CN103414408B - 一种开关磁阻电机位置信号在线故障诊断与容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关磁阻电机位置信号在线故障诊断与容错控制方法，通过位置传感器实时检测三相12/8极转子旋转位置，根据其反馈的三路位置信号组合顺序及触发边沿确定电机转子相对位置，以推算出转子位置角<i>q</i>，再结合当前通电相可在线诊断出故障位置信号及其故障类型；并在故障状态下重构失效的换相动作，执行正确的换相操作，进行位置信号的故障容错与恢复控制，实现故障后电机的连续运行以及故障恢复时位置信号的正确切入。本发明实现方便，运行可靠，在诊断过程中，每个转子角周期内，都要对转子位置角<i>q</i>角进行修正，不会产生累积误差，所以不会对系统输出性能造成累计影响；该方法能在线诊断出故障位置信号及故障类型并使系统尽快恢复正常稳定运行，提高了系统的可靠性。

Description

一种开关磁阻电机位置信号在线故障诊断与容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机位置信号在线故障诊断与容错控制方法，尤其是一种在三相12/8极开关磁阻电机正常运行时一路或两路位置信号故障状态下，对位置信号进行在线检测、故障诊断、容错控制及恢复控制的方法。

背景技术

开关磁阻电机位置信号是控制系统确定相绕组导通顺序的判断依据，也是保证绕组换相正确性的基准信号；同时位置信号还作为电机速度反馈信号，以实现系统的速度闭环控制。现在普遍采用光敏位置传感器来检测转子位置，但是这种传感器容易受到粉尘、油污、碰撞等恶劣环境的影响而输出错误的位置信号或中断工作，从而产生较大的冲击电流，给功率开关器件造成严重危害，并且会产生制动转矩，影响开关磁阻电机的运行效率和输出功率，继而会导致电机缺相运行，转矩脉动增大。位置传感器的存在简化了系统控制程序，但同时使得电机结构复杂化、系统运行可靠性降低。然而，某些特殊场合对系统可靠性要求极高，需要控制系统具有故障诊断能力和容错能力，并且保证在故障后仍保持一定的输出能力。因此，需要发明一种位置信号在线检测、故障诊断、容错控制及恢复控制方法，以便及时实现位置信号故障定位、类型判别以及故障后的容错控制和恢复控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机位置信号在线故障诊断与容错控制方法，用以解决开关磁阻电机位置信号故障导致的冲击电流、制动转矩以及缺相运行等问题。

本发明提供的技术方案是：一种开关磁阻电机位置信号在线故障诊断与容错控制方法，通过位置传感器实时检测三相12/8极转子旋转位置，根据其反馈的三路位置信号组合顺序及触发边沿确定电机转子相对位置，以推算出转子位置角q，再结合当前通电相可在线诊断出故障位置信号及其故障类型；并在故障状态下重构失效的换相动作，执行正确的换相操作，进行位置信号的故障容错与恢复控制，实现故障后电机的连续运行以及故障恢复时位置信号的正确切入。

所述的通过位置传感器实时检测转子旋转位置采用电平检测方法，通过高低电平的组合顺序及相邻组合的角度间隔判断故障与否。

所述的位置传感器输出三路位置信号的高低电平原则上有8种组合方式，但有效组合只有6种，对应三相12/8极开关磁阻电机转子位置角q的范围均为7.5°，正常运行时不存在三路位置信号全为高电平或全为低电平的状态，受到干扰时会出现000或111状态，此时就认为转子位置信号出现错误。

所述的转子位置角对应着一种特定位置信号组合和唯一的通电相。

所述的故障类型根据故障位置信号的数目，分为一路位置信号故障、两路位置信号故障和三路位置信号故障三种形式。

所述的位置信号的故障容错与恢复控制主要依据转子位置角q，同时采用一个定时器T，其周期是电机转1°的时间，定时器T每中断一次，计数器加1，即给q增加1°；正常运行时，由通电相可确定该位置信号组合对应的q范围，并将q修正为该范围的初始角度；故障状态下，通过当前q所处的范围可获得其所对应的位置信号组合，由此便可进行位置信号故障容错与恢复控制，确定当前时刻正确的通电相。

本发明实现方便，运行可靠，在诊断过程中，每个转子角周期内，都要对转子位置角q角进行修正，不会产生累积误差，所以不会对系统输出性能造成累计影响；该方法能在线诊断出故障位置信号及故障类型并使系统尽快恢复正常稳定运行，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为位置传感器的安装示意图；

