CN103438920A - Bldc位置传感器的故障诊断方法、容错控制方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种车用无刷直流电机位置传感器的故障诊断方法、容错控制方法及容错控制系统。两种方法均按电机起步阶段和正常调速阶段进行。在起步阶段，根据位置传感器信号跳变判断转子位置，进而判断位置传感器的故障状态，并依此选择电机启动方式。在正常调速阶段，根据转子位置估计技术计算转子位置值，与位置传感器信号进行比较判断故障状态，并依此校验转子位置及电机转速。容错控制模块包括两两连接的转子位置观测单元、位置传感器故障诊断单元以及容错控制单元。本发明能够准确判断位置传感器的故障状态，在传感器故障状态下，采用容错控制方法，能够维持电机正常启动和调速控制，有效解决突发的传感器故障造成的不安全性或其他损害。
Description
技术领域
本发明属于车用无刷直流电动机（BLDC）技术领域，涉及一种车用无刷直流电机的控制方法和控制系统。
背景技术
相比有刷直流电机系统，无刷直流电机系统在效率、耐久性、安全性等方面具有很大优势。它们结构上的不同之处在于，无刷直流电机需要安装获取转子位置的位置传感器，一般是霍尔传感器。然而霍尔器件在湿热等恶劣条件下容易失效，不能正确地给出转子位置信号，从而使无刷直流电机不能正常运行。为了增强系统的可靠性，需要对电机系统实施一定的控制方案，使得电机在霍尔元件失效的情况下也能正常运行，这就涉及到容错控制策略。
现有技术中提出过双模控制方法，即当霍尔传感器发生故障的时候自动切换电源，以对抗霍尔传感器的失效。但是，这种方法使正在运行的电机停止运转，电机电流急速下降，造成巨大的转矩脉动。因此，能够综合有位置传感器控制方案启动控制的高效性及无位置传感器控制方案在位置传感器发生故障时仍能维持电机正常运转的容错控制技术具有极大的研究价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效解决无刷直流电机由于霍尔传感器故障不能正常运转的状况，以保证系统安全性和可靠性的车用无刷直流电机位置传感器的故障诊断方法，基于故障诊断的容错控制方法及其控制系统。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法，包括以下步骤：
（1）检测电机转速，并与转速阈值进行比较；其中，所述转速阈值为设定值，为起步阶段电机转速的上限值；
（2）若所述电机转速小于所述转速阈值，则电机处于起步阶段，采用起步阶段故障诊断方法对位置传感器的故障状态进行诊断；否则，电机处于正常调速阶段，采用正常调速阶段故障诊断方法对位置传感器的故障状态进行诊断。
所述步骤（2）中起步阶段故障诊断方法包括以下步骤：
（211）检测位置传感器信号跳变及位置传感器信号跳变所报告的转子位置θL，并在位置传感器信号跳变时开始计时t；
（212）等待位置传感器信号再次跳变，并检测此时位置传感器信号跳变所报告的转子位置θN；
（213）若位置传感器信号未发生跳变且所述时间ｔ大于或者等于时间阈值Ｔ时，则位置传感器全部故障；其中，所述时间阈值Ｔ为设定值，为位置传感器跳变间隔时间的上限值；
若位置传感器信号发生跳变且所述时间t小于所述时间阈值T，则计算（θL-θN）的值，并根据计算结果判断位置传感器的故障状态；
优选的，所述步骤（213）中根据计算结果判断位置传感器的故障状态包括：
（a）若计算结果为π/3或者-5π/3，则三相位置传感器均正常；
（b）若计算结果为2π/3或者-4π/3，则一个位置传感器发生故障，另外两个位置传感器正常；
（c）若计算结果为π或者-π，则两个位置传感器发生故障，另外一个位置传感器正常或者一个位置传感器发生故障，另外两个位置传感器正常。
优选的，所述步骤（b）中，当电机为正转时，包括以下情况：
若θN等于π/2或者3π/2，则A相位置传感器出现故障，B、C相位置传感器正常；
若θN等于π/6或者7π/6，则B相位置传感器出现故障，A、B相位置传感器正常；
若θN等于5π/6或者11π/6，则C相位置传感器出现故障，A、C相位置传感器正常。
所述步骤（b）中，当电机为反转时，包括以下情况：
若θN等于11π/6或者5π/6，则A相位置传感器出现故障，B、C相位置传感器正常；
若θN等于3π/2或者π/2，则B相位置传感器出现故障，A、C相位置传感器正常；
