新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中速度傳感器故障檢測及控制方法研究*

相象文

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學院 安徽合肥 230051)

新能源汽車作為環(huán)保時代的重要產(chǎn)物，不僅解決了環(huán)境污染問題，而且還緩解了不可再生能源不足問題，在多個城市得到推廣應(yīng)用[1]。驅(qū)動系統(tǒng)作為新能源汽車的重要組成部分，其速度傳感器的作業(yè)狀態(tài)在很大程度上決定了汽車行駛安全性。由于驅(qū)動系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，速度傳感器在作業(yè)期間又有可能遭受干擾[2]。為提高汽車驅(qū)動系統(tǒng)作業(yè)安全性，有效檢測速度傳感器故障成為了關(guān)鍵研究問題。目前，關(guān)于此類傳感器故障的檢測方案，檢測精度存在較大提升空間，并且缺少故障控制策略的研究[3]。文章通過構(gòu)建速度傳感器故障模型，加深探究故障問題，以此提高檢測精度，并嘗試探究故障控制方法。

1新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)

1.1新能源汽車作業(yè)驅(qū)動原理

文章在探究新能源汽車作業(yè)驅(qū)動原理時，以永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)為例，設(shè)定負載轉(zhuǎn)矩，分析電機轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系，明確電動汽車跟蹤運行能夠達到期望速度的要點[4]。

設(shè)定汽車負載轉(zhuǎn)矩，記為TP，以下為該參數(shù)計算公式：

TP=(fa+fg+fd+fr)ra+σ

(1)

式(1)中，fa代表加速阻力；fg代表分級阻力；fd代表氣動阻力；fr代表汽車作業(yè)期間車輪滾動阻力；ra代表輪胎動態(tài)半徑；σ代表動力尚未確定的部分。

根據(jù)汽車電機結(jié)構(gòu)可知，分析其與行駛速度之間的關(guān)系，可以用以下公式描述：

(2)

式(2)中，ni代表齒輪傳動比系數(shù)；nd代表傳動比；ωe代表電機轉(zhuǎn)速；vs代表汽車行駛速度。

根據(jù)式(2)中的關(guān)系可知，電機速度期望值的計算，需要建立在vs已知基礎(chǔ)上。根據(jù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，計算求取電動汽車理想跟蹤狀態(tài)下的運行速度，通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)，從而達到控制跟蹤速度的目的[5]。

1.2故障檢測與控制的關(guān)鍵

依據(jù)驅(qū)動電機作業(yè)動態(tài)模型可知，反電動勢的計算，可以將轉(zhuǎn)子位置角、轉(zhuǎn)速作為計算參數(shù)[6]。在已知反電動勢的情況下，也可以分析轉(zhuǎn)子位置角的變化情況，同時掌握電機實時轉(zhuǎn)速變化情況[7]。因此，想要提高速度傳感器故障檢測精度，找到最佳控制方案，必須加深探究反電動勢。

按照此推理，文章嘗試以反電動勢的觀測作為問題突破口，通過觀測估計反電動勢，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，計算轉(zhuǎn)子位置角、電機轉(zhuǎn)速實時變化數(shù)值。通過開展這些工作，獲取的信息可以作為電機控制的主要依據(jù)。即便電機作業(yè)期間速度傳感器發(fā)生故障，也可以通過調(diào)控，使電機作業(yè)不受影響。

2速度傳感器故障檢測

2.1速度傳感器故障模型的構(gòu)建

汽車電機驅(qū)動過程中，受各項因素影響，速度傳感器可能發(fā)生故障，包括傳感器失效、設(shè)備連接位置不牢固、設(shè)備增益下降、設(shè)備連接線路直流偏置[8]。其中，傳感器失效最為嚴重，對驅(qū)動系統(tǒng)的影響最大，文章重點探究此類故障問題的檢測。以閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)為例，構(gòu)建傳感器故障模型。該模型中速度為理論值與外界干擾之和，計算公式如下：

y'(t)=y(t)+σy(t)

(3)

式(3)中，y(t)代表理論層面上的速度值；y'(t)代表實際測量速度值；σy(t)代表因傳感器發(fā)生故障形成的驅(qū)動系統(tǒng)擾動。

2.2速度傳感器故障檢測子系統(tǒng)

基于速度傳感器作業(yè)原理，構(gòu)建故障檢測子系統(tǒng)。該系統(tǒng)以傳感器失效為工況，利用觀測器查看電機轉(zhuǎn)速，對比計算值和觀測值，根據(jù)兩數(shù)值的關(guān)系，判斷當前傳感器是否發(fā)生故障。圖1所示為速度傳感器故障檢測子系統(tǒng)。

圖1 速度傳感器故障檢測與控制子系統(tǒng)

理想條件下，利用觀測器計算獲取的轉(zhuǎn)速數(shù)值與電機實際轉(zhuǎn)速相等，認為傳感器作為正常。如果兩數(shù)值不相等，系統(tǒng)輸入端無法得到電機實際轉(zhuǎn)速反饋值，此時信號產(chǎn)生改變。按照此分析思路，設(shè)定轉(zhuǎn)速數(shù)值不同條件下的差值作為故障特征量，記為ωe(in)，計算公式如下：

(4)

考慮到電機作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，不可以將其看作理想條件下的問題，估計值與實際數(shù)值之間一定存在誤差。然而這個誤差不會無限擴大，所以將誤差看作有界值。除此之外，采集樣本過程中也可能遭受其他影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)問題。為了提高故障檢測精準度，該優(yōu)化方案引入一個大于零的閾值，利用該值確定故障特征量范圍，在不同范圍內(nèi)設(shè)定檢測因子，定義如下：

