趙金國(guó)，張曉娟

(1.西京學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，西安710123; 2.西京學(xué)院 控制工程學(xué)院，西安710123)

0 引 言

由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車帶來嚴(yán)重的能源消耗以及環(huán)境污染問題，各國(guó)正積極研究開發(fā)新能源汽車來應(yīng)對(duì)和解決油耗與污染問題，希望通過汽車工業(yè)的新技術(shù)革新來解決所面臨的能源與環(huán)境危機(jī)。同時(shí)各國(guó)不斷提升汽車節(jié)能減排有關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)動(dòng)力汽車逐漸向新能源汽車過渡，促使電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展。輪轂電機(jī)是永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。輪轂電機(jī)技術(shù)是將動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置及制動(dòng)裝置都整合一起到輪轂內(nèi)，可采用分布式驅(qū)動(dòng)方式。由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，輪轂電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：取消了傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)各部件，使車輛整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，底盤空間利用率增大；可以容易的實(shí)現(xiàn)單個(gè)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，使車輛驅(qū)動(dòng)模式的設(shè)計(jì)更加靈活，可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)力的最優(yōu)分配；可以通過對(duì)單個(gè)或多個(gè)輪轂電機(jī)進(jìn)行控制，車輛動(dòng)力學(xué)控制的能力得到提高，車輪響應(yīng)更加迅速，減少了動(dòng)力在傳遞過程中產(chǎn)生的損耗，提高了汽車的整體效率[1]。因此，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的較好選擇。

輪轂電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行依賴于電機(jī)控制技術(shù)，因此對(duì)電機(jī)各種運(yùn)行狀況下控制策略的研究必不可少。在實(shí)際的工業(yè)控制系統(tǒng)尤其是高性能的調(diào)速場(chǎng)合，電流傳感器是重要的采集電流信號(hào)的元件，在高低溫、潮濕等環(huán)境下可能發(fā)生故障導(dǎo)致精度的降低甚至損壞[2]，這將直接影響到電機(jī)的調(diào)速性能，影響電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可控性，甚至造成危害影響車輛駕駛員的生命安全[3]。因此，輪轂電機(jī)電流傳感器的故障控制研究是十分重要的。

1 技術(shù)分析

1.1 相關(guān)技術(shù)不足的分析

國(guó)內(nèi)有關(guān)“電流傳感器故障重構(gòu)方法”技術(shù)資料顯示，其主要針對(duì)永磁同步電機(jī)電流傳感器故障重構(gòu)方法及裝置[4]。其控制方法通過構(gòu)造狀態(tài)方程得到正常的電流觀測(cè)值，這需要精確的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型和明確的系統(tǒng)參數(shù)，眾所周知，電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中由于溫度的變化會(huì)引起電機(jī)參數(shù)的變化，因此，該控制方法不具備良好的魯棒性，同時(shí)該控制方法需要對(duì)整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建立模型，對(duì)于系統(tǒng)計(jì)算能力要求比較高[5]。

三種主要故障類型包括：故障1為傳感器測(cè)量的突然失靈造成測(cè)量信號(hào)丟失；故障2為傳感器測(cè)量值與真實(shí)值存在恒定誤差；故障3為傳感器測(cè)量值與真實(shí)值的偏差隨時(shí)間發(fā)生變化。

1.2 技術(shù)方案步驟

輪轂電機(jī)故障診斷與重構(gòu)的控制方法，包括以下步驟：

①根據(jù)電流傳感器的三種主要故障類型建立輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制下傳感器故障時(shí)輸出電流ix的表達(dá)式。②通過電流傳感器測(cè)量三相電流ia，ib，ic。③利用相電流輻射對(duì)電流進(jìn)行標(biāo)幺化處理，得到標(biāo)幺化的相電流ixN。④通過構(gòu)造故障檢測(cè)變量W、U的表達(dá)式對(duì)電流傳感器進(jìn)行故障檢測(cè)。⑤構(gòu)造傳感器故障處理的優(yōu)先級(jí)，并且通過構(gòu)造故障診斷變量Rx、Sx的表達(dá)式確定傳感器故障的位置。⑥按照故障處理優(yōu)先級(jí)以及傳感器故障診斷信息，通過計(jì)算重新構(gòu)造電流輸出值[6]。⑦完成傳感器電流故障診斷以及故障電流重構(gòu)后，將重構(gòu)的電流與正常的傳感器輸出電流共同輸出作為電流閉環(huán)控制的反饋電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)行[7]。

