CN104165649B

CN104165649B - 一种无刷直流电机霍尔传感器上电自检测方法

Info

Publication number: CN104165649B
Application number: CN201410431197.4A
Authority: CN
Inventors: 王晓斌; 解恩; 吴少石; 贺梦颖
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: CN104165649A

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机霍尔传感器上电自检测方法，为实现电机在上电阶段自检测霍尔传感器的故障状态，电机在经过8个三相通电序列后，转子旋转一个换相周期，准确检测出霍尔传感器的故障状况，保证电机不会因为霍尔传感器故障而起动失败甚至烧毁电机。本方法简单可行，且无需改动硬件结构，只需软件编程即可实现，程序运行结束后即进入起动程序，不会对电机正常运行程序产生任何影响，而且具有很强的可移植性。

Description

一种无刷直流电机霍尔传感器上电自检测方法

技术领域

本发明属于电机故障检测方法，具体涉及一种无刷直流电机霍尔传感器上电自检测方法。

背景技术

无刷直流电机是随着现代电力电子技术的发展而产生的一种新型一体化电机，具有结构简单、调速性能好、工作效率高、运行噪声低等优点。无刷直流电机主要由电机本体、转子位置检测电路和电子开关线路及其控制电路三部分组成，附图1所示为最常用的三相全控运行电路原理图。

三相全控式运行方式常用两两导通方式，即为120°导通方式，任意时刻只有两相绕组导通，另一相绕组开路，每隔60°电角度换相一次，每次换相只有一个功率管开关状态发生变化，每个功率管导通120°电角度。绕组产生的磁场与转子永磁体的磁场的夹角始终保持60°到120°电角度之间，转子磁势始终在“追赶”定子磁势，但永远追不上，从而持续产生同一个方向的电磁转矩带动转子旋转。

另一种导通方式是三相导通，即为180°导通方式，每个时刻均有三相绕组导通，为一上两下或两上一下两种方式，每隔60°电角度换相一次，每次换相一个功率管开关状态发生变化，每个功率管导通180°电角度。该方法优点在于转子合成磁势方向和某一通电相绕组磁势相同，在定转子转子磁势相互作用下，转子受力平衡点位置刚好在某一个通电状态内，可以很容易检测此时的转子位置，本发明利用这一优势对转子进行定位。

传统的永磁无刷直流电机采用内置式霍尔位置传感器，获取位置信号电路结构简单、精度较高。三相绕组的无刷直流电机需要6个换相状态，每个换相状态60°电角度，3个霍尔传感器可以产生8个换相位置状态，其中“000”和“111”是无效状态，一般采用3个霍尔传感器以120°角度方式均匀分布。

转子位置检测电路和电子开关线路配合完成换相动作，相当于有刷直流电机中的电刷和换相器，是无刷直流电机中至关重要的组成部分。在实际应用中，内置式位置传感器往往使用1-2年就会发生损坏，在某些恶劣工作环境(如高温潮湿环境)中持续工作寿命还会明显缩短。对于需要经常起动停机的系统来说，霍尔传感器发生故障后电机无法起动，在没有保护措施的情况下会因错误的换相使电机烧坏，造成很大的损失。

随着控制精度的提高，应用规模的增大，故障隐患增多，故而故障的检测要求日益紧迫，常见的故障能够尽早发现预防进一步恶化，对故障的准确定位、正确决策和及时维修是十分重要的。

申请号为201310312121.5的专利采用上电后控制电机驱动模块使驱动器工作，让电机先转两圈，电机旋转过程中记录霍尔传感器的状态组合，结束通过分析记录的值，对霍尔状态进行综合判断。

申请号为201310374110.X的专利采用的是起步阶段检测每一个霍尔传感器跳变时刻转子的位置θ，同时记录跳变时间t，并设置时间阈值T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(θ_L-θ_N)的值，并根据计算结果判断位置传感器的故障状态；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。

申请号为201310312121.5和201310374110.X的专利均存在位置传感器在电机上电前已经出现故障时无法提供准确度位置信息，依赖于换相逻辑的起动方法无法实现，电机很可能刚开始就转不起来，造成判断失败，后续的判断方法也无效。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无刷直流电机霍尔传感器上电自检测方法，

技术方案

一种无刷直流电机霍尔传感器上电自检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：选定任一个转子受力平衡点，将电机先通相应的三相状态电，持续一段时间待转子静止后，再通驱动转子顺时针旋转方向后一个三相状态电，持续一段时间待后，电机转子静止在顺时针方向另一个相邻位置，完成转子预定位过程；所述持续一段时间须要保证转子能够克服机械惯量；