图2为位置信号与电感曲线的对应关系图；

图3为位置信号运行状态类型图；

图4为位置信号故障诊断流程图；

图5为位置信号故障容错控制流程图；

图6为位置信号故障恢复控制流程图。

图中：1、定子齿，2、定子槽，3、转子齿，4、转子槽，5、光电脉冲发生器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，本发明不仅局限于此。

本发明主要针对三相12/8极开关磁阻电机正常运行时一路或两路位置信号出现故障的状态，提供一种开关磁阻电机位置信号在线故障诊断与容错控制方法，主要通过位置传感器实时检测三相12/8极转子旋转位置，根据其反馈的三路位置信号组合顺序及触发边沿确定电机转子相对位置，以推算出转子位置角q，再结合当前通电相可在线诊断出故障位置信号及其故障类型；并在故障状态下重构失效的换相动作，执行正确的换相操作，进行位置信号的故障容错与恢复控制，实现故障后电机的连续运行以及故障恢复时位置信号的正确切入。

如图1所示，为位置传感器的安装图。在12/8极结构的三相开关磁阻电机中，其定子齿与定子槽间隔15°均匀分布，转子齿与转子槽角度分别为16°、29°；A相定子绕组由A₁、A₂、A₃和A₄构成，同理，B相定子绕组由B₁、B₂、B₃和B₄构成，C相定子绕组由C₁、C₂、C₃和C₄构成；采用光敏式位置传感器来检测电机转子位置，它主要由三个夹角为15°的光电脉冲发生器P、Q、R和光电码盘组成，分别固定在电机定子与转子轴上，其中光电码盘与转子同轴安装，并随转子同步旋转，它的齿槽数与转子的齿槽数相等且都是22.5°均匀分布。电机旋转时，光电码盘随之转动，使光电脉冲发生器中红外发光二极管发出的光被遮挡或透过，位置信号及电感曲线就会随之变化，控制器由此发出对应相的通断切换命令，以上关系曲线示于图2。图2中，F1、F2和F3分别代表电机内部P、Q、R的输出信号，“1”代表高电平3.3V，“0”代表低电平0V。一个转子角周期为45°，在此期间位置信号变化3次，当转过45°后，位置信号又恢复到起始状态，如此往复循环，即可使转子位置与绕组通电状态很好地配合起来，具体如表1所示。

表1位置信号与绕组通电状态对应关系表

位置信号组合

010

011

001

101

100

110

转子位置角θ

0°/45°

7.5°

15°

22.5°

30°

37.5°

跳变沿

F1↓

F3↑

F2↓

F1↑

F3↓

F2↑

通电相

A

A

C

C

B

B

本发明中实时检测转子旋转位置时采用电平检测方法，通过高低电平的组合顺序及相邻组合的角度间隔判断故障与否。相比于边沿检测方法，其优势在于检测的时效性较好。位置信号跳变沿的丢失，会因在既定角度间隔内组合变化顺序不正确被及时检测出来，而边沿检测由于不能及时检测出位置信号边沿顺序的错乱而存在一定的滞后性。

本发明所述的位置传感器输出三路位置信号的高低电平原则上有8种组合方式，但有效组合只有6种，对应转子位置角q的范围均为7.5°。正常运行时不存在三路位置信号全为高电平或全为低电平的状态，受到干扰时会出现000或111状态，此时就认为转子位置信号出现错误。

所述的三路位置信号组合特征为：在正常状态下，由于光电脉冲发生器P、Q、R的对称性，一个转子角周期内有6等份位置信号组合信息。以轴向逆时针为例，分别为010→011→001→101→100→110；当电机转向且控制方式不变时，位置信号组合顺序不变，且相邻组合角度间隔固定为7.5°，即每隔7.5°有且只有一路位置信号发生跳变。

所述的电机转子位置角对应着一种特定位置信号组合和唯一的通电相。电机正常运行时采用1/3转子角周期通电方式，即每个时刻有且仅有一相绕组通电，且通电时间为15°。位置信号F1的下降沿对应A相绕组电感的最小值，即A相绕组开通角，其组合状态为010。A相绕组导通15°后出现F2的下降沿，即A相绕组关断角。以此类推，F1、F2、F3时的组合状态对应关系分别为：010?A相导通，001?C相导通，100?B相导通。

