电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电动汽车驱动系统的控制方法，更确切地说，本发明涉及一种电 动汽车用永磁同步电机驱动系统的故障监测及容错控制方法。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机驱动系统是电动汽车电机主流驱动系统，具有功率密度高、体积小、 调速范围宽等特点。该驱动系统主要采用空间矢量控制方式控制电机运动，矢量控制方法 需要实时检测永磁同步电机转子绝对位置，因此要在电机本体安装一个位置传感器用来实 时测量转子位置。
[0003] 永磁同步电机驱动系统转子位置传感器有混合式光电编码器、旋转变压器两种， 前者成本较后者低，但是不适合高温、振动环境，而旋转变压器解码电路复杂，应用成本较 尚。
[0004] 因此一种磁电混合式编码器开始应用，该混合式编码器信号处理具有电路简单、 抗振、成本较低等优点。该磁电混合式编码器有两组类型信号：一组是增量信号A、B，另 一组是有限绝对位置信号HA、HB、HC，该组信号仅能测试转子六个绝对角度位置，本文中是 0°、60°、120°、180°、240°、300° 6个绝对位置。目前永磁同步电机驱动系统需要检测 到5路信号，才能够正确计算出永磁同步电机转子位置，完成矢量控制运算。
[0005] 然而汽车工作环境恶劣，该磁电混合式编码器出现短路、断路电气故障几率较大， 当传感器故障导致磁电式混合编码器的增量信号A、B失效时，控制系统无法计算出转子任 意时刻准确位置信息，将不能完成预期控制，可能在运行过程中，电机转子会被锁死在固定 位置，电机将无法运转，容易酿成交通事故。因此要对驱动系统位置传感器进行故障监测和 容错控制，使驱动系统继续正常运行，可以大大提高系统可靠性，保障车辆及乘员安全。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是磁电混合式编码器增量信号A、B失效导致驱动系 统失去准确位置信息的问题，提供了一种磁电混合式编码器增量信号A、B故障监测及利用 有限绝对位置信号HA、HB、HC进行永磁同步电机转子位置估算的容错控制方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的电动汽车驱动 系统故障监测及容错控制方法包括如下步骤：
[0008] 1)电机控制单元判断永磁同步电机转子初始位置；
[0009] 2)电机控制单元根据转子初始位置，采用六脉波控制模式控制电机启动；
[0010] 3)电机控制单元判断磁电混合式编码器的绝对信号HA、HB、HC电平任意一路电平 高低是否发生变化，如发生变化，进入步骤4)，反之，返回步骤2);
[0011] 4)根据磁电混合式编码器绝对信号电平变化沿，得到准确的转子绝对位置信息；
[0012] 5)电机控制单元采集磁电混合式编码器增量信号当前状态Q(n);
[0013] 6)电机控制单元诊断程序将磁电混合式编码器增量信号当前状态Q(n)和上一定 时中断任务中状态Q(n-l)相加并进行状态判断；
[0014] 7)根据增量信号A、B计数，准确计算转子位置信息；
[0015] 根据步骤4)得到的转子绝对位置，加上当前得到的增量信号计算的角度，就能得 到转子准确位置，进入步骤9);
[0016] 8)根据转子位置绝对信息，估算转子位置；
[0017] 依据磁电混合式编码器绝对位置信号HA、HB、HC信号高低电平变化，引用公式 (12)计算出转子位置信息，并向汽车仪表输出故障信息，提醒驾乘人员，车辆进入故障模 式；
[0018] 9)电机控制单元利用步骤7)或者8)计算的转子位置信息，进行空间矢量运算，完 成一次定时中断任务。
[0019] 技术方案中所述的电机控制单元判断永磁同步电机转子初始位置是指：
[0020] 电机控制单元根据绝对位置信号HA、HB、HC的信号电平高低关系，判断转子位置 处于（0° ~60° ) (60。~120。）（120° ~180。）（180。~240。）（240° ~300。） (300°~360° )六个扇区中的初始位置。
[0021] 技术方案中所述的根据位置传感器绝对信号电平变化沿，得到准确的转子绝对位 置信息是指：电机控制单元捕获到磁电混合式编码器的三路绝对信号HA、HB、HC中的某一 信号电平的高低转换的变化沿，并根据磁电混合式编码器的两路增量信号A、B的电平高低 状态，就能根据三路绝对信号的唯一的匹配关系得到转子绝对位置，即0°、60°、120°、 180°、240°、300°、360° 中某一具体位置。
[0022] 技术方案中所述的电机控制单元诊断程序将磁电混合式编码器增量信号当前状 态Q(n)和上一定时中断任务中状态Q(n-l)相加并进行状态判断是指：当前时刻增量信号 A、B信号Q(n)和上一定时中断任务中Q(n-l)状态只会发生一个信号的状态装换，或者保 留原状态不变，因此，Q(n)+Q(n-1) =11，则增量信号A、B处于不正常状态，进入步骤8);当 增量信号A、B正常，则进入步骤7)。
[0023] 技术方案中所述的公式（12)是在磁电混合式编码器增量信号失效后，根据磁电 混合式编码器绝对位置信号变化，采用泰勒级数对转子位置展开估算得到的转子任一时刻 位置信息；
[0024] 永磁同步电机转子位置Θ表达式做泰勒展开，满足如下关系式：
[0026] 其中0,为绝对位置信号跳变时刻对应转子绝对位置〇°、60°、120°、180°、 240°、300°、360°中某一具体位置，tk为转子位置为Θ ,时的当前时刻；
[0027] 转子角速度表达式如下：
[0028] ?θ ?" (2)
