变换的趋势，来决定转子角度的采集是否受到了干扰，相比于传统的双冗余方案，他的成本更低，结构更简单，且在能干扰信号完全识别的状态下，实现了强磁、高压环境下采集数据的稳定性和可靠性，针对于判断转子角度信号干扰有着极大的安全保障。

Description

一种用于EPS的电机转子角度信号故障检测的方法
技术领域
本发明涉及电机检测技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于EPS的电机转子角度信号故障检测的方法。
背景技术
永磁同步电机需要用到角度传感器来实现控制，而将PMSM作为助力输出的EPS其转子角度传感器在条件恶劣汽车环境中是非常容易受到干扰的。如果出现干扰后该如何判定，传统的解决方案有：1、依靠机械安装和屏蔽线缆进行被动防御，这样的效果是非常有限的，如果遭遇到强磁、高压环境并无法保证采集数据是正确的数值。2、利用角度自身的校验位来识别干扰，这些校验位通常是布尔型的。如果出现磁场干扰，并不能完全识别干扰信号。3、使用双路转子角度传感器实现冗余采集，如果一路发生干扰，可以用另外一路进行判定。这种方案是可靠的，但是带来成本高、硬件复杂，对结构设计提出更高的要求。因此基于上述问题提出利用电机转速趋势来去判断转子角度信号是否发生了干扰的方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种用于EPS的电机转子角度信号故障检测的方法，本发明所要解决的技术问题是：解决了PMSM作为助力输出的EPS其转子角度传感器在恶劣环境中受到影响，导致难以安全、可靠、且稳定的进行判断转子角度信号干扰的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于EPS的电机转子角度信号故障检测的方法，包括以下步骤：
步骤一、电机转速计算：通过转子角度变化计算电机理想状态下转速。
步骤二、队列数据采集：每间隔300us采集当前的电机转速和实时角度。
步骤三、数据分组控制：将采集的数据进行分组操作。
步骤四、数据分析和故障处理：每次判定使用四组数据N，并利用组n和组n-1进行判定，并计算实际和预测角度变化比率β的值，若β平均在70%~130%范围内判定为合格，否则为受干扰信号。
作为本发明的进一步方案：在EPS中的永磁同步电机转速最高为4000rpm，通过换算1ms转动的最大角度为24度，则电机理想状态下转速：
Mspeed=(θ/360*1000*60)rpm。
其中：θ为电机转子1ms转动的角度。
作为本发明的进一步方案：所述步骤二中单个控制周期300us进行一次数据采集，采用队列数组，且每采集一次，队列指针加1的形式进行记录。
作为本发明的进一步方案：所述步骤三中组和组之间的数据间隔为2000us,每组包含的队列个数最小为6,最大为7，且每次判定使用4组数据。
作为本发明的进一步方案：所述电机理想状态下转速Mspeed计算中实际电机转速计算带入加权平均滤波。
作为本发明的进一步方案：所述步骤四中组n和组n-1的实时角度求差为Δ1，组n和组n-1的电机转速平均后换算为2000us运转角度R1，在电机转速使用加权平均算法，在考虑其具备迟滞效应下，计算出实际和预测角度变化比率：
β=Δ1/R1*100%。
本发明的有益效果在于：
本发明通过利用转速惯性的思想，去判断转子变换的趋势，来决定转子角度的采集是否受到了干扰，相比于传统的双冗余方案，他的成本更低，结构更简单，且在能干扰信号完全识别的状态下，实现了强磁、高压环境下采集数据的稳定性和可靠性，针对于判断转子角度信号干扰有着极大的安全保障。
附图说明
图1为本发明故障检测整体原理框图；
图2为本发明转速计算流程框图；
图3为本发明队列采集流程框图；
图4为本发明数据分组控制流程框图；
图5为本发明数据分析与故障处理流程框图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
步骤一、电机转速计算：转子角度随着电机转动而发生改变，利用转子角度变化推算出电机转速的变化，在EPS中的永磁同步电机转速最高为4000rpm，通过换算1ms转动的最大角度为24度，设1ms转动的角度为θ，则电机理想状态下转速：
Mspeed=(θ/360*1000*60)rpm；
其中：θ为1ms转动的角度，360为电机转一圈为360度，1000为1秒有1000毫秒，60为1分钟有60秒，rpm为表述电机转速的单位,意思为：转/分。
步骤二、队列数据采集：单个控制周期进行一次数据采集，本方案助力控制周期为300us，每间隔300us采集当前的电机转速和实时角度，采用了队列数组，每采集一次，队列指针加1。
步骤三、数据分组控制：要将采集的数据进行分组，为了进行组与组的比较和分析，本方案每次判定使用了4组数据，组和组之间的数据间隔为2000us,每组包含的队列个数为6~7个。
步骤四、数据分析和故障处理：每次判定使用四组数据N，利用组n和组n-1进行判定，组n和组n-1的角度元素求差Δ1，组n和组n-1的电机转速平均后换算为2000us运转角度R1，由于在电机理想状态下转速使用了加权平均算发，具有迟滞效应，因此计算出实际和预测角度变化比率β=Δ1/R1*100%，本方案设定β平均在70%~130%范围内判定为合格，否则为受干扰信号。
实施例2：
步骤一、电机转速计算：1ms周期计算一次电机转速，角度差为Δθ=θnow-θlast 。实时转速为MSpeednow=Δθ*166.6，实际转速MSpeedreal=MSpeednow*τ1+MSpeedlast*τ2，（τ1、τ2为加权系数）其中：Δθ为角度差，θnow为当前记录的角度，θlast为上个周期记录的角度。