步骤2：以预定位位置为起点，以逆时针方向旋转的顺序依次通6个状态的三相电，并每个通电状态持续一段时间，采集每次通电后转子静止后所在位置霍尔传感器的状态值，高电平为1，低电平为0，并分别存入数组HALL_HA[ ]，HALL_HB[ ]，HALL_HC[ ]；所述持续一段时间须要保证转子能够克服机械惯量；

步骤3：将采集到的每个霍尔传感器的6个状态值分别相加，HALL_X＝HALL_HX[0]+HALL_HX[1]+HALL_HX[2]+HALL_HX[3]+HALL_HX[4]+HALL_HX[5]，若HALL_X为0，则该霍尔传感器为低电平故障，故障类型赋值FAULT_HX＝0，故障标志赋值HX_FLG＝0；若HALL_X为3则该传感器正常，赋值FAULT_HX＝2,HX_FLG＝0；若HALL_X为6则为高电平故障，赋值FAULT_HX＝1,HX_FLG＝0；若HALL_X为其他值，则数据有误，赋值HX_FLG＝1；

其中：HALL_X为任一霍尔传感器采集的数据存入数组HALL_HX[ ]后6组数据求和，数据范围0-6，0为低电平故障，3为正常状态，6为高电平故障，其他值为数据错误；X为A、B或C，表示三个霍尔传感器；HALL_HX[ ]为存放霍尔传感器HX6个逻辑状态的一维数组，0为低电平，1为高电平；

