CN110233588A - 一种电动汽车驱动用永磁同步电机转子位置检测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转子位置检测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转子位置检测的冗余装置和控制方法，旋变解码芯片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中集成的无迹卡尔曼滤波滤波算法可根据两相旋转坐标系下的定子电压和电流量估算出转子位置信息（称为无传感器估算方案），当硬件解码方案失效后，切换到无传感器估算方案，并用估算得到的角度信息作为***所需数据，***仍然可以完成指定功能。本发明通过旋转变压器硬件解码和无传感器估算的冗余设计，提高了***安全等级。

Description

一种电动汽车驱动用永磁同步电机转子位置检测冗余装置和 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，尤其涉及永磁同步电机的转子位置的检测技术，具体是一种转子位置检测的冗余装置和管理方法。
背景技术
在以电机为驱动动力的新能源汽车中，电机控制***的稳定性对汽车行驶安全尤为重要。永磁同步电机磁场定向控制的关键在于准确获取转子角位置，精确的转子角位置有助于提高电机稳定性。当前车用永磁同步电机获取转子角位置最常用的方案是在电机中安装转子位置检测传感器——旋转变压器，该传感器的增加使***硬件复杂化，若安装位置不正确将影响测量精度；在新能源汽车不同的运行工况下，集成在电机中的旋转变压器会受到不同程度的机械振动和电磁干扰，恶劣的工作环境可能导致传感器失效。当位置传感器故障或位置检测回路出现故障时，控制***获取的转子角位置错误，使得磁场定向控制策略失效，驱动电机会失去控制，将对驾驶员、行人及车辆带来极大危害。
在电动汽车永磁同步电机驱动控制***中，旋转变压器的信号经过旋变专用解码芯片进行解码得到转子角位置，然后通过SPI通信发送给单片机，但汽车对驱动***具有极高的安全要求，只通过专用硬件解码芯片得到转子角位置的方式无法符合更高要求的ISO26262汽车功能安全标准，如汽车安全完整性等级（Automotive Safety IntegrationLevel，ASIL）C级甚至ASIL D级，此外ISO26262中明确说明：如果只是通过添加相同元器件或增加相同软件的冗余方式，各个单元之间不能够相互独立，那么就无法提高ASIL等级。
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转子位置检测的冗余装置和管理方法，依据ISO26262汽车功能安全标准，设计了旋转变压器硬件解码和无传感器估计的冗余方案，当旋***件解码方案出现故障时，***能迅速判断出故障，并平滑切换到无传感器估计工作模式，利用未故障的无传感器估计方案继续获取转子角度信息，有效提高了转子位置检测***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：包括集成无迹卡尔曼滤波算法（Unscented Kalman Filter，UKF）的CPU、直流稳压电源、逆变器、永磁同步电机、旋变解码芯片、硬解码调理电路、硬解码励磁电路、旋转变压器，其中，旋变解码芯片配合硬解码励磁电路为旋转变压器初级绕组提供励磁信号，并结合硬解码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串行外设接口（SerialPeripheral Interface，SPI）传输到CPU，硬件解码芯片可同时诊断出硬件解码***的故障并通过SPI发送至CPU，这种方法称为硬件解码；CPU中集成的基于无迹卡尔曼滤波的转子位置估计算法可以利用容易获取的电流电压信号估计出转子位置角，这种方法称为无传感器估计方案。当硬件解码方案失效后，切换到无传感器估计方案，并用无传感器估计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。
所述的集成无迹卡尔曼滤波算法的CPU和所述旋变解码芯片相互独立，转子位置检测冗余装置可同时基于无传感器估计算法和旋***件解码方案得到所需的转子位置信息；所述的集成无迹卡尔曼滤波算法的CPU还集成了转子位置容错单元，该单元可对两种方案得到的转子位置角进行加权求和，并实时对无传感器估计方案和旋***解码方案进行故障诊断，进而实现转子位置检测的容错控制。
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。若不是，则读取硬解码芯片故障寄存器值，并进入步骤S2。
