一种转子位置传感器故障检测及容错控制方法及系统与流程

本发明属于电机转子技术领域，特别涉及一种转子位置传感器故障检测及容错控制方法及系统。

背景技术：

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、可靠性高、运行效率高等诸多优点，目前被广泛应用于新能源汽车电驱动系统中。现有用于新能源汽车驱动的永磁同步电机控制系统均需要使用位置传感器实时检测电机转子的绝对位置，一旦位置传感器采样结果出现较大误差或位置传感器本身发生故障，将造成驱动电机失控，严重时引发车辆安全事故。因此，需要对车用驱动电机的位置传感器进行实时的故障检测和必要的容错控制，保证车辆在电机传感器发生故障时依然处于正常可控的状态。

现有的永磁同步电机转子位置传感器故障检测及容错技术均是通过采集电机的相电流信息，利用永磁同步电机的数学模型构建转子位置和转速的状态观测器，并以估计的转子位置和转速作为校核标准，判定当前位置传感器是否发生故障。在发生故障时，使用估计获得的转子位置和转速取代位置传感器的采样信号，从而实现故障状态下的容错控制。常见的应用于位置传感器故障检测和容错控制的转子位置估计算法有高频注入法、滑模估计法、模型参考自适应法等，但以上方法均存在难以覆盖全转速区间的问题，比较适合转速工作区间相对固定的控制系统，例如伺服电机。而车用驱动电机均为转矩控制，其工作转速变化范围大，变化频率高，使用以上算法进行容错控制需要至少两种算法结合才能实现，而复合控制算法又往往会出现估计算法频繁切换的问题，影响系统稳定性。

因此，亟需一种转子位置传感器故障检测及容错控制方法来解决上述技术问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种转子位置传感器故障检测及容错控制方法，所述方法包括：

通过电流传感器获取电机相电流，并将所述相电流送入转子位置状态观测器；

转子位置状态观测器根据所述相电流和电压指令实时计算电机转子估计位置角；

通过转子位置传感器获取电机转子实际位置角；

将所述转子估计位置角和所述转子实际位置角送入决策单元；

所述决策单元根据所述转子估计位置角和所述转子实际位置角判断转子位置传感器是否发生故障，并根据判断结果确定输出用于矢量控制的位置角以及计算电机转速。

进一步地，所述通过电流传感器获取电机相电流，具体为：

通过电流传感器采样获取电机的相电流ia和ib。

进一步地，所述转子位置状态观测器根据所述相电流和电压指令实时计算电机转子估计位置角，包括：

通过clark变换将所述相电流ia和ib转换为两相静止坐标系下的定子电流iα和iβ；

将两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ以及电压指令uα、uβ送入转子位置状态观测器。

进一步地，所述转子位置状态观测器根据所述相电流和电压指令实时计算电机转子估计位置角，还包括如下步骤：

s1、park变换根据iα、iβ和θ计算两相旋转坐标系下定子电流id和iq，其中，θ为决策单元位置角θ，θ的初值设为电机转子实际位置角θsen；

s2、通过电流磁链模型计算两相旋转坐标系下的磁链ψd和ψq，公式如下：

其中，ψf是电机永磁磁链，ld和lq为电机的d、q轴电感；

s3、反park变换根据ψd、ψq和θ计算两相静止坐标系下磁链ψα,i和ψβ,i；

s4、通过电压磁链模型计算两相静止坐标系下的磁链ψα,u和ψβ,u，公式如下：

ψα,u＝∫(uα-rsiα+uα,comp)dt

ψβ,u＝∫(uβ-rsiβ+uβ,comp)dt

其中，rs是电机定子电阻，uα,comp和uβ,comp是步骤s6生成的两相静止坐标系补偿电压，其初值为0；

s5、计算电流磁链模型和电压磁链模型的磁链误差，公式如下：

s6、以磁链误差为输入量使用pi控制器更新补偿电压，补偿电压用于下个运算周期的电压磁链模型计算，公式如下：

s7、通过电压磁链模型求得的磁链结果计算两相静止坐标系下扩展磁链，公式如下：

s8、通过两相静止坐标系下扩展磁链进行反正切运算获得电机转子估计位置角θest，公式如下：

θest＝arctan(ψext,β/ψext,α)。

进一步地，所述将所述转子估计位置角和所述转子实际位置角送入决策单元，具体为：

将转子位置传感器采样获取的转子实际位置角θsen和转子位置状态观测器计算获得的转子估计位置角θest一同送入决策单元。

进一步地，所述决策单元根据所述转子估计位置角和所述转子实际位置角判断转子位置传感器是否发生故障，并根据判断结果确定输出用于矢量控制的位置角以及计算电机转速，包括如下步骤：

