CN108988706A - 一种电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置和控制方法 - Google Patents

一种电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置和控制方法，旋变解码芯片和CPU的DSADC模块都可以结合励磁电路为旋转变压器初级绕组提供励磁信号，并结合信号调理电路处理旋转变压器的正余弦绕组响应信号（正交差分信号），旋变解码芯片解算出角度（称为硬件解码）并通过SPI传输到CPU；CPU的DSADC模块可提取出正余弦绕组响应信号的包络线，该包络线经过旋***件解码算法得到角度（称为软件解码），当硬件解码方案失效后，切换到软件解码方案，并用软件解码方案得到的角度信息作为***所需数据，***仍然可以完成指定功能。本发明通过旋***解码和软解码冗余设计，提高了***安全等级。

Description

一种电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置和控制 方法
技术领域
本发明涉及电动汽车驱动用永磁同步电机控制领域，尤其涉及旋转变压器的解码领域，具体是一种旋变解码冗余装置和管理方法。
背景技术
近年来，随着全球能源的日益减少以及汽车尾气带来的环境污染问题，传统汽车的发展受到了限制，电动汽车的发展受到了世界各国的高度重视，同样，我国政府也大力扶持电动汽车的发展。电动汽车中，永磁同步电机以其高扭矩惯量比、高功率密度、高效可靠、易于操作等优点被广泛应用，在永磁同步电机控制***中，旋转变压器主要作为角度、位置和转速检测元件，其初级绕组的输入是高频励磁电压信号，正余弦绕组的输出是与励磁电压信号同频同相的调幅波，调幅波的包络线与永磁同步电机转子的旋转速度和角度信息相关，可对旋转变压器进行解码以获取转子角度数据。转子角度的准确性对于永磁同步电机的磁场定向控制尤为重要，旋变解码装置的可靠性则直接影响转子角度的获取，从而影响控制***的安全运行。
目前，在永磁同步电机控制***中，旋转变压器的解码主要是采用专用的旋变位置解码芯片，其可提供高精度的数字转换结果，并具有良好的动态响应，但汽车应用的安全要求非常高，只通过专用解码芯片获取转子角度的方式不能满足严格的ISO26262汽车功能安全规范要求，如ASIL-C甚至ASIL-D，而且ISO26262中指出：使用同类的冗余方法，例如重复器件或者重复软件，基于缺少模块之间的独立性，ASIL等级不能降低。
发明内容
本发明描述并提供了一种电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置和管理方法，按照ISO26262汽车功能安全规范要求，设计了旋***件解码和软件解码冗余方案，当旋***件解码方案出现故障时，能立即检测出故障，并立即切换到单解码工作模式，利用未故障的软件解码方案继续获取转子角度信息，有效提高了旋变解码***的可靠性，提高了***安全等级。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括带Δ-Σ模数转换器（Delta-Sigma Analog-to-Digital Converter，DSADC）的CPU、旋变解码芯片、励磁电路、励磁选择输出电路、旋转变压器、信号分配隔离电路、信号调理电路，其中，旋变解码芯片和CPU的DSADC模块都可以结合励磁电路为旋转变压器初级绕组提供励磁信号，并结合信号调理电路处理旋转变压器的正余弦绕组响应信号（正交差分信号），旋变解码芯片解算出角度并通过SPI传输到CPU，这种方法称为硬件解码；CPU的DSADC模块可提取出旋变正余弦绕组响应信号的包络线，该包络线经过旋***件解码算法得到角度，这种方法称为软件解码，当硬件解码方案失效后，切换到软件解码方案，并用软件解码方案得到的角度信息作为***所需数据，***仍然可以完成指定功能。
所述的带DSADC模块的CPU和所述旋变解码芯片相互独立，可配合各自的励磁电路和信号调理电路得到角度信息及故障标志；所述的旋变解码芯片的励磁输入信号来源只能是旋变解码芯片或DSADC模块，可通过所述励磁选择输出电路进行切换。
本发明还提供上述装置的控制方法，包括以下步骤。
步骤S1：判断旋***件解码故障标志是否置1，若是，则判定旋***件解码方案失效，并进入步骤S2；若不是，则进入步骤S3。
步骤S2：判断旋***件解码故障标志是否置1，若是，则进入步骤S4；若不是，则进入步骤S5。
步骤S3：判断旋***件解码得出的本次控制时刻的角度值与上次控制时刻的角度值的偏差是否超出设定阈值，若是，则判定旋***件解码方案失效，进入步骤S2；若不是，则将旋***解码得到的角度信息作为最终角度值。
