CN116455299A - 一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车电机驱动容错控制系统及方法，该系统包括变流器、电流模块、变量计算模块、功率预测模块、转速模块、通讯模块、预测功率控制、恒压频比控制及脉冲宽度调制。所述电流模块包括电流测量模块、电流观测方法、电流判断模块及电流选择模块。所述转速模块包括转速测量模块、转速观测模块、转速判断模块及转速选择模块。还公开了该系统的控制方法，本发明采用基于上述系统的一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统，可以实现快速的传感器故障诊断与定位，保证电机驱动系统安全稳定运行，引入预测功率控制，提高了电机驱动系统的动态响应速度和设计灵活性。

Description

一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车控制技术领域，尤其是涉及一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统。

背景技术

小到燃料电池汽车、家用电器，大到电气化交通业、工业，电机都是十分重要设备，其安全稳定运行是一项十分重要的指标。对于一些对电机驱动性能要求较高的场合，往往需要电流传感器和位置传感器，以实现电机的闭环控制。然而，在实际生产过程中，由于传感器机械结构损坏将直接导致系统控制性能下降甚至失稳，降低系统整体可靠性。相关文献指出，有百分之十四的系统失稳直接和传感器失效有关，超过百分之四十的系统失稳与传感器失效和电气机械元件失效有关。如果传感器失效未能得到及时检测并采取有效措施，整个系统的安全可靠运行将受到严重威胁。因此，研究电机驱动系统的传感器故障检测、定位与容错控制方法，保证系统安全稳定运行，具有重大意义。

传统方法主要是利用电流参考值与测量值的差进行电流传感器故障检测，利用坐标变换实现电流传感器故障定位，利用转速观测值与测量值的差进行转速传感器故障检测。传统的位置传感器故障检测策略中，需要额外进行观测，此过程计算量过大，增加系统计算负担，而且可能会因为参数或工况变化出现偏差导致误判。此外，传统方法使用矢量控制，一方面基于PI控制器属于误后校正型控制，当系统被控量与参考量出现偏差后，控制器才动作，响应滞后，动态响应速度较慢；另一方面，矢量控制需要检测转子位置角，工况变化或参数配置不当容易导致转子位置角检测误差，导致系统控制性能变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统，利用预测功率控制，在静止坐标系下实现了电机闭环容错控制，避免了转子位置角检测对系统的影响，提高了电机驱动的动态响应速度和设计灵活性，保证了系统安全。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池汽车电机驱动容错控制系统，包括变流器、与所述变流器连接的电流模块及通讯模块、与所述电流模块连接的变量计算模块及转速模块、与所述变量计算模块相接的功率预测模块、与所述转速模块连接的预测功率控制和恒压频比控制、与所述恒压频比控制连接的脉冲宽度调制。

优选的，所述电流模块包括电流测量模块、电流观测模块、电流判断模块及与其相连接的电流选择模块，所述电流选择模块与所述变量计算模块连接。

优选的，所述转速模块包括转速测量模块、转速观测模块、转速判断模块及与其相连接的转速选择模块，所述转速选择模块与所述恒压频比控制连接。

优选的，所述通讯模块与所述电流判断模块及转速判断模块连接。

一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法，步骤如下：

步骤S1：根据上一控制周期两相静止坐标系下定子电流的预测值与当前时刻电流测量值之差，判断电流传感器是否发生故障；

步骤S2：若电流传感器故障，利用坐标变换，定位故障电流传感器；

步骤S3：根据当前时刻电机转速实际值和输出转矩，依据下述公式预测下一时刻电机的转速，下一时刻电机的转速近似等于下一控制周期的转速，下一控制周期的转速测量值与下一时刻电机的转速的差超过安全值，则判断位置传感器故障：

