CN105115416B - 永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法，该方法通过综合分析一个故障判断检测周期内各路霍尔的输出信号以及电机转子在当前霍尔状态所持续的时间，初步判断并定位故障路开关霍尔传感器，且对故障类型进行分类。本发明还提供一种故障误判断的排除方法，结合初步判断出的故障类型，采用不断分析比较各路开关霍尔传感器对应数组的数值、检测周期的长度以及前后捕获中断触发时间间隔的方法，排除故障误判断。本发明简单实用，成本低廉，能够快速准确地判断并定位出故障路开关霍尔传感器，可有效排除误判断现象，具有较高的鲁棒性。

Description

永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法

技术领域

本发明涉及电机位置传感器故障诊断技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法。

背景技术

永磁同步电机由于具有体积小、效率高、功率密度大以及调速范围宽等优点，在航空航天、电动汽车驱动、数控机床以及家用电器等领域得到了广泛的应用。在高性能的驱动系统中，为了实现高精度、高动态性能的速度和转矩控制，通常采用磁场定向矢量控制。在传统的矢量控制中，往往需要通过位置传感器来获取转子位置，以此来实现精确的磁场定向。相比于旋转变压器和光电码盘，开关霍尔位置传感器由于具有成本低廉、体积小、安装方便等优点，近年来得到了广泛地应用。

如说明书附图中图2-a所示，一般将三路开关霍尔位置传感器Ha、Hb、Hc均匀对称地安装在相隔120°电角度的圆周上。如图2-b～图2-c所示，当电机旋转时，霍尔输出信号是三个相隔120°的方波，每个方波有180°的有效角度，这样就可以把360°的电角度分为6个扇区，每个扇区60°电角度，当霍尔组合信号每跳变一次说明转子转过60°电角度。在正弦波驱动永磁同步电机控制上，一般采用零阶泰勒级数法和一阶泰勒级数法来估算电机转子的实际位置，进而获得精度较高的控制效果。而当开关霍尔位置传感器出现故障时，故障路开关霍尔传感器输出数字信号恒为0或1，电机控制器也将会接收到错误的位置信号，导致其发出不正确的电压矢量，进而带来一系列的严重后果，如：电机发热短路，控制器过流保护，转轴磨损断裂，严重的甚至会使后级连接传动机构瘫痪，最终导致整个驱动系统崩溃。因此，对开关霍尔位置传感器的故障进行及时准确地判断和定位具有十分重要的价值。

中国专利201310312121.5通过判断检测到的霍尔状态中是否含有0矢量来进行故障检测，并同过分析检测到的霍尔状态量来定位其中的故障路霍尔传感器，但该方法需要在电机旋转结束后才可对霍尔状态进行综合判断，不可实时检测，并且只可诊断出单路和双路两种霍尔故障状态，对其他故障态的检测并没有给予说明，因此，该方法缺乏实际操作性。中国专利201310395718.0公开了一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法，该专利同时采用三种方法来进行故障诊断，并且引入了一种故障确认方法。但该方法并没有具体给出转子在某一区域走过电角度最小值和最大值的取值方法，另外，对于故障确认方法，若发生双路霍尔故障且n取值较大，则确认时间过长，且该故障确认方法不适用于确认三路霍尔故障及传感器电源故障，因此，该专利所提方法实用性较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法，用于快速准确地判断并定位出发生故障的开关霍尔传感器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法，包括以下步骤：

步骤1)，所述永磁同步电机的三路开关霍尔输出信号中只要有一路输出信号发生跳变即触发中断，将此刻每一路开关霍尔输出信号分别存储在Hallx[i]中，同时，记录相邻两次开关霍尔信号跳变之间的时间t_n；

其中，x＝a,b,c，i＝0～5，Hallx[i]为长度为6的一维数组；

t_n＝NT_s，n为计数变量，代表开关霍尔信号跳变的次数；N为相邻两次开关霍尔信号跳变获得的脉冲数；T_s是主中断周期时长；

步骤2)，若所述永磁同步电机的转子在当前霍尔状态的停留时间大于预设的时间阈值t_nmax，记录所述永磁同步电机的转子在当前霍尔状态的停留时间t_m，若其满足关系t_m>k*t_nmax，则判断发生3路开关霍尔传感器故障或传感器电源故障，将故障标志位error_flag赋值为3；

