電動助力轉向系統電機運行實時自診斷的方法
2023-04-24 15:24:31
專利名稱：電動助力轉向系統電機運行實時自診斷的方法
技術領域：
本發明涉及汽車電動助力轉向系統(EPS)領域，尤其是涉及一種電動助力轉向系統電機運行實時自診斷的方法。
背景技術：
EPS轉向系統屬於汽車安全相關部件，對安全性能的要求極高。助力電機(在以下的描述中，所涉及的「電機」均指「助力電機」)採用永磁同步電機，由三相逆變全橋進行驅動。當助力電機發生相間短路、相線開路、驅動電路故障等故障時，可能導致轉向系統鎖死、助力混亂等對乘員安全高風險的事件。電機的主要故障如下:1、電機的一個或多個線圈發生短路或開路。2、電機連接線束接錯、線束短路或開路。3、軸承或齒輪箱故障。比較常見的電機故障診斷方法有:I)、電機電流信號分析，通過測量電機實際電流信號，進行頻譜分析。2)、噪聲和震動測量。3)、基於模型和智能算法。一般來說，一些電機驅動晶片都提供了電機相線短路故障診斷功能，但是電機驅動晶片所提供的短路故障診斷功能往往時間延遲比較大，當故障發生後不能及時快速的判斷出故障。另外，電機驅動晶片並不能提供電機相線開路診斷的功能。而且即使電機驅動晶片能夠快速判斷出故障，當發生電機相線之間短路時，將電機驅動電路關閉，但由於電機反電勢的存在，能夠在電機相線通路間形成電流，仍然會導致電動助力轉向系統鎖死。因此，需要一種能夠快速檢測電機相線短路或開路的方法，同時有一個機構能夠保證在電機相線故障發生的時候，切斷電機相線通路之間的電流，對電動助力轉向系統的安全性而言顯得非常重要。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種電動助力轉向系統電機運行實時自診斷的方法，能快速檢測出電動助力轉向系統相線發生短路或開路故障，防止出現轉向系統鎖死、助力混亂的情況。為解決上述技術問題，本發明的電動助力轉向系統電機運行實時自診斷的方法是採用如下技術方案實現的:在電動助力轉向系統的助力電機相線上安裝兩個相線繼電器，基於電機控制模型分別估算直軸d軸控制電壓Vd的估計值、交軸q軸控制電壓Vq的估計值、直軸d軸電流id的估計值和交軸q軸電流iq的估計值，將得到的各估計值分別與對應的實際控制值進行比較，其差值作為是否存在交軸q軸電流iq故障、直軸d軸電流id故障、交軸q軸控制電壓Vq故障和直軸d軸控制電壓Vd故障的依據，進而診斷電機是否發生故障；當確認發生電機故障後，切斷安裝於電機相線上的兩個繼電器，切斷電機相線通路間的電流，阻止電機迴路產生電流，電動助力轉向系統切換為機械轉向系統。本發明在電動助力轉向系統的助力電機相線上安裝兩個相線繼電器，通過電機故障在線自診斷，能快速的檢測出電動助力轉向系統相線發生短路或開路的故障，以及驅動電路是否發生故障，當檢測到故障發生後，通過切斷安裝於電機相線上的兩個繼電器，切斷電機相線通路間的電流，阻止電機迴路產生電流，從而不會發生轉向系統鎖死及自轉向故障模式(助力混亂)情況，保證乘員的安全，降低EPS轉向系統風險。本發明在不增加硬體成本的基礎上，通過軟體診斷策略實現故障診斷，能大大提升電動助力轉向系統的性價比。
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明:圖1是電動助力轉向系統永磁同步電機控制框圖；圖2是Vd故障診斷控制流程圖；圖3是Vq故障診斷控制流程圖；圖4是id故障診斷控制流程圖；圖5是q軸電流環控制結構圖；圖6是q軸電流環解耦後的控制結構圖；圖7是iq故障診斷控制流程圖。
具體實施例方式電動助力轉向系統中的永磁同步電機控制框圖見圖1所示，其包括:力矩環模塊，發出電機助力力矩指令，實現基本助力控制，電機慣量補償，摩擦阻尼補償，回正和主動阻尼控制。弱磁控制模塊，根據所述電機助力力矩指令和通過電機霍爾傳感器處理模塊獲得的電機轉速，給出直軸d軸電流指令和交軸q軸電流指令。第一低通濾波器，對直軸d軸電流指令信號進行濾波。第二低通濾波器，對交軸q軸電流指令信號進行濾波。直軸電流PI控制器，將濾波後的直軸d軸電流指令信號，與電機電流採樣模塊採集的電機三相電流經靜止三相/旋轉兩相坐標系變換模塊變換得到的直軸d軸電流信號id的直軸電流誤差，作為PI (比例積分)控制的輸入，輸出直軸d軸控制電壓Vd。交軸電流PI控制器，將濾波後的交軸q軸電流指令信號，與電機電流採樣模塊採集的電機三相電流經靜止三相/旋轉兩相坐標系變換模塊變換得到的交軸q軸電流信號iq的交軸電流誤差，作為PI控制的輸入，輸出交軸q軸控制電壓Vq。旋轉兩相/靜止三相坐標系變換模塊，對直軸d軸控制電壓Vd和交軸q軸控制電壓Vq進行變換後輸出電機三相控制電壓Va、Vb和Vc。空間矢量算法模塊，根據電機三相控制電壓Va、Vb和Vc，輸出6路PWM(脈寬調製)信號。
