電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電動汽車驅動系統的控制方法，更確切地說，本發明涉及一種電 動汽車用永磁同步電機驅動系統的故障監測及容錯控制方法。
【背景技術】
[0002] 永磁同步電機驅動系統是電動汽車電機主流驅動系統，具有功率密度高、體積小、 調速范圍寬等特點。該驅動系統主要采用空間矢量控制方式控制電機運動，矢量控制方法 需要實時檢測永磁同步電機轉子絕對位置，因此要在電機本體安裝一個位置傳感器用來實 時測量轉子位置。
[0003] 永磁同步電機驅動系統轉子位置傳感器有混合式光電編碼器、旋轉變壓器兩種， 前者成本較后者低，但是不適合高溫、振動環境，而旋轉變壓器解碼電路復雜，應用成本較 尚。
[0004] 因此一種磁電混合式編碼器開始應用，該混合式編碼器信號處理具有電路簡單、 抗振、成本較低等優點。該磁電混合式編碼器有兩組類型信號：一組是增量信號A、B，另 一組是有限絕對位置信號HA、HB、HC，該組信號僅能測試轉子六個絕對角度位置，本文中是 0°、60°、120°、180°、240°、300° 6個絕對位置。目前永磁同步電機驅動系統需要檢測 到5路信號，才能夠正確計算出永磁同步電機轉子位置，完成矢量控制運算。
[0005] 然而汽車工作環境惡劣，該磁電混合式編碼器出現短路、斷路電氣故障幾率較大， 當傳感器故障導致磁電式混合編碼器的增量信號A、B失效時，控制系統無法計算出轉子任 意時刻準確位置信息，將不能完成預期控制，可能在運行過程中，電機轉子會被鎖死在固定 位置，電機將無法運轉，容易釀成交通事故。因此要對驅動系統位置傳感器進行故障監測和 容錯控制，使驅動系統繼續正常運行，可以大大提高系統可靠性，保障車輛及乘員安全。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是磁電混合式編碼器增量信號A、B失效導致驅動系 統失去準確位置信息的問題，提供了一種磁電混合式編碼器增量信號A、B故障監測及利用 有限絕對位置信號HA、HB、HC進行永磁同步電機轉子位置估算的容錯控制方法。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明是采用如下技術方案實現的：所述的電動汽車驅動 系統故障監測及容錯控制方法包括如下步驟：
[0008] 1)電機控制單元判斷永磁同步電機轉子初始位置；
[0009] 2)電機控制單元根據轉子初始位置，采用六脈波控制模式控制電機啟動；
[0010] 3)電機控制單元判斷磁電混合式編碼器的絕對信號HA、HB、HC電平任意一路電平 高低是否發生變化，如發生變化，進入步驟4)，反之，返回步驟2);
[0011] 4)根據磁電混合式編碼器絕對信號電平變化沿，得到準確的轉子絕對位置信息；
[0012] 5)電機控制單元采集磁電混合式編碼器增量信號當前狀態Q(n);
[0013] 6)電機控制單元診斷程序將磁電混合式編碼器增量信號當前狀態Q(n)和上一定 時中斷任務中狀態Q(n-l)相加并進行狀態判斷；
[0014] 7)根據增量信號A、B計數，準確計算轉子位置信息；
[0015] 根據步驟4)得到的轉子絕對位置，加上當前得到的增量信號計算的角度，就能得 到轉子準確位置，進入步驟9);
[0016] 8)根據轉子位置絕對信息，估算轉子位置；
[0017] 依據磁電混合式編碼器絕對位置信號HA、HB、HC信號高低電平變化，引用公式 (12)計算出轉子位置信息，并向汽車儀表輸出故障信息，提醒駕乘人員，車輛進入故障模 式；
[0018] 9)電機控制單元利用步驟7)或者8)計算的轉子位置信息，進行空間矢量運算，完 成一次定時中斷任務。
[0019] 技術方案中所述的電機控制單元判斷永磁同步電機轉子初始位置是指：
[0020] 電機控制單元根據絕對位置信號HA、HB、HC的信號電平高低關系，判斷轉子位置 處于（0° ~60° ) (60。~120。）（120° ~180。）（180。~240。）（240° ~300。） (300°~360° )六個扇區中的初始位置。
[0021] 技術方案中所述的根據位置傳感器絕對信號電平變化沿，得到準確的轉子絕對位 置信息是指：電機控制單元捕獲到磁電混合式編碼器的三路絕對信號HA、HB、HC中的某一 信號電平的高低轉換的變化沿，并根據磁電混合式編碼器的兩路增量信號A、B的電平高低 狀態，就能根據三路絕對信號的唯一的匹配關系得到轉子絕對位置，即0°、60°、120°、 180°、240°、300°、360° 中某一具體位置。
[0022] 技術方案中所述的電機控制單元診斷程序將磁電混合式編碼器增量信號當前狀 態Q(n)和上一定時中斷任務中狀態Q(n-l)相加并進行狀態判斷是指：當前時刻增量信號 A、B信號Q(n)和上一定時中斷任務中Q(n-l)狀態只會發生一個信號的狀態裝換，或者保 留原狀態不變，因此，Q(n)+Q(n-1) =11，則增量信號A、B處于不正常狀態，進入步驟8);當 增量信號A、B正常，則進入步驟7)。
[0023] 技術方案中所述的公式（12)是在磁電混合式編碼器增量信號失效后，根據磁電 混合式編碼器絕對位置信號變化，采用泰勒級數對轉子位置展開估算得到的轉子任一時刻 位置信息；
[0024] 永磁同步電機轉子位置Θ表達式做泰勒展開，滿足如下關系式：
[0026] 其中0,為絕對位置信號跳變時刻對應轉子絕對位置〇°、60°、120°、180°、 240°、300°、360°中某一具體位置，tk為轉子位置為Θ ,時的當前時刻；
[0027] 轉子角速度表達式如下：
[0028] ?θ ?" (2)
