CN105391362A - 一种直流无刷电机霍尔传感器控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机霍尔传感器控制算法，包括霍尔A、霍尔B、霍尔C共三相霍尔，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C相邻两相之间夹角为120°，将三相霍尔解耦，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C独立检测转子位置，在霍尔出现故障时能够迅速检测出故障霍尔的位置以及做出有效的故障处理措施，有利于电机控制，提高了电机工作效率。

Description

一种直流无刷电机霍尔传感器控制算法

技术领域

本发明涉及直流无刷电机控制，具体涉及直流无刷电机霍尔传感器控制方法。

背景技术

直流无刷电机有转矩高、能量密度高、效率高、噪声低等优点，广泛应用于新能源汽车驱动电机，而直流无刷电机矢量控制方法中需要精确确定转子位置，霍尔传感器因其体积小、安装方便、价格低廉等优点被普遍应用于直流无刷电机转子的相位检测中。

准确的转子相位对于直流无刷电机控制策略十分重要，相位的准确性直接影响到电机运行过程中的震动、噪声及效率等，然而霍尔传感器出现故障，错误的霍尔信号就会出现，电机控制器将会解析出错误的转子相位信号并输出错误的控制信号，进而带来严重的后果，如转矩波动、相电流过大、电机热负荷过大甚至电机内部短路，现有的直流无刷电机一般会配置三个对称安装的霍尔传感器，三相霍尔传感器的编码信号为001、010、011、100、101、110共六个信号，利用该六个编码信号可以将直流无刷电机的一个电周期分为六个区域，并于区域交界处有6个准确的参考相位，然而当三相霍尔其中一相或两相出现故障时，将会影响到编码信号的输出，但是仍然会输出上述六个编码信号，不容易判断是否故障以及故障的具体霍尔，不利于电机的高效控制。

发明内容

一般的直流无刷电机会配置三个对称安装的霍尔传感器，利用三个霍尔传感器的输出信号组成的六个编码信号可以将直流无刷电机的一个电周期分为六个区域，并于区域交界处有6个准确的参考相位，然而当三相霍尔其中一相或两相出现故障时，仍然会输出上述六个编码信号，不容易快速判断是否故障以及故障的具体霍尔，不利于电机的高效控制。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种直流无刷电机霍尔传感器控制算法，包括霍尔A、霍尔B、霍尔C共三相霍尔，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C相邻两相之间夹角为120°，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C各自独立定位。

所述霍尔A、霍尔B、霍尔C分别通过电机转动时所述霍尔A、霍尔B、霍尔C的电平变化来分别确定电机转子的两个位置。

所述霍尔A、霍尔B、霍尔C共确定电机转子六个位置，所述六个位置相邻位置之间夹角为60°，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C将电机转子的一个旋转周期分割为六个区域。

所述控制算法还包括故障检测算法，所述故障检测算法为：

步骤一：记录电机转子经过上一个霍尔区域的时间t_n-1，如果从电机转子进入当前霍尔区域时的t_n-1+Δt时间内，电机转子离开当前霍尔区域时对应的霍尔电平发生变化，则该霍尔正常，如果对应的霍尔电平未发生变化，则将该霍尔标记为可疑霍尔，其中Δt为设定的误差时间；

步骤二：当检测出某个霍尔为可疑霍尔时，暂停使用该霍尔，经过至少一个旋转周期后，再次对该可疑霍尔重复步骤一的检测，若该霍尔电平发生变化，则标记为正常，恢复使用该霍尔；若该霍尔电平未发生变化，则仍标记为可疑；

步骤三：重复操作步骤二，若出现正常，则标记为正常，恢复使用该霍尔；若经过两次以上的检测该霍尔电平均未发生变化，则该霍尔确定为故障，停止使用。

所述控制算法还包括故障检测算法，所述故障检测算法为：

步骤一：通过当前电机转速ω_n计算出所述霍尔A、霍尔B、霍尔C电平变化的周期T_n＝180°/ω_n，如果从某个霍尔发生一次电平变化时开始，在T_n+ΔT时间内，该霍尔电平再次发生变化，则该霍尔正常，如果该霍尔电平未发生变化，则将该霍尔标记为可疑霍尔，其中ΔT为设定的误差时间；

步骤二：当检测出某个霍尔为可疑霍尔时，暂停使用该霍尔，经过至少一个旋转周期后，再次对该可疑霍尔重复步骤一的检测，若该霍尔电平发生变化，则标记为正常，恢复使用该霍尔，若该霍尔电平未发生变化，则仍标记为可疑；