步骤4：将三个霍尔传感器的故障标志值求和：

HALL_FLG＝HA_FLG+HB_FLG+HC_FLG，

若HALL_FLG＝0，采集霍尔传感器状态正常，继续向下执行；若为其他值，采集数据有误，从转子预定位开始重新执行上电自检测程序；

步骤5：将三个霍尔传感器的故障类型值求和：

HALL_FAULT＝FAULT_HA*9+FAULT_HB*3+FAULT_HC，

其值与下述的故障状态序号相对应，故障类型可由此判断，同时发出相应的故障警示，电机上电自检测过程完成；

故障状态序号：0；故障类型：HA、HB、HC低电平故障；

故障状态序号：1；故障类型：HA、HB低电平，HC高电平故障；

故障状态序号：2；故障类型：HA、HB低电平故障；

故障状态序号：3；故障类型：HA、HC低电平，HB高电平故障；

故障状态序号：4；故障类型：HA低电平，HB、HC高电平故障；

故障状态序号：5；故障类型：HA低电平，HB高电平故障；

故障状态序号：6；故障类型：HA、HC低电平故障；

故障状态序号：7；故障类型：HA低电平，HC高电平故障；

故障状态序号：8；故障类型：HA低电平故障；

故障状态序号：9；故障类型：HB、HC低电平，HA高电平故障；

故障状态序号：10；故障类型：HB低电平，HA、HC高电平故障；

故障状态序号：11；故障类型：HB低电平，HA高电平故障；

故障状态序号：12；故障类型：HA、HB高电平故障；

故障状态序号：13；故障类型：HA、HB、HC高电平故障；

故障状态序号：14；故障类型：HA、HB高电平故障；

故障状态序号：15；故障类型：HC低电平，HA高电平故障；

故障状态序号：16；故障类型：HA、HC高电平故障；

故障状态序号：17；故障类型：HA高电平故障；

故障状态序号：18；故障类型：HB、HC低电平故障；

故障状态序号：19；故障类型：HB低电平，HC高电平故障；

故障状态序号：20；故障类型：HB低电平故障；

故障状态序号：21；故障类型：HC低电平，HB高电平故障；

故障状态序号：22；故障类型：HB、HC高电平故障；

故障状态序号：23；故障类型：HB高电平故障；

故障状态序号：24；故障类型：HC低电平故障；

故障状态序号：25；故障类型：HC高电平故障；

故障状态序号：25；故障类型：正常；

其中：

HA为霍尔传感器A，HB为霍尔传感器B，HC为霍尔传感器C；

HALL_A为HALL_HA[ ]6组数据求和，数据范围0-6，0为低电平故障，3为正常状态，6为高电平故障，其他值为数据错误；

HALL_B为HALL_HB[ ]6组数据求和，数据范围0-6，0为低电平故障，3为正常状态，6为高电平故障，其他值为数据错误；

HALL_C为HALL_HC[ ]6组数据求和，数据范围0-6，0为低电平故障，3为正常状态，6为高电平故障，其他值为数据错误；

FAULT_HA为霍尔传感器HA的故障类型值，0为低电平故障，1为高电平故障，2为正常状态；

HA_FLG为霍尔传感器HA的故障标志值，0为数据正常，1为数据有误；

FAULT_HB为霍尔传感器HB的故障类型值，0为低电平故障，1为高电平故障，2为正常状态；

HB_FLG为霍尔传感器HB的故障标志值，0为数据正常，1为数据有误；

FAULT_HC为霍尔传感器HC的故障类型值，0为低电平故障，1为高电平故障，2为正常状态；

HC_FLG为霍尔传感器HC的故障标志值，0为数据正常，1为数据有误；

FAULT_HX为代指霍尔传感器HX的故障类型值，0为低电平故障，1为高电平故障，2为正常状态；

HX_FLG为代指霍尔传感器HX的故障标志值，0为数据正常，1为数据有误；

HALL_FLG为三个霍尔传感器故障标志值的和，用于判断采集的信号状态是否合法，数据范围0-6，0为合法，其他值为不合法；

HALL_FAULT为三个霍尔传感器故障类型值的和，用于判断霍尔传感器故障类型，数据范围0-26，每个值均有对应的故障状态。

所述持续一段时间为0.2s。

有益效果

本发明提出的一种无刷直流电机霍尔传感器上电自检测方法，为实现电机在上电阶段自检测霍尔传感器的故障状态，电机在经过8个三相通电序列后，转子旋转一个换相周期，准确检测出霍尔传感器的故障状况，保证电机不会因为霍尔传感器故障而起动失败甚至烧毁电机。本方法简单可行，且无需改动硬件结构，只需软件编程即可实现，程序运行结束后即进入起动程序，不会对电机正常运行程序产生任何影响，而且具有很强的可移植性。

附图说明

图1：无刷直流电机组成结构；

图2：转子在三相通电绕组下受力平衡位置；

图3：上电自检测程序流程图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

以DSP芯片组成的无刷直流电机控制器为基础，通过软件编程实现电机起动时的霍尔传感器上电自检测。电机上电后，控制电机通过三相导通方式对转子进行预定位；然后按照电机逆时针旋转方向分别给电机通6个状态的三相电，并各持续一段时间，使电机转子分别停在一个完整的换相周期6个通电状态内，并分别记录各个通电状态内霍尔传感器的逻辑状态。将六个通电状态内的霍尔传感器逻辑状态与霍尔传感器正常时对应的六个通电状态的霍尔传感器逻辑状态对比并进行综合分析，得出霍尔位置传感器的故障状态，实现霍尔传感器的上电自检测。

根据安培定则，电机所受的电磁力是由定子绕组通电后在气隙磁场中产生的，对于一个不变的定子绕组磁场，定子合成磁势方向一定，转子电磁转矩和定转子合成磁势夹角的正弦值呈正比关系。当转子磁势方向和定子合成磁势方向重合时转子电磁转矩为零，且转子在任意偏离该平衡位置受力方向均指向该受力平衡点，根据运动学定律转子受力后将会在该平衡点位置附近摆动并最终停在该位置。电机在静止状态下可以人为给绕组通电使电机转子受力停在某受力平衡点，再读取该位置下霍尔传感器的数值，通过与正常时的数值进行比较，判断出霍尔传感器是否损坏。当转子磁势方向和定子合成磁势方向为180°电角度时，转子电磁转矩也为0，相当于临界状态，转子位置稍偏一点就会受力回复到受力平衡状态。这种情况在一个换相周期内只会出现一次，为避免这种情况出现，在起动检测时可以先给电机施加一个通电状态，待稳定后再施加其前一个位置的通电状态，然后再施加原来的通电状态，完成转子的预定位。

无刷直流电机转子预定位可以采用两相导通方式和三相导通方式。在两相导通方式下，定子合成磁势方向在两相绕组中间位置，转子在受力均衡点NS极分界面处在霍尔传感器位置，换相点的霍尔传感器读数可能为0也可能为1，会造成误差。三相导通方式，任一时刻两相接正极另一相绕组接负极或者两相接负极另一项接正极。定子绕组合成磁场的方向和通同相的其中一相绕组磁场方向一致，等效于于该相绕组通电。电机转子受力平衡点也在两个换相点之间的位置，避开了换相位置，三个霍尔传感器均可以读取到位置信号。

