借助無傳感器FOC控制方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車安全冗余功能

在汽車應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)變壓器被廣泛使用，以通過其正弦和余弦反饋信號獲取位置信息。通常，一個(gè)專用的旋變解碼芯片(RDC）IC被用來將正余弦模擬信號解碼成位置的數(shù)字信號。這些專用IC可提供高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果，并具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是，汽車應(yīng)用的安全要求甚高，單就RDC IC可能不足以滿足嚴(yán)格的安全要求，比如ASIL-C甚至ASIL-D。因此，本文描述了一種從電機(jī)相電流中獲取轉(zhuǎn)子位置的冗余方案（無傳感器FOC控制方式）。該角度估算值可以用來和RDC IC結(jié)果進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，并可作為故障安全策略使用，以防RDC IC發(fā)生故障。

無傳感器FOC控制和故障安全策略

無傳感器FOC控制

在本文中，來自定子電壓模型的磁鏈估算器被用來估算轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)下面的定子坐標(biāo)系（α/β軸）電壓方程式（1），轉(zhuǎn)子磁鏈可以利用定子電流電壓進(jìn)行重建（如方程式（2）所示）。

在此，我們可以發(fā)現(xiàn)積分部分出現(xiàn)額外的耦合電流分量。這是因?yàn)閐軸和q軸電感值不一致導(dǎo)致的。在EV應(yīng)用中，由于內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)能提供額外的磁阻轉(zhuǎn)矩，而被廣泛使用，其d軸電感遠(yuǎn)小于q軸電感。因此，這些耦合電流分量不能被忽略，尤其是在高速下。

在方程式 (2)中，積分器帶來了實(shí)現(xiàn)問題。電流測量包含小的偏移誤差，并且電壓信號不是實(shí)際值。即使這些偏移誤差非常小，它們依然可以導(dǎo)致積分漂移[1]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，積分器通常被低通濾波器替代，參見方程式（3）[2]。在電機(jī)同步頻率遠(yuǎn)高于低通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率的情況下，低通濾波器的行為類似積分器。在同步頻率低于轉(zhuǎn)角頻率的情況下，理想積分器和低通濾波器的增益和相移特性明顯不同。

圖1顯示了低通濾波器和理想積分器的對比情況。本例中使用了5Hz截止頻率。在圖1的波特圖中，可以看出不僅低速下增益有限，而且相位也受到了影響。這種相移使得與電機(jī)速度相關(guān)的轉(zhuǎn)子磁通位置估算出現(xiàn)錯(cuò)誤。

因此，有必要利用一個(gè)補(bǔ)償機(jī)制來消除積分器近似導(dǎo)致的相移。相移角可以通過下列方程式進(jìn)行輕松計(jì)算：

在此，ω代表電機(jī)同步角速度，而選擇τ 是為了在本設(shè)計(jì)中將轉(zhuǎn)角頻率定為5Hz。

在從磁鏈值中提取角度信息之前，有必要進(jìn)行校準(zhǔn)以消除幅值的直流偏移。每個(gè)電氣周期進(jìn)行一次在線校準(zhǔn)。采集α、β軸磁鏈的最大和最小值，并用來獲取幅值的直流偏移量。相應(yīng)地，這些偏移值被用來校準(zhǔn)下一循環(huán)中的實(shí)時(shí)交流值。

最后，經(jīng)過校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子磁鏈值被用來獲取角度值（通過反正切計(jì)算）。一個(gè)代表0-45度角度的1024維度查詢表被創(chuàng)建。剩余的45-90度角度可通過轉(zhuǎn)換反正切函數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

FOC控制中使用的角度是與的計(jì)算和。

圖1 低通濾波器（綠色波形）和理想積分器（藍(lán)色波形）的波特圖

故障安全策略

傳統(tǒng)上，F(xiàn)OC控制使用的角度信號純粹依賴位置傳感器反饋途徑，包括安裝在電機(jī)中的RDC IC和旋轉(zhuǎn)變壓器。這是一個(gè)關(guān)鍵途徑。在這個(gè)反饋途徑中，任何組件故障都會(huì)造成嚴(yán)重安全問題，比如輸出不必要的轉(zhuǎn)矩。這會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車的不可控，進(jìn)而危及相關(guān)人員的生命安全。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)冗余路徑。無傳感器方案使用相電流作為輸入，至少涵蓋兩個(gè)LEM電流傳感器、一個(gè)作為濾波器的運(yùn)放IC和一些無源組件。在微控制器中，模擬電流信號被饋入與RDC IC接口不同的ADC模塊?？傊?，無傳感器方案依賴獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋路徑（如圖2所示）。因此，無傳感器方案是理想的安全冗余方案，同時(shí)能保持差異化。

圖2 位置反饋路徑及冗余方案的框圖

要迅速響應(yīng)緊急狀況，無傳感器角度計(jì)算始終以與FOC控制相同的頻率進(jìn)行，就是每個(gè)PWM周期進(jìn)行一次計(jì)算。一旦軟件檢測到來自RDC IC的故障信號，或者最新的位置值（來自RDC IC）突然大幅跳變，無傳感器控制策略將立即取代RDC IC。這是為了確?？刂频臒o縫轉(zhuǎn)換，使電機(jī)和汽車在極端情況下仍然可控。在這種方式下，電機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，駕駛?cè)藛T亦可免遭汽車不可控性的威脅。