三相H橋驅動電路，根據6路PWM信號實現對永磁同步電機(助力電機)三相電流控制。當助力電機發生相間短路、相線開路、驅動電路故障等故障時，可能導致電動助力轉向系統鎖死、助力混亂等對乘員安全高風險的事件。本發明在圖1所示現有硬體電路的基礎上，基於電機控制模型實現對直軸d軸控制電壓Vd、交軸q軸控制電壓Vq、直軸d軸電流id和交軸q軸電流iq的估算，將估計值與實際控制值進行比較，其誤差作為評判電機是否發生故障的判斷依據。直軸d軸控制電壓Vd故障診斷永磁同步電機在dq軸同步旋轉坐標系下的電壓方程如下:
權利要求
1.一種電動助力轉向系統電機運行實時自診斷的方法,其特徵在於:在電動助力轉向系統的助力電機相線上安裝兩個相線繼電器，基於電機控制模型分別估算直軸d軸控制電壓Vd的估計值、交軸q軸控制電壓Vq的估計值、直軸d軸電流id的估計值和交軸q軸電流iq的估計值，將得到的各估計值分別與對應的實際控制值進行比較，其差值作為是否存在交軸q軸電流iq故障、直軸d軸電流id故障、交軸q軸控制電壓Vq故障和直軸d軸控制電壓Vd故障的依據，進而診斷電機是否發生故障； 當確認發生電機故障後，切斷安裝於電機相線上的兩個繼電器，切斷電機相線通路間的電流，阻止電機迴路產生電流，電動助力轉向系統切換為機械轉向系統。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述直軸d軸控制電壓Vd故障診斷的方法是: 步驟1、根據電機霍爾傳感器處理模塊獲得的電機轉速信號計算電機轉子旋轉電氣角速度We，並對原始電機轉子旋轉電氣角速度信號We進行一階數字低通濾波； 步驟2、判斷濾波後的電機轉子旋轉電氣角速度We是否小於Vd故障診斷速度閥值；若大於等於Vd故障診斷速度閥值則結束直軸d軸控制電壓Vd故障診斷；若小於則執行步驟3 ； 步驟3、讀取直軸電流PI控制器輸出的實際直軸d軸控制電壓值Vd ； 步驟4、估算直軸d軸控制電壓的估計值Vd_ ； 步驟5、將該估計值Vd_與直軸電流PI控制器輸出的實際直軸d軸控制電壓值Vd進行比較，判斷兩者之差的絕對值是否大於Vd故障診斷電壓閥值；如果大於Vd故障診斷電壓閥值，則執行步驟10，將Vd故障計數器的計數值加1，然後轉移到步驟8 ;如果小於等於Vd故障診斷電壓閥值則執行步 驟6 ； 步驟6、判斷Vd故障計數器的計數值是否大於零；如果小於等於零，則轉移到步驟8 ；如果大於零則執行步驟7 ； 步驟7、將Vd故障計數器的計數值減I ; 步驟8、判斷Vd故障計數器的計數值是否大於Vd故障計數閥值；如果小於等於Vd故障計數閥值則執行步驟10，確認無直軸d軸控制電壓Vd故障，結束直軸d軸控制電壓Vd故障診斷；如果大於則執行步驟9 ； 步驟9、確認存在直軸d軸控制電壓Vd故障，結束直軸d軸控制電壓Vd故障診斷。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述交軸q軸控制電壓Vq故障診斷的方法是: 第I步、判斷濾波後的電機轉子旋轉電氣角速度We是否小於Vq故障診斷速度閥值；若大於等於Vq故障診斷速度閥值，則結束交軸q軸控制電壓Vq故障診斷；若小於則執行第2I K少； 第2步、讀取交軸電流PI控制器輸出的交軸q軸控制電壓Vq和靜止三相/旋轉兩相坐標系變換模塊變換得到的交軸q軸電流信號iq ; 第3步、根據交軸q軸控制電壓Vq和交軸q軸電流信號iq估算交軸q軸控制電壓Vq的估計值Vq_ ； 第4步、將所述交軸q軸控制電壓Vq的估計值Vq_值與交軸電流PI控制器輸出的實際交軸q軸控制電壓值Vq進行比較，判斷兩者之差的絕對值是否大於Vq故障診斷電壓閥值；如果大於Vq故障診斷電壓閥值則執行第9步，將Vq故障計數器加1，然後轉移到第7步；如果小於等於Vq故障診斷電壓閥值則執行第5步； 