其中，ω_r代表电机转速，T代表输出转矩，T_s代表控制周期；

步骤S4：根据不同类型的故障情况，选择合适的容错控制策略；

步骤S5：传感器全部发生故障，切换为恒压频比控制。

优选的，步骤S2具体步骤包括：

将ab两相定子电流利用坐标变换至αβ轴，具体公式如下：

其中，i_sα代表α轴定子电流，i_sβ代表β轴定子电流，i_a代表a相定子电流，i_b代表b相定子电流。

当β轴电流差值未超过安全值，则c相电流传感器故障；当β轴电流差值超过安全值而α轴电流差值未超过安全值，则判断b相电流传感器故障，a相电流传感器无故障；

将电流预测值和ac两相定子电流利用坐标变换至α'β'轴，β'轴定子电流差值在安全范围内，则判定b相电流传感器故障，ca两相电流传感器无故障；β'轴定子电流误差超出安全范围，则判定bc两相电流传感器故障；

当αβ轴电流差值超过安全值，则判断a相电流传感器故障；

将电流预测值和bc两相定子电流利用坐标变换至α'β'轴，当β'轴定子电流差值在安全范围内，则判定a相电流传感器故障，bc两相电流传感器无故障；当β'轴定子电流差值超出安全值，则判定ac两相电流传感器故障；

当α'β'轴定子电流差值均超出安全值，将电流预测值和ca两相定子电流利用坐标变换至α”β”轴，当β”轴定子电流差值超出安全值，α”轴定子电流差值未超出安全值，则判定ab两相电流传感器故障；

当α”β”轴定子电流差值超出安全值，则判定abc三相电流传感器故障。

优选的，步骤S4具体步骤包括：

当位置传感器未发生故障时，单项电流传感器故障，采用坐标变换方法；两相电流传感器故障，坐标变换后，采用预测电流代替故障电流；三相电流传感器故障，采用电流观测器观测电流；

当单一位置传感器故障时，在静止坐标下辨识转速；

当位置传感器及两相电流传感器故障，先进行故障相电流重构，再根据重构电流和正常电流在静止坐标系下辨识转速。

因此，本发明采用上述的一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统，具备以下有益效果：

(1)该方法简单直接，且不受参数影响，检测过程更快更准确且计算负担小；

(2)充分发挥了预测控制动态响应速度快的优势，还不需要检测转子位置角，避免了因转子位置角检测误差导致的系统控制性能恶化；

(3)预测控制还具有设计灵活的优点，对于燃料电池汽车等工况复杂的应用场景，预测控制可灵活实现多目标控制。

(4)可以实现简单快速的故障检测与定位，利用预测功率控制，即使位置传感器发生故障，仍可以在静止坐标系下实现了电机闭环容错控制，避免了转子位置角检测对系统的影响，提高了电机驱动的动态响应速度和设计灵活性，保证了系统安全。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统的电机驱动系统检容错控制框图；

图2为本发明一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统的电机驱动系统检容错控流程图；

图3为本发明一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法及系统的电机驱动系统拓扑图。

具体实施方式

实施例

本发明的核心点是电机驱动系统电流传感器和位置传感器的故障检测与定位，然后针对不同类型故障选择合适的容错控制策略。正常情况下，只需要判断上一拍定子电流预测值与测量值之间的差值、转速预测值和转速测量值之间的差值，即可检测电流传感器和位置传感器是否正常工作。

结合图2，详细介绍电流传感器与位置传感器故障检测策略，根据上一控制周期两相静止坐标系下定子电流的预测值与当前时刻电流测量值之差，可以判断电流传感器是否发生故障。如若差值在安全范围内，则进行转速传感器故障检测；如若差值超出一定范围，即电流传感器出现故障，则需要进行电流传感器故障定位。

在检测出电流传感器故障后，将ab两相定子电流利用坐标变换至αβ轴，具体公式为：

由公式可知，α轴定子电流仅与a相电流的测量值有关，其中，i_sα代表α轴定子电流，i_sβ代表β轴定子电流，i_a代表a相定子电流，i_b代表b相定子电流。

如若β轴电流差值未超过安全值，则c相电流传感器故障。

如若仅β轴电流差值超过安全值，则可以判断b相电流传感器故障，a相电流传感器无故障；然后将电流预测值和ac两相定子电流利用坐标变换至α'β'轴，如果β'轴定子电流差值在安全范围内，则可以判定，仅b相电流传感器故障；如若β'轴定子电流误差超出安全范围，则可以判定，bc两相电流传感器故障。