[0029] 其中ω为转子角速度，单位为rad/s ;
[0030] 转子角加速度表达式如下：
[0032] 其中A为加速度，单位为rad/s2;
[0033] 由于永磁同步电机速度在任意时刻不会发生剧烈变化，且采样时间短，因此泰勒 展开中只取得一阶多项式和二阶多项式就能满足估算要求，从而得到转子位置估算方程。 转子位置的一阶多项式满足：
[0034] Θ (t) = Θ k+ ω (t_tk) (4)
[0035] 转子位置的二阶多项式满足：
[0037] 电机控制单元属于数字系统，因此需要把上述公式（4)和（5)进行离散化，以便于 数字计算方法的实施，从而得到转子的一阶表达式：
[0039] 其中％为上一时刻转子角速度，单位为rad/s ;
[0040] 二阶表达式：
[0042] 根据上述推导，本发明提出转子位置的一阶表达式，该表达式满足：
[0044] 二阶表达式如下：
[0046] 转速计算环节采用一阶表达式而转子位置输出采用二阶表达式，即：
[0048]当电机处于启动或加减负载状态时，由于q轴电流的变化直接导致电机转矩的变 化，从而影响转子加速度，为使得转子估算转速与位置能更好的适应电机动态调速引入转 子加速度校正函数f(iq):
[0049] f(iq) (11)
[0050] 其中I、K2为校正调试参数；
[0051] 本发明中转子位置估算方法如下：
[0053] 与现有技术相比本发明的有益效果是：
[0054] 1.本发明所述的电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法根据磁电混合式编 码器增量信号Α、Β的特征，提出了一种判断增量信号Α、Β是否失效的故障检测方法，从而省 去逻辑电路，节省了系统成本；
[0055] 2.本发明所述的电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法根据磁电混合式编 码器绝对位置信号HA、HB、HC特征，提出转子位置估算方法，充分利用电机控制单元的运算 速度实施该方法，较为准确估算转子位置，达到容错效果。
[0056] 3.本发明所述的电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法依据1、2所提出的 方法，设计了程序控制流程，因此可利用数字信号处理芯片、中央微处理器等嵌入式系统来 进行实时控制，从而实现位置故障监测和容错控制。
【附图说明】
[0057] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0058] 图1是本发明所述的电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法中所涉及的永 磁同步电机驱动系统的结构原理图；
[0059] 图2是本发明所述的电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法中所涉及的磁 电混合式编码器正常工作时的两组信号：绝对位置信号HA、HB、HC和增量信号Α、Β的时序 关系图；
[0060] 图3是本发明所述的电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法中所涉及的磁 电混合式编码器正常工作时，增量信号Α、Β在电机正转或者反转时的状态变化图；
[0061] 图4是本发明所述的电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法的流程框图；
【具体实施方式】
[0062] 下面结合附图对本发明作详细的描述：
[0063] 本发明针对的是电动汽车用永磁同步电机驱动系统磁电混合式编码器增量信号 Α、Β失效的故障检测，并利用绝对位置信号HA、HB、HC对永磁同步电机转子角度位置进行估 算的容错控制法。
[0064] 参阅图1，本发明中所述的电动汽车用永磁同步电机驱动系统包括电机控制单元、 驱动电路、三相逆变电路、永磁同步电机与磁电混合式编码器6个部分。电机控制单元用 来采集驾驶指令信号、位置传感器、电流传感器、电压传感器等各种信息，得到转子位置、电 流、电压数值，实现空间矢量控制运算，从而驱动电机运行。
[0065] 参阅图2,本发明所述的电动汽车驱动系统故障监测及容错控制方法中所涉及的 磁电混合式编码器，它具有绝对位置信号HA、HB、HC和一组增量信号A、B。其中绝对位置信 号HA、HB、HC信号之间相序相差120度电角度，它们的电平高低关系把转子位置分成（0°~ 60。）（60。~120。）（120。~180。）（180。~240。）（240° ~300。）（300。~360。） 六个扇区，其中0°、60°、120°、180°、240°、300° 6个绝对位置为转子的准确位置。
[0066] 增量信号A、B转子每旋转一圈各输出η个脉冲，因此每个脉冲为360P/n度电角 度，其中P是电机的极对数，且增量信号A、B脉冲相位关系正交。
[0067] 磁电混合式编码器正常工作时，电机控制单元首先检测绝对位置信号HA、HB、HC 的信号电平高低，初步判断转子位置，从而用直流无刷电机控制方式起动，电机控制单元捕 获到三路绝对位置信号的任一个信号高低变化沿；下一时刻，就能根据绝对位置加上增量 信号检测到增量角度，得到任意时刻转子准确位置，实现矢量控制运算。
[0068] 参阅图3,当增量信号A、B正常的状态下，增量信号A、B信号在电机正反转时的电 平状态关系满足图3所示，根据增量信号A、B正反转时状态转换图，电机旋转时，增量信号 A、B电平对应状态（0, 1)会呈00-10-11-01 (或00-01-11-