[0029] 其中ω為轉子角速度，單位為rad/s ;
[0030] 轉子角加速度表達式如下：
[0032] 其中A為加速度，單位為rad/s2;
[0033] 由于永磁同步電機速度在任意時刻不會發生劇烈變化，且采樣時間短，因此泰勒 展開中只取得一階多項式和二階多項式就能滿足估算要求，從而得到轉子位置估算方程。 轉子位置的一階多項式滿足：
[0034] Θ (t) = Θ k+ ω (t_tk) (4)
[0035] 轉子位置的二階多項式滿足：
[0037] 電機控制單元屬于數字系統，因此需要把上述公式（4)和（5)進行離散化，以便于 數字計算方法的實施，從而得到轉子的一階表達式：
[0039] 其中％為上一時刻轉子角速度，單位為rad/s ;
[0040] 二階表達式：
[0042] 根據上述推導，本發明提出轉子位置的一階表達式，該表達式滿足：
[0044] 二階表達式如下：
[0046] 轉速計算環節采用一階表達式而轉子位置輸出采用二階表達式，即：
[0048]當電機處于啟動或加減負載狀態時，由于q軸電流的變化直接導致電機轉矩的變 化，從而影響轉子加速度，為使得轉子估算轉速與位置能更好的適應電機動態調速引入轉 子加速度校正函數f(iq):
[0049] f(iq) (11)
[0050] 其中I、K2為校正調試參數；
[0051] 本發明中轉子位置估算方法如下：
[0053] 與現有技術相比本發明的有益效果是：
[0054] 1.本發明所述的電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法根據磁電混合式編 碼器增量信號Α、Β的特征，提出了一種判斷增量信號Α、Β是否失效的故障檢測方法，從而省 去邏輯電路，節省了系統成本；
[0055] 2.本發明所述的電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法根據磁電混合式編 碼器絕對位置信號HA、HB、HC特征，提出轉子位置估算方法，充分利用電機控制單元的運算 速度實施該方法，較為準確估算轉子位置，達到容錯效果。
[0056] 3.本發明所述的電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法依據1、2所提出的 方法，設計了程序控制流程，因此可利用數字信號處理芯片、中央微處理器等嵌入式系統來 進行實時控制，從而實現位置故障監測和容錯控制。
【附圖說明】
[0057] 下面結合附圖對本發明作進一步的說明：
[0058] 圖1是本發明所述的電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法中所涉及的永 磁同步電機驅動系統的結構原理圖；
[0059] 圖2是本發明所述的電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法中所涉及的磁 電混合式編碼器正常工作時的兩組信號：絕對位置信號HA、HB、HC和增量信號Α、Β的時序 關系圖；
[0060] 圖3是本發明所述的電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法中所涉及的磁 電混合式編碼器正常工作時，增量信號Α、Β在電機正轉或者反轉時的狀態變化圖；
[0061] 圖4是本發明所述的電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法的流程框圖；
【具體實施方式】
[0062] 下面結合附圖對本發明作詳細的描述：
[0063] 本發明針對的是電動汽車用永磁同步電機驅動系統磁電混合式編碼器增量信號 Α、Β失效的故障檢測，并利用絕對位置信號HA、HB、HC對永磁同步電機轉子角度位置進行估 算的容錯控制法。
[0064] 參閱圖1，本發明中所述的電動汽車用永磁同步電機驅動系統包括電機控制單元、 驅動電路、三相逆變電路、永磁同步電機與磁電混合式編碼器6個部分。電機控制單元用 來采集駕駛指令信號、位置傳感器、電流傳感器、電壓傳感器等各種信息，得到轉子位置、電 流、電壓數值，實現空間矢量控制運算，從而驅動電機運行。
[0065] 參閱圖2,本發明所述的電動汽車驅動系統故障監測及容錯控制方法中所涉及的 磁電混合式編碼器，它具有絕對位置信號HA、HB、HC和一組增量信號A、B。其中絕對位置信 號HA、HB、HC信號之間相序相差120度電角度，它們的電平高低關系把轉子位置分成（0°~ 60。）（60。~120。）（120。~180。）（180。~240。）（240° ~300。）（300。~360。） 六個扇區，其中0°、60°、120°、180°、240°、300° 6個絕對位置為轉子的準確位置。
[0066] 增量信號A、B轉子每旋轉一圈各輸出η個脈沖，因此每個脈沖為360P/n度電角 度，其中P是電機的極對數，且增量信號A、B脈沖相位關系正交。
[0067] 磁電混合式編碼器正常工作時，電機控制單元首先檢測絕對位置信號HA、HB、HC 的信號電平高低，初步判斷轉子位置，從而用直流無刷電機控制方式起動，電機控制單元捕 獲到三路絕對位置信號的任一個信號高低變化沿；下一時刻，就能根據絕對位置加上增量 信號檢測到增量角度，得到任意時刻轉子準確位置，實現矢量控制運算。
[0068] 參閱圖3,當增量信號A、B正常的狀態下，增量信號A、B信號在電機正反轉時的電 平狀態關系滿足圖3所示，根據增量信號A、B正反轉時狀態轉換圖，電機旋轉時，增量信號 A、B電平對應狀態（0, 1)會呈00-10-11-01 (或00-01-11-