借助无传感器FOC控制方式实现电动汽车安全冗余功能

相电流和转子位置。解码后的位置数字信号通过TC1782的并口进行反溃最后，这些反馈信号由CPU进行处理，相应的调制信号通过GPTA输出端口进行输出。

图3 逆变器系统

表1

图4 测试电机

图5 电机转速102rpm， Vdc = 300v， Idc = 0.4A (顶部：来自旋转变压器的角度反馈；底部：角度误差)

图6 电机转速400rpm ，Vdc = 300v， Idc = 2.0A (顶端：来自旋转变压器的角度反馈；底部：角度误差)

图7 电机转速703rpm， Vdc = 300v，Idc = 3.2A (顶端：来自旋转变压器的角度反馈；底部：角度误差)

图8 电机转速1001rpm， Vdc = 300v，Idc = 5.5A (顶端：来自旋转变压器的角度反馈；底部：角度误差)

图9 切换至无传感器控制（电机转速300rpm， Vdc = 300v， Idc = 1.2A）

图10 切换至无传感器控制（电机转速800rpm， Vdc = 300v， Idc = 3.7A）

硬件测试平台

逆变器系统

测试是在英飞凌HybridPACK? 2逆变器模块和TC1782控制板上进行的（参见图3）。其开发目的旨在支持客户利用英飞凌HybridPACK? 2 IGBT模块进行初步应用设计。一个直流母线电容器和一个散热器被用来实现针对80kW (H)EV应用的完整主逆变器。

该逆变器的主要特点：

-针对80kW (H)EV应用的完整主逆变器

-通过汽车应用认证的IGBT模块HybridPACK? 2

- 650V/800A IGBT 二极管芯片组

-通过汽车应用认证的驱动IC 1ED020I12-FA

-基于无芯变压器技术

-高达1200V和2A驱动功能

- VCE sat 检测

-可使用不同的电机位置传感器接口：编码器、旋转变压器、GMR （巨磁电阻）或霍尔传感器

测试电机

两台相同型号的内嵌式PMSM电机通过转子轴进行机械连接。一台电机通过逆变器系统进行控制，另外一台作为发电机使用。发电机的三相交流输出被整流为直流，并与电阻箱进行连接，以耗散功率。通过这种方式，机械负荷可添加到第一台电机上。测试PMSM电机的参数参见表1：

电气参数（如相电阻和d/q轴电感）是通过特定方法进行测量的。这些参数对于无传感器控制方案的准确性至关重要。

测试结果和讨论

对提议的控制方案进行测试以验证两项功能：1.相对低速范围内转子角度估算的准确性；2. 旋转变压器反馈的故障检测功能，以保证无缝切换至无传感器控制模式。

在稳态工作模式下，电机在300V直流电压下利用无传感器算法运行在100rpm-1000rpm范围内。电气角度估算值与旋转变压器反馈信号之间的实时角度误差被Lauterbach调试器记录。下面的四幅图表明了不同负荷下电机转速为102rpm、400rpm、703rpm和 1001rpm时的角度误差。 在这些图中，顶部波形是数字形式的旋转变压器位置反馈信号：4096代表360度电气角度。底部显示的是电气角度误差。在图7和图8中，有明显的波形不连续性。这是因为调试器数据更新的不连续，而不是转子位置的突然跳变。

从这些图中，我们可以发现在低速下（如102rpm），角度误差范围在-4度到 +2.5度。在更高速度下，可取得更好的结果，误差范围在4度之内。这主要因为高速运行时反电动势幅值相应增大，从而获得分辨率。另一个因素是方程式4中计算出来的补偿角度。当电机低速运转时，这个角度非常重要。在本设计中，低通滤波器的转角速度为100rpm（=5Hz ，考虑到电机转子为3极对）。

从测试波形中，我们还可以发现角度误差中出现一次和二次谐波。这可能是因为相电流测量误差、逆变器的非线性和电机不平衡导致的。可针对这些因素进一步研究，以改进无传感器算法的准确性。

这个控制方案的另外一个关键特性是故障安全特性。为了验证软件的这个特性，当电机在高压下运行时，拔下旋转变压器信号线。图9显示了电机转速300rpm（Vdc=300v和Idc=1.2A）的测试情况。图10显示了电机转速800rpm(Vdc=300v和Idc=3.7A)的测试情况。电机的相电流（绿色）和旋变输出的正弦信号（黄色）波形利用示波器进行采集。IO（蓝色）被用来指示从用旋变反馈角度的控制向无传感器控制的切换时刻。

从切换点开始，来自旋转变压器的正弦反馈不再正常，因为电缆被拔下。软件检测到旋变解码芯片的障或位置反馈信号的巨大跳变。无传感器算法可立即接替控制工作。我们可以发现在300rpm测试案例下，相电流波形在切换前后非常一致。对于800rpm测试案例，相电流在一个周期后恢复稳定。

结论

本文介绍了针对EV应用内嵌式PMSM电机的无传感器FOC控制，这种控制方式可作为故障安全策略使用。整个软件控制算法是在英飞凌Tricore? 32位 MCU TC1782上运行的。该控制方案在内嵌式PMSM电机和HybridPACK? 2逆变器平台上进行了测试和验证。测试结果证明了两点：估算角度的准确性可接受，冗余路径可作为故障安全策略