借助无传感器FOC控制方式实现电动汽车安全冗余功能

在汽车应用中，旋转变压器被广泛使用，以通过其正弦和余弦反馈信号获取位置信息。通常，一个专用的旋变解码芯片(RDC）IC被用来将正余弦模拟信号解码成位置的数字信号。这些专用IC可提供高精度数字转换结果，并具有良好的动态响应。但是，汽车应用的安全要求甚高，单就RDC IC可能不足以满足严格的安全要求，比如ASIL-C甚至ASIL-D。因此，本文描述了一种从电机相电流中获取转子位置的冗余方案（无传感器FOC控制方式）。该角度估算值可以用来和RDC IC结果进行交叉检验，并可作为故障安全策略使用，以防RDC IC发生故障。

无传感器FOC控制和故障安全策略

无传感器FOC控制

在本文中，来自定子电压模型的磁链估算器被用来估算转子位置。根据下面的定子坐标系（α/β轴）电压方程式（1），转子磁链可以利用定子电流电压进行重建（如方程式（2）所示）。

在此，我们可以发现积分部分出现额外的耦合电流分量。这是因为d轴和q轴电感值不一致导致的。在EV应用中，由于内嵌式永磁同步电机能提供额外的磁阻转矩，而被广泛使用，其d轴电感远小于q轴电感。因此，这些耦合电流分量不能被忽略，尤其是在高速下。

在方程式 (2)中，积分器带来了实现问题。电流测量包含小的偏移误差，并且电压信号不是实际值。即使这些偏移误差非常小，它们依然可以导致积分漂移[1]。因此，在实际应用中，积分器通常被低通滤波器替代，参见方程式（3）[2]。在电机同步频率远高于低通滤波器的转角频率的情况下，低通滤波器的行为类似积分器。在同步频率低于转角频率的情况下，理想积分器和低通滤波器的增益和相移特性明显不同。

图1显示了低通滤波器和理想积分器的对比情况。本例中使用了5Hz截止频率。在图1的波特图中，可以看出不仅低速下增益有限，而且相位也受到了影响。这种相移使得与电机速度相关的转子磁通位置估算出现错误。

因此，有必要利用一个补偿机制来消除积分器近似导致的相移。相移角可以通过下列方程式进行轻松计算：

在此，ω代表电机同步角速度，而选择τ 是为了在本设计中将转角频率定为5Hz。

在从磁链值中提取角度信息之前，有必要进行校准以消除幅值的直流偏移。每个电气周期进行一次在线校准。采集α、β轴磁链的最大和最小值，并用来获取幅值的直流偏移量。相应地，这些偏移值被用来校准下一循环中的实时交流值。

最后，经过校准的转子磁链值被用来获取角度值（通过反正切计算）。一个代表0-45度角度的1024维度查询表被创建。剩余的45-90度角度可通过转换反正切函数进行计算：

FOC控制中使用的角度是与的计算和。

图1 低通滤波器（绿色波形）和理想积分器（蓝色波形）的波特图

故障安全策略

传统上，FOC控制使用的角度信号纯粹依赖位置传感器反馈途径，包括安装在电机中的RDC IC和旋转变压器。这是一个关键途径。在这个反馈途径中，任何组件故障都会造成严重安全问题，比如输出不必要的转矩。这会导致电动汽车的不可控，进而危及相关人员的生命安全。为了加强系统的可靠性，我们需要设计一个冗余路径。无传感器方案使用相电流作为输入，至少涵盖两个LEM电流传感器、一个作为滤波器的运放IC和一些无源组件。在微控制器中，模拟电流信号被馈入与RDC IC接口不同的ADC模块。总之，无传感器方案依赖独立于旋转变压器的反馈路径（如图2所示）。因此，无传感器方案是理想的安全冗余方案，同时能保持差异化。

图2 位置反馈路径及冗余方案的框图

要迅速响应紧急状况，无传感器角度计算始终以与FOC控制相同的频率进行，就是每个PWM周期进行一次计算。一旦软件检测到来自RDC IC的故障信号，或者最新的位置值（来自RDC IC）突然大幅跳变，无传感器控制策略将立即取代RDC IC。这是为了确保控制的无缝转换，使电机和汽车在极端情况下仍然可控。在这种方式下，电机系统可实现更高的可靠性，驾驶人员亦可免遭汽车不可控性的威胁。

实现和测试平台

软件实现

整个软件，包括传统的FOC控制和无传感器方案，是在英飞凌微控制器Tricore? TC1782上实现的。Tricore?是英飞凌32位微控制器产品家族的名称。TC1782采用的180MHz Tricore? CPU具有高端微控制器性能和先进的DSP功能。此外，快速中断响应确保了中断驱动系统的低延迟和低CPU开销等性能。具备2.5MB嵌入式闪存和176KB RAM的TC 1782是一款高性能器件，可针对嵌入式实时汽车应用提供最大价值。

要实现控制策略，需要下列TC1782外设资源（如图1所示）。通用定时器阵列（GPTA）被配置为输出三相6路PWM信号。同一模块还向内部ADC和外部RDC IC提供触发信号，以同时锁定