其中，t_m＝NT_s；k为预先设定的大于1的整数；

步骤3)，若所述永磁同步电机的转子在预设的时间阈值t_nmax内进行开关霍尔信号跳变，计数变量n累加1；

步骤4)，当计数变量n值累加至5时为1个故障判断检测周期，将计数变量n赋值为0；

步骤5)，若数组Hallx[j]中的每一个元素均满足关系Hallx[j]≠Hallx[j+3]，将故障标志位error_flag赋值为0；

其中，j＝0～2；

步骤6)，若数组Hallx[j]中存在一组元素满足关系Hallx[j]＝Hallx[j+3]，继续运行u个故障判断检测周期，若都为同一组元素满足关系Hallx[j]＝Hallx[j+3]，则判断发生单路开关霍尔传感器故障，将故障标志位error_flag赋值为1，并将Hallx定位为故障路霍尔；

其中，u为预先设定的整数；

步骤7)，若数组Hallx[j]中存在两组元素满足关系Hallx[j]＝Hallx[j+3]，继续运行1个故障判断检测周期，并记录电机转子在此故障判断检测周期所经历的时间，将其存储在Time[j]中，若满足关系2*Time[0]<Time[1]且2*Time[0]<Time[2]，则判断发生双路开关霍尔传感器故障，将故障标志位error_flag赋值为2，并将Hallx定位为故障路霍尔；

其中，Time[0]为电机转子在最后一个正常状态经历一个故障判断检测周期的时间，Time[1]和Time[2]分别为发生故障后电机转子经过连续两个故障判断检测周期的时间；

步骤8)，将故障状态及故障路开关霍尔反馈给控制器。

作为本发明永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法进一步的优化方案，所述在预设的时间阈值t_nmax通过以下方式得到：

首先采集转子经过上一霍尔状态的时间t_n-1，然后根据以下公式计算得到t_nmax：

其中，J为系统机械转动惯量，T_emin为电机输出反向最大电磁转矩，T_Lmax为电机所带最大负载转矩。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明可以快速准确的对开关霍尔位置传感器的故障进行判断，并对三种故障状态进行清晰地分类，充分降低开关霍尔位置传感器故障对系统运行带来的影响；

2.利用一个故障判断检测周期内各路开关霍尔传感器输出信号的逻辑关系，可以快速精确地定位出具体的故障路开关霍尔位置传感器，有利于在故障发生后对其进行维修；

3.利用三种方法，分别对初步判断的三种故障状态进行多次确认，及时排除由于电机正反转切换以及电磁干扰造成的误判断现象，充分提高电机驱动系统的鲁棒性；

4.该方法无需专门的硬件电路，只需软件就能实现，简单实用，且成本低廉。

附图说明

图1为开关霍尔位置传感器故障判断定位方法以及故障误判断排除方法示意图；

图2-a为三开关霍尔位置传感器安装示意图；

图2-b为正常运行时三开关霍尔位置区间图；

图2-c为正常运行时三开关霍尔位置传感器各路输出信号示意图；

图3-a为A路开关霍尔故障且输出恒为“1”时三开关霍尔位置区间图；

图3-b为A路开关霍尔故障且输出恒为“1”时各路开关霍尔输出信号示意图；

图4-a为A、C路开关霍尔故障且输出都恒为“1”时三开关霍尔位置区间图；

图4-b为A、C路开关霍尔故障且输出都恒为“1”时各路开关霍尔输出信号示意图；

图5-a为发生三路开关霍尔传感器或电源发生故障时三开关霍尔位置区间图；

图5-b为发生三路开关霍尔传感器或电源故障时各路开关霍尔输出信号示意图；

图6-a为电机正反转切换时三开关霍尔位置传感器各路输出信号示意图；

图6-b为C路开关霍尔受电磁干扰时各路三开关霍尔位置传感器输出信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明提出一种永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法，具体步骤为：

第一步，初始化各变量，如图2-a、图2-b和2-c所示，在电机正常运行过程中，转子每转动一个电周期，各开关霍尔位置传感器会连续输出一定规律的6种状态量，因此，定义三个长度为6的一维数组Halla[6],Hallb[6]和Hallc[6]，分别用来存储3路开关霍尔传感器的输出量，另外，定义计数变量n，定义变量t_n为电机转子经过某一霍尔状态的时间，定义一个长度为3的一维数组Time[3],用来记录电机转子经历的连续三个故障判断检测周期的时间；定义故障标志位error_flag，当控制器上电时，对所有变量进行初始化，并且初值均赋为0；

