新能源汽车驱动系统中速度传感器故障检测及控制方法研究*

相象文

(安徽交通职业技术学院 安徽合肥 230051)

新能源汽车作为环保时代的重要产物，不仅解决了环境污染问题，而且还缓解了不可再生能源不足问题，在多个城市得到推广应用[1]。驱动系统作为新能源汽车的重要组成部分，其速度传感器的作业状态在很大程度上决定了汽车行驶安全性。由于驱动系统作业环境较为复杂，速度传感器在作业期间又有可能遭受干扰[2]。为提高汽车驱动系统作业安全性，有效检测速度传感器故障成为了关键研究问题。目前，关于此类传感器故障的检测方案，检测精度存在较大提升空间，并且缺少故障控制策略的研究[3]。文章通过构建速度传感器故障模型，加深探究故障问题，以此提高检测精度，并尝试探究故障控制方法。

1新能源汽车驱动系统

1.1新能源汽车作业驱动原理

文章在探究新能源汽车作业驱动原理时，以永磁同步电机驱动系统为例，设定负载转矩，分析电机转速与汽车行驶速度之间的关系，明确电动汽车跟踪运行能够达到期望速度的要点[4]。

设定汽车负载转矩，记为TP，以下为该参数计算公式：

TP=(fa+fg+fd+fr)ra+σ

(1)

式(1)中，fa代表加速阻力；fg代表分级阻力；fd代表气动阻力；fr代表汽车作业期间车轮滚动阻力；ra代表轮胎动态半径；σ代表动力尚未确定的部分。

根据汽车电机结构可知，分析其与行驶速度之间的关系，可以用以下公式描述：

(2)

式(2)中，ni代表齿轮传动比系数；nd代表传动比；ωe代表电机转速；vs代表汽车行驶速度。

根据式(2)中的关系可知，电机速度期望值的计算，需要建立在vs已知基础上。根据转矩和转速之间的关系，计算求取电动汽车理想跟踪状态下的运行速度，通过调整电机转矩控制参数，从而达到控制跟踪速度的目的[5]。

1.2故障检测与控制的关键

依据驱动电机作业动态模型可知，反电动势的计算，可以将转子位置角、转速作为计算参数[6]。在已知反电动势的情况下，也可以分析转子位置角的变化情况，同时掌握电机实时转速变化情况[7]。因此，想要提高速度传感器故障检测精度，找到最佳控制方案，必须加深探究反电动势。

按照此推理，文章尝试以反电动势的观测作为问题突破口，通过观测估计反电动势，记录相关数据，计算转子位置角、电机转速实时变化数值。通过开展这些工作，获取的信息可以作为电机控制的主要依据。即便电机作业期间速度传感器发生故障，也可以通过调控，使电机作业不受影响。

2速度传感器故障检测

2.1速度传感器故障模型的构建

汽车电机驱动过程中，受各项因素影响，速度传感器可能发生故障，包括传感器失效、设备连接位置不牢固、设备增益下降、设备连接线路直流偏置[8]。其中，传感器失效最为严重，对驱动系统的影响最大，文章重点探究此类故障问题的检测。以闭环驱动系统为例，构建传感器故障模型。该模型中速度为理论值与外界干扰之和，计算公式如下：

y'(t)=y(t)+σy(t)

(3)

式(3)中，y(t)代表理论层面上的速度值；y'(t)代表实际测量速度值；σy(t)代表因传感器发生故障形成的驱动系统扰动。

2.2速度传感器故障检测子系统

基于速度传感器作业原理，构建故障检测子系统。该系统以传感器失效为工况，利用观测器查看电机转速，对比计算值和观测值，根据两数值的关系，判断当前传感器是否发生故障。图1所示为速度传感器故障检测子系统。

图1 速度传感器故障检测与控制子系统

理想条件下，利用观测器计算获取的转速数值与电机实际转速相等，认为传感器作为正常。如果两数值不相等，系统输入端无法得到电机实际转速反馈值，此时信号产生改变。按照此分析思路，设定转速数值不同条件下的差值作为故障特征量，记为ωe(in)，计算公式如下：

(4)

