一种具备安全冗余位置估算的电机控制方法及电机控制器与流程

1.本发明涉电机技术领域，具体的说，是涉及一种具备安全冗余位置估算的电机控制方法及电机控制器。


背景技术：

2.电动汽车产业的快速发展，促进了电机产业的繁荣，其中永磁同步电机成为目前最主要的电动汽车驱动电机类型。电机的换相是由转子的位置决定的，因此必须有实时的转子位置才能完成闭环控制。要让电机转动起来，目前主流的做法是，首先控制电路必须根据传感器检测到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启和关闭功率模块中功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，就能使电机顺时(或逆时)转动。
3.目前永磁同步电机普遍采用旋转变压器作为位置传感器，控制采用基于旋转坐标系的矢量控制技术，其原理为控制器将旋转变压器传输来的信号通过解码电路进行解码，输出电角度与速度信号，控制电路通过获得信息计算并控制开关电路的导通和关断，使电机绕组中的电流随着转子位置的变化而依次变化，在气隙中形成旋转磁场，驱动永磁转子连续旋转。
4.由于旋转位置传感器必须基于所测得的位置给出适当的电信号，旋转位置传感器的检测需要十分的精确，因此位置传感器对于其放置的环境来说需要足够耐用，在其设计寿命之内都应保持精确和准确性。然而，目前的很多旋转位置传感器的检测精确度会随着特定的使用环境而发生变化，严重的甚至导致旋转位置传感器不能正常工作，这就给电动汽车的安全运行带来了严重的安全隐患。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中的很多旋转位置传感器的检测精确度会随着特定的使用环境而发生变化，严重的甚至导致旋转位置传感器不能正常工作，会给电动汽车的安全运行带来严重的安全隐患的问题，本发明提供一种具备安全冗余位置估算的电机控制方法及电机控制器。
6.本发明技术方案如下所述：
7.第一方面，本发明提供一种具备安全冗余位置估算的电机控制方法，包括：
8.通过位置传感器检测电机转子的位置和速度；
9.依据电流采样电路采集到的电机输入电流估算所述电机转子的位置和速度；
10.将检测到的位置、速度数据与估算出的位置、速度数据进行比较，判断所述位置传感器是否失效；
11.若所述位置传感器没有失效，则用检测到的位置、速度数据控制电机；若所述位置传感器失效了，则将控制方式从有位置传感器控制切换到无位置传感器控制，用估算出的位置、速度数据控制电机。
12.根据上述方案的本发明，依据电流采样电路采集到的电机输入电流估算所述电机转子的位置和速度，具体包括：
13.构建电机数学模型；
14.基于luenberger状态观测器和lyapunov稳定性理论，从所述电机输入电流中提取出与速度、位置有关的量；
15.利用所述电机数学模型和提取出的量估算出所述电机转子的位置和速度。
16.进一步的，所述电机数学模型为：
[0017][0018]
其中，i
α,β
,e
α,β
和v
α,β
分别是αβ坐标轴上的电流、反电势和电压，r和l分别是电机定子的相电阻和相电感。
[0019]
更进一步的，所述反电势的公式为：
[0020][0021]
其中，λf是转子永磁体磁链，而ωr是电机转子的电角速度，θ是电机转子的位置。
[0022]
第二方面，本发明提供一种具备安全冗余位置估算的电机控制器，包括控制电路、驱动电路、功率模块、电流采样电路及位置传感器，所述控制电路包括主控制单元、位置速度检测单元及位置速度估算单元，所述主控制单元分别与所述位置速度检测单元、所述位置速度估算单元及所述驱动电路连接，所述位置速度检测单元还通过所述位置传感器与电机连接，所述位置速度估算单元还通过所述电流采样电路与所述功率模块的输出端连接，所述功率模块的输出端还与所述电机连接，所述功率模块的驱动端与所述驱动电路连接，所述功率模块的输入端与电池连接。
[0023]
所述位置速度检测单元通过所述位置传感器检测电机转子的位置和速度；所述位置速度估算单元依据所述电流采样电路采集到的电机输入电流估算所述电机转子的位置和速度；所述主控制单元将所述位置速度检测单元检测到的位置、速度数据与所述位置速度估算单元估算出的位置、速度数据进行比较，当数据偏差达到一定数值比例时，所述主控制单元将电机控制器的控制方式从有位置传感器控制切换到无位置传感器控制，用所述位置速度估算单元估算出的位置、速度数据控制电机。
