CN107017822A - 一种无刷直流电机转子位置传感器故障的容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是指一种无刷直流电机转子位置传感器故障的容错控制方法，其结构特征在于，集成了有霍尔控制模式和无霍尔控制模式并能实现自动切换。该方法通过检测电机转子位置信号的异常，使系统从有位置传感器模式切换至无位置传感器模式继续控制电机，并实现容错控制。有位置传感器模式以霍尔信号作为电机转子换相依据，无位置传感器模式以电机三相的反电动势信号为电机转子换相依据。因此，该故障诊断方法可以快速的定位故障并选择相应的模式运行，从而实现电机的容错控制。

Description

一种无刷直流电机转子位置传感器故障的容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机转子位置传感器故障的容错控制方法，所述容错控制方法应用于纯电动汽车及其它无刷直流电机控制领域。

背景技术

传统的无刷直流电机控制器一般采用有转子位置传感器或者无转子位置传感器两种模式去控制电机。采用有转子位置传感器的电机控制器一般使用霍尔传感器来获得电机转子的位置信号，但霍尔传感器常因温度、灰尘、电磁干扰等环境因素的影响而不能正常工作，严重的时候甚至损坏，最终导致电机及控制器无法正常运行。目前常使用电机的缺相控制来实现容错控制，即当一路或两路霍尔传感器发生故障时，通过余下正常的两路或一路霍尔信号计算出转子的换相时刻从而控制电机继续工作。该方法可以实现三路霍尔信号中一路或者两路霍尔信号缺失时电机的容错控制，但在三路霍尔信号全部缺失时，则无法控制电机运行。采用无转子位置传感器的电机控制器常使用电机三相的反电动势信号来获得电机转子的位置信号，但是无霍尔传感器控制模式有启动困难、低速调速性差和负载能力弱等缺点。

发明内容

本文针对无刷直流电机控制系统，设计了一种同时具备有霍尔传感器和无霍尔传感器两种控制模式的容错控制方法。该方法根据霍尔信号的完整性选择相应模式来控制电机，因此该控制器可以有效解决无刷直流电机运行时霍尔传感器发生故障而导致电机无法运行的问题，同时充分结合有霍尔传感器控制模式和无霍尔传感器控制模式两者的优点，从而提高了电机控制系统的稳定性和可靠性。

一种无刷直流电机转子位置传感器故障的容错控制方法，其特征在于，

当电机控制系统上电后检测到霍尔传感器工作正常，则以有霍尔控制模式启动并驱动电机运行；

当电机运行在有霍尔控制模式下，霍尔传感器发生故障，若当前转速满足反电动势信号作为电机换相依据的条件，则自动切换至无霍尔控制模式继续驱动电机运行；若当前转速不满足反电动势信号作为电机换相依据的条件，则利用三段式启动控制电机加速至反电动势信号能作为电机换相依据，此时切换至无霍尔控制模式驱动电机运行；

当电机工作在无霍尔控制模式下，霍尔传感器恢复正常，则自动切换回有霍尔控制模式驱动电机运行并清除霍尔传感器故障代码。

一种无刷直流电机转子位置传感器故障的容错控制方法，其特征在于，控制系统集成了有霍尔控制和无霍尔控制，以霍尔信号作为有霍尔控制的换相依据，以反电动势信号作为无霍尔控制的换相依据，利用霍尔信号的完整性和当前电机转速判断当前的控制方式。

本发明应用在无刷直流电机控制器中，利用检测霍尔传感器故障和当前电机转速，可以实现从有霍尔控制模式启动切换为无霍尔控制模式工作(霍尔传感器发生故障时)，也可以实现从无霍尔控制模式自动切换为有霍尔控制模式运行(霍尔传感器故障被清除)。无论运行在何种工况下，都能选择相应的控制模式控制电机从而实现容错控制，大大降低了霍尔传感器发生故障后给电机控制系统带来的影响，提高控制系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为系统控制策略框图。

