项目编号：? 1811??

关于电机冗余控制与安全防护的设计

Design of the Redundant Control and Safety Protection for Steer-By-Wire Motor

?

项目研制单位：清华大学 联创汽车电子有限公司

主要研制人员：高大威 孟永刚 陆海峰 胡艳东 刘水心 李伟超 朱国栋 陆芳珂

曹凡 李兵 余洁明 毛文龙 樊峰涛 张坚

?

主题词：线控转向系统 双三相电机控制? 冗余控制? 容错控制 ?安全防护

1、研究内容介绍

1.1研究目的与意义

本项目以双Y型六相永磁同步电机为对象，重点研究汽车线控转向系统中的电机冗余安全问题与故障容错控制策略，在电机控制系统软硬件研发、控制策略建模与仿真、试验台架建设等方面取得较大进展，完成了预定各项研究任务。同时，根据企业需要和项目研发状态，在PWM技术、无传感器控制等非计划内的相关技术开展研究，为企业后续深入研究和应用打下了较好的基础。

1.2解决的关键技术

（1）线控转向电机应用现状与发展趋势分析

基于国内外典型数据库和文献，开展了六相永磁同步电机应用与发展趋势的调研，揭示了线控转向电机相关技术发展路径。图1为相关调研工作内容与采用的数据库。

图1 现状与趋势分析内容与相关数据库

（2）六相永磁同步电机的建模与仿真

在Matlab/Simulink环境下搭建了六相永磁同步电机控制系统模型并完成了基于空间矢量解耦理论与双dq变换理论的控制系统仿真，分析了基于两种数学模型的矢量控制之间的差异与联系，针对双dq控制下两套绕组之间存在耦合的问题，提出前馈解耦补偿以改善动态过程中的转矩输出性能与稳态时的转矩输出精度。图2所示为Simulink环境下的六相永磁同步电机控制系统模型。

图2 六相永磁同步电机控制系统模型

（3）线控转向六相永磁同步电机冗余与安全控制策略

面向工程实际，提出了一路故障（短路或断路）下的六相永磁同步电机控制策略：①切除故障相所属三相系统，由另外一套三相系统支撑电机工作。在切换过程中，永磁同步电机的转速和转矩不发生明显变化；②只切除故障相，由其他非故障相工作，保证电机稳定运行。在切换过程中，基于磁动势不变原则，永磁同步电机的转速和转矩不发生明显变化。基于以上控制策略，研发了相应的六相永磁同步电机控制系统软件。图3为切除XYZ绕组后，绕组电流的变化波形。

图3 切除绕组后永磁同步电机电流波形（试验验证结果）

（4）六相永磁同步电机试验研究平台

以AKM53L为可控负载，研制了面向电机控制系统的试验台架，及其配套的上位机控制软件，具体如图4所示。经大量试验表明，该试验研究平台可以满足线控转向电机控制系统相关软硬件及控制策略研究，最高转速不低于6000r/min，最大转矩超过9.59 N·m，转矩控制精度不低于95%，并具有较好的动态响应特性；上位机控制软件具有友好的操作界面，并可以对台架控制参数进行在线修改，数据采集、处理、显示和存储功能齐全。

图4 六相永磁同步电机试验研究平台

（5）线控转向六相永磁同步电机控制系统硬件

面向功能安全、电磁兼容等车载技术要求，分别基于Infineon的TC234和Ti的TMS320F28335开发了六相永磁同步电机控制系统硬件。硬件系统包括：电源电路、驱动电路、主电路、切换电路、数字核心及其外围电路、对外连接器等。经试验验证，硬件系统可以满足线控转向六相永磁同步电机控制要求。硬件电路如图5所示。

图5 六相永磁同步电机控制系统硬件

?（6）面向共模电压抑制的脉宽调制方法

针对双三相电机驱动系统共模电压抑制问题，提出了一种基于空间矢量分解脉宽调制TSPWM的共模电压抑制方法。这种调制方法成功消除了六相共模电压，并将每套三相绕组的共模电压抑制为原来的1/3。图6为采用传统PWM和采用TSPWM的共模电压波形。

图6 不同脉宽调制下的共模电压波形

（7）线控转向电机的无传感器控制技术

开展了无传感器转子位置和转速辨识研究，得到了双三相永磁同步电机转速辨识的自适应率，并验证了模型参考自适应算法的收敛性。该研究可以为电机在转子位置传感器出现故障时，对电机转子位置和转速进行辨识，从而实现传感器故障下的冗余控制。图7为无传感器下线控转向电机转速辨识情况。

图7 无传感器下的转速辨识

（8）线控转向电机的参数获取方法

根据电机参数测试、提取和辨识方法，可以用于对电机的未知参数的获取，这些未知参数包括电机定子绕组电阻、定子绕组交直流电感、永磁体磁链等。图8为用于参数辨识的拟合界面。

图8 电机参数辨识的拟合界面

1.3采用的技术路线和方法

本项目采用理论分析、仿真研究和实验验证的研究方法，在对双三相（六相）永磁同步电机数学模型、基本控制方法、失效（故障）机理的研究基础上，对双三相电机的冗余和容错控制策略进行仿真研究，并对控制策略理论基础进行再分析。然后，通过台架实验，对理论分析、仿真结果进行实验验证，并在实验结论分析的基础上，对相关研究进行迭代研究，直至达到预期研究目标。本项目技术路线和方法以及研究内容、预期成果之间的关系如图9所示。

