CN106787992B - 永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁无刷电机控制系统领域，具体涉及一种永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法。本发明是为了解决基于霍尔位置传感器在永磁无刷电机运行过程中，由于电机机械振动、线路接口脱落引起的霍尔故障问题。本发明的永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法在任意霍尔跳变沿时刻，确认霍尔跳变沿类型、采样相应的霍尔状态，确定具体的霍尔故障类型；针对单霍尔故障类型和双霍尔故障类型，求得电机容错转速，进而通过降阶观测器估计出高分辨率的容错转子位置信息，从而进行电流和转速双闭环控制和矢量控制，经过空间矢量模块输出调制波控制逆变桥相应功率管的开断。本发明用于永磁无刷电机单霍尔及双霍尔传感器容错控制。

Description

永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法

技术领域

本发明涉及基于霍尔位置传感器的永磁无刷电机控制领域，具体涉及一种永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法。

背景技术

霍尔位置传感器作为永磁无刷电机转子位置检测元件，在无刷直流电机的控制中，每一个电气周期霍尔传感器提供六个换相位置，从而实现无刷直流电机的二二导通三相六状态控制方式；永磁同步电动机的控制过程中，矢量控制需要高分辨率的转子位置信息，因此，需要霍尔位置传感器来估计高分辨率的转子位置信息。

基于霍尔位置传感器在永磁无刷电机运行过程中，由于机械振动、线路接口脱落引起霍尔故障问题，使得电机在正常运行过程中骤然停滞或电机失速，该故障会在生产中造成无法弥补的后果，甚至于对技术人员的生命安全构成威胁，因此，基于霍尔位置传感器的容错控制技术在实际控制系统中有着至关重要的作用。

发明内容

本发明针对基于霍尔位置传感器的永磁无刷电机运行过程中，由于电机机械振动、线路接口脱落引起的霍尔故障问题，提出一种永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法。

永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法，具体步骤如下：

步骤a、在任意霍尔位置信号跳变沿时刻，根据跳变沿的状态，确定是否发生故障，如果无故障，霍尔故障补偿电角度θ_re-prev恒为60°，如果出现故障，转到步骤b；

步骤b、根据霍尔跳变沿的类型采集相应的霍尔状态变量，比较霍尔位置状态变量判断出唯一的霍尔故障类型；

步骤c、根据确认的霍尔故障类型，通过LOOKUP table程序找出具体霍尔故障类型下对应的霍尔故障补偿电角度θ_re-prev，在霍尔跳变沿时刻复位定时器并重新计时获得转子转过扇区的时间ΔT_prev，进而获得霍尔容错计算转速

步骤d、根据步骤c得到的计算转速采用带遗传因子的递推最小二乘法来估计准确转速，得到当前扇区的估计转速

步骤e、将估计转速作为降阶观测器的转速输入，进而估计出准确的电机转子位置

步骤f、根据估计转速和估计出的电机转子位置进行电流和转速双闭环控制和矢量控制，经过空间矢量模块输出调制波控制逆变桥相应功率管的开断。

进一步地，所述步骤b中霍尔位置状态变量对应的霍尔故障类型如下表：

表1霍尔传感器故障类型

跳变沿	f<sub>1</sub>	f<sub>2</sub>	f<sub>3</sub>
				1(h<sub>1</sub>)	0	1-|h<sub>2,r1</sub>-h<sub>2,f1</sub>|	1-|h<sub>3,r1</sub>-h<sub>3,f1</sub>|
2(h<sub>2</sub>)	1-|h<sub>1,r2</sub>-h<sub>1,f2</sub>|	0	1-|h<sub>3,r2</sub>-h<sub>3,f2</sub>|
				4(h<sub>3</sub>)	1-|h<sub>1,r3</sub>-h<sub>1,f3</sub>|	1-|h<sub>2,r3</sub>-h<sub>2,f3</sub>|	0

表中f_x＝0表示无霍尔故障，f_x＝1为相应霍尔位置传感器x故障，x＝1,2,3，

检测任意霍尔信号跳变沿，保存相应换相控制字，对当前扇区和前一扇区的换相控制字异或处理，结果为1则表示为h₁跳变沿，结果为2则表示h₂跳变沿，结果为4则为h₃跳变沿，检测到具体霍尔跳变沿类型时，根据相应的霍尔状态即可检测霍尔故障类型，具体方法如下：