當(dāng)x相電流傳感器發(fā)生故障時(shí)，傳感器相電流輸出值會(huì)發(fā)生變化，包括電流幅值和相角的變化，此時(shí)x相電流傳感器輸出電流表達(dá)式為

ix=(1+A)Imsin(ωt+Фx)+B

(1)

式中，A為漂移偏差系數(shù)，B為固定偏差，Im為電流幅值，ω為電氣角頻率，Фx為x相電流傳感器輸出電流的初始相位角。

若無故障發(fā)生，則A=0，B=0；當(dāng)故障1發(fā)生時(shí)，則A=﹣1，B=0；當(dāng)故障2發(fā)生時(shí)，則A=0，B≠0；當(dāng)故障3發(fā)生時(shí)，則A≠0，B=0。

檢測(cè)電流傳感器三相電流ia，ib，ic。

利用相電流幅值對(duì)電流進(jìn)行標(biāo)幺化處理，標(biāo)幺化后的電流ixN表達(dá)式為

(2)

式中,Im-est為三相電流幅值的最大值，即Im-est=max{Ia-est，Ib-est，Ic-est}；ixN的取值范圍為±1.4。構(gòu)造故障診斷變量W、U的表達(dá)式對(duì)電流傳感器進(jìn)行故障檢測(cè)，判斷傳感器是否發(fā)生故障。構(gòu)造的檢測(cè)變量表達(dá)式為

(3)

(4)

d=ia+ib+ic

(5)

式中，T為輸出電流波形周期，ia、ib、ic分別為a、b、c三相電流，iaN、ibN、icN分別為a、b、c三相標(biāo)幺化電流，W為三相電流之和的絕對(duì)值取均值，U為三相標(biāo)幺化電流之和的絕對(duì)值取均值。

若沒有傳感器故障時(shí)，檢測(cè)變量W、U值均為0，考慮到負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的變化，設(shè)置變量W、U門限值CW、CU，當(dāng)滿足W>CW或U>CU，即可判斷電流傳感器發(fā)生故障。

考慮到3種電流傳感器故障不能同時(shí)發(fā)生，構(gòu)造傳感器故障處理的優(yōu)先級(jí)為故障1、故障2、故障3。通過構(gòu)造故障診斷變量計(jì)算確定故障類型以及確定故障發(fā)生的傳感器位置[8]。電流傳感器模塊、電流標(biāo)幺化處理模塊、電流傳感器故障判斷模塊以及故障優(yōu)先級(jí)診斷重構(gòu)處理模塊組成的基本流程，構(gòu)造傳感器故障優(yōu)先處理流程圖，如圖1所示。

圖1 構(gòu)造傳感器故障優(yōu)先處理流程圖

首先判斷傳感器是否存在故障，若判斷存在故障，則按照故障1→故障2→故障3，依次類推電流重構(gòu)模型進(jìn)行電流的重構(gòu)計(jì)算[9]。

構(gòu)造的故障類型判斷以及故障位置確定的變量Rx、Sx的表達(dá)式為

(6)

(7)

式中，Rx為x相電流絕對(duì)值的均值，Sx為x相電流的均值。

若傳感器沒有故障發(fā)生，可得Rx=0.64，Sx=0，當(dāng)檢測(cè)存在故障時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)首先判斷是否發(fā)生故障1。令

Fx=0.64-Rx

(8)

式中，F(xiàn)x為x相電流傳感器發(fā)生故障1的標(biāo)志。

當(dāng)x相傳感器沒有發(fā)生故障1時(shí)，定位變量Rx=0.64，Sx=0；當(dāng)x相傳感器發(fā)生故障1時(shí)，定位變量Rx=0，Sx=0.64，考慮到負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的變化，設(shè)置變量Fx門限值CF，當(dāng)判斷發(fā)生故障且滿足Fx>CF，即可確定x相傳感器發(fā)生故障1。

若判斷發(fā)生故障且排除故障1，則按照優(yōu)先級(jí)判斷是否發(fā)生故障2。

當(dāng)x相傳感器沒有發(fā)生故障2時(shí)，Sx=0；當(dāng)x傳感器發(fā)生故障2時(shí)，Sx≠0，考慮到負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的變化，設(shè)置變量Sx門限值CS，當(dāng)滿足|Sx>CS可確定x相傳感器發(fā)生故障2。

當(dāng)檢測(cè)到電流傳感器故障存在，且排除故障1、2時(shí)，可確定傳感器故障為故障3；通過三相電流之和d以及轉(zhuǎn)子位置信息θ確定故障位置的診斷。

