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汽车线控转向系统电机冗余控制研究

摘要：针对电动汽车线控转向系统转向执行电机使用过程中位置传感器失效的问题，提出一种永磁同步电机无位置传感器冗余控制方法。文章选用内置式永磁同步电机作为线控转向系统的转向执行电机，首先对永磁同步电机的数学模型进行建模分析，其次利用电机转子的凸极特性，采用高频电压信号注入法获取电机转子的位置信息并进行解耦，从而实现电机的无位置传感器控制，最后在Matlab/Simulink软件中对搭建的电机控制模型进行仿真实验，证明控制策略的可行性。

关键词：线控转向系统永磁同步电机高频注入冗余控制

汽车线控转向系统是汽车转向领域的研究热点，和传统的汽车转向系统相比，线控转向系统（Steer-by-Wire，SBW）通过取消车辆转向系统中的机械传动轴的设计，使汽车转向完全通过电信号传输控制指令。由于转向盘和转向执行机构间取消了直接的物理力矩传输路径，大大提升了驾驶员的驾驶舒适性。随着电动汽车的智能化和网联化，线控转向系统还拥有传动比可变、实时检测并辅助驾驶员转向等诸多优点。因此，线控转向系统的发展前景非常乐观，并有望在未来成为汽车行业的重要发展方向。

汽车线控转向系统的电子化程度很高，所以在实际工作过程中系统的传感器可能会发生卡死、增益变化或恒偏差等故障导致输出错误数据从而影响控制系统性能。而位置传感器已成为永磁同步电机驱动系统的主要故障源[1]，所以在线控转向系统设计中需要考虑为其增加一定的冗余控制措施来提升系统的容错能力，保障线控转向系统即便在位置传感器失效的情况下仍然能够安全有效地工作。不直接依赖传感器的情况下获取所需变量可以通过在控制系统中引入状态观测器来实现[2]，在对永磁同步电机进行高频信号注入后获得的电流信号进行位置误差解耦，所得到电机转子位置误差信息提供给位置跟踪状态观测器即可获取电机的转子位置，从而实现转向执行电机的无位置传感器控制。

1线控转向系统冗余控制架构

如图1所示，汽车线控转向系统主要由路感反馈总成和转向执行总成两部分构成[3]。其中路感反馈总成的作用是传递驾驶员的转向指令并将驾驶工况信息通过路感反馈电机反馈给驾驶员。转向执行总成的主要组成为转向电机、减速器、齿轮齿条和转向轮等，功能是接收转向指令驱动转向执行电机快速准确地执行转向命令。

正常情况下转向执行总成中的执行电机接收到转向指令后开始工作，由位置传感器捕捉电机转子的运动状态并转换为电信号传输到电机控制器。电机控制器将实际转子位置、速度与期望位置、速度相比较获取误差，再将误差信号反馈到控制系统中，控制器调整电机的定子绕组电流进而改变转子位置实现闭环控制。这种工作状态极其依赖位置传感器提供的数据，一旦位置传感器出现故障，转向系统也将无法工作。在位置传感器出现故障时，线控转向系统的转向执行总成将采用冗余控制策略估计电机的转子位置信息并提供给电机控制器来实现系统的正常运行。

2内置式永磁同步电机模型建立

2.1永磁同步电机数学模型

目前常用的永磁同步电机无传感器控制算法包括滑模观测器算法、模型参考自适应控制算法、扩展卡尔曼滤波算法等[4]，这些算法估算永磁同步电机转子位置和速度都是通过获取电机绕组中的电信号数据来实现的。但是一旦永磁同步电机在零速和低速工作状态下，提取无感算法所需信号的信噪比就变得非常困难。所以对于线控转向系统转向执行电机转子位置信息的检测需要采用高频注入法。由于转向执行电机的工作特性，一般将其视作运行在零低速状态下，此时的永磁同步电机反电动势幅值难以提取，这就导致常用的基于基波激励数学模型的永磁同步电机无感控制策略将会失效。而内置式三相永磁同步电机的无位置传感器控制是通过分析电机的凸极特性实现的，在使用高频信号注入法后能很好的观测到电机的转子位置[5]，很好的满足了转向执行电机的工作精度需要。故本文转向执行电机以内置式三相永磁同步电机模型为基础。

为了在仿真软件中准确模拟电机的相关参数，首先对内置式三相永磁同步电机建立数学模型，在同步旋转坐标系下，电机转子的电压方程矩阵模型可表示为：

式（1）中、为坐标系下的电压分量，、为坐标系下的电流分量，、为轴电感，为电机转子角速度，为电机定子电阻，为电机永磁体磁链。

利用Park逆变换将上式中的电压方程从同步旋转坐标系变换到静止坐标系下，得到新的电压方程矩阵模型：

从上式（2）中可以分析出，通过内置式永磁同步电机的凸极特性和永磁体特性可以获取电机转子的位置信息进而能够实现电机的无位置传感器控制。

由于在采用高频注入法时，注入电压的频率远高于基波频率，故忽略带基波频率项的表达式和定子电阻压降。可以得到化简后的永磁同步电机电压方程：

电机定子的平均电感方程为：

电机定子的半差电感方程为：

2.2高频方波电压注入法

永磁同步电机的高频信号注入法有两种，一种是注入高频正