基于輪轂電機故障診斷與重構的控制方法

趙金國，張曉娟

(1.西京學院 機電技術系，西安710123; 2.西京學院 控制工程學院，西安710123)

0 引 言

由于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車帶來嚴重的能源消耗以及環(huán)境污染問題，各國正積極研究開發(fā)新能源汽車來應對和解決油耗與污染問題，希望通過汽車工業(yè)的新技術革新來解決所面臨的能源與環(huán)境危機。同時各國不斷提升汽車節(jié)能減排有關政策標準，傳統(tǒng)動力汽車逐漸向新能源汽車過渡，促使電動汽車的電機驅動技術進入快速發(fā)展。輪轂電機是永磁同步電機及其控制系統(tǒng)的簡稱。輪轂電機技術是將動力裝置、傳動裝置及制動裝置都整合一起到輪轂內(nèi)，可采用分布式驅動方式。由于自身的結構特點，輪轂電機具有諸多優(yōu)點：取消了傳統(tǒng)汽車的動力系統(tǒng)各部件，使車輛整體結構簡單，底盤空間利用率增大；可以容易的實現(xiàn)單個車輪獨立驅動，使車輛驅動模式的設計更加靈活，可以達到驅動力的最優(yōu)分配；可以通過對單個或多個輪轂電機進行控制，車輛動力學控制的能力得到提高，車輪響應更加迅速，減少了動力在傳遞過程中產(chǎn)生的損耗，提高了汽車的整體效率[1]。因此，輪轂電機驅動系統(tǒng)成為電動汽車驅動系統(tǒng)的較好選擇。

輪轂電機的穩(wěn)定可靠運行依賴于電機控制技術，因此對電機各種運行狀況下控制策略的研究必不可少。在實際的工業(yè)控制系統(tǒng)尤其是高性能的調(diào)速場合，電流傳感器是重要的采集電流信號的元件，在高低溫、潮濕等環(huán)境下可能發(fā)生故障導致精度的降低甚至損壞[2]，這將直接影響到電機的調(diào)速性能，影響電機運行穩(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，輪轂電機電流傳感器的故障控制研究是十分重要的。

1 技術分析

1.1 相關技術不足的分析

國內(nèi)有關“電流傳感器故障重構方法”技術資料顯示，其主要針對永磁同步電機電流傳感器故障重構方法及裝置[4]。其控制方法通過構造狀態(tài)方程得到正常的電流觀測值，這需要精確的電機驅動系統(tǒng)模型和明確的系統(tǒng)參數(shù)，眾所周知，電機在實際運行過程中由于溫度的變化會引起電機參數(shù)的變化，因此，該控制方法不具備良好的魯棒性，同時該控制方法需要對整個電機驅動系統(tǒng)建立模型，對于系統(tǒng)計算能力要求比較高[5]。

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

1.2 技術方案步驟

輪轂電機故障診斷與重構的控制方法，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轉速閉環(huán)控制下傳感器故障時輸出電流ix的表達式。②通過電流傳感器測量三相電流ia，ib，ic。③利用相電流輻射對電流進行標幺化處理，得到標幺化的相電流ixN。④通過構造故障檢測變量W、U的表達式對電流傳感器進行故障檢測。⑤構造傳感器故障處理的優(yōu)先級，并且通過構造故障診斷變量Rx、Sx的表達式確定傳感器故障的位置。⑥按照故障處理優(yōu)先級以及傳感器故障診斷信息，通過計算重新構造電流輸出值[6]。⑦完成傳感器電流故障診斷以及故障電流重構后，將重構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，實現(xiàn)電機的正常運行[7]。

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

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；當故障1發(fā)生時，則A=﹣1，B=0；當故障2發(fā)生時，則A=0，B≠0；當故障3發(fā)生時，則A≠0，B=0。

檢測電流傳感器三相電流ia，ib，ic。

利用相電流幅值對電流進行標幺化處理，標幺化后的電流ixN表達式為

(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。構造故障診斷變量W、U的表達式對電流傳感器進行故障檢測，判斷傳感器是否發(fā)生故障。構造的檢測變量表達式為