步骤S2：根据故障寄存器值判断是否出现解码故障。若是，则判定旋***解码方案失效，旋***件解码故障标志Flag1置1；若不是，则令旋***件解码故障标志Flag1等于0，并进入步骤S3。
步骤S3：判断无传感器估算方案故障标志是否置1，若不是，则进入步骤S4。
步骤S4：判断无传感器估算得到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，则判定无传感器估算失效，无传感器估算故障标志Flag2置1；若不是，则令无传感器估算故障标志Flag2等于0，并进入步骤S5。
步骤S5：判断旋***件解码故障标志Flag1和无传感器估算故障标志Flag2是否同时置1，若是，则判定转子位置检测装置失效，停机并报警，结束；若不是，则进入步骤S6。
步骤S6：判断旋***件解码故障标志Flag1是否置1，若是，则判定旋***解码方案故障，令转子位置加权系数a1 = 0，a2 = 1，并计算最终的转子位置信息，结束；若不是，则进入步骤S7。
步骤S7：判断无传感器估算故障标志Flag2是否置1，若是，则判定无传感器估算方案故障，令转子位置加权系数a1 = 1，a2 = 0，并计算最终的转子位置信息，结束；若不是，则判定两种检测方案都正常，令转子位置加权系数a1 = 0.5，a2 = 0.5，并计算最终的转子位置，结束。
步骤S4所述的设定阈值为-3.2°~+3.2°。
本发明应用于电动汽车驱动用永磁同步电机转子位置检测冗余***，与传统的转子位置检测***相比具有以下优点。
（1）采用旋***件解码和无传感器估算同时获取转子位置的冗余设计，符合ISO26262汽车功能安全标准，提高了***安全等级。
（2）当旋***件解码方案检测出错时，无传感器估计方案能根据容易测得的电信号估算出转子角度信息，并应用于永磁同步电机的磁场定向控制，改善了***的鲁棒性。
（3）当旋***件解码方案或无传感器估计方案出现故障时，提供相应的故障点信息，为装置维护提供了方便。
（4）冗余装置中的旋***件解码和无传感器估计方案同时工作，两种检测方案获取的转子角位置通过加权组成了***所需的角度信息，使***在一种检测方案失效后，可平滑切换到另一种检测方案，减小了冲击。
附图说明
图1为电动汽车驱动用永磁同步电机转子位置检测冗余装置结构图。
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—直流稳压电源，3—逆变器，4—永磁同步电机，5—旋变解码芯片，6—硬解码调理电路，7—硬解码励磁电路，8—旋转变压器。
图2为转子位置检测冗余装置控制方法。
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转子位置检测冗余装置结构图，包括集成无迹卡尔曼滤波算法的CPU1、直流稳压电源2、逆变器3、永磁同步电机4、旋变解码芯片5、硬解码调理电路6、硬解码励磁电路7、旋转变压器8。其中，旋变解码芯片5可以配合硬解码励磁电路7输出旋变励磁信号给旋转变压器8，旋转变压器8输出与电机转子位置信息相关的正交差分信号并经过信号硬解码调理电路6输入到旋变解码芯片5中，旋变解码芯片5解析出转子位置信息并通过SPI通信传送该信息（θ1）到集成无迹卡尔曼滤波算法的CPU1中，此方法称为转子位置检测的旋***件解码方案；集成无迹卡尔曼滤波算法的CPU1中同时集成了基本的磁场定向控制策略和转子位置容错单元，磁场定向控制策略输出占空比信息Duty给CPU1的PWM单元，该单元输出脉冲宽度调制信号控制逆变器3内的功率器件，将直流稳压电源2的直流电流逆变成三相交流电流，以驱动永磁同步电机4，三相交流电流经CPU1的ADC单元采样处理后的结果（Id，Iq）作为UKF算法的输入，UKF算法同时获取磁场定向控制输出的Ud和Uq信息，经估算后得到转子位置信息（θ2），此方法作为无传感器估算方案；由旋转变压器硬件解码方案得到的转子位置信息θ1和无传感器估算方案得到转子位置信息θ2加权可得磁场定向控制***所需的转子位置信息θ。
当旋转变压器8输出的正余弦正交差分信号出现幅值不对称、相位偏移等故障时，硬件解码芯片5可自动检测出相应的故障并将故障信息通过SPI发送至CPU1；在相邻的控制周期，当无迹卡尔曼滤波算法估算出的转子位置信息θ2的变化量超出预先设定的阈值时，则可判定无传感器估算方案故障；当两种方案中的一个出现故障后，可迅速切除故障方案，并用正常的转子位置检测方案得到的角度作为***反馈数据，***仍然可以完成指定功能，转子位置检测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。若不是，则读取硬解码芯片故障寄存器值，并进入步骤S2。
步骤S2：根据故障寄存器值判断是否出现解码故障。若是，则判定旋***解码方案失效，旋***件解码故障标志Flag1置1；若不是，则令旋***件解码故障标志Flag1等于0，并进入步骤S3。