图9 项目采用的技术路线与研究内容、预期成果之间的关系

1.4达到的效果和成果技术水平

（1）调研工作与《线控转向与六相电机调研报告》：该报告可使企业对国内外六相电机的行业动态、实际应用情况，尤其在电动（助力）转向方面的国际主流零部件供应商的应用情况及六相电机、三相电机的优缺点有较好掌握和了解。

（2）六相永磁同步电机控制系统模型：该模型可以实现六相永磁同步电机控制策略的仿真与性能验证。企业可以基于该模型对线控转向电机的控制策略进行后续研究，也可以根据企业技术实际状态和生产需求，对模型进行完善或修改。

（3）六相永磁同步电机冗余与安全控制策略：可以切除故障相所属三相系统，由另外一套三相系统支撑电机工作；也可以实现只切除故障相，由其他非故障相工作，保证电机稳定运行。以上控制策略，可以满足企业当前对相关技术的需求，同时企业也可以在该控制策略基础上根据企业需求做进一步完善。

（4）线控转向永磁同步电机试验研究平台：该试验研究平台可以满足企业线控转向电机控制系统相关软硬件及控制策略研究，最高转速高于6000r/min，最大转矩超过9.59 N·m，转矩控制精度不低于95%，并具有较好的动态响应特性，上位机控制软件操作界面友好，达到国内同功率实验平台的领先水平。

（5）线控转向电机控制系统硬件：有关面向功能安全、电磁兼容等的设计思路、电源电路、驱动电路、主电路、数字核心外围电路，对企业转向电机控制系统硬件设计提供了参考，并为企业相关技术人员提供了线控转向电机控制系统硬件设计的技术方案。

（6）共模电压抑制技术：为企业解决电磁兼容问题提供了一种新的思路，并对相关问题的进一步研究指明了方向。该技术在一定程度上填补了线控转向电机传统SVPWM技术的不足。

（7）无传感器控制技术：可以为电机在转子位置传感器出现故障时，对电机转子位置和转速进行辨识，实现传感器故障下的冗余控制。该技术可以与绕组故障控制策略结合，形成完整的线控转向电机冗余控制方案。该方案目前国内外还未见文献。

（8）参数获取与辨识技术：该技术可以实现对电机未知参数的测试、提取和辨识，对企业线控转向电机相关技术研究提供了技术保障。

2、技术创新点

（1）在硬件方面，面向功能安全、电磁兼容性以及车载环境，设计的控制器硬件可以满足线控转向系统电机控制的需求。由于控制器硬件体积较小，在设计过程中容易将之与电机本体结合，从而提高系统功率密度。

（2）在软件与控制策略方面,将绕组故障下冗余控制与无传感器控制技术相结合，形成一套完整的线控转向电机控制系统冗余容错控制策略，进一步提高了系统的可靠性。同时，提出了电机未知参数的辨识方法，为企业相关技术研究提供了技术保障。

（3）在建模方面，对比分析了线控转向电机控制系统在六相矢量变换和双三相矢量变换之间的内在关联性和技术等效性，并对六相矢量变换和双三相矢量变换进行了仿真和实验验证。

3、专利/论文/获奖情况

基于项目研究成果，提交了两项专利申报交底书，具体为：

[1]基于硬件冗余的线控转向双三相电机控制器;

[2]双三相永磁同步电机多参数离线测量方法。

撰写论文6篇，其中已发表5篇，待发表1篇，具体为：

[1]孟永刚,李伟超,黄泳诚,高大威. 电动汽车小功率电机测试平台的研发［J］.机电工程技术，2021，50（07）：15-19.

[2]李伟超,孟永刚,高大威.双三相永磁同步电机控制算法仿真分析[J].汽车安全与节能学报,2019,10(03):349-356.

[3]罗来军,李伟超,高大威,孟永刚.线控转向系统软硬件容错研究综述[J].汽车零部件,2019(08):83-89.

[4]Cao Fan, Lu Haifeng, Meng Yonggang, Gao Dawei. Sensorless Fault-Tolerant Control of Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Motor.[C]. The 34th International Electric Vehicle Symposium and Exhibition(EVS34), 2021:1066-1068.

[5]Cao Fan, Lu Haifeng, Meng Yonggang, Gao Dawei. Sensorless Fault-Tolerant Control of Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Motor[J].World Electric Vehicle Journal. 2021; 12(4):183.

[6] 陆芳珂,陆海峰,孟永刚.双三相电机低边电阻电流采样重构技术[J].汽车零部件（已投稿）

4、成果应用及经济效益预测

本项目的实施，为企业掌握线控转向电机的控制与应用，推动企业线控转向系统的开发进程，提高我国线控转向电机控制水平，提升企业在转向执行电机控制研发能力，以及线控转向系统产业化推广起到了一定的助推作用。本项目着眼于企业的实际技术需求，相关研究工作与企业相关研究同步并行，因此，相关技术成果具有较好的应用前景。

本项目部分研究内容，在执行过程中超出项目启动时的要求，启发了企业在具体应用和控制方面的思路，丰富了诊断处理方面的内容。项目阶段性成果在联创电子EPS量产的冗余项目PSCM4.1E以及线控转向项目PSCM5.3E得到应用，项目采用了双三相冗余电机，其控制算法和诊断处理措施都融合了产学研的相关内容；联创汽车电子具备了一整套关于双三相冗余电机控制的研发能力，包括冗余矢量控制、脉宽调制、故障容错及诊断等方面能力。图9为联创汽车电子的线控转向试验样车。

图10 联创电子的线控转向样车