考虑到电机作业环境比较复杂，不可以将其看作理想条件下的问题，估计值与实际数值之间一定存在误差。然而这个误差不会无限扩大，所以将误差看作有界值。除此之外，采集样本过程中也可能遭受其他影响，导致检测结果出现问题。为了提高故障检测精准度，该优化方案引入一个大于零的阈值，利用该值确定故障特征量范围，在不同范围内设定检测因子，定义如下：

(5)

式(5)中，设定两种判据，根据ωe(in)阈值范围不同，确定检测因子g数值。其中，g取值为1时，系统中的传感器作业发生异常，导致失效；g取值为0时，传感器作业未见异常。

3速度传感器故障控制

3.1观测器跟踪设计

文章设计的观测器，利用反电动势数值进行估算，将得到的估算结果，作为转子位置角、转速实时数值计算参考依据，经过计算得出观测器滑模面，用以下公式来描述：

(6)

(7)

式(7)中，ϑj(t)代表调整项，利用该数值调整输出值，使得驱动系统作业采集到的电流值与实际电流值相同，以此提高观测精准性，将其作为故障容错控制基础。

3.2速度传感器故障容错控制

关于传感器故障的控制，采用如图1所示的控制方案，对速度传感器采取容错控制。首先将故障隔离开来，观察速度传感器作业状态，当其达到完成失效状态时，开启容错控制模块，通过控制该模块中的虚拟传感器，估算转速，生成估计值，将这个数值作为反馈对象，传递到速度控制器。其中，容错控制器的作用就是调节数据，通过调节转速数据，使得速度控制器获得与实际转速相同的数值。在此情况下，驱动装置发生故障时，速度传感器也可以接收到真实转速数据，从而有效控制电机作业。

关于容错控制的设计，该研究设定以下转速调整规律：

(8)

式(8)中，W1和W2代表速度控制增益，取值范围W1>0，W2>0，参数σ1与检测因子g之间的关系如下：

(9)

如果转速ωref突然发生变化，并且变化幅度较大，或者驱动系统遭受外界影响，负载增加幅度较大，这些情况都有可能导致速度容错控制达到饱和状态。为了充分发挥该控制方案作用，需要根据实际情况，调节速度控制增益W1和W2，尽可能缩小跟踪误差σ1。

4测试分析

4.1测试环境

该测试在CarSim软件中执行，按照速度传感器故障检测与控制子系统结构，搭建子系统架构，对速度传感器作业状态进行检测。其中，速度传感器作业参数为：①额定功率：60kW；②定子电阻：0.83Ω；③额定转速：650rad/s；④极对数：4；⑤q 轴定子电感：0.5mH；⑥d 轴定子电感：0.5mH。

4.2测试内容与过程

(1)速度传感器故障检测功能测试：利用CarSim软件模拟6个不同作业场景，分别对新能源汽车驱动系统造成不同干扰，采集不同场景中速度传感器实际作业信息，同时收集模拟场景中故障检测结果，对比两部分信息是否相符。

(2)速度传感器故障控制功能测试：①观测器跟踪功能测试。测试观测器跟踪驱动系统作业电流，记录此部分数据。与此同时，统计系统作业实际产生电流。②速度传感器故障容错控制功能测试。

4.3测试结果分析

按照上述测试内容及步骤，分别对速度传感器故障检测功能、观测器跟踪功能、传感器故障容错控制功能进行测试，结果如表1、表2、表3所示。

表1 速度传感器故障检测功能测试结果

表1显示，该设计方案能够准确检测速度传感器故障状况，检测结果与实际情况完全相符。

表2 观测器跟踪电流测试结果(单位：A)

表2显示，该设计方案中观测器跟踪电流数值与电机作业实际电流数值相同，跟踪精度为100%。

表3 传感器故障容错控制功能测试结果(单位：rad/s)

由表3可见，场景1和场景5中，传感器发生故障，但是检测到的转速控制结果仍然与实际转速控制结果保持一致，该设计方案容错性能较好。

5结语

文章以新能源汽车驱动系统作为研究对象，重点讨论了速度传感器的故障检测方法，并对其正常作业控制方案进行深入研究。该设计方案利用观测器采集故障信息，并加以判断，通过容错调节，控制速度传感器输出数值。测试结果显示，该设计方案能够准确检测传感器故障，有效调节故障参数，容错控制性能较好。