步骤S3：判断无传感器估算方案故障标志是否置1，若不是，则进入步骤S4。
步骤S4：判断无传感器估算得到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-3.2°~+3.2°）。若是，则判定无传感器估算失效，无传感器估算故障标志Flag2置1；若不是，则令无传感器估算故障标志Flag2等于0，并进入步骤S5。
步骤S5：判断旋***件解码故障标志Flag1和无传感器估算故障标志Flag2是否同时置1，若是，则判定转子位置检测装置失效，停机并报警，结束；若不是，则进入步骤S6。
步骤S6：判断旋***件解码故障标志Flag1是否置1，若是，则判定旋***解码方案故障，令转子位置加权系数a1 = 0，a2 = 1，并计算最终的转子位置信息，结束；若不是，则进入步骤S7。
步骤S7：判断无传感器估算故障标志Flag2是否置1，若是，则判定无传感器估算方案故障，令转子位置加权系数a1 = 1，a2 = 0，并计算最终的转子位置信息，结束；若不是，则判定两种检测方案都正常，令转子位置加权系数a1 = 0.5，a2 = 0.5，并计算最终的转子位置，结束。

Claims (5)

1.一种电动汽车驱动用永磁同步电机转子位置检测的冗余装置和控制方法，其特征在于，所述装置包括集成无迹卡尔曼滤波算法的CPU、直流稳压电源、逆变器、永磁同步电机、旋变解码芯片、硬解码调理电路、硬解码励磁电路、旋转变压器。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：旋变解码芯片配合硬解码励磁电路为旋转变压器初级绕组提供励磁信号，并结合硬解码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串行外设接口传输到CPU，硬件解码芯片可同时诊断出硬件解码***的故障并通过SPI发送至CPU，这种方法称为硬件解码；CPU中集成的基于无迹卡尔曼滤波的转子位置估计算法可以利用容易获取的电流电压信号估计出转子位置角，这种方法称为无传感器估计方案，当硬件解码方案失效后，切换到无传感器估计方案，并用无传感器估计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。
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：所述的集成无迹卡尔曼滤波算法的CPU和所述旋变解码芯片相互独立，转子位置检测冗余装置可同时基于无传感器估计算法和旋***件解码方案得到所需的转子位置信息；所述的集成无迹卡尔曼滤波算法的CPU还集成了转子位置容错单元，该单元可对两种方案得到的转子位置角进行加权求和，并实时对无传感器估计方案和旋***解码方案进行故障诊断，进而实现转子位置检测的容错控制。
4.根据权利要求1所述电动汽车驱动用永磁同步电机转子位置检测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，若不是，则读取硬解码芯片故障寄存器值，并进入步骤S2；
步骤S2：根据故障寄存器值判断是否出现解码故障，若是，则判定旋***解码方案失效，旋***件解码故障标志Flag1置1；若不是，则令旋***件解码故障标志Flag1等于0，并进入步骤S3；
步骤S3：判断无传感器估算方案故障标志是否置1，若不是，则进入步骤S4；
步骤S4：判断无传感器估算得到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，则判定无传感器估算失效，无传感器估算故障标志Flag2置1；若不是，则令无传感器估算故障标志Flag2等于0，并进入步骤S5；
步骤S5：判断旋***件解码故障标志Flag1和无传感器估算故障标志Flag2是否同时置1，若是，则判定转子位置检测装置失效，停机并报警，结束；若不是，则进入步骤S6；
步骤S6：判断旋***件解码故障标志Flag1是否置1，若是，则判定旋***解码方案故障，令转子位置加权系数a1 = 0，a2 = 1，并计算最终的转子位置信息，结束；若不是，则进入步骤S7；
步骤S7：判断无传感器估算故障标志Flag2是否置1，若是，则判定无传感器估算方案故障，令转子位置加权系数a1 = 1，a2 = 0，并计算最终的转子位置信息，结束；若不是，则判定两种检测方案都正常，令转子位置加权系数a1 = 0.5，a2 = 0.5，并计算最终的转子位置，结束。
5.根据权利要求4所述的转子位置检测冗余装置的控制方法，其特征在于：步骤S4所述的设定阈值为-3.2°~+3.2°。
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