[0024]
根据上述方案的本发明，所述功率模块的输入端通过dc输入电路与所述电池连接，所述功率模块的输出端通过三相ac输出电路与所述电机连接。
[0025]
进一步的，所述电流采样电路包括分流器、滤波电路、隔离器件、供电电源及运放电路，所述功率模块的输出端连接所述分流器，所述分流器经过所述滤波电路、所述隔离器件及所述运放电路后与所述位置速度估算单元连接，所述供电电源与所述隔离器件连接。
[0026]
更进一步的，所述隔离器件为隔离光耦。
[0027]
更进一步的，所述运放电路由电阻、电容及运算放大器组成。
[0028]
根据上述方案的本发明，所述电机为永磁同步电机。
[0029]
根据上述方案的本发明，所述控制电路还包括温度采样电路，所述主控制单元与
所述温度采样电路连接。
[0030]
进一步的，所述温度采样电路包括环境温度采样电路、功率模块温度采样电路及电机温度采样电路，所述主控制单元分别与所述环境温度采样电路、所述功率模块温度采样电路及所述电机温度采样电路连接。
[0031]
进一步的，所述驱动电路包括驱动芯片和若干路驱动电路，所述驱动芯片分别与若干路所述驱动电路和所述主控制单元连接，若干路所述驱动电路还分别与所述功率模块上对应的功率管连接。
[0032]
根据上述方案的本发明，所述位置传感器为旋转变压器。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0034]
本发明通过位置传感器检测电机转子的位置和速度，然后依据电流采样电路采集到的电机输入电流估算电机转子的位置和速度，并将检测到的位置、速度数据与估算出的位置、速度数据进行比较，判断位置传感器是否失效；若位置传感器没有失效，则用检测到的位置、速度数据控制电机；若位置传感器失效了，则将控制方式从有位置传感器控制切换到无位置传感器控制，用估算出的位置、速度数据控制电机，能够保证位置传感器失效后，则将控制方式从有位置传感器控制切换到无位置传感器控制，使得电机仍能正常运行，这样就避免位置传感器及解码电路失效造成的灾难性后果。
附图说明
[0035]
图1为本发明的流程示意图；
[0036]
图2为图1中步骤s2的具体流程示意图；
[0037]
图3为本发明中αβ坐标轴与电机abc三相的关系图；
[0038]
图4为本发明中luenberger状态观测器的原理图；
[0039]
图5为本发明中调节锁相环pi控制器的原理图；
[0040]
图6为本发明的原理图；
[0041]
图7为本发明中电流采样电路的原理图；
[0042]
图8为传统方案的电机控制的原理图。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0044]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。
[0045]
实施例1
[0046]
请参阅图1，本发明实施例提供了一种具备安全冗余位置估算的电机控制方法，包
括以下步骤：
[0047]
s1、通过位置传感器检测电机转子的位置和速度。
[0048]
s2、依据电流采样电路采集到的电机输入电流估算电机转子的位置和速度。
[0049]
s3、将检测到的位置、速度数据与估算出的位置、速度数据进行比较，判断位置传感器是否失效。具体的，若比较后，发现两者数据偏差未达到一定数值比例，说明位置传感器还处于正常工作中；若比较后，发现两者数据偏差达到一定数值比例，说明位置传感器可能出现故障，失效了。
[0050]
s4、若位置传感器没有失效，则用检测到的位置、速度数据控制电机；若位置传感器失效了，则将控制方式从有位置传感器控制切换到无位置传感器控制，用估算出的位置、速度数据控制电机。
[0051]
采用上述的电机控制方法，能够保证位置传感器失效后，则将控制方式从有位置传感器控制切换到无位置传感器控制，使得电机仍能正常运行，这样就避免位置传感器及解码电路失效造成的灾难性后果。
[0052]
请参阅图2，在本实施例中，步骤s2具体包括以下步骤：
[0053]
s201、构建电机数学模型。
[0054]
具体的，电机数学模型为：
[0055][0056]
其中，i
α,β
,e
α,β
和v
α,β
分别是αβ坐标轴上的电流、反电势和电压，r和l分别是电机定子的相电阻和相电感。
[0057]
反电势的公式为：
[0058][0059]
