借助無傳感器FOC控制方式實現(xiàn)電動汽車安全冗余功能

該逆變器的主要特點：

-針對80kW (H)EV應用的完整主逆變器

-通過汽車應用認證的IGBT模塊HybridPACK? 2

- 650V/800A IGBT 二極管芯片組

-通過汽車應用認證的驅動IC 1ED020I12-FA

-基于無芯變壓器技術

-高達1200V和2A驅動功能

- VCE sat 檢測

-可使用不同的電機位置傳感器接口：編碼器、旋轉變壓器、GMR （巨磁電阻）或霍爾傳感器

測試電機

兩臺相同型號的內嵌式PMSM電機通過轉子軸進行機械連接。一臺電機通過逆變器系統(tǒng)進行控制，另外一臺作為發(fā)電機使用。發(fā)電機的三相交流輸出被整流為直流，并與電阻箱進行連接，以耗散功率。通過這種方式，機械負荷可添加到第一臺電機上。測試PMSM電機的參數(shù)參見表1：

電氣參數(shù)（如相電阻和d/q軸電感）是通過特定方法進行測量的。這些參數(shù)對于無傳感器控制方案的準確性至關重要。

測試結果和討論

對提議的控制方案進行測試以驗證兩項功能：1.相對低速范圍內轉子角度估算的準確性；2. 旋轉變壓器反饋的故障檢測功能，以保證無縫切換至無傳感器控制模式。

在穩(wěn)態(tài)工作模式下，電機在300V直流電壓下利用無傳感器算法運行在100rpm-1000rpm范圍內。電氣角度估算值與旋轉變壓器反饋信號之間的實時角度誤差被Lauterbach調試器記錄。下面的四幅圖表明了不同負荷下電機轉速為102rpm、400rpm、703rpm和 1001rpm時的角度誤差。 在這些圖中，頂部波形是數(shù)字形式的旋轉變壓器位置反饋信號：4096代表360度電氣角度。底部顯示的是電氣角度誤差。在圖7和圖8中，有明顯的波形不連續(xù)性。這是因為調試器數(shù)據(jù)更新的不連續(xù)，而不是轉子位置的突然跳變。

從這些圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)在低速下（如102rpm），角度誤差范圍在-4度到 +2.5度。在更高速度下，可取得更好的結果，誤差范圍在4度之內。這主要因為高速運行時反電動勢幅值相應增大，從而獲得分辨率。另一個因素是方程式4中計算出來的補償角度。當電機低速運轉時，這個角度非常重要。在本設計中，低通濾波器的轉角速度為100rpm（=5Hz ，考慮到電機轉子為3極對）。

從測試波形中，我們還可以發(fā)現(xiàn)角度誤差中出現(xiàn)一次和二次諧波。這可能是因為相電流測量誤差、逆變器的非線性和電機不平衡導致的。可針對這些因素進一步研究，以改進無傳感器算法的準確性。

這個控制方案的另外一個關鍵特性是故障安全特性。為了驗證軟件的這個特性，當電機在高壓下運行時，拔下旋轉變壓器信號線。圖9顯示了電機轉速300rpm（Vdc=300v和Idc=1.2A）的測試情況。圖10顯示了電機轉速800rpm(Vdc=300v和Idc=3.7A)的測試情況。電機的相電流（綠色）和旋變輸出的正弦信號（黃色）波形利用示波器進行采集。IO（藍色）被用來指示從用旋變反饋角度的控制向無傳感器控制的切換時刻。

從切換點開始，來自旋轉變壓器的正弦反饋不再正常，因為電纜被拔下。軟件檢測到旋變解碼芯片的障或位置反饋信號的巨大跳變。無傳感器算法可立即接替控制工作。我們可以發(fā)現(xiàn)在300rpm測試案例下，相電流波形在切換前后非常一致。對于800rpm測試案例，相電流在一個周期后恢復穩(wěn)定。

結論

本文介紹了針對EV應用內嵌式PMSM電機的無傳感器FOC控制，這種控制方式可作為故障安全策略使用。整個軟件控制算法是在英飛凌Tricore? 32位 MCU TC1782上運行的。該控制方案在內嵌式PMSM電機和HybridPACK? 2逆變器平臺上進行了測試和驗證。測試結果證明了兩點：估算角度的準確性可接受，冗余路徑可作為故障安全策略使用。為了提高估算角度的準確性，可進行進一步研究，以確定相電流測量誤差、非線性逆變器和電機自身不平衡的影響。