若θN等于7π/6或者π/6，则C相位置传感器出现故障，A、B相位置传感器正常。
优选的，所述步骤（c）还包括：继续等待位置传感器信号发生跳变，并检测此时位置传感器所报告的转子位置θF；计算（θF-θN）的值，并根据计算结果确定具体的位置传感器故障状态，包括：
若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于π/6或者7π/6，则A相位置传感器故障，B、C相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于5π/6或者11π/6，则B相传感器故障，A、C相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于π/2或者3π/2，则C相传感器故障，A、B相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于π/6和7π/6，则B、C两相传感器故障，A相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于5π/6和11π/6，则A、C两相传感器故障，B相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于π/2和3π/2，则A、B两相传感器故障，C相位置传感器正常。
所述步骤（2）中正常调速阶段故障诊断方法包括以下步骤：
（221）读取上一时刻位置传感器的故障状态，并确定位置传感器信号组合次序表；采用转子位置估计技术实时计算转子位置，得到转子位置估计量；所述位置传感器信号组合次序表表示的是三相位置传感器均正常时的位置传感器信号组合的次序规律；
（222）检测位置传感器信号，当所述位置传感器信号组合为所述位置传感器信号组合次序表中的一项且与所述转子位置估计量一致时，启动普通诊断模式；否则，启动紧急诊断模式；
（223）更新位置传感器的故障状态。
所述步骤（222）中普通诊断模式的步骤为：
（a）根据所述位置传感器信号组合，查所述位置传感器信号组合次序表，预测下一次跳变后所述位置传感器信号组合；
（b）若所述转子位置估计量的跳变与所述位置传感器信号组合的跳变不一致，则位置传感器发生故障；否则位置传感器正常。
优选的，所述步骤（b）中，所述转子位置估计量的跳变与所述位置传感器信号组合的跳变不一致判断出位置传感器出现故障包括两种情况：
在未检测到所述转子位置估计量跳变的情况下，检测到所述位置传感器信号组合跳变，但是新的位置传感器信号组合与所述位置传感器信号组合的预测组合不一致，则出现不一致的相的位置传感器发生故障；
当检测到所述转子位置估计量跳变而同相的所述位置传感器信号尚未跳变，则此同相的位置传感器发生故障。
所述步骤（222）中紧急诊断模式的步骤为：
（a）等待所述转子位置估计量出现一次跳变；
（b）所述转子位置估计量出现跳变后，对比此时的位置传感器信号组合与转子位置估计量，若有不同，则对应相的位置传感器发生故障；否则，位置传感器正常。
一种基于上述的车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法的容错控制方法，包括以下步骤：
（1）检测电机转速，并比较所述电机转速与所述转速阈值的大小；
（2）当所述电机转速小于所述转速阈值时，判断处于起步阶段，采取所述起步阶段故障诊断方法对位置传感器进行故障诊断，并根据故障诊断结果进行起步阶段容错控制；当所述电机转速大于或者等于所述转速阈值时，判断处于正常调速阶段，采取所述正常调速阶段故障诊断方法对位置传感器进行故障诊断，并根据故障诊断结果进行正常调速阶段容错控制。
所述步骤（2）中起步阶段容错控制为：
（211）当故障诊断结果表明所述位置传感器全部正常时，采用自启动方式启动电机；
（212）当故障诊断结果表明一个位置传感器发生故障，另外两个位置传感器正常时，采用自启动方式启动电机；
（213）当故障诊断结果表明两个位置传感器发生故障，另外一个位置传感器正常或者三个位置传感器全部故障时，采用无位置传感器启动方式启动电机；优选的，所述步骤（213）中的无位置传感器启动方式为电感启动方式。
优选的，所述步骤（2）中正常调速阶段容错控制为：