如若αβ轴电流差值超过安全值，则可以判断a相电流传感器故障；然后将电流预测值和bc两相定子电流利用坐标变换至α'β'轴，如果β'轴定子电流差值在安全范围内，则可以判定仅a相电流传感器故障；如若仅β'轴定子电流差值超出安全值，则可以判定ac两相电流传感器故障；如若α'β'轴定子电流差值均超出安全值，需要将电流预测值和ca两相定子电流利用坐标变换至α”β”轴，如果仅β”轴定子电流差值超出安全值，则可以判定ab两相电流传感器故障，如果α”β”轴定子电流差值超出安全值，则可以判定abc三相电流传感器故障。

位置传感器故障检测策略，根据当前时刻电机转速实际值和输出转矩，依据下述公式可以预测下一时刻电机的转速，下一时刻电机的转速近似等于下一控制周期的转速，如果下一控制周期的转速测量值与下一时刻电机的转速的差超过安全值，则可以判断位置传感器故障：

其中，ω_r代表电机转速，T代表输出转矩，T_s代表控制周期。

根据不同类型的故障情况，选择合适的容错控制策略。针对单相电流传感器故障，采用坐标变换实现容错控制，即选择正常的两相电流，利用坐标变换即可获得静止坐标系下的定子电流测量值。在位置传感器未发生故障的前提下，针对两相电流传感器故障，以正常相电流为α轴，坐标变换后，利用预测电流代替故障电流，实现容错控制；针对三相电流故障，采用电流观测器观测电流，实现容错控制。针对单一位置传感器故障，利用基于转子磁链的模型参考自适应转速辨识等速度辨识策略，在静止坐标系下的辨识转速，以实现容错控制；针对位置传感器及两相电流传感器故障，利用二阶广义积分锁频环实现故障相电流重构，然后利用重构电流和正常电流在静止坐标系下辨识转速，实现容错控制。如果传感器全部发生故障，则切换为恒压频比控制，保证电机正常运行。本发明在传感器未全部发生故障的情况，可以保证电机实现静止坐标系下的闭环控制；在传感器全部故障的情况下，仍可保证电机正常运行。

以下将结合实例详细介绍具体的转速与电流观测与重构策略。首先是电流观测器，本发明将以Luenberger观测器为例，介绍静止坐标系下无需电流传感器的感应电机电流观测策略，其表达式为：

其中，状态变量为电机定子电流和定子磁链的观测值，/>输出变量为电机定子电流的观测值，U＝u_s输入变量为电机定子电压；其余参数可以表示为H＝[H₁+jH₂H₃+jH₄]^T，其中H可以通过李雅普诺夫稳定性理论分析获得，ω为电机转速测量值，Θ＝[10]。

在两相电流传感器与位置传感器故障情况下，本发明将以二阶广义积分锁频环为例，介绍感应电机电流重构策略。其核心思想为，通过输入由测量值或者的正确α轴定子电流i_sα，重构出滞后于输入信号90°的β轴定子电流i_sβ-est。其中，α轴重构电流与输入电流的传递函数可以表示为：

β轴重构电流与输入电流的传递函数可以表示为：

只要保证谐振频率ω'与输入频率ω相等，就可以保证输入电流与输出α轴重构电流相同。因此，可以使用锁频环调整谐振频率实时跟踪输入频率，保证β轴重构电流正确，然后利用重构电流和正确的α轴电流进行转速辨识。

当位置传感器发生故障时，则可以利用基于转子磁链的模型参考自适应转速辨识策略实现静止坐标系下的转速辨识。其中，参考模型为两相静止坐标系下的电压模型，可以表示为

将电流模型的磁链与转速用估计值表示，即为可调模型

将可调模型与电流模型相减，即可得到误差状态方程

根据Popov超稳定理论，可以推导出异步电机转速辨识的自适应律为：

如果传感器全部正常或部分正常，基于上述容错控制策略就可以获得电机转速、定子电流，利用预测功率控制策略在静止坐标系下实现高性能的电机驱动，下面以感应电机为例介绍电机预测功率控制驱动策略。

电机预测功率的代价函数为电机输出的有功功率和无功功率/>预测值分别与其参考值/>之差的平方和，即

其电机输出的有功功率可以表示为：

其中，e为转子侧感应电动势，i_s为电机定子电流，T_e为输出转矩，ω_m为电机转速，ω为电机电角速度，ψ_r分别为电机定子磁链和转子磁链。与有功功率类似，电机输出的无功功率可以表示为：