定义变量h_x,ry表示在h_y的上升沿时采集的h_x的值；h_x,fy表示在的h_y下降沿时采集的h_x的值；其中，任意霍尔跳变沿到来时，判断相应霍尔跳变沿类型，根据跳变沿类型进行霍尔状态采集，同时比较霍尔状态值h_x,ry和h_x,fy的状态，即可判断出相应的霍尔故障类型。

进一步地，所述步骤c中计算电机转子转速的公式为：

式中，θ_re-prev在霍尔无故障时为恒定60°，霍尔故障时，会随着霍尔故障类型发生相应的变化，选取不同霍尔故障类型下θ_re-prev(i)、θ_re-min(j)和θ_re-max(k)的值，其中，θ_re-min(j)和θ_re-max(k)分别为当前霍尔扇区临界最小和最大转子位置角，确定霍尔故障类型后，任意霍尔跳变沿来临时，均需对θ_re-prev(i)、θ_re-min(j)和θ_re-max(k)这三个变量重新赋值，表2为单霍尔传感器故障补偿角度，表3为双霍尔传感器故障补偿角度：

表2单霍尔传感器故障补偿角度

表3双霍尔传感器故障补偿角度

表2和表3中，H_x表示相应的霍尔扇区，x＝0～7，其中，1～6为非霍尔故障状态端口采样值，0和7为故障状态下霍尔端口状态采样值。

进一步地，所述步骤d中采用带遗传因子的递推最小二乘法来估计转速，具体方法为：根据步骤c中得到的计算转速作为递推最小二乘法的参考输入，系统参数矩阵选择为I，待辨识参数为电机估计转速带遗传因子的递推最小二乘法的迭代公式为：

其中，k为迭代公式的迭代步骤，第k步，通常遗忘因子λ的取值范围为0.9≤λ≤1，至此，基于带遗传因子的递推最小二乘法的转速容错估计完成。

进一步地，所述步骤e中，角度估计具体方法为：

分析永磁无刷电机的机械运动方程，提出一种基于降阶观测器的霍尔故障容错策略，降阶观测器的微分方程为：

其中，每个霍尔扇区下电角度范围为θ_re-min和θ_re-max分别为当前霍尔扇区临界最小和最大转子位置角，K为降阶观测器增益，为降阶观测器的输出，为状态观测器的转子位置输入，该角度的估计用容错估计转速来替代计算转速输入角度估计公式为：

其中，T_s为系统的采样周期。

有益效果：

第一，本发明的永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法，在单霍尔或双霍尔元件发生故障时，进行容错控制，使电机能够保持正常工作；

第二，单霍尔故障和双霍尔故障发生时，永磁无刷电机可以输出准确的转子位置信息；

第三，本发明的永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法，提出了一种基于带遗忘因子的递推最小二乘法转速容错估计，最小二乘法的输入为基于霍尔扇区电角度的计算转速，从而估计出准确的电机估计转速；

第四，本发明通过分析永磁无刷电机的机械运动方程，提出一种基于降阶观测器的电机转子位置角度估计，该估计方法不受电机本体参数的影响(例如，转动惯量j，负载转矩T_L)，在变负载工况下控制性能尤为准确。

附图说明

图1是本发明的永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法的流程图；

图2是本发明的永磁无刷电机霍尔传感器跳变沿类型与霍尔状态关系；

图3是本发明的永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法的原理图。

具体实施方式

结合图1～3说明本实施方式，本发明中提及的永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机和永磁同步电机，在具体实施例中以永磁同步电机来解释和说明本发明。本实施方式的永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法的流程图，如图1所示，具体步骤如下：

步骤a、在任意霍尔位置信号跳变沿时刻，根据跳变沿的状态，确定是否发生故障，如果无故障，霍尔故障补偿电角度θ_re-prev恒为60°，如果出现故障，转到步骤b；

步骤b、根据霍尔跳变沿的类型采集相应的霍尔状态变量，根据霍尔位置状态值判断出唯一的霍尔故障类型，霍尔位置状态变量对应的霍尔故障类型如表1所示：

表1霍尔传感器故障类型

跳变沿	f<sub>1</sub>	f<sub>2</sub>	f<sub>3</sub>
				1(h<sub>1</sub>)	0	1-|h<sub>2,r1</sub>-h<sub>2,f1</sub>|	1-|h<sub>3,r1</sub>-h<sub>3,f1</sub>|
2(h<sub>2</sub>)	1-|h<sub>1,r2</sub>-h<sub>1,f2</sub>|	0	1-|h<sub>3,r2</sub>-h<sub>3,f2</sub>|
				4(h<sub>3</sub>)	1-|h<sub>1,r3</sub>-h<sub>1,f3</sub>|	1-|h<sub>2,r3</sub>-h<sub>2,f3</sub>|	0