其中，λf是转子永磁体磁链，而ωr是电机转子的电角速度，θ是电机转子的位置。
[0060]
αβ坐标轴是一个两相坐标系，与电机abc三相的关系如图3所示。αβ坐标变量与三相坐标变量的转换关系如下：
[0061][0062]
其中，x可以表示为电压或者电流。
[0063]
s202、基于luenberger(龙伯格)状态观测器和lyapunov(李雅普诺夫)稳定性理论，从电机输入电流中提取出与速度、位置有关的量。因永磁同步电机的相电阻和相电感较小，使得电机的电流控制困难。另外，随着电机温度变化和电机定子电流的变化造成电机参数的变化很大，影响到电机转子位置的估计精度，因此需要采用luenberger状态观测器校准估计误差，以及根据lyapunov稳定性理论保证该方法的收敛性，从而获得转子位置和速度的可信的估计值。
[0064]
请参阅图4，具体的，luenberger状态观测器为：
[0065][0066]
其中，
[0067]
x＝[x1x2x3x4]
t
[0068]
＝[i
αiβeαeβ
]
t
[0069]
其中，符号“^”表征改变量的估计值，
[0070][0071]
其中，
[0072][0073]
为了保证估计变量趋近于真实值，要求选择合适的观测器增益矩阵k来满足是渐进稳定的，即选择合适的观测器增益矩阵保证的所有特征根具备负实部。
[0074]
为了进行电机定子的相电阻和相电感的参数辨识，定义变量a＝1/l，并把a和r看作变量，把和看作a和r的估计值。
[0075]
定义线性观测器矩阵为：
[0076][0077]
定义lyapunov的公式为：
[0078][0079]
其中，sn＝[s1s2s3s4]
t
[0080][0081][0082][0083][0084]
根据lyapunov稳定性理论，系统渐进稳定的必须满足：dv
′
/dt＜0和v'＞0。
[0085]
根据得到参数辨识的公式为：
[0086]
[0087][0088]
由上面式子可以看出可以由的初始值得到，等估计趋于稳定以后，可以再由r 得到，最终实现电机电气参数的在线估计。
[0089]
最终系统的控制控制律描述为：
[0090][0091][0092]
其中，α1和α2为增益调节参数，用在调节收敛速度。r和l分别设定为电机离线测量的电阻和电感值。
[0093]
由系统控制率来得到电机转子的位置和速度的方法，包括下面两种：
[0094]
1)角度估计方法可以采用反电势直接计算的方法：
[0095][0096]
其中，估计角度速度估计可以通过对估计角度求微分得到。
[0097]
(2)采用锁相环方法，如图5所示，通过调节锁相环pi控制器的系数kp和ki得到电机转子的估计位置和估计速度：
[0098][0099]
s203、利用电机数学模型和提取出的量估算出电机转子的位置和速度。
[0100]
上述的估算电机转子的位置和速度的方法，依据电流采样电路采集到的电机输入电流，通过直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从电机定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中提取出与速度、位置有关的量，利用这些检测到的量和电机数学模型推测出电机转子的位置和转速，实现电机闭环控制。
[0101]
实施例2
[0102]
请参阅图6，本发明实施例提供了一种具备安全冗余位置估算的电机控制器，包括控制电路、驱动电路、功率模块、电流采样电路及位置传感器，控制电路包括主控制单元、位置速度检测单元及位置速度估算单元，主控制单元分别与位置速度检测单元、位置速度估算单元及驱动电路连接，位置速度检测单元还通过位置传感器与电机连接，位置速度估算单元还通过电流采样电路与功率模块的输出端连接，功率模块的输出端还与电机连接，功率模块的驱动端与驱动电路连接，功率模块的输入端与电池连接。
[0103]
控制电路用于负责接收系统的控制指令，并采集电池的输入电压和电流、三相输出电流、电机的转速和转动位置、环境温度、功率模块温度、电机温度等，通过高性能的控制算法完成对电机的转矩控制，同时实现系统的故障保护。
[0104]