（221）对发生故障的位置传感器，转子位置信号采取利用转子位置估计技术计算的所述转子位置估计量；对于未发生故障的位子传感器，转子位置信号采用所述位置传感器的信号；
（222）采用所述转子位置估计技术计算转子转速，并与离散转速进行比较；当所述采用转子位置估计技术计算的转子转速与所述离散转速相差在额定的百分比范围时，转子转速采用所述离散转速；否则，转子转速采用所述利用转子位置估计技术计算的转子转速；
其中，所述额定的百分比范围为设定值，所述离散转速为利用位置传感器信号计算得到的转速。
优选的，所述额定的百分比范围为[-5%，+5%]。
一种实现上述的车用无刷直流电机的位置传感器的容错控制方法的容错控制模块，包括转子位置观测单元、位置传感器故障诊断单元以及容错控制单元；其中，所述转子位置观测单元与所述位置传感器故障诊断单元连接，采用转子位置估计技术计算转子位置信息以及电机转速信息，并发送给所述位置传感器故障诊断单元；所述位置传感器故障诊断单元与所述位置传感器连接，接收所述位置传感器的信号，并接收所述转子位置观测单元发送的转子位置信息和电机转速信息，比较所述接收的信息，判断位置传感器的故障状态，同时将所述故障状态发送给所述容错控制单元；所述容错控制单元控制所述转子位置观测单元及所述位置传感器故障诊断单元的任务调度，接收所述位置传感器故障诊断单元发送的所述故障状态，并根据所述故障状态控制电机运行。
所述位置传感器故障诊断单元包括起步阶段故障诊断部分以及正常调速阶段故障诊断部分；所述起步阶段故障诊断部分在电机处于起步阶段时进行位置传感器的故障诊断，所述正常调速阶段故障诊断部分在电机处于正常调速阶段时进行位置传感器的故障诊断。
所述容错控制模块包括起步控制部分以及调速控制部分；所述起步控制部分在电机处于起步阶段时对电机的启动方式进行容错控制，即根据位置传感器的故障诊断结果选择电机的启动方式；所述调速控制部分在电机进入正常调速阶段后进行转子位置及转速的校验，之后再进行基于位置估计的调速控制。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明提出了一种车用无刷直流电机位置传感器故障诊断方法，基于该故障诊断方法的容错控制方法及其控制系统，综合了有位置传感器控制方案启动控制的高效性和无位置传感器控制方案在位置传感器发生故障时仍能维持电机正常运转的优点。本发明能够准确判断位置传感器的故障状态，在传感器故障状态下，采用容错控制方法，能够维持电机正常启动和调速控制，有效解决突发的传感器故障造成的不安全性或其他损害。
附图说明
图1本发明实施例中车用无刷直流电机三个位置传感器的信号图；
图2本发明实施例中正常调速阶段位置传感器的故障诊断方法的流程图；
图3本发明实施例中无刷直流电机位置传感器容错控制方法的流程图；
图4本发明实施例中无刷直流电机位置传感器容错控制系统的结构示意图；
图5本发明实施例中无刷直流电机系统的总体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提出了一种车用无刷直流电机位置传感器的故障诊断方法、基于位置传感器故障诊断的容错控制方法及其容错控制系统，该故障诊断方法检测无刷直流电机位置传感器的故障状态，容错控制方法根据位置传感器的故障状态对电机的运行进行容错控制，以避免位置传感器的故障对电机运行造成不利影响。
一般地，无刷直流电机（BLDC）有三个霍尔传感器作为位置传感器并从中获取转子位置信息。根据控制过程的特殊性，无刷直流电机控制过程包括启动控制和正常调速控制。当转子转速高于一定转速阀值时，电机由启动控制进入正常调速控制过程。本发明中位置传感器的故障诊断也分这两个阶段区别进行。
本发明的车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法包括以下步骤：
（1）检测电机转速，并比较电机转速与转速阈值的大小；其中，转速阈值为设定值，为起步阶段电机转速的上限值；
（2）当电机转速小于转速阈值时，判断电机处于起步阶段，采用起步阶段故障诊断方法；否则，判断电机处于正常调速阶段，采用正常调速阶段故障诊断。
在起步阶段进行位置传感器的故障诊断时，可以依据位置传感器信号来判断传感器的故障情况。如表1所示为正转情况下位置传感器正常时信号跳变的判断依据，图2所示为反转情况下位置传感器正常时信号跳变的判断依据。从表1和表2可知位置传感器信号跳变对应着特定的转子位置，这对三位置传感器而言是独立的；同时，信号跳变对应的转子位置是以π/3间隔出现的。因此，根据信号跳变而报告的转子位置，可以判断位置传感器的故障状态。从而，上述步骤（2）中正常调速阶段故障诊断方法包括如下步骤：