第二步，电机接收到控制器输出信号后转动，采用边沿捕获中断，当3路开关霍尔传感器中任何一路输出信号发生变化则触发数字信号处理器中断，将此时开关霍尔传感器的输出量分别存储在数组Halla、Hallb和Hallc中，同时，将计数变量n值累加1。另外，在数字处理芯片中开启2个定时器分别用来记录电机转子经过某一霍尔状态的时间t_n以及电机转子经过一个故障判断检测周期的时间Time，可分别表示为t_n＝N₁T_s，Time＝N₂T_s；

其中，N₁是相邻两次开关霍尔信号跳变获得的计数脉冲数，N₂是一个故障判断检测周期内获得的计数脉冲数，T_s是主中断周期时长；

第三步，定义一个故障判断检测周期为6，当计数变量n值累加至5，即经过一个故障判断检测周期，则对数组Hallx[i](x＝a,b,c；i＝0～5)进行综合比较判断，同时将计数变量n值赋为0，若计数变量n值长时间没有更新，对时间t_n进行综合比较判断；具体实施方式如下：

状态1.在电机正常运行情况下，经过一个完整的故障判断检测周期后，数组中各元素均满足关系Hallx[i]≠Hallx[l+3](x＝a,b,c；j＝0～2)，由此，可判断开关霍尔位置传感器无故障，同时故障标志位error_flag赋值为0；

状态2.举例说明，假设A路开关霍尔传感器发生故障，且输出量恒为“1”，如说明书附图中图3-a和图3-b所示。可以发现，在一个故障判断检测周期后，对于故障路开关霍尔A，若满足关系Halla[j]＝Halla[j+3](j＝0～2)，由此，可初步判断单路开关霍尔传感器发生故障且定位A路为故障路，同时故障标志位error_flag赋值为1。对于单路开关霍尔传感器故障的其他情况，同样存在类似于上述的关系；

状态3.举例说明，假设A、C路开关霍尔传感器发生故障，且输出量恒为“1”，如说明书附图中图4-a和图4-b所示。可以发现，在一个故障判断检测周期后，对于故障路开关霍尔A和C，分别满足关系Halla[j]＝Halla[j+3],Hallc[j]＝Hallc[j+3],(j＝0～2)，而对于非故障路开关霍尔B，则全部满足关系Hallb[j]≠Hallb[j+3](i＝0～2),由此，可初步判断双路开关霍尔传感器发生故障且定位A、C路为故障路，同时，故障标志位error_flag赋值为2。对于双路开关霍尔传感器故障的其他情况，同样存在类似于上述的关系；

状态4.当3路开关霍尔传感器或传感器电源发生故障时，3路开关霍尔传感器均无跳变信号输出来触发捕获中断，计数变量n值长时间没有更新，如说明书附图中图5-a和图5-b所示。此时，将定时器记录的电机转子在当前霍尔状态所停留的时间t_n与电机转子理论上在该霍尔状态停留的最长时间t_nmax作比较，当满足关系t_n>t_nmax且3路开关霍尔输出信号均无跳变时，可初步判断3路开关霍尔传感器或电源发生故障，故障标志位error_flag赋值为3。其中，t_nmax推算方法如下：

根据

计算得到电机最小加速度a_min，其中J为系统机械转动惯量，T_emin为电机输出反向最大转矩，T_Lmax为电机所带最大负载转矩；

根据

计算得到上一霍尔状态的转子平均速度ω_n-1，其中t_n-1为转子在上一霍尔状态所经历的时间；

根据

计算得到电机转子理论上在某一霍尔状态停留的最长时间

故障误判断排除的方法，根据初步判断的开关霍尔传感器故障类型，其具体方法为：

1.单路开关霍尔传感器故障：当故障标志位error_flag为1时，重复进行u次判断，u为预先设定的整数，若相应数组元素仍全部满足开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法中第三步状态2中的比较关系，则确认相应路开关霍尔传感器发生故障，故障标志位error_flag保持为1，否则将error_flag赋值为0；

2.双路开关霍尔传感器故障：由于发生此类故障后，电机转子需要旋转7/3个电周期后才会经历一个完整的故障判断检测周期，而开关霍尔正常工作时，电机转子仅需旋转1个电周期即可,可分别对比图2-c和图4-b中所示的A、C两路开关霍尔位置传感器出现故障的情况。此时，当故障标志位error_flag为2时，电机转子继续旋转一个故障判断检测周期，并记录电机转子在每一故障判断检测周期所停留的时间，分别将其存储在长度为3的一维数组Time[3]中。其中，Time[0]为最后一个正常状态下所得数据，Time[1]和Time[2]为发生双路故障后所得数据，当满足关系：2*Time[0]<Time[1]且2*Time[0]<Time[2]后,确认开关霍尔传感器存在故障，故障标志位error_flag保持为2，否则将error_flag赋值为0；

