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
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