（211）检测位置传感器信号跳变及位置传感器信号跳变所报告的转子位置θL，并在位置传感器信号跳变时开始计时t；
（212）等待位置传感器信号再次发生跳变，并检测此时位置传感器信号跳变所报告的转子位置θN；
（213）若位置传感器信号未发生跳变且时间ｔ大于或者等于时间阈值Ｔ时，则三相位置传感器全部故障；其中，时间阈值Ｔ为设定值，为位置传感器跳变间隔时间的上限值；若位置传感器信号发生跳变且时间ｔ小于时间阈值Ｔ，则计算（θN-θL）的值，根据计算结果判断位置传感器的故障状态。
上述步骤（213）中：当两者差值为π/3或者-5π/3时，三相位置传感器均正常；当差值为2π/3或者-4π/3时，某一个位置传感器出现故障，另外两个位置传感器正常，根据θN可以确定具体的故障源；当差值为π或者-π时，有两种可能，两个位置传感器出现故障，另外一个位置传感器正常和一个位置传感器出现故障，另外两个位置传感器正常，需要根据下一次信号跳变所报告的转子位置θF作进一步判断，可以结合（θF-θN）的值确定具体的位置传感器故障情况。
根据表3，当电机正转且（θN-θL）的值为2π/3或者-4π/3时，包括以下情况：
若θN等于π/2或者3π/2，则A相位置传感器出现故障，B、C相位置传感器正常；
若θN等于π/6或者7π/6，则B相位置传感器出现故障，A、C相位置传感器正常；
若θN等于5π/6或者11π/6，则C相位置传感器出现故障，A、B相位置传感器正常。
根据表4，当反转且（θN-θL）的值为2π/3或者-4π/3时，包括以下情况：
若θN等于11π/6或者5π/6，则A相位置传感器出现故障，B、C相位置传感器正常；
若θN等于3π/2或者π/2，则B相位置传感器出现故障，A、C相位置传感器正常；
若θN等于7π/6或者π/6，则C相位置传感器出现故障，A、B相位置传感器正常；
当（θN-θL）的值为π或者-π时，包括以下情况：
（1）若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于π/6或者7π/6，则A相位置传感器故障，B、C两相位置传感器正常；
（2）若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于5π/6或者11π/6，则B相位置传感器故障，A、C两相位置传感器正常；
（3）若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于π/2或者3π/2，则C相位置传感器故障，A、B两相位置传感器正常；
（4）若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于π/6和7π/6，则B、C两相位置传感器故障，A相位置传感器正常；
（5）若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于5π/6和11π/6，则A、C两相位置传感器故障，B相位置传感器正常；
（6）若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于π/2和3π/2，则A、B两相位置传感器故障，C相位置传感器正常。
表1正转时根据信号跳变所报告的转子位置对传感器故障的具体判别
当电机反转时，位置传感器的故障诊断方法与正转时相似，只是位置传感器信号跳变所报告的转子位置与位置传感器的故障状态对应关系有所变化。
表2反转时根据信号跳变所报告的转子位置对传感器故障的具体判别
在正常调速阶段，无刷直流电机正常运转时三个位置传感器的信号如图1所示，其组合在正转和反转有确定的顺序。而在三相霍尔传感器正常状态下，即在全位置传感器启动控制且正转的情况下，位置传感器的信号组合的次序如表3所示。
表3位置传感器信号组合次序表
| 电机转动方向 | 位置传感器信号组合 |
| 逆时针（正向） | …→(110)→(010)→(011)→(001)→(101)→(100)→(110)→… |
| 顺时针（反向） | …→(110)→(100)→(101)→(001)→(011)→(010)→(110)→… |