若d(kπ)=0,則a相傳感器故障，若d(kπ+2π/3)=0，則b相傳感器故障，若d(kπ-2π/3)=0。則c相傳感器故障。

傳感器故障診斷邏輯歸納，如表1所示。

表1 傳感器故障診斷邏輯

2 技術(shù)實(shí)施

按照故障優(yōu)先處理級(jí)以及傳感器故障診斷信息，通過計(jì)算機(jī)重新構(gòu)造電流輸出值。為了計(jì)算重構(gòu)電流的表達(dá)式，假設(shè)故障均發(fā)生在a相[10]。

圖2 故障1的診斷與電流重構(gòu)圖

當(dāng)確定傳感器發(fā)生故障1時(shí)，電流傳感器完全失效故障，實(shí)現(xiàn)傳感器位置確定并進(jìn)行故障電流重構(gòu)的控制流程，故障1的診斷與電流重構(gòu)，如圖2所示。電機(jī)的輸入電流通過傳感器測(cè)得，按照故障1→故障2→故障3的故障診斷步驟確定故障的位置，利用另外正常的兩相電流傳感器電流值相加得到重構(gòu)的相電流值，作為電流閉環(huán)控制中的反饋電流，即：

ia′=-(ib+ic)

(9)

當(dāng)確定傳感器發(fā)生故障2時(shí)，電流傳感器固定偏差故障，實(shí)現(xiàn)傳感器位置確定和固定偏差計(jì)算并進(jìn)行電流固定偏差修正的控制流程，要按一定規(guī)律和順序進(jìn)行，故障2的診斷與電流重構(gòu)，如圖3所示。

圖3 故障2的診斷與電流重構(gòu)圖

按照故障1→故障2→故障3的故障診斷步驟確定故障傳感器位置，按照設(shè)置的步長(zhǎng)迭代計(jì)算電流固定偏差，利用故障傳感器的電流輸出值與固定偏差作差得到校正的電流值，并計(jì)算診斷變量|Sx|，判斷其是否小于門限值，若變量小于門限值，則完成電流重構(gòu)，重構(gòu)的電流輸出作為電流閉環(huán)控制中的反饋電流，若變量大于門限值，繼續(xù)迭代計(jì)算固定偏差，直至校正的電流能夠使診斷變量小于門限值，此時(shí)電流固定偏差得到消除，即：

(10)

當(dāng)確定a相傳感器發(fā)生故障3時(shí)，電流傳感器漂移偏差故障，實(shí)現(xiàn)傳感器位置確定和漂移偏差系數(shù)的計(jì)算并進(jìn)行電流漂移偏差修正的控制流程(電流重構(gòu)計(jì)算)，故障3的診斷與電流重構(gòu)，如圖4所示。按照故障1→故障2→故障3的故障步驟診斷確定傳感器的位置，然后計(jì)算存在偏差電流的漂移偏差系數(shù)A，利用故障傳感器的電流輸出值除以漂移偏差系數(shù)得到重構(gòu)的電流值，此時(shí)滿足：

(11)

圖4 故障3的診斷與電流重構(gòu)圖

漂移誤差系數(shù)A的符號(hào)由三相電流之和d以及轉(zhuǎn)子位置信息θ確定，若d(2kπ+π/2)值為正，則漂移誤差系數(shù)A的符號(hào)為正號(hào)，反之則為負(fù)號(hào)，漂移誤差系數(shù)A值為

(12)

通過傳感器電流與電流增益的比值計(jì)算重構(gòu)的輸出電流為

(13)

通過上述方法完成傳感器電流故障診斷以及故障電流重構(gòu)后，將重構(gòu)的電流作為電流閉環(huán)控制的反饋電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié) 語

本文研究的輪轂電機(jī)故障診斷與重構(gòu)的控制方法，用于處理傳感器完全失效故障，同時(shí)具備對(duì)傳感器固定偏差和漂移誤差的在線修正能力，重點(diǎn)解決了以下的問題。

(1)利用傳感器電流信息和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，建立電流傳感器故障診斷以及電流信息重構(gòu)的控制器模型，因而不需要精確的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型和明確的系統(tǒng)參數(shù)。該控制方法的簡(jiǎn)單性和可靠性使該方法特別適用于計(jì)算能力有限的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。

(2)該控制器模型依靠電流信息和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的變化以下并不大，因此有效提高了該控制器的魯棒性和實(shí)時(shí)性。

(3)該控制器模型能夠針對(duì)電流傳感器三種故障，在實(shí)現(xiàn)故障診斷的同時(shí)，能夠通過快速計(jì)算完成電流信息的重構(gòu)，以滿足輪轂電機(jī)穩(wěn)定正常運(yùn)行，很大程度上提高了電機(jī)運(yùn)行時(shí)傳感器的容錯(cuò)性能。