步骤S4：判断旋变励磁输入信号的来源是否为DSADC，若是，则判定旋***解码失效，进入步骤S6；若不是，则将旋变的励磁输入信号来源切换为DSADC，将旋***件解码故障标志位清0，根据上次控制时刻永磁同步电机旋转方向、转速、角度和控制周期估算本次控制时刻的角度，将估算的角度作为最终角度值。
步骤S5：判断旋***件解码得出的本次控制时刻的角度值与上次控制时刻的角度值的偏差是否超出设定阈值，若是，则判定旋***件解码方案失效，进入步骤S6；若不是，则将旋***解码得到的角度信息作为最终角度值。
步骤S6：根据上次控制时刻永磁同步电机旋转方向、转速、角度和控制周期估算本次控制时刻的角度，将估算的角度作为最终角度值，判定旋变解码***故障并报警。
步骤S3和步骤S5所述的设定阈值为-3.6°~+3.6°，步骤S4和步骤S6所述的控制周期为100us。
本发明应用于电动汽车驱动用永磁同步电机转子位置的旋转变压器解码***，与传统的旋转变压器硬件解码方案相比具有以下优点。
（1）采用旋***件解码和软件解码冗余设计，符合ISO26262汽车功能安全规范要求，提高了***安全等级。
（2）当旋***件解码方案出现故障时，旋***件解码方案能为***提供转子角度信息，保证永磁同步电机磁场定向控制***正常运行，提高了***的稳定性。
（3）当旋***件解码方案或旋***件解码方案出现故障时，提供相应的故障点信息，为装置维护提供了方便。
附图说明
图1为电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置结构图。
图中，1—电动汽车驱动用永磁同步电机旋变冗余控制模块CPU，2—旋变解码芯片，3—硬解码励磁电路，4—软解码励磁电路，5—励磁选择输出电路，6—旋转变压器，7—信号分配隔离电路，8—硬解码调理电路，9—软解码调理电路。
图2为旋变解码冗余装置控制方法。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置结构图，包括带DSADC模块的CPU1、旋变解码芯片2、硬解码励磁电路3、软解码励磁电路4、励磁选择输出电路5、旋转变压器6、信号分配隔离电路7、硬解码调理电路8、软解码调理电路9。其中，旋变解码芯片2和CPU1的DSADC模块独立输出励磁原始信号，分别经过硬解码励磁电路3和软解码励磁电路4得到两路旋变励磁信号，经励磁选择输出电路5后保留一路旋变励磁信号并输入到旋转变压器6，旋转变压器6输出两组正交差分信号并经过信号分配隔离电路7后得到两组相同的正交差分信号，其中一组正交差分信号经过硬解码调理电路8输入到旋变解码芯片2中，旋变解码芯片2解算出角度后通过SPI发送给CPU1，经此回路得到角度的方法作为硬件解码方案，另一组正交差分信号经过软解码调理电路9输入到CPU1的DSADC模块中，DSADC模块提取出正交差分信号的包络线并经过旋***件解码算法得到角度信息，经此回路得到角度的方法作为软件解码方案。
当旋变解码装置出现线路接触不良或硬件电路故障时，输入到硬件解码芯片2或CPU1的DSADC模块的信号的电压幅值会明显异常；或者相邻两周期解算出的角度变化量超出永磁同步电机以最高转速旋转时的角度变化阈值，则可判定硬件解码方案或软件解码方案故障，及时切除故障方案，并用正常解码方案解算出的角度作为***反馈数据，***仍然可以完成指定功能，旋变解码冗余装置的控制方法如图2所示，包括以下步骤。
步骤S1：判断旋***件解码故障标志是否置1，若是，则判定旋***件解码方案失效，并进入步骤S2；若不是，则进入步骤S3。
步骤S2：判断旋***件解码故障标志是否置1，若是，则进入步骤S4；若不是，则进入步骤S5。
步骤S3：判断旋***件解码得出的本次控制时刻的角度值与上次控制时刻的角度值的偏差是否超出设定阈值（本样机中为-3.6°~+3.6°），若是，则判定旋***件解码方案失效，进入步骤S2；若不是，则最终角度值=旋***解码角度。
步骤S4：判断旋变励磁输入信号的来源是否为DSADC，若是，则判定旋***解码失效，进入步骤S6；若不是，则将旋变的励磁输入信号来源切换为DSADC，将旋***件解码故障标志位清0，根据上次控制时刻永磁同步电机旋转方向、转速、角度和控制周期（本样机中为100us）估算本次控制时刻的角度，最终角度值=估算的角度。
步骤S5：判断旋***件解码得出的本次控制时刻的角度值与上次控制时刻的角度值的偏差是否超出设定阈值（本样机中为-3.6°~+3.6°），若是，则判定旋***件解码方案失效，进入步骤S6；若不是，则最终角度值=旋***解码角度。
步骤S6：根据上次控制时刻永磁同步电机旋转方向、转速、角度和控制周期（本样机中为100us）估算本次控制时刻的角度，最终角度值=估算的角度，判定旋变解码***故障并报警。