无刷直流电机转子在一个通电周期内每一个三相通电状态都对应着唯一的一个转子平衡位置，以转子逆时针旋转为正方向，一个换相周期按三相通电方案转子受力平衡点位置如附图2所示。

上电检测过程中，先给一个合适的PWM占空比，保证转子在通电后可以转动，同时静止后电流不超过额定电流。按照先通一个状态电再通其前一个状态的电然后再通原来状态电的顺序进行转子位置的预定位。然后分别控制逆变器开关管改变绕组通电方向，使绕组合成磁势方向沿转子沿逆时针方向跳变6次，转子旋转一个换相周期。每跳变一次，维持一段时间，时间长度以电机转子经过震荡后停止为准，记录下该状态三个霍尔传感器的逻辑状态。最后对获取的霍尔传感器逻辑状态值进行分析处理，判断霍尔传感器是否有损坏。

无刷直流电机控制平台采用TMS320F28035DSP作为主控芯片，英飞凌公司的FP15R12KT作为三相整流和逆变器件，ACPL316为三相逆变桥MOSFET开关管驱动芯片，采用三相六极无刷直流电机，电机内部霍尔位置传感器按照120°分布。附图1中VT1-VT6为MOSFET开关管，D1-D6为续流二极管，在三相导通方式下，每一种通电状态对应的转子位置关系如附图2所示。

结合附图3，无刷直流电机上电自检测具体步骤如下：

1)、控制系统初始化，参数初始化，电机上电；

2)、将电机先通一个三相状态电，持续一个合适的时间，转子静止后，再通其前一个三相状态电，持续一段时间，电机转子静止在相邻一个位置，完成转子预定位过程；

3)、将电机分别按照电机预定位位置后正方向旋转的顺序依次通6个状态的三相电，并分别持续一段时间，采集每次通电后转子静止后所在位置霍尔传感器的状态值，高电平为1，低电平为0，并分别存入一维数组HALL_HA[ ]，HALL_HB[ ]，HALL_HC[ ]。

4)、将采集到的每个霍尔传感器的6个状态值即一维数组内各位的值分别相加，并以HA为例作如下分析：若其和为0，则该霍尔传感器为低电平故障，故障类型赋值FAULT_HA＝0，故障标志赋值HA_FLG＝0；若为3则该传感器正常，FAULT_HA＝2，HA_FLG＝0；若为6则为高电平故障，赋值FAULT_HA＝1，HA_FLG＝0；若为其他值，则数据有误，赋值HA_FLG＝1。

5)、将三个霍尔传感器的故障标志值求和，

即HALL_FLG＝HA_FLG+HB_FLG+HC_FLG。

若HALL_FLG＝0，则说明采集霍尔传感器状态正常，继续执行步骤6)；若为其他值，则采集数据有误，返回步骤2)重新执行上电自检测程序。

6)、将三个霍尔传感器的故障类型值求和，

即HALL_FAULT＝FAULT_HA*9+FAULT_HB*3+FAULT_HC，

其每一个值都对应着一种故障状态，如表1所示，同时发出相应的故障警示，电机上电自检测过程完成。

电机按照如上检测步骤进行霍尔传感器上电自检测，通过人为拔掉霍尔传感器信号线模拟故障状态，分别按照上电前拔掉HA、HA和HB以及上电检测过程中拔掉HA信号线的方法进行试验。试验验结果表明，拔掉HA信号线后，程序完成上电检测故障状态序号为17，拔掉HA和HB信号线后，程序完成上电检测故障状态序号为14，上电检测过程中拔掉HA信号线后程序运行完后重新开始执行，故障状态序号为17，检测结果与故障状态一致，该方法可行。

Claims

1.一种无刷直流电机霍尔传感器上电自检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤2：以预定位位置为起点，以逆时针方向旋转的顺序依次通6个状态的三相电，并每个通电状态持续一段时间，采集每次通电后转子静止后所在位置霍尔传感器的状态值，高电平为1，低电平为0，并分别存入数组HALL_HA[]，HALL_HB[]，HALL_HC[]；所述持续一段时间须要保证转子能够克服机械惯量；

其中：HALL_X为任一霍尔传感器采集的数据存入数组HALL_HX[]后6组数据求和，数据范围0-6，0为低电平故障，3为正常状态，6为高电平故障，其他值为数据错误；X为A、B或C，表示三个霍尔传感器；HALL_HX[]为存放霍尔传感器HX6个逻辑状态的一维数组，0为低电平，1为高电平；