如果三个位置传感器的信号组合不符合表3，出现跳跃、后退或其他异常情况，则三个位置传感器必定有故障发生，当仅有某些位置传感器发生故障时，剩余正常的位置传感器的信号组合仍然具有确定的顺序，具体如表4。表3与表4描述了位置传感器所有可能状态下信号组合次序表。
表4部分位置传感器故障下的信号组合次序表
综上可知，在正常调速阶段对位置传感器进行故障诊断，可以采用成熟的转子位置估计技术估计转子的位置，将其与位置传感器提供的信息进行比较得出位置传感器的故障状态。
因此，上述步骤（2）中正常调速阶段故障诊断方法包括如下步骤：
（211）读取上一时刻位置传感器的故障状态，并选择相应的位置传感器信号组合次序表；采用转子位置估计技术实时计算转子位置，得到转子位置估计量；
（212）检测三相位置传感器信号，当三个位置传感器的信号组合为选定次序表的一项且与转子位置估计量一致时，启动普通诊断模式；否则，启动紧急诊断模式；
（213）更新位置传感器的故障状态。
上述步骤（212）中普通诊断模式包括以下步骤：
（a）根据现有位置传感器信号组合，查选定的位置传感器信号组合次序表，预测下一次跳变后的位置传感器信号组合；
（b）若转子位置估计量的跳变与位置传感器信号组合的跳变不一致，则位置传感器出现故障；否则位置传感器正常。
上述步骤（b）中转子位置估计量的跳变与位置传感器信号组合的跳变不一致判断出位置传感器发生故障包括：
在未检测到转子位置估计量跳变的情况下，检测到位置传感器信号组合跳变，但是新的位置传感器信号组合与预测组合不一致，则出现不一致的相的位置传感器出现故障；
当检测到转子位置估计量跳变而同相的位置传感器信号尚未跳变，则同相的位置传感器出现故障。
上述步骤（212）中紧急诊断模式包括以下步骤：
（a）等待转子位置估计量出现一次跳变；
（b）转子位置估计量发生跳变后，对比此时的位置传感器信号组合与转子位置估计量，若有不同，则对应相的位置传感器发生故障；否则，位置传感器正常。
如图2所示为正常调速过程中位置传感器故障诊断的流程图。
位置传感器容错控制必须包含四种无刷直流电机控制模式：全位置传感器控制模式、两位置传感器控制模式、单位置传感器控制模式及无位置传感器控制模式。
正常情况下，无刷直流电机系统工作在全位置传感器控制模式下，然而一旦某一霍尔传感器发生故障，霍尔传感器系统将不能提供正确的转子位置信息，此时全位置传感器控制模式不再适用，需要切换到其他控制模式，如两位置传感器控制模式、单位置传感器控制模式和无位置传感器控制模式。
启动控制过程中，四种控制模式有很大差异，如全位置传感器控制模式下启动最易，而无位置传感器控制模式下启动的实现较为复杂；而正常调速控制过程，由于转子位置估计技术的成熟，采用位置估计方案可比霍尔传感器信号得到更多转子信息，如精确位置、转速等，因此可以采用位置估计为主、霍尔信号辅助验证的方案。
基于本发明的位置传感器故障诊断方法，即可进行电机位置传感器的容错控制。本发明的车用无刷直流电机位置传感器容错控制包括以下步骤：
（1）检测电机转速，并比较电机转速与转速阈值的大小。
（2）当电机转速大于或者等于转速阈值时，判断电机处于起步阶段，对位置传感器进行故障诊断，并根据故障诊断结果进行起步阶段容错控制；当电机转速小于转速阈值时，判断电机处于正常调速阶段，对位置传感器进行故障诊断，并根据故障诊断结果进行正常调速阶段容错控制。
上述步骤（2）中起步阶段容错控制方法为根据位置传感器故障的情况，选择不同的启动方式。
具体为：
（211）当三个位置传感器均正常时，进入全位置传感器控制模式，选择全位置传感器自启动方式启动电机；
（212）当两个位置传感器正常，进入两位置传感器一个位置传感器故障时，采取自启动方式启动电机；
（213）当一个位置传感器正常，其余两个位置传感器故障时，采取电感起步法启动电机；
（214）当三个位置传感器均故障时，采取电感起步法启动电机。
上述步骤（211）中全位置传感器的自启动控制，即为常见的换向技术，其原理是针对位置传感器信号对应的6个转子位置区间，导通相应的两相绕组，使得定子的绕组尽可能与转子的永磁铁磁势垂直，如表5所示。
表5全位置传感器动控制正转信号排列表
| 霍尔信号HaHbHc(x表示不确定) | 导通电流空间角度 |
| 110 | 90 |
| 010 | 150 |
| 011 | 210 |
| 001 | 270 |