步骤三：重复步骤二，若出现正常，则标记为正常，恢复使用该霍尔，若经过两次以上的检测该霍尔电平均未发生变化，则该霍尔确定为故障，停止使用。

所述控制算法还包括容错控制算法，所述容错控制算法为：

当检测出三相霍尔中的其中一相故障时，根据当前电机转速ω_n1计算出按照转子转动顺序下故障霍尔的前一个无故障霍尔电平变化的周期T_n1＝180°/ω_n1，记所述转子从该无故障霍尔对应位置开始经过T_n1/3时间到达的位置为所述故障霍尔所在的位置；

当检测出三相霍尔中的其中两相故障时，根据当前电机转速ω_n2计算出无故障霍尔电平变化的周期T_n2＝180°/ω_n2，将所述周期平均分为三部分霍尔区域，记所述霍尔区域的T_n2/3和2T_n2/3分别为两相故障霍尔对应的位置。

相比现有的直流无刷电机霍尔传感器控制算法，本发明有显著优点和有益效果，具体体现为：

使用本发明直流无刷电机霍尔传感器控制算法，将三相霍尔解耦，每相霍尔独立检测转子位置，在霍尔出现故障时能够迅速检测出故障霍尔的位置以及有效的处理故障，有利于电机控制，提高了电机工作效率。

附图说明

图1为本发明直流无刷电机霍尔传感器的布置结构示意图；

图2为本发明直流无刷电机霍尔传感器控制算法的流程示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施方法如下：

为了解决现有的直流无刷电机霍尔传感器故障检测不及时的问题，本发明提出一种直流无刷电机霍尔传感器控制算法，将三相霍尔解耦，每相霍尔独立检测转子位置，在霍尔出现故障时能够迅速检测出故障霍尔的位置以及有效的处理故障，有利于电机控制，提高电机的工作效率。

下面结合附图具体说明本发明的实施方式：

如图1所示为本发明直流无刷电机霍尔传感器的布置结构示意图，所述电机布置三相霍尔传感器，分别为霍尔A、霍尔B、霍尔C，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C对称布置于电机转子外，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C相邻霍尔之间的夹角为120°。

所述霍尔A、霍尔B、霍尔C分别能够根据磁通量输出高低电平来确定所述电机转子的两个位置，分别为图中虚线对应位置，即所述霍尔A、霍尔B、霍尔C通过输出电平值共能确定电机转子六个位置，也就是将所述电机转子的一个旋转周期平分为六个区域，分别为图中的Sec1、Sec2、Sec3、Sec4、Sec5、Sec6，根据所述霍尔A、霍尔B、霍尔C的信号既能得出电机转子的六个准确位置，也能得出电机转子所在的区域，对于电机的控制有明显助益。

不妨假设所述电机转子的运转方向为逆时针旋转，且转子磁极的方向与所述霍尔A的位置方向夹角为θ，则当所述电机转子由霍尔A所在位置经过θ＝90°时，霍尔A输出电平由1翻转为0，当转子经过θ＝270°时，霍尔A输出电平由0翻转为1，即霍尔A输出电平由0翻转为1时刻，转子经过θ＝90°位置，霍尔A输出电平由1翻转为0时刻，转子经过θ＝270°位置；当所述电机转子由霍尔A所在位置经过θ＝30°时，霍尔B输出电平由0翻转为1时刻，当所述电机转子经过θ＝210°时，霍尔B输出电平由1翻转为0，即霍尔B输出电平由0翻转为1时刻，转子经过θ＝30°位置，霍尔B输出电平由1翻转为0时刻，转子经过θ＝210°位置；当所述电机转子由霍尔A所在位置经过θ＝150°时，霍尔C输出电平由0翻转为1时刻，当所述电机转子经过θ＝210°时，霍尔C输出电平由1翻转为0，即霍尔C输出电平由0翻转为1时刻，转子经过θ＝150°位置，霍尔C输出电平由1翻转为0时刻，转子经过θ＝330°位置。