步骤二、队列数据采集：300us将数据记录到队列数组之中Queue_Array[L]，队列数组包含4个元素：
Queue_Array[i].Angle为实时角度。
Queue_Array[i].MotorSpeed为当前转速。
Queue_Array[i].Group为所属组类。
Queue_Array[i].Rate为实际和预测角度变化的比率，前三个元素在该环节采集，最后一个元素在数据分析阶段算出。
步骤三、数据分组控制：每间隔2000us进行队列分组控制，一个分析周期分析N组队列数据：Group0、Group1、Group2和Group3。每次分组控制需要记录队列指针P,这样每组包含的队列个数可以推算出来，这样做的目的是要考虑时序并不是理想状态，每个Group包含的队列个数最小为6，最大为7。
步骤四、数据分析和故障处理：每间隔8000us进行数据分析和处理，通过为每组记录的队列指针，将队列数组中的数据按照分组时记录的队列指针分配给每个组，Group0为参照组，Group1~Group3为推算组，只取每个组的前5个数据，计算公式如图下所示：
Figure 463329DEST_PATH_IMAGE001
。
其中：
Figure 442787DEST_PATH_IMAGE002
为在N组队列数组中第M个单元的元素RATE：实际角度 变化和预测角度变化的比率。
Figure 691366DEST_PATH_IMAGE003
为在N组队列数组中第M个单元的元素Angle：实时记录的角度。
Figure 945629DEST_PATH_IMAGE004
为在N-1组队列数组中第M个单元的元素Angle：实时 记录的角度。
Figure 822318DEST_PATH_IMAGE005
为在N组队列数组中第M个单元的元素MotorSpeed： 实时记录的转速。
Figure 441519DEST_PATH_IMAGE006
为在N-1组队列数组中第M个单元的元素 MotorSpeed：实时记录的转速。
Figure 177393DEST_PATH_IMAGE007
为换算为电机转速换算为2ms的角度变化常数（本方案为0.012）。
上式中：N表示组次序：它的范围为0~3，M表示组中的元素序号，它的范围为0~6。λ表示换算为电机转速换算为2ms的角度变化常数（本方案为0.012）。每个分析周期算出15个Rate数据，则每秒可以计算出1875个Rate数据，判定Rate平均值在70%~130%范围之内，则判定角度采集正常，否则判定为不合格。
试验：依据上述实施例，分别通过组0、组1、组2和组3进行试验组0为参照组，组1~组3为推算组，分别检测电机转速、角度记录、2ms状态的角速度和比率数值并采集记录，得出统计表如下：
判定合格数据统计表
Figure DEST_PATH_IMAGE008
判定不合格数据统计表
Figure 32086DEST_PATH_IMAGE009
综上可知，本发明：在不同环境对照组的检测中，能够较为清楚的了解到，其整体测量精度高，针对于各环境有着稳定的检测状态，针对于汽车使用的安全行驶有着重要的保障作用。
上述实施例中，电机理想状态下转速为电机在正常运行环境条件下的测算方式，其实际使用中影响变化较多，无法作为依据，且对理想状态的数值影响处于可容忍的误差范围之内，故此以电机的理想状态下转速作为标准。
最后应说明的几点是：虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明的基础上，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种用于EPS的电机转子角度信号故障检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、电机转速计算：通过转子角度变化计算理想电机转速，后加入加权滤波计算实际转速；在EPS中的永磁同步电机转速最高为4000rpm，通过换算1ms转动的最大角度为24度，设1ms转动的角度为θ，则电机理想状态下转速：
Mspeed=(θ/360*1000*60)rpm≈θ*166.6；
其中：θ为1ms转动的角度，360为电机转一圈为360度，1000为1秒有1000毫秒，60为1分钟有60秒，rpm为表述电机转速的单位,意思为：转/分；
而实际的电机转速进行了加权滤波，所以实际转速计算公式为：MSpeedreal=MSpeednow*τ1+MSpeedlast*τ2；
其中MSpeednow为当前计算的理想转速，MSpeedlast为上个周期记录的实际转速，MSpeedreal为当前周期计算的实际转速，τ1、τ2为加权系数；
步骤二、队列数据采集：单个控制周期进行一次数据采集，助力控制周期为300us，每间隔300us采集当前的电机转速和实际角度，采用了队列数组，每采集一次，队列指针加1；
步骤三、数据分组控制：要将采集的数据进行分组，为了进行组与组的比较和分析，本方案每次判定使用了4组数据，组和组之间的数据间隔为2000us,每组包含的队列个数为6~7个；
步骤四、数据分析和故障处理：每次判定使用四组数据N，利用组n和组n-1进行判定，组n和组n-1的角度元素求差Δ1，组n和组n-1的电机转速平均后换算为2000us运转角度R1，由于电机转速计算使用了加权滤波，具有迟滞效应，因此计算出实际和预测角度变化比率β=Δ1/R1*100%，设定β平均在70%~130%范围内判定为合格，否则为受干扰信号。
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