具体的，控制电路的位置速度检测单元通过位置传感器检测电机转子的位置和速度。控制电路的位置速度估算单元依据电流采样电路采集到的电机输入电流估算电机转子的位置和速度，并上传给控制电路的主控制单元，与位置速度估算单元检测到的电机转子的位置和速度进行比较，做安全冗余备份。正常情况下，主控制单元用位置速度检测单元检测出的电机转子的位置和速度进行控制，同时通过位置速度估算单元计算出电机转子的位置和速度，与检测出的电机转子的位置和速度进行比较，判断位置传感器是否失效；若主控制单元比较后，发现两者数据偏差达到一定数值比例(当数据偏差达到一定数值比例时，说明位置传感器可能出现故障)，主控制单元将电机控制器的控制方式从有位置传感器控制切换到无位置传感器控制，用位置速度估算单元计算得到的电机转子的位置和速度进行控制，保证电机仍能正常运行，这样就避免位置传感器及解码电路失效造成的灾难性后果。
[0105]
驱动电路用于将输出的若干路驱动信号进行电气隔离和功率放大以后送到功率模块上对应的功率管的门极，且一般还同时具有短路保护功能、欠压保护功能、vce电压监测功能以及ntc温度检测功能。
[0106]
具体的，驱动电路包括驱动芯片和若干路驱动电路，驱动芯片分别与若干路驱动电路和控制电路连接，若干路驱动电路还通过电气隔离电路和功率放大电路分别与功率模块上对应的功率管连接，实现将输出的若干路驱动信号进行电气隔离和功率放大以后送到功率模块上对应的功率管的门极。同时，驱动电路还包括短路保护电路、欠压保护电路、vce电压监测电路及ntc温度检测电路，短路保护电路、欠压保护电路、vce电压监测电路及ntc 温度检测电路均与驱动芯片连接，使驱动电路具有短路保护功能、欠压保护功能、vce电压监测功能以及ntc温度检测功能。
[0107]
功率模块用于将电池输入的直流电根据控制电路的控制指令通过三相全桥逆变电路逆变成为三相频率可变的交流电，对电机的转矩实时控制。具体的，功率模块的输入端通过 dc输入电路与电池连接，功率模块的输出端通过三相ac输出电路与电机连接。
[0108]
请参阅图7，在本实施例中，电流采样电路包括分流器、滤波电路、隔离器件、供电电源及运放电路。功率模块的输出端连接分流器，分流器经过滤波电路、隔离器件及运放电路后与位置速度估算单元连接，供电电源与隔离器件连接。具体的，三相ac输出电路的u、 v、w三路均串联有一个分流器，电流经过分流器会产生压降，即会产生电压信号，电压信号经过滤波电路过滤掉电压干扰信号，然后经过隔离器件，电压信号被第一次放大，在进入运放电路，将电压信号再次做放大处理，然后传输到控制电路的位置速度估算单元做电机转子的位置和速度估算之用。
[0109]
分流器是一个电阻非常小的电阻，精度高、温漂小，当电流流过分流器的时候，可以通过检测两端的压降可以准确计算出电流的大小。
[0110]
隔离器件采用隔离光耦，可以起到隔离输出电路的高压和低压信号电路，保证电路安全，并可以放大采集到信号。
[0111]
供电电源是给隔离光耦提供工作电源，由控制电路的辅源电路提供。
[0112]
运放电路由电阻、电容和运放大器组成，是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器，是具有很高放大倍数的电路单元，主要作用是对信号做数倍放大处理，以利于将检测到微小信号放大到可以做运算之用。
[0113]
在本实施例中，控制电路还包括温度采样电路，主控制单元与温度采样电路连接。具体的，温度采样电路包括环境温度采样电路、功率模块温度采样电路及电机温度采样电路，主控制单元分别与环境温度采样电路、功率模块温度采样电路及电机温度采样电路连接。环境温度采样电路用于电机控制器周边的环境温度，功率模块温度采样电路用于采集功率模块的温度，电机温度采样电路用于采集电机的温度。
[0114]
在本实施例中，位置传感器为旋转变压器或者其他位置传感器，本发明对此不做限制，能够检测电机转子的位置、速度数据即可。电机为永磁同步电机。在本实施例中，电流采样器件为分流器，也可以使用电流霍尔器件等，本发明对此不做限制，能够检测电机相电流即可。
[0115]
本发明在传统方案(如图8所示)的基础上增加了无位置传感器估算控制的电路，通过估算的位置和速度与有位置传感器检测到的数据进行比较，当数据偏差达到一定程度的时候，说明有位置传感器可能出现故障，此时通过将控制方式由有位置传感器控制切换到无位置传感器控制，即可达到安全冗余的目的。
[0116]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
[0117]
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。