如图2所示为本发明直流无刷电机霍尔传感器控制算法的流程示意图，其中包括霍尔信号采集模块、有效霍尔识别模块、转子位置识别模块、换相补偿模块、转速采集模块、霍尔故障检测模块、霍尔换相周期计算模式、电机驱动模块，所述霍尔信号采集模块与所述有效霍尔识别模块、霍尔故障检测模块通信连接，所述有效霍尔识别模块与所述霍尔故障检测模块、转子位置识别模块通信连接，所述霍尔故障检测模块与所述霍尔换相周期计算模块通信连接，所述转子位置识别模块与所述转速采集模块、换相补偿模块通信连接，所述霍尔换相周期计算模块与所述转速采集模块、换相补偿模块通信连接，所述换相补偿模块与所述电机驱动模块通信连接。

所述霍尔信号采集模块用于采集霍尔A、霍尔B、霍尔C的电平信号，即将所述霍尔A、霍尔B、霍尔C的0或者1的电平信号传送给所述霍尔故障检测模块及有效霍尔识别模块，所述霍尔故障检测模块根据霍尔A、霍尔B、霍尔C的电平信号检测所述霍尔A、霍尔B、霍尔C是否有故障，并将检测结果以及故障霍尔信息传送给所述有效霍尔识别模块，所述有效霍尔识别模块根据接收的霍尔故障检测信息及正常有效的霍尔信号传送给所述转子位置识别模块，所述转子位置识别模块根据有效的霍尔信号识别出转子所在位置并将信息经过转速采集模块传送至霍尔换相周期计算模块，所述转速采集模块将当前的转子转速ω传送至所述霍尔换相周期计算模块，所述霍尔换相周期计算模块根据转子的位置信息和转速信息计算出霍尔换相的周期T，并将该周期T信息传送至所述换相补偿模块，若存在故障霍尔，所述换相补偿模块根据周期T及转子转速ω估算出故障霍尔对应的转子位置，若不存在故障霍尔，所述换相补偿模块不估算转子位置，所述换相补偿模块将电机转子的位置传送给电机驱动模块，由所述电机驱动模块驱动电机运转。

所述直流无刷电机霍尔传感器控制算法还包括故障检测算法，具体步骤为：

步骤一：记录电机转子经过上一个霍尔区域的时间t_n-1，如果从电机转子进入当前霍尔区域时开始计时，在t_n-1+Δt时间内，如果电机转子离开当前霍尔区域时所对应的霍尔电平发生了变化，则该霍尔正常，如果对应的霍尔电平未发生变化，则将该霍尔标记为可疑霍尔，其中Δt为设定的误差时间，例如电机转子从进入霍尔区域Sec1到离开Sec1区域的时间为t_n-1，而从进入霍尔区域Sec2开始在时间t_n-1+Δt内，若霍尔A的输出电平由1变为0，则霍尔A正常，若霍尔A的输出电平未由1变为0，则认为霍尔A为可疑霍尔；

步骤一也可以采用另一种方法：通过当前电机转速ω_n计算出所述霍尔A、霍尔B、霍尔C电平变化的周期T_n＝180°/ω_n，如果从某个霍尔发生一次电平变化时开始，在T_n+ΔT时间内，该霍尔电平再次发生变化，则该霍尔正常，如果该霍尔电平未发生变化，则将该霍尔标记为可疑霍尔，其中ΔT为设定的误差时间，例如电机转子进入霍尔区域Sec3，当前电机转速为ω_n，计算出所述霍尔A电平变化的周期T_n＝180°/ω_n，如果从电机转子进入霍尔区域Sec3且霍尔A发生电平由1变为0时开始，在T_n+ΔT时间内，所述霍尔A电平由0变为1，则该霍尔正常，如果该霍尔A电平未由0变为1，则将该霍尔标记为可疑霍尔；

步骤二：当检测出某个霍尔为可疑霍尔时，暂停使用该霍尔，经过至少一个旋转周期后，再次对该可疑霍尔重复步骤一的检测，若该霍尔电平发生变化，则标记为正常，恢复使用该霍尔；若该霍尔电平未发生变化，则仍标记为可疑；

步骤三：重复步骤二，若出现正常，则标记为正常，恢复使用该霍尔；若经过两次以上的检测该霍尔电平均未发生变化，则该霍尔确定为故障，停止使用，并启动容错控制算法。

所述控制算法还包括容错控制算法：

当通过上述故障检测算法检测出三相霍尔中的其中一相故障时，不妨假设霍尔A出现故障，则根据当前电机转子在霍尔区域Sec2内的转速ω_n1计算出按照转子转动顺序下故障霍尔A的前一个无故障霍尔B电平变化的周期T_n1＝180°/ω_n1，记所述转子从该霍尔B对应位置(即进入霍尔区域Sec2的位置)开始经过T_n1/3时间到达的位置为所述故障霍尔A所对应的位置；