m1、计算所述转子实际位置角θsen和所述转子估计位置角θest间的误差θerr；

m2、判断θerr是否大于误差限值θmax，若大于θmax则执行步骤m3，若不大于θmax则执行步骤m4；

m3、决策单元位置角θ＝θest，向整车控制器发送转子位置传感器发生故障的报警信息，执行步骤m5；

m4、决策单元位置角θ＝θsen，向整车控制器报告转子位置传感器正常，执行步骤m5；

m5、对决策单元位置角θ进行差分处理，将差分结果送入低通滤波器，获得电机转速ω，发送给整车控制器。

进一步地，将所述决策单元位置角θ送往电机控制器各个模块用于矢量控制，等待下一周期计算。

本发明还提供了一种转子位置传感器故障检测及容错控制系统，所述系统包括：

电流传感器，用于获取电机相电流，并将所述相电流送入转子位置状态观测器；

转子位置状态观测器，用于根据所述相电流和电压指令实时计算电机转子估计位置角；

转子位置传感器，用于获取电机转子实际位置角；

决策单元，用于根据所述转子估计位置角和所述转子实际位置角判断转子位置传感器是否发生故障，并根据判断结果确定输出用于矢量控制的位置角以及计算电机转速。

本发明通过单一的位置估计算法用于实时检测电机转子位置，与在不同转速区间使用不同算法的技术方案相比，程序复杂度较低，可靠性较高。并且，本发明实施例转子位置估计过程中不存在算法切换的问题，非常适合新能源汽车驱动电机转速转矩多变的特点。转子位置估计算法中同时使用了电机的电流磁链模型和电压磁链模型，并使二者相互校正，其中电流磁链模型在低速下较准确，电压磁链模型在高速下较准确，从而保证算法适合全转速范围的工作情况。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的转子位置传感器故障检测及容错控制方法整体流程图；

图2示出了本发明实施例的转子位置状态观测器处理流程图；

图3示出了本发明实施例的决策单元处理流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

本发明提供了一种转子位置传感器故障检测及容错控制方法，所述方法包括：

通过电流传感器获取电机相电流，并将所述相电流送入转子位置状态观测器；

转子位置状态观测器根据所述相电流和电压指令实时计算电机转子估计位置角；

通过转子位置传感器获取电机转子实际位置角；

将所述转子估计位置角和所述转子实际位置角送入决策单元；

所述决策单元根据所述转子估计位置角和所述转子实际位置角判断转子位置传感器是否发生故障，并根据判断结果确定输出用于矢量控制的位置角以及计算电机转速。

示例性的，图1示出了本发明实施例的转子位置传感器故障检测及容错控制方法整体流程图，如图1所示，本发明实施例在永磁同步电机经典电流闭环控制框架的基础上，将采样获得的电机相电流及电压指令送入基于磁链观测算法的转子位置状态观测器，利用转子位置状态观测器实时计算转子估计位置，同时使用转子位置传感器采样获得电机转子实际位置。将上述两个转子位置送入决策单元，当二者基本一致时，使用转子位置传感器的采样结果进行矢量控制，同时利用差分方法和低通滤波器获得电机转速，送至整车控制器；当二者出现明显差别时，使用转子估计位置进行矢量控制，同时利用差分方法和低通滤波器获得电机转速，送至整车控制器并向整车控制器报告故障信息。从而实现转子位置传感器的实时故障检测和容错控制。