电机输出有功功率的参考值为：

其中，T^*为转速外环输出的转矩的参考值，为转速的参考值。与输出的有功功率相对应的输出无功功率的参考值为：

其中，为转子磁链的参考值，/>为磁链PI外环输出的d轴定子电流的参考值，此处的d轴分量为标量，仅用来计算无功功率参考值，不需要转子磁场定向。

恒压频比控制，通过保证转速与电机端电压比例为定值即可确定输出电压。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池汽车电机驱动容错控制系统，其特征在于：包括变流器、与所述变流器连接的电流模块及通讯模块、与所述电流模块连接的变量计算模块及转速模块、与所述变量计算模块相连接的功率预测模块、与所述转速模块连接的预测功率控制和恒压频比控制、与所述恒压频比控制连接的脉冲宽度调制。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车电机驱动容错控制系统，其特征在于：所述电流模块包括电流测量模块、电流观测模块、电流判断模块及与其相连接的电流选择模块，所述电流选择模块与所述变量计算模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车电机驱动容错控制系统，其特征在于：所述转速模块包括转速测量模块、转速观测模块、转速判断模块及与其相连接的转速选择模块，所述转速选择模块与所述恒压频比控制连接。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池汽车电机驱动容错控制系统，其特征在于：所述通讯模块与所述电流判断模块及转速判断模块连接。

5.一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤S1：根据上一控制周期两相静止坐标系下定子电流的预测值与当前时刻电流测量值之差，判断电流传感器是否发生故障；

步骤S2：当电流传感器故障时，利用坐标变换，定位故障电流传感器；

步骤S3：根据当前时刻电机转速实际值和输出转矩，依据下述公式预测下一时刻电机的转速，下一时刻电机的转速等于下一控制周期的转速，下一控制周期的转速测量值与下一时刻电机的转速的差超过安全值，则判断位置传感器故障：

其中，ω_r代表电机转速，T代表输出转矩，T_s代表控制周期；

步骤S4：根据不同类型的故障情况，选择合适的容错控制策略；

步骤S5：传感器全部发生故障，切换为恒压频比控制。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法，其特征在于，步骤S2具体步骤包括：

将ab两相定子电流利用坐标变换至αβ轴，具体公式如下：

其中，i_sα代表α轴定子电流，i_sβ代表β轴定子电流，i_a代表a相定子电流，i_b代表b相定子电流；

当β轴电流差值未超过安全值，则c相电流传感器故障；当β轴电流差值超过安全值而α轴电流差值未超过安全值，则判断b相电流传感器故障，a相电流传感器无故障；

将电流预测值和ac两相定子电流利用坐标变换至α'β'轴，β'轴定子电流差值在安全范围内，则判定b相电流传感器故障，ca两相电流传感器无故障；β'轴定子电流误差超出安全范围，则判定bc两相电流传感器故障；

当αβ轴电流差值超过安全值，则判断a相电流传感器故障；

将电流预测值和bc两相定子电流利用坐标变换至α'β'轴，当β'轴定子电流差值在安全范围内，则判定a相电流传感器故障，bc两相电流传感器无故障；当β'轴定子电流差值超出安全值，则判定ac两相电流传感器故障；

当α'β'轴定子电流差值均超出安全值，将电流预测值和ca两相定子电流利用坐标变换至α”β”轴，当β”轴定子电流差值超出安全值，α”轴定子电流差值未超出安全值，则判定ab两相电流传感器故障；

当α”β”轴定子电流差值超出安全值，则判定abc三相电流传感器故障。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车电机驱动容错控制方法，其特征在于，步骤S4具体步骤包括：

当位置传感器未发生故障时，单项电流传感器故障，采用坐标变换方法；两相电流传感器故障，坐标变换后，采用预测电流代替故障电流；三相电流传感器故障，采用电流观测器观测电流；

当单一位置传感器故障时，在静止坐标下辨识转速；

当位置传感器及两相电流传感器故障，先进行故障相电流重构，再根据重构电流和正常电流在静止坐标系下辨识转速。