3.3路开关霍尔传感器故障或传感器电源故障：在初步判断发生此类故障后，继续记录所述永磁同步电机转子在当前霍尔状态的停留时间t_m，在此期间若计数变量n值始终没有更新，且一直满足关系t_m>k*t_nmax，则确认开关霍尔传感器存在此类故障，故障标志位error_flag保持为3，否则将error_flag赋值为0。其中，k为预先设定的大于1的常数，且其设定值越大，故障判断的延时现象越明显，但误判率越低。

本发明提出的方法可以快速准确地对开关霍尔位置传感器的故障进行判断分类，并且迅速定位出故障路开关霍尔；同时，本发明能够及时排除由于电机正反转切换以及电磁干扰造成的误判断现象(分别如图6-a和图6-b所示)，提高了整个系统的鲁棒性；并且该方法无需额外的硬件电路，实现方便，可以广泛应用于各种带开关霍尔位置传感器的电机驱动场合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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之内。

Claims (2)

1.永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，所述永磁同步电机的三路开关霍尔输出信号中只要有一路输出信号发生跳变即触发中断，将此刻每一路开关霍尔输出信号分别存储在Hallx[i]中，同时，记录相邻两次开关霍尔信号跳变之间的时间t_n；

其中，x＝a,b,c，i＝0～5，Hallx[i]为长度为6的一维数组；

t_n＝NT_s，n为计数变量，代表开关霍尔信号跳变的次数；N为相邻两次开关霍尔信号跳变获得的脉冲数；T_s是主中断周期时长；

步骤2)，若所述永磁同步电机的转子在当前霍尔状态的停留时间大于预设的时间阈值t_nmax，记录所述永磁同步电机的转子在当前霍尔状态的停留时间t_m，若其满足关系t_m>k*t_nmax，则判断发生3路开关霍尔传感器故障或传感器电源故障，将故障标志位error_flag赋值为3；

其中，t_m＝NT_s；k为预先设定的大于1的整数；

步骤3)，若所述永磁同步电机的转子在预设的时间阈值t_nmax内进行开关霍尔信号跳变，计数变量n累加1；

步骤4)，当计数变量n值累加至5时为1个故障判断检测周期，将计数变量n赋值为0；

步骤5)，若数组Hallx[j]中的每一个元素均满足关系Hallx[j]≠Hallx[j+3]，将故障标志位error_flag赋值为0；

其中，j＝0～2；

步骤6)，若数组Hallx[j]中存在一组元素满足关系Hallx[j]＝Hallx[j+3]，继续运行u个故障判断检测周期，若都为同一组元素满足关系Hallx[j]＝Hallx[j+3]，则判断发生单路开关霍尔传感器故障，将故障标志位error_flag赋值为1，并将Hallx定位为故障路霍尔；

其中，u为预先设定的整数；

步骤7)，若数组Hallx[j]中存在两组元素满足关系Hallx[j]＝Hallx[j+3]，继续运行1个故障判断检测周期，并记录电机转子在此故障判断检测周期所经历的时间，将其存储在Time[j]中，若满足关系2*Time[0]<Time[1]且2*Time[0]<Time[2]，则判断发生双路开关霍尔传感器故障，将故障标志位error_flag赋值为2，并将Hallx定位为故障路霍尔；

其中，Time[0]为电机转子在最后一个正常状态经历一个故障判断检测周期的时间，Time[1]、Time[2]分别为发生故障后电机转子经过第一个故障判断检测周期的时间和经过第二个故障判断检测周期的时间；

步骤8)，将故障状态及故障路开关霍尔反馈给控制器。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法，其特征在于，所述预设的时间阈值t_nmax通过以下方式得到：

首先采集转子经过上一霍尔状态的时间t_n-1，然后根据以下公式计算得到t_nmax：

$t_{nmax}=\frac{\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}}{\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}{t}_{n-1}+\frac{T_{emin}-T_{Lmax}}{J}}$

其中，J为系统机械转动惯量，T_emin为电机输出反向最大电磁转矩，T_Lmax为电机所带最大负载转矩。