(5)

式(5)中，設(shè)定兩種判據(jù)，根據(jù)ωe(in)閾值范圍不同，確定檢測因子g數(shù)值。其中，g取值為1時，系統(tǒng)中的傳感器作業(yè)發(fā)生異常，導(dǎo)致失效；g取值為0時，傳感器作業(yè)未見異常。

3速度傳感器故障控制

3.1觀測器跟蹤設(shè)計

文章設(shè)計的觀測器，利用反電動勢數(shù)值進行估算，將得到的估算結(jié)果，作為轉(zhuǎn)子位置角、轉(zhuǎn)速實時數(shù)值計算參考依據(jù)，經(jīng)過計算得出觀測器滑模面，用以下公式來描述：

(6)

(7)

式(7)中，?j(t)代表調(diào)整項，利用該數(shù)值調(diào)整輸出值，使得驅(qū)動系統(tǒng)作業(yè)采集到的電流值與實際電流值相同，以此提高觀測精準性，將其作為故障容錯控制基礎(chǔ)。

3.2速度傳感器故障容錯控制

關(guān)于傳感器故障的控制，采用如圖1所示的控制方案，對速度傳感器采取容錯控制。首先將故障隔離開來，觀察速度傳感器作業(yè)狀態(tài)，當其達到完成失效狀態(tài)時，開啟容錯控制模塊，通過控制該模塊中的虛擬傳感器，估算轉(zhuǎn)速，生成估計值，將這個數(shù)值作為反饋對象，傳遞到速度控制器。其中，容錯控制器的作用就是調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，使得速度控制器獲得與實際轉(zhuǎn)速相同的數(shù)值。在此情況下，驅(qū)動裝置發(fā)生故障時，速度傳感器也可以接收到真實轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，從而有效控制電機作業(yè)。

關(guān)于容錯控制的設(shè)計，該研究設(shè)定以下轉(zhuǎn)速調(diào)整規(guī)律：

(8)

式(8)中，W1和W2代表速度控制增益，取值范圍W1>0，W2>0，參數(shù)σ1與檢測因子g之間的關(guān)系如下：

(9)

如果轉(zhuǎn)速ωref突然發(fā)生變化，并且變化幅度較大，或者驅(qū)動系統(tǒng)遭受外界影響，負載增加幅度較大，這些情況都有可能導(dǎo)致速度容錯控制達到飽和狀態(tài)。為了充分發(fā)揮該控制方案作用，需要根據(jù)實際情況，調(diào)節(jié)速度控制增益W1和W2，盡可能縮小跟蹤誤差σ1。

4測試分析

4.1測試環(huán)境

該測試在CarSim軟件中執(zhí)行，按照速度傳感器故障檢測與控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建子系統(tǒng)架構(gòu)，對速度傳感器作業(yè)狀態(tài)進行檢測。其中，速度傳感器作業(yè)參數(shù)為：①額定功率：60kW；②定子電阻：0.83Ω；③額定轉(zhuǎn)速：650rad/s；④極對數(shù)：4；⑤q 軸定子電感：0.5mH；⑥d 軸定子電感：0.5mH。

4.2測試內(nèi)容與過程

(1)速度傳感器故障檢測功能測試：利用CarSim軟件模擬6個不同作業(yè)場景，分別對新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)造成不同干擾，采集不同場景中速度傳感器實際作業(yè)信息，同時收集模擬場景中故障檢測結(jié)果，對比兩部分信息是否相符。

(2)速度傳感器故障控制功能測試：①觀測器跟蹤功能測試。測試觀測器跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)作業(yè)電流，記錄此部分數(shù)據(jù)。與此同時，統(tǒng)計系統(tǒng)作業(yè)實際產(chǎn)生電流。②速度傳感器故障容錯控制功能測試。

4.3測試結(jié)果分析

按照上述測試內(nèi)容及步驟，分別對速度傳感器故障檢測功能、觀測器跟蹤功能、傳感器故障容錯控制功能進行測試，結(jié)果如表1、表2、表3所示。

表1 速度傳感器故障檢測功能測試結(jié)果

表1顯示，該設(shè)計方案能夠準確檢測速度傳感器故障狀況，檢測結(jié)果與實際情況完全相符。

表2 觀測器跟蹤電流測試結(jié)果(單位：A)

表2顯示，該設(shè)計方案中觀測器跟蹤電流數(shù)值與電機作業(yè)實際電流數(shù)值相同，跟蹤精度為100%。

表3 傳感器故障容錯控制功能測試結(jié)果(單位：rad/s)

由表3可見，場景1和場景5中，傳感器發(fā)生故障，但是檢測到的轉(zhuǎn)速控制結(jié)果仍然與實際轉(zhuǎn)速控制結(jié)果保持一致，該設(shè)計方案容錯性能較好。

5結(jié)語

文章以新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)作為研究對象，重點討論了速度傳感器的故障檢測方法，并對其正常作業(yè)控制方案進行深入研究。該設(shè)計方案利用觀測器采集故障信息，并加以判斷，通過容錯調(diào)節(jié)，控制速度傳感器輸出數(shù)值。測試結(jié)果顯示，該設(shè)計方案能夠準確檢測傳感器故障，有效調(diào)節(jié)故障參數(shù)，容錯控制性能較好。