其中，f_x＝0表示无霍尔故障，f_x＝1为相应霍尔位置传感器x故障，x＝1,2,3，

通过检测任意霍尔信号跳变沿，保存相应换相控制字，对当前扇区和前一扇区的换相控制字异或处理，结果为1则表示为h₁跳变沿，结果为2则表示h₂跳变沿，结果为4则为h₃跳变沿，检测到具体霍尔跳变沿类型时，根据相应的霍尔状态即可检测霍尔故障类型，具体方法如下：

定义变量h_x,ry表示在h_y的上升沿时采集的h_x的值；h_x,fy表示在的h_y下降沿时采集的h_x的值；其中，任意霍尔跳变沿到来时，判断相应霍尔跳变沿类型，根据跳变沿类型进行霍尔状态采集，同时比较霍尔状态值h_x,ry和h_x,fy的状态，即可判断出相应的霍尔故障类型。

步骤c、根据确认的霍尔故障类型，通过LOOKUP table程序找出具体霍尔故障类型下对应的霍尔故障补偿电角度θ_re-prev，在霍尔跳变沿时刻复位定时器并重新计时获得转子转过扇区的时间ΔT_prev，进而获得霍尔容错计算转速

式中，θ_re-prev在霍尔无故障时为恒定的60°，霍尔故障时，会随着霍尔故障类型发生相应的变化，选取不同的霍尔故障类型下θ_re-prev(i)、θ_re-min(j)和θ_re-max(k)的值，其中，θ_re-min(j)和θ_re-max(k)分别为当前霍尔扇区临界最小和最大转子位置角，确定霍尔故障类型后，任意霍尔跳变沿来临时，均需对θ_re-prev(i)、θ_re-min(j)和θ_re-max(k)这三个变量重新赋值，表2为单霍尔传感器故障补偿角度，表3为双霍尔传感器故障补偿角度：

表2单霍尔传感器故障补偿角度

表3双霍尔传感器故障补偿角度

表2和表3中，H_x表示相应的霍尔扇区，x＝0～7，其中，1～6为非霍尔故障状态端口采样值，0和7为故障状态下霍尔端口状态采样值。

步骤d、根据步骤c得到的计算转速作为递推最小二乘法的参考输入，系统参数矩阵选择为I，待辨识参数为电机估计转速带遗传因子的递推最小二乘法的迭代公式为：

其中，k为迭代公式的迭代步骤，第k步，通常遗忘因子λ的取值范围为0.9≤λ≤1，至此，基于带遗传因子的递推最小二乘法的转速容错估计完成。

步骤e、将估计转速作为降阶观测器的转速输入，分析永磁无刷电机的机械运动方程，提出一种基于降阶观测器的霍尔故障容错策略，降阶观测器的微分方程为：

其中，每个霍尔扇区下电角度范围为K为降阶观测器增益，为降阶观测器的输出，为状态观测器的转子位置输入，该角度的估计用估计转速来替代计算转速输入角度估计公式为

其中，T_s为系统的采样周期。

为了降低转子估计角度误差，对每个扇区下电机转子位置限定范围为其中θ_re-min和θ_re-max分别为当前霍尔扇区临界最小和最大转子位置角，随着转子的转动，θ_re-min和θ_re-max在每一扇区下都需作相应的更新，以使得转子估计误差可以在每个扇区下进行修正，减少累积估计误差。

步骤f、根据估计转速和估计出的电机转子位置进行电流和转速双闭环控制和矢量控制，经过空间矢量模块输出调制波控制逆变桥相应功率管的开断。

图3为本实施方式的工作原理图，永磁同步电机输出的霍尔信号经过去抖动，霍尔跳变沿检测，计算脉冲个数，进而得到跳变沿发生时所经过的时间ΔT_prev，同时，根据跳变沿的类型，通过LOOKUP table程序找出对应霍尔跳变沿发生时所历经的电角度θ_re-prev，进而得到计算转速再利用电机转速估计公式，得到估计转速

电机转子位置估计模块通过电机转子位置输入和估计转速计算出电机转子位置的估算值

Claims (3)

1.永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤a、在任意霍尔位置信号跳变沿时刻，根据跳变沿的状态，确定是否发生故障，如果无故障，霍尔故障补偿电角度θ_re-prev恒为60°，如果出现故障，转到步骤b；