当检测出三相霍尔中的其中两相故障时，不妨假设霍尔A、霍尔B出现故障，根据当前电机转速ω_n2计算出无故障霍尔C电平变化的周期T_n2＝180°/ω_n2，将所述周期T_n2平均分为三部分霍尔区域，记所述霍尔区域的T_n2/3和2T_n2/3分别为两相故障霍尔对应的位置。

对于为本发明的示范性实施例，应当理解为是本发明的权利要求书的保护范围内其中的某一种示范性示例，具有对本领域技术人员实现相应的技术方案的指导性作用，而非对本发明的限定。

Claims (6)

1.一种直流无刷电机霍尔传感器控制算法，包括霍尔A、霍尔B、霍尔C共三相霍尔，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C相邻两相之间夹角为120°，其特征在于，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C各自独立定位。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电机霍尔传感器控制算法，其特征在于，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C分别通过电机转动时所述霍尔A、霍尔B、霍尔C的电平变化来分别确定电机转子的两个位置。

3.根据权利要求2所述的直流无刷电机霍尔传感器控制算法，其特征在于，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C共确定电机转子六个位置，所述六个位置相邻位置之间夹角为60°，所述霍尔A、霍尔B、霍尔C将电机转子的一个旋转周期分割为六个区域。

4.根据权利要求3所述的直流无刷电机霍尔传感器控制算法，其特征在于，所述控制算法还包括故障检测算法，所述故障检测算法为：

步骤一：记录电机转子经过上一个霍尔区域的时间t_n-1，如果从电机转子进入当前霍尔区域时的t_n-1+Δt时间内，电机转子离开当前霍尔区域时对应的霍尔电平发生变化，则该霍尔正常，如果对应的霍尔电平未发生变化，则将该霍尔标记为可疑霍尔，其中Δt为设定的误差时间；

步骤二：当检测出某个霍尔为可疑霍尔时，暂停使用该霍尔，经过至少一个旋转周期后，再次对该可疑霍尔重复步骤一的检测，若该霍尔电平发生变化，则标记为正常，恢复使用该霍尔；若该霍尔电平未发生变化，则仍标记为可疑；

步骤三：重复步骤二，若出现正常，则标记为正常，恢复使用该霍尔；若经过两次以上的检测该霍尔电平均未发生变化，则该霍尔确定为故障，停止使用。

5.根据权利要求3所述的直流无刷电机霍尔传感器控制算法，其特征在于，所述控制算法还包括故障检测算法，所述故障检测算法为：

步骤一：通过当前电机转速ω_n计算出所述霍尔A、霍尔B、霍尔C电平变化的周期T_n＝180°/ω_n，如果从某个霍尔发生一次电平变化时开始，在T_n+ΔT时间内，该霍尔电平再次发生变化，则该霍尔正常，如果该霍尔电平未发生变化，则将该霍尔标记为可疑霍尔，其中ΔT为设定的误差时间；

步骤二：当检测出某个霍尔为可疑霍尔时，暂停使用该霍尔，经过至少一个旋转周期后，再次对该可疑霍尔重复步骤一的检测，若该霍尔电平发生变化，则标记为正常，恢复使用该霍尔，若该霍尔电平未发生变化，则仍标记为可疑；

步骤三：重复步骤二，若出现正常，则标记为正常，恢复使用该霍尔，若经过两次以上的检测该霍尔电平均未发生变化，则该霍尔确定为故障，停止使用。

6.根据权利要求4或5所述的直流无刷电机霍尔传感器控制算法，其特征在于，所述控制算法还包括容错控制算法，所述容错控制算法为：

当检测出三相霍尔中的其中一相故障时，根据当前电机转速ω_n1计算出按照转子转动顺序下故障霍尔的前一个无故障霍尔电平变化的周期T_n1＝180°/ω_n1，记所述转子从该无故障霍尔对应位置开始经过T_n1/3时间到达的位置为所述故障霍尔所对应的位置；

当检测出三相霍尔中的其中两相故障时，根据当前电机转速ω_n2计算出无故障霍尔电平变化的周期T_n2＝180°/ω_n2，将所述周期平均分为三部分霍尔区域，记所述霍尔区域的T_n2/3和2T_n2/3分别为两相故障霍尔对应的位置。