| 101 | 330 |
| 100 | 30 |
上述步骤（212）中的两位置传感器起步控制，以只有当缺失a相霍尔传感器的时候为例，此时转子位置分为4个区间，只要定子磁势与转子磁势有夹角，电磁转矩就不为0，就能够进行自启动，如表6所示。
表6两位置位置传感器启动控制正转信号排列表
| 霍尔信号HaHbHc(x表示不确定) | 导通电流空间角度 |
| x10 | 120 |
| x11 | 210 |
| x01 | 300 |
| x00 | 30 |
上述步骤（213）的单位置传感器起步控制，单位置下转子位置被分为两个区间，由于转子初始位置未知，直接导通任意两相绕组及其组合，都可能导致电机零速下无法启动或者出现反转现象，因此在单位置传感器起步控制和步骤（214）中无位置传感器起步控制中，无刷直流电机无法仅仅利用位置传感器信号来实现自起步，所以此时需采用无位置传感器起步方案，本文采用比较成熟的电感起步法。
上述步骤（2）中正常调速阶段容错控制方法为根据位置传感器故障的情况，修正转子位置及转速信号，具体为：读取位置传感器故障状态，确定正常的位置传感器；对出现故障的位置传感器，转子位置信号采取利用转子位置估计技术计算得到的转子位置估计量；而对出现故障的位置传感器，转子位置信号采取位置传感器的信号；此外，若采用转子位置估计技术计算的转子位置估计量与离散转速相差在一定范围（如5%以内）时，转子转速采用离散转速，否则，转子转速采用以转子位置估计技术计算所得的转速。
如图3所示为该容错控制方法的流程图。其中，ua、ub及uc为电机的三相输出电压，ia、ib及ic为电机的三相输出电流，根据这些值并采用传统的转子位置估计技术可以计算电机转速及转子的位置。Ha、Hb及Hc为三相霍尔传感器的霍尔信号。
本发明还提出了一种基于上述车用无刷直流电机位置传感器容错控制方法的容错控制模块，该模块包括转子位置观测单元、位置传感器故障诊断单元以及容错控制单元；其中，转子位置观测单元与位置传感器故障诊断单元连接，采用转子位置估计技术计算转子位置信息以及电机转速信息，并发送给位置传感器故障诊断单元；位置传感器故障诊断单元与位置传感器连接，接收位置传感器的信号，并接收转子位置观测单元发送的转子位置信息和电机转速信息，并比较所接收的信息，判断位置传感器的故障状态，同时将故障状态发送给容错控制模块；容错控制单元控制所述位置观测单元和所述位置传感器故障诊断单元的任务调度，接收所述位置传感器故障诊断单元发送的所述故障状态，并根据所述故障状态控制电机运行。
如图4所示为该容错控制模块的结构示意图。如图5所示为电机系统的总体结构示意图，该电机系统主要包括直流电源、功率开关电路（逆变器单元）、电机本体及本发明位置传感器容错控制系统四个部分，较传统的电机系统来说增加了容错控制模块。
该实施例中，位置传感器故障诊断单元包括起步阶段故障诊断部分以及正常调速阶段故障诊断部分。其中，起步阶段故障诊断部分在电机处于起步阶段时进行位置传感器的故障诊断，而正常调速阶段故障诊断部分在电机处于正常调速阶段时进行位置传感器的故障诊断。
同样的，容错控制单元包括起步控制部分以及调速控制部分。其中，起步控制部分在电机处于起步阶段时对电机的启动方式进行容错控制，即根据位置传感器的故障诊断结果选择电机的启动方式；而调速控制部分在电机进入正常调速阶段时进行转子位置及转速的校验，之后再进行基于位置估计的调速控制。
本发明能够准确判断位置传感器的故障状态，在传感器故障状态下，采用容错控制方法，能够维持电机正常启动和调速控制，有效地解决了突发的传感器故障造成的不安全性或其他损害。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）检测电机转速，并与转速阈值进行比较；其中，所述转速阈值为设定值，为起步阶段电机转速的上限值；
（2）若所述电机转速小于所述转速阈值，则电机处于起步阶段，采用起步阶段故障诊断方法对位置传感器的故障状态进行诊断；否则，电机处于正常调速阶段，采用正常调速阶段故障诊断方法对位置传感器的故障状态进行诊断。
2.根据权利要求1所述的车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（2）中起步阶段故障诊断方法包括以下步骤：
（211）检测位置传感器信号跳变及位置传感器信号跳变所报告的转子位置θL，并在位置传感器信号跳变时开始计时t；
