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

該逆變器的主要特點(diǎn)：

-針對(duì)80kW (H)EV應(yīng)用的完整主逆變器

-通過汽車應(yīng)用認(rèn)證的IGBT模塊HybridPACK? 2

- 650V/800A IGBT 二極管芯片組

-通過汽車應(yīng)用認(rèn)證的驅(qū)動(dòng)IC 1ED020I12-FA

-基于無芯變壓器技術(shù)

-高達(dá)1200V和2A驅(qū)動(dòng)功能

- VCE sat 檢測(cè)

-可使用不同的電機(jī)位置傳感器接口：編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、GMR （巨磁電阻）或霍爾傳感器

測(cè)試電機(jī)

兩臺(tái)相同型號(hào)的內(nèi)嵌式PMSM電機(jī)通過轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行機(jī)械連接。一臺(tái)電機(jī)通過逆變器系統(tǒng)進(jìn)行控制，另外一臺(tái)作為發(fā)電機(jī)使用。發(fā)電機(jī)的三相交流輸出被整流為直流，并與電阻箱進(jìn)行連接，以耗散功率。通過這種方式，機(jī)械負(fù)荷可添加到第一臺(tái)電機(jī)上。測(cè)試PMSM電機(jī)的參數(shù)參見表1：

電氣參數(shù)（如相電阻和d/q軸電感）是通過特定方法進(jìn)行測(cè)量的。這些參數(shù)對(duì)于無傳感器控制方案的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

測(cè)試結(jié)果和討論

對(duì)提議的控制方案進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證兩項(xiàng)功能：1.相對(duì)低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子角度估算的準(zhǔn)確性；2. 旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的故障檢測(cè)功能，以保證無縫切換至無傳感器控制模式。

在穩(wěn)態(tài)工作模式下，電機(jī)在300V直流電壓下利用無傳感器算法運(yùn)行在100rpm-1000rpm范圍內(nèi)。電氣角度估算值與旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號(hào)之間的實(shí)時(shí)角度誤差被Lauterbach調(diào)試器記錄。下面的四幅圖表明了不同負(fù)荷下電機(jī)轉(zhuǎn)速為102rpm、400rpm、703rpm和 1001rpm時(shí)的角度誤差。 在這些圖中，頂部波形是數(shù)字形式的旋轉(zhuǎn)變壓器位置反饋信號(hào)：4096代表360度電氣角度。底部顯示的是電氣角度誤差。在圖7和圖8中，有明顯的波形不連續(xù)性。這是因?yàn)檎{(diào)試器數(shù)據(jù)更新的不連續(xù)，而不是轉(zhuǎn)子位置的突然跳變。

從這些圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)在低速下（如102rpm），角度誤差范圍在-4度到 +2.5度。在更高速度下，可取得更好的結(jié)果，誤差范圍在4度之內(nèi)。這主要因?yàn)楦咚龠\(yùn)行時(shí)反電動(dòng)勢(shì)幅值相應(yīng)增大，從而獲得分辨率。另一個(gè)因素是方程式4中計(jì)算出來的補(bǔ)償角度。當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)角度非常重要。在本設(shè)計(jì)中，低通濾波器的轉(zhuǎn)角速度為100rpm（=5Hz ，考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子為3極對(duì)）。

從測(cè)試波形中，我們還可以發(fā)現(xiàn)角度誤差中出現(xiàn)一次和二次諧波。這可能是因?yàn)橄嚯娏鳒y(cè)量誤差、逆變器的非線性和電機(jī)不平衡導(dǎo)致的。可針對(duì)這些因素進(jìn)一步研究，以改進(jìn)無傳感器算法的準(zhǔn)確性。

這個(gè)控制方案的另外一個(gè)關(guān)鍵特性是故障安全特性。為了驗(yàn)證軟件的這個(gè)特性，當(dāng)電機(jī)在高壓下運(yùn)行時(shí)，拔下旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)線。圖9顯示了電機(jī)轉(zhuǎn)速300rpm（Vdc=300v和Idc=1.2A）的測(cè)試情況。圖10顯示了電機(jī)轉(zhuǎn)速800rpm(Vdc=300v和Idc=3.7A)的測(cè)試情況。電機(jī)的相電流（綠色）和旋變輸出的正弦信號(hào)（黃色）波形利用示波器進(jìn)行采集。IO（藍(lán)色）被用來指示從用旋變反饋角度的控制向無傳感器控制的切換時(shí)刻。

從切換點(diǎn)開始，來自旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦反饋不再正常，因?yàn)殡娎|被拔下。軟件檢測(cè)到旋變解碼芯片的障或位置反饋信號(hào)的巨大跳變。無傳感器算法可立即接替控制工作。我們可以發(fā)現(xiàn)在300rpm測(cè)試案例下，相電流波形在切換前后非常一致。對(duì)于800rpm測(cè)試案例，相電流在一個(gè)周期后恢復(fù)穩(wěn)定。

結(jié)論

本文介紹了針對(duì)EV應(yīng)用內(nèi)嵌式PMSM電機(jī)的無傳感器FOC控制，這種控制方式可作為故障安全策略使用。整個(gè)軟件控制算法是在英飛凌Tricore? 32位 MCU TC1782上運(yùn)行的。該控制方案在內(nèi)嵌式PMSM電機(jī)和HybridPACK? 2逆變器平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果證明了兩點(diǎn)：估算角度的準(zhǔn)確性可接受，冗余路徑可作為故障安全策略使用。為了提高估算角度的準(zhǔn)確性，可進(jìn)行進(jìn)一步研究，以確定相電流測(cè)量誤差、非線性逆變器和電機(jī)自身不平衡的影響。