如图3所示，为本发明所研究位置信号运行状态类型图，运行状态分别为正常运行状态、一路位置信号高电平故障状态、一路位置信号低电平故障状态和两路位置信号故障状态。若三路位置信号均出现故障，电机依靠惯性继续运行，程序将不能捕获到随电机转动而呈周期性变化的位置信号，由此计算得到的转速不能够正常更新，各相绕组的通电状态将定格在故障瞬间，势必对电流造成影响。此时，转子位置变化后，当前通电相仍不变，由此产生的制动转矩将迫使电机停止运转，此时若要使电机继续正常运行，需要引入无位置传感器技术，本发明暂不考虑。

如图4所示，通过实时检测位置信号确定出位置信号故障诊断程序。在每个PWM斩波周期，都根据三路位置信号的组合顺序以及相邻组合的角度间隔在线判断故障与否，并综合故障类型分析结果判别出故障位置信号及其故障类型。考虑到误差，实际计算出的角度间隔不一定是7.5°，在一定的偏差范围内都是允许的，因此程序中设置了角度间隔上下限。

如图5所示，为位置信号故障容错控制流程图。故障容错控制的关键在于保证转子位置角q检测的准确性，转子位置角q的更新在定时器T周期中断程序中进行，定时器T每中断一次，转子位置角q角加1°，当增至45°时由程序将转子位置角q清0。考虑到定时器T的周期与转速有关，而转速计算不可避免存在误差，因此需要对转子位置角q进行修正来消除累积误差。正常情况下每隔7.5°，位置信号组合变化一次，修正一次转子位置角q。故障状态下，一路位置信号故障后，每7.5°或15°进行一次转子位置角q角的修正；两路故障后，每22.5°修正一次转子位置角q角。

如图6所示，为位置信号故障恢复控制流程图。位置信号故障恢复时可能会在不正确的位置产生误触发沿，造成错误励磁，从而影响系统正常运行。与故障诊断程序类似，故障恢复时仍可通过检测位置信号组合的顺序以及相邻组合的角度差，将恢复过程中错误的位置信号组合诊断出来，并将其忽略，即不根据它进行换相操作。在位置信号恢复正常后再将相应的故障标志位清0。

所述的位置信号故障在线诊断与容错控制方法可实现位置信号故障定位和类型判别及故障后的容错控制和恢复控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的保护范围进行限定。凡在本发明的精神和原则内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机位置信号在线故障诊断与容错控制方法，其特征在于：采用电平检测方法，通过位置传感器实时检测三相12/8极转子旋转位置，根据其反馈的三路位置信号组合顺序及触发边沿确定电机转子相对位置，以推算出转子位置角q，通过高低电平的组合顺序及相邻组合的角度间隔判断故障与否，再结合当前通电相在线诊断出故障位置信号及其故障类型；并在故障状态下重构失效的换相动作，执行正确的换相操作，进行位置信号的故障容错与恢复控制，实现故障后电机的连续运行以及故障恢复时位置信号的正确切入；

所述的位置传感器输出的三路位置信号的高低电平的有效组合为6种，在正常状态下，由于光电脉冲发生器P、Q、R的对称性，一个转子角周期内有6等份位置信号组合信息，以轴向逆时针为例，分别为010→011→001→101→100→110；当电机转向且控制方式不变时，位置信号组合顺序不变，且相邻组合角度间隔固定为7.5°，即每隔7.5°有且只有一路位置信号发生跳变，即对应三相12/8极开关磁阻电机转子位置角q的范围均为7.5°，正常运行时不存在三路位置信号全为高电平或全为低电平的状态，受到干扰时会出现000或111状态，此时就认为转子位置信号出现错误；

所述的位置信号的故障容错与恢复控制主要依据转子位置角q，同时采用一个定时器T，其周期是电机转1°的时间，定时器T每中断一次，计数器加1，即给转子位置角q增加1°；正常运行时，由通电相可确定该位置信号组合对应的转子位置角q范围，并将转子位置角q修正为该范围的初始角度；故障状态下，通过当前转子位置角q所处的范围可获得其所对应的位置信号组合，由此便可进行位置信号故障容错与恢复控制，确定当前时刻正确的通电相；

所述故障恢复时同样可通过检测位置信号组合的顺序以及相邻组合的角度差，将恢复过程中错误的位置信号组合诊断出来，并将其忽略，即不根据它进行换相操作，而是在位置信号恢复正常后再将相应的故障标志位清0。