（212）等待位置传感器信号再次跳变，并检测此时位置传感器信号跳变所报告的转子位置θN；
（213）若位置传感器信号未发生跳变且所述时间ｔ大于或者等于时间阈值Ｔ时，则位置传感器全部故障；其中，所述时间阈值Ｔ为设定值，为位置传感器跳变间隔时间的上限值；
若位置传感器信号发生跳变且所述时间t小于所述时间阈值T，则计算（θL-θN）的值，并根据计算结果判断位置传感器的故障状态；
优选的，所述步骤（213）中根据计算结果判断位置传感器的故障状态包括：
（a）若计算结果为π/3或者-5π/3，则三相位置传感器均正常；
（b）若计算结果为2π/3或者-4π/3，则一个位置传感器发生故障，另外两个位置传感器正常；
（c）若计算结果为π或者-π，则两个位置传感器发生故障，另外一个位置传感器正常或者一个位置传感器发生故障，另外两个位置传感器正常；
优选的，所述步骤（b）中，当电机为正转时，包括以下情况：
若θN等于π/2或者3π/2，则A相位置传感器出现故障，B、C相位置传感器正常；
若θN等于π/6或者7π/6，则B相位置传感器出现故障，A、B相位置传感器正常；
若θN等于5π/6或者11π/6，则C相位置传感器出现故障，A、C相位置传感器正常；
所述步骤（b）中，当电机为反转时，包括以下情况：
若θN等于11π/6或者5π/6，则A相位置传感器出现故障，B、C相位置传感器正常；
若θN等于3π/2或者π/2，则B相位置传感器出现故障，A、C相位置传感器正常；
若θN等于7π/6或者π/6，则C相位置传感器出现故障，A、B相位置传感器正常；
优选的，所述步骤（c）还包括：继续等待位置传感器信号发生跳变，并检测此时位置传感器所报告的转子位置θF；计算（θF-θN）的值，并根据计算结果确定具体的位置传感器故障状态，包括：
若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于π/6或者7π/6，则A相位置传感器故障，B、C相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于5π/6或者11π/6，则B相传感器故障，A、C相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π/3或者-5π/3，并且θN等于π/2或者3π/2，则C相传感器故障，A、B相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于π/6和7π/6，则B、C两相传感器故障，A相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于5π/6和11π/6，则A、C两相传感器故障，B相位置传感器正常；
若（θF-θN）等于π或者-π，并且θN不等于π/2和3π/2，则A、B两相传感器故障，C相位置传感器正常。
3.根据权利要求1所述的车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（2）中正常调速阶段故障诊断方法包括以下步骤：
（221）读取上一时刻位置传感器的故障状态，并确定位置传感器信号组合次序表；采用转子位置估计技术实时计算转子位置，得到转子位置估计量；所述位置传感器信号组合次序表表示的是三相位置传感器均正常时的位置传感器信号组合的次序规律；
（222）检测位置传感器信号，当所述位置传感器信号组合为所述位置传感器信号组合次序表中的一项且与所述转子位置估计量一致时，启动普通诊断模式；否则，启动紧急诊断模式；
（223）更新位置传感器的故障状态。
4.根据权利要求3所述的车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（222）中普通诊断模式的步骤为：
（a）根据所述位置传感器信号组合，查所述位置传感器信号组合次序表，预测下一次跳变后所述位置传感器信号组合；
（b）若所述转子位置估计量的跳变与所述位置传感器信号组合的跳变不一致，则位置传感器发生故障；否则位置传感器正常；
优选的，所述步骤（b）中，所述转子位置估计量的跳变与所述位置传感器信号组合的跳变不一致判断出位置传感器出现故障包括两种情况：
在未检测到所述转子位置估计量跳变的情况下，检测到所述位置传感器信号组合跳变，但是新的位置传感器信号组合与所述位置传感器信号组合的预测组合不一致，则出现不一致的相的位置传感器发生故障；