Claims (5)

1.一种电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置和控制方法，其特征在于，所述装置包括带有DSADC模块的CPU、旋变解码芯片、励磁电路、励磁选择输出电路、旋转变压器、信号分配隔离电路和信号调理电路。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：旋变解码芯片和CPU的DSADC模块都可以结合励磁电路为旋转变压器初级绕组提供励磁信号，并结合信号调理电路处理旋转变压器的正余弦绕组响应信号（正交差分信号），旋变解码芯片解算出角度（硬件解码）并通过SPI传输到CPU；CPU的DSADC模块可提取出正余弦绕组响应信号的包络线，该包络线经过旋***件解码算法得到角度（软件解码）；当硬件解码方案失效后，切换到软件解码方案，并用软件解码方案得到的角度信息作为***所需数据。
3.根据权利要求1所述的电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置，其特征在于：所述的带DSADC模块的CPU和所述旋变解码芯片相互独立，可配合各自的励磁电路和信号调理电路得到角度信息及故障标志；所述的旋变解码芯片的励磁输入信号来源只能是旋变解码芯片或DSADC模块，可通过所述励磁选择输出电路进行切换。
4.根据权利要求1所述电动汽车驱动用永磁同步电机旋变解码冗余装置的控制方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤S1：判断旋***件解码故障标志是否置1，若是，则判定旋***件解码方案失效，并进入步骤S2；若不是，则进入步骤S3；
步骤S2：判断旋***件解码故障标志是否置1，若是，则进入步骤S4；若不是，则进入步骤S5；
步骤S3：判断旋***件解码得出的本次控制时刻的角度值与上次控制时刻的角度值的偏差是否超出设定阈值，若是，则判定旋***件解码方案失效，进入步骤S2；若不是，则将旋***解码得到的角度信息作为最终角度值；
步骤S4：判断旋变励磁输入信号的来源是否为DSADC，若是，则判定旋***解码失效，进入步骤S6；若不是，则将旋变的励磁输入信号来源切换为DSADC，将旋***件解码故障标志位清0，根据上次控制时刻永磁同步电机旋转方向、转速、角度和控制周期估算本次控制时刻的角度，将估算的角度作为最终角度值；
步骤S5：判断旋***件解码得出的本次控制时刻的角度值与上次控制时刻的角度值的偏差是否超出设定阈值，若是，则判定旋***件解码方案失效，进入步骤S6；若不是，则将旋***解码得到的角度信息作为最终角度值；
步骤S6：根据上次控制时刻永磁同步电机旋转方向、转速、角度和控制周期估算本次控制时刻的角度，将估算的角度作为最终角度值，判定旋变解码***故障并报警。
5.根据权利要求4所述的旋变解码冗余装置的控制方法，其特征在于：步骤S3和步骤S5所述的设定阈值为-3.6°~+3.6°，步骤S4和步骤S6所述的控制周期为100us。
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