(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三相標幺化電流，W為三相電流之和的絕對值取均值，U為三相標幺化電流之和的絕對值取均值。

若沒有傳感器故障時，檢測變量W、U值均為0，考慮到負載轉矩及轉速的變化，設置變量W、U門限值CW、CU，當滿足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發(fā)生，構造傳感器故障處理的優(yōu)先級為故障1、故障2、故障3。通過構造故障診斷變量計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)先級診斷重構處理模塊組成的基本流程，構造傳感器故障優(yōu)先處理流程圖，如圖1所示。

圖1 構造傳感器故障優(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，依次類推電流重構模型進行電流的重構計算[9]。

構造的故障類型判斷以及故障位置確定的變量Rx、Sx的表達式為

(6)

(7)

式中，Rx為x相電流絕對值的均值，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，當檢測存在故障時，按照優(yōu)先級首先判斷是否發(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的標志。

當x相傳感器沒有發(fā)生故障1時，定位變量Rx=0.64，Sx=0；當x相傳感器發(fā)生故障1時，定位變量Rx=0，Sx=0.64，考慮到負載轉矩及轉速的變化，設置變量Fx門限值CF，當判斷發(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)先級判斷是否發(fā)生故障2。

當x相傳感器沒有發(fā)生故障2時，Sx=0；當x傳感器發(fā)生故障2時，Sx≠0，考慮到負載轉矩及轉速的變化，設置變量Sx門限值CS，當滿足|Sx>CS可確定x相傳感器發(fā)生故障2。

當檢測到電流傳感器故障存在，且排除故障1、2時，可確定傳感器故障為故障3；通過三相電流之和d以及轉子位置信息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 技術實施

按照故障優(yōu)先處理級以及傳感器故障診斷信息，通過計算機重新構造電流輸出值。為了計算重構電流的表達式，假設故障均發(fā)生在a相[10]。

圖2 故障1的診斷與電流重構圖

當確定傳感器發(fā)生故障1時，電流傳感器完全失效故障，實現(xiàn)傳感器位置確定并進行故障電流重構的控制流程，故障1的診斷與電流重構，如圖2所示。電機的輸入電流通過傳感器測得，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)

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

圖3 故障2的診斷與電流重構圖

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，按照設置的步長迭代計算電流固定偏差，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，重構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，此時電流固定偏差得到消除，即：

(10)

當確定a相傳感器發(fā)生故障3時，電流傳感器漂移偏差故障，實現(xiàn)傳感器位置確定和漂移偏差系數(shù)的計算并進行電流漂移偏差修正的控制流程(電流重構計算)，故障3的診斷與電流重構，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)得到重構的電流值，此時滿足：

(11)

圖4 故障3的診斷與電流重構圖

漂移誤差系數(shù)A的符號由三相電流之和d以及轉子位置信息θ確定，若d(2kπ+π/2)值為正，則漂移誤差系數(shù)A的符號為正號，反之則為負號，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算重構的輸出電流為

(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后，將重構的電流作為電流閉環(huán)控制的反饋電流，實現(xiàn)電機的正常運轉。

3 結 語

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

(1)利用傳感器電流信息和電機轉子位置信息，建立電流傳感器故障診斷以及電流信息重構的控制器模型，因而不需要精確的輪轂電機驅動系統(tǒng)模型和明確的系統(tǒng)參數(shù)。該控制方法的簡單性和可靠性使該方法特別適用于計算能力有限的實時控制系統(tǒng)中。

(2)該控制器模型依靠電流信息和電機轉子位置信息進行實時檢測和控制，其優(yōu)點是對于電機驅動系統(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時性。

(3)該控制器模型能夠針對電流傳感器三種故障，在實現(xiàn)故障診斷的同時，能夠通過快速計算完成電流信息的重構，以滿足輪轂電機穩(wěn)定正常運行，很大程度上提高了電機運行時傳感器的容錯性能。