当检测到所述转子位置估计量跳变而同相的所述位置传感器信号尚未跳变，则此同相的位置传感器发生故障。
5.根据权利要求3所述的车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法，其特征在于：所述步骤（222）中紧急诊断模式的步骤为：
（a）等待所述转子位置估计量出现一次跳变；
（b）所述转子位置估计量出现跳变后，对比此时的位置传感器信号组合与转子位置估计量，若有不同，则对应相的位置传感器发生故障；否则，位置传感器正常。
6.一种基于权利要求1所述的车用无刷直流电机的位置传感器的故障诊断方法的容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）检测电机转速，并比较所述电机转速与所述转速阈值的大小；
（2）当所述电机转速小于所述转速阈值时，判断处于起步阶段，采取所述起步阶段故障诊断方法对位置传感器进行故障诊断，并根据故障诊断结果进行起步阶段容错控制；当所述电机转速大于或者等于所述转速阈值时，判断处于正常调速阶段，采取所述正常调速阶段故障诊断方法对位置传感器进行故障诊断，并根据故障诊断结果进行正常调速阶段容错控制。
7.根据权利要求6所述的车用无刷直流电机的位置传感器的容错控制方法，其特征在于：所述步骤（2）中起步阶段容错控制为：
（211）当故障诊断结果表明所述位置传感器全部正常时，采用自启动方式启动电机；
（212）当故障诊断结果表明一个位置传感器发生故障，另外两个位置传感器正常时，采用自启动方式启动电机；
（213）当故障诊断结果表明两个位置传感器发生故障，另外一个位置传感器正常或者三个位置传感器全部故障时，采用无位置传感器启动方式启动电机；优选的，所述步骤（213）中的无位置传感器启动方式为电感启动方式；
优选的，所述步骤（2）中正常调速阶段容错控制为：
（221）对发生故障的位置传感器，转子位置信号采取利用转子位置估计技术计算的所述转子位置估计量；对于未发生故障的位子传感器，转子位置信号采用所述位置传感器的信号；
（222）采用所述转子位置估计技术计算转子转速，并与离散转速进行比较；当所述采用转子位置估计技术计算的转子转速与所述离散转速相差在额定的百分比范围时，转子转速采用所述离散转速；否则，转子转速采用所述利用转子位置估计技术计算的转子转速；
其中，所述额定的百分比范围为设定值，所述离散转速为利用位置传感器信号计算得到的转速；
优选的，所述额定的百分比范围为[-5%，+5%]。
8.一种实现权利要求6所述的车用无刷直流电机的位置传感器的容错控制方法的容错控制模块，其特征在于：包括转子位置观测单元、位置传感器故障诊断单元以及容错控制单元；
其中，所述转子位置观测单元与所述位置传感器故障诊断单元连接，采用转子位置估计技术计算转子位置信息以及电机转速信息，并发送给所述位置传感器故障诊断单元；
所述位置传感器故障诊断单元与所述位置传感器连接，接收所述位置传感器的信号，并接收所述转子位置观测单元发送的转子位置信息和电机转速信息，比较所述接收的信息，判断位置传感器的故障状态，同时将所述故障状态发送给所述容错控制单元；
所述容错控制单元控制所述转子位置观测单元及所述位置传感器故障诊断单元的任务调度，接收所述位置传感器故障诊断单元发送的所述故障状态，并根据所述故障状态控制电机运行。
9.根据权利要求8所述的车用无刷直流电机的位置传感器的容错控制方法的容错控制模块，其特征在于：所述位置传感器故障诊断单元包括起步阶段故障诊断部分以及正常调速阶段故障诊断部分；
所述起步阶段故障诊断部分在电机处于起步阶段时进行位置传感器的故障诊断，所述正常调速阶段故障诊断部分在电机处于正常调速阶段时进行位置传感器的故障诊断。
10.根据权利要求8所述的车用无刷直流电机的位置传感器的容错控制方法的容错控制模块，其特征在于：所述容错控制模块包括起步控制部分以及调速控制部分；
所述起步控制部分在电机处于起步阶段时对电机的启动方式进行容错控制，即根据位置传感器的故障诊断结果选择电机的启动方式；所述调速控制部分在电机进入正常调速阶段时进行转子位置及转速的校验，之后再进行基于位置估计的调速控制。
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