步骤b、根据霍尔跳变沿的类型采集相应的霍尔状态变量，比较霍尔位置状态变量判断出唯一的霍尔故障类型；

步骤c、根据确认的霍尔故障类型，通过LOOKUP table程序找出具体霍尔故障类型下对应的霍尔故障补偿电角度θ_re-prev，在霍尔跳变沿时刻复位定时器并重新计时获得转子转过扇区的时间ΔT_prev，进而获得霍尔容错计算转速

步骤d、根据步骤c得到的计算转速采用带遗传因子的递推最小二乘法来估计准确转速，得到当前扇区的估计转速

步骤e、将估计转速作为降阶观测器的转速输入，进而估计出准确的电机转子位置

步骤f、根据估计转速和估计出的电机转子位置进行电流和转速双闭环控制和矢量控制，经过空间矢量模块输出调制波控制逆变桥相应功率管的开断；

所述步骤b中霍尔位置状态变量对应的霍尔故障类型如下表：

表1 霍尔传感器故障类型

跳变沿 f₁ f₂ f₃ 1(h₁) 0 1-|h_2,r1-h_2,f1| 1-|h_3,r1-h_3,f1| 2(h₂) 1-|h_1,r2-h_1,f2| 0 1-|h_3,r2-h_3,f2| 4(h₃) 1-|h_1,r3-h_1,f3| 1-|h_2,r3-h_2,f3| 0

表中f_x＝0表示无霍尔故障，f_x＝1为相应霍尔位置传感器x故障，x＝1,2,3，

检测任意霍尔信号跳变沿，保存相应换相控制字，对当前扇区和前一扇区的换相控制字异或处理，结果为1则表示为h₁跳变沿，结果为2则表示h₂跳变沿，结果为4则为h₃跳变沿，检测到具体霍尔跳变沿类型时，根据相应的霍尔状态即可检测霍尔故障类型，具体方法如下：

定义变量h_x,ry表示在h_y的上升沿时采集的h_x的值；h_x,fy表示在的h_y下降沿时采集的h_x的值；其中，任意霍尔跳变沿到来时，判断相应霍尔跳变沿类型，根据跳变沿类型进行霍尔状态采集，同时比较霍尔状态值h_x,ry和h_x,fy的状态，即可判断出相应的霍尔故障类型；

所述步骤c中计算电机转子转速的公式为：

式中，θ_re-prev在霍尔无故障时为恒定60°，霍尔故障时，会随着霍尔故障类型发生相应的变化，选取不同的霍尔故障类型下θ_re-prev(i)、θ_re-min(j)和θ_re-max(k)的值，其中，θ_re-min(j)和θ_re-max(k)分别为当前霍尔扇区临界最小和最大转子位置角，确定霍尔故障类型后，任意霍尔跳变沿来临时，均需对θ_re-prev(i)、θ_re-min(j)和θ_re-max(k)这三个变量重新赋值，表2为单霍尔传感器故障补偿角度，表3为双霍尔传感器故障补偿角度：

表2 单霍尔传感器故障补偿角度

表3 双霍尔传感器故障补偿角度

表2和表3中，H_x表示相应的霍尔扇区，x＝0～7，其中，1～6为非霍尔故障状态端口采样值，0和7为故障状态下霍尔端口状态采样值。

2.根据权利要求1所述的永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法，其特征在于，所述步骤d中采用带遗传因子的递推最小二乘法来估计转速，具体方法为：根据步骤c中得到的计算转速作为递推最小二乘法的参考输入，系统参数矩阵选择为I，待辨识参数为电机估计转速带遗传因子的递推最小二乘法的迭代公式为：

其中，k为迭代公式的迭代步骤，第k步，通常遗忘因子λ的取值范围为0.9≤λ≤1，至此，基于带遗传因子的递推最小二乘法的转速容错估计完成。

3.根据权利要求1所述的永磁无刷电机霍尔传感器容错控制方法，其特征在于，所述步骤e中，角度估计具体方法为：

分析永磁无刷电机的机械运动方程，提出一种基于降阶观测器的霍尔故障容错策略，降阶观测器的微分方程为：

其中，每个霍尔扇区下电角度范围为θ_re-min和θ_re-max分别为当前霍尔扇区临界最小和最大转子位置角，K为降阶观测器增益，为降阶观测器的输出，为状态观测器的转子位置输入，该角度的估计用容错估计转速来替代计算转速输入角度估计公式为：

其中，T_s为系统的采样周期。