第5步、判斷Vq故障計數器的計數值是否大於零；如果小於等於零，則轉移到第7步；如果大於零則執行第6步； 第6步、將Vq故障計數器的計數值減I ; 第7步、判斷Vq故障計數器的計數值是否大於Vq故障計數閥值；如果小於等於Vq故障計數閥值，則執行第10步，確認無交軸q軸控制電壓Vq故障，結束交軸q軸控制電壓Vq故障診斷；如果大於則執行第8步； 第8步、確認存在交軸q軸控制電壓Vq故障，結束交軸q軸控制電壓Vq故障診斷。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述直軸d軸電流id故障診斷的方法是: 步驟一、讀取直軸d軸實際電流id ; 步驟二、取直軸d軸電流id的絕對值作為直軸電流誤差id_； 步驟三、判斷電機轉子旋轉電氣角速度We是否大於Vd故障診斷速度閥值；如果電機轉子旋轉電氣角速度We大於Vd故障診斷速度閥值時，則執行步驟十，將直軸電流誤差設為0，然後執行步驟四；如果小於，則執行步驟四； 步驟四、對直軸電流誤差id_進行低通濾波； 步驟五、判斷濾波後的直軸電流誤差id_是否大於id故障診斷電流閥值；如果大於id故障診斷電流閥值，則執行步驟十一，將id故障計數器計數值加1，然後轉移到步驟八；若小於等於則執行步驟六； 步驟六、判斷id故障計數器計數值是否大於零；若小於等於零，則轉移到步驟八；若大於零則執行步驟七； 步驟七、將id故障計數器計數值減I ; 步驟八、判斷id故障計數器計數值是否大於id故障計數閾值；如小於等於id故障計數閾值，則執行步驟十二，確認無直軸d軸電流id故障，結束直軸d軸電流id故障診斷；若大於則執行步驟九； 步驟九、確認存在直軸d軸電流id故障，結束直軸d軸電流id故障診斷。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述交軸q軸電流iq故障診斷的方法是: 第一步、對交軸q軸電流iq的估計值1卩_進行估算； 第二步、計算交軸q軸電流iq和交軸q軸電流iq的估計值iq_的差值； 第三步、判斷電機轉子旋轉電氣角速度We是否大於Vq故障診斷速度閥值；如果電機轉子旋轉電氣角速度We大於Vq故障診斷速度閥值時，則執行第十步，將iq和iq_的誤差設為0，然後執行第四步；如果小於等於，則執行第四步； 第四步、對交軸q軸電流iq和交軸q軸電流iq的估計值iq_的差值進行低通濾波；第五步、判斷交軸q軸電流iq和交軸q軸電流iq的估計值iq_的差值是否大於iq診斷故障電流閥值；如果大於，則執行第十一步，將iq故障計數器的計數值加1，然後轉移到第八步；如果小於等於則執行第六步； 第六步、判斷iq故障計數器的計數值是否大於零，如果小於等於零，則轉移到第八步；如果大於則執行第七步； 第七步、將iq故障計數器的計數值減I ;第八步、判斷iq故障計數器計數值是否大於iq故障計數閾值；如果小於等於iq故障計數閾值，則執行第十二步，確認無交軸q軸電流iq故障，結束交軸q軸電流iq故障診斷；若大於則執行第九步； 第九步、確認存在交軸q軸電流 iq故障，結束交軸q軸電流iq故障診斷。
全文摘要
本發明公開了一種電動助力轉向系統電機運行實時自診斷的方法，在電動助力轉向系統的助力電機相線上安裝兩個相線繼電器，基於電機控制模型分別估算直軸d軸控制電壓Vd的估計值、交軸q軸控制電壓Vq的估計值、直軸d軸電流id的估計值和交軸q軸電流iq的估計值，將得到的各估計值分別與對應的實際控制值進行比較，其差值作為是否存在電機故障的依據；當確認發生電機故障後，切斷安裝於電機相線上的兩個繼電器，切斷電機相線通路間的電流，阻止電機迴路產生電流，電動助力轉向系統切換為機械轉向系統。本發明能快速檢測出電動助力轉向系統相線發生短路或開路故障，防止出現轉向系統鎖死、助力混亂的情況。
文檔編號H02H7/09GK103187708SQ201110458569
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者唐文, 金燦龍, 田佰輝, 施雯 申請人:聯創汽車電子有限公司