本发明实施例在工作时，主要包括以下步骤：

a：接收整车控制器的转矩输出指令，按照经典闭环矢量控制理论启动电机，同时利用电流传感器采样获得电机的相电流ia和ib，利用转子位置传感器采样获得电机转子实际位置θsen，将决策单元位置角θ的初值设为θsen。

b：利用clark变换将ia和ib转换为两相静止坐标系下的定子电流iα和iβ。

c：将iα和iβ以及θ送入基于磁链观测算法的转子位置状态观测器，同时将两相静止坐标系下的电压指令uα和uβ送入转子位置状态观测器。

d：利用基于磁链观测算法的转子位置状态观测器计算获得电机转子估计位置θest，如图2所示，具体包括：

d1：利用park变换计算两相旋转坐标系下定子电流id和iq；

d2：使用电流磁链模型计算两相旋转坐标系下的磁链ψd和ψq，公式如下，其中ψf是电机永磁磁链，ld和lq为电机的d、q轴电感；

d3：利用反park变换计算两相静止坐标系下磁链ψα,i和ψβ,i；

d4：使用电压磁链模型计算两相静止坐标系下的磁链ψα,u和ψβ,u，公式如下，其中rs是电机定子电阻，uα,comp和uβ,comp是步骤d6生成的两相静止坐标系补偿电压，其初值为0；

ψα,u＝∫(uα-rsiα+uα,comp)dt

ψβ,u＝∫(uβ-rsiβ+uβ,comp)dt

d5：求出电流磁链模型和电压磁链模型的磁链误差；

d6：以磁链误差为输入量使用pi控制器更新补偿电压，补偿电压将用于下个运算周期的电压磁链模型计算；

d7：使用电压磁链模型求得的磁链结果计算两相静止坐标系下扩展磁链；

d8：使用两相静止坐标系下扩展磁链进行反正切运算获得电机转子估计位置θest；

θest＝arctan(ψext,β/ψext,α)

e：将转子位置传感器采样获得的转子实际位置角θsen和转子位置状态观测器计算获得的转子估计位置角θest一同送入决策单元。

f：决策单元根据输入的转子估计位置角和转子实际位置角判断目前转子位置传感器是否发生故障，根据判断结果确定输出用于矢量控制的位置角θ并计算电机转速ω，如图3所示，具体包括：

f1：计算转子位置传感器采样获得的转子估计位置角θsen和转子位置状态观测器计算获得的转子估计位置角θest间的误差θerr；

f2：判断θerr是否大于误差限值θmax，若大于则执行步骤f3，若不大于则执行步骤f4；

f3：决策单元位置角θ＝θest，向整车控制器发送转子位置传感器发生故障的报警信息，之后执行步骤f5；

f4：决策单元位置角θ＝θsen，向整车控制器报告转子位置传感器正常，之后执行步骤f5；

f5：对决策单元位置角θ进行差分处理，将差分结果送入低通滤波器，获得电机转速ω，发送给整车控制器；

g：将决策单元位置角θ送往电机控制器各个模块用于矢量控制，等待下一计算周期重复上述过程。

本发明实施例同样采取根据电机的相电流和永磁同步电机的数学模型进行转子位置和转速估计的方式实现位置传感器的实时故障检测和容错控制，不同的是，本发明实施例采用了基于永磁同步电机磁链观测算法的转子位置状态观测器，同时利用了永磁同步电机的电压磁链模型和电流磁链模型，分别计算静止坐标系下的定子磁链，并构造转子位置状态观测器使二者相互校准，使得转子位置状态观测器在整个转速范围内都具有较高的观测精度，且不存在算法切换的问题。转子位置状态观测器的观测结果被送入决策单元，与转子位置传感器的采样结果进行对比，判断转子位置传感器是否发生故障。若转子位置传感器发生故障，立刻将故障信息上报整车控制器，同时使用转子位置状态观测器的观测结果进行无传感器矢量控制，确保此时电机处于受控状态，使车辆在驾驶员控制下维持一定时间的正常行驶并尽快安全停车，避免严重事故的发生。

本发明实施例通过单一的位置估计算法用于实时检测电机转子位置，与在不同转速区间使用不同算法的技术方案相比，程序复杂度较低，可靠性较高。并且，本发明实施例转子位置估计过程中不存在算法切换的问题，非常适合新能源汽车驱动电机转速转矩多变的特点。转子位置估计算法中同时使用了电机的电流磁链模型和电压磁链模型，并使二者相互校正，其中电流磁链模型在低速下较准确，电压磁链模型在高速下较准确，从而保证算法适合全转速范围的工作情况。

尽管参照前述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精神和范围。