图2为主程序流程框图。

图3为无霍尔控制模式电机启动程序流程图。

图4为故障诊断程序流程框图

图5为主程序流程框图。

图6为无霍尔控制模式电机启动程序流程图。

具体实施方式

控制系统集成了有霍尔控制和无霍尔控制，以霍尔信号作为有霍尔控制的换相依据，以反电动势信号作为无霍尔控制的换相依据，利用霍尔信号是否发生故障和当前电机转速决定当前的控制方式。

当电机控制系统上电后检测到霍尔传感器工作正常，则以有霍尔控制模式启动并驱动电机运行。

当电机控制系统上电后检测到霍尔传感器发生故障而不能正常工作，则自动切换至无霍尔控制模式启动并驱动电机运行。

当电机运行在有霍尔控制模式下，霍尔传感器发生故障，若当前转速满足反电动势信号作为电机换相依据的条件，则自动切换至无霍尔控制模式继续驱动电机运行；若当前转速不满足反电动势信号作为电机换相依据的条件，则利用三段式启动控制电机加速至反电动势信号可以作为电机换相依据，此时切换至无霍尔控制模式驱动电机运行。

当电机工作在无霍尔控制模式下，霍尔传感器恢复正常，则自动切换回有霍尔控制模式驱动电机运行并清除霍尔传感器故障代码。

本发明的实施例如图1、图2、图3、图4所示。

系统控制策略框图如图1所示。控制过程为：单片机根据设定的速度与反馈的速度经过PI调节后，调制PWM信号的占空比并用于电机的调速。上电后启动电机，当霍尔信号完整时，程序会以霍尔信号作为电机换相信号，控制电机运行。当故障诊断系统检测到霍尔信号不完整、电机无法启动时，系统会利用采样电阻R1、R2、R3采集电机三相线上的反电动势信号，进行处理后得到电机换相信号，此时系统切换为无霍尔模式控制电机继续运行，以此保证电机正常运转并达到容错控制的效果。此外，检测母线电压，三相电压、三相电流的模块用于实时监控系统运行状况，一旦出现过压、过流、欠压、欠流等故障，则立即切断六路PWM波输出，保护电机和功率模块。

主程序流程框图如图2所示。程序主要分为四个模块：初始化模块、启动模块、PI闭环调速模块以及故障诊断模块。初始化模块负责在单片机上电后I/O口、时钟、中断、ADC及其他模块的初始化。初始化完成后，系统待机并等待启动命令。当接收到启动信号时，系统默认启用有霍尔传感器模块来启动、运行电机。此时分为两种情况：如果电机运转正常，则进入闭环PI调速环节继续运行、循环；如果电机无法运行，则触发中断，进入故障诊断程序检查故障原因，决定是否启用无霍尔传感器模块来控制电机。当故障发生时，能及时反应并做出相应处理。不论在何种模式下，系统始终会对霍尔、电压和转速等信号实施监控。

系统通过反电动势过零检测法(反电动势法)实现无霍尔信号情况下无刷直流电机的控制。当霍尔传感器在电机启动时或启动之前发生故障，系统缺失转子位置信号并导致电机无法启动和运行。此时进入无霍尔模式启动电机，但是电机静止时电动势为零，无法使用反电动势法得到换相信号，电机依旧无法启动，因此专门设计了无霍尔模式电机启动程序用于电机的启动(针对无霍尔模式下电机的启动)。本系统采用三段式启动法(转子预定位、外同步加速、自同步)，图3为其流程框图。实现方法是首先将转子预定位在某个位置，导通定子任意的两相而另一相断开，导通两相产生的磁场会吸引转子直轴旋转至某一位置，这种导通状态持续一段时间后再导通另外两相，剩余的一相悬空。经过这两次预定位，电机能够预定到相应的位置。预定位结束后就在上一次导通状态的前提下按顺序依次导通场效应管，并在程序里设定一个换相时间表使电机的转子被强制同步旋转，即增大换相频率的同时增大直流侧电压，此时进行的是转子外同步。当电机的转速能够满足根据反电动势判断电机转子位置的条件时切换为自同步。至此启动阶段结束，控制器进入调速控制阶段。

故障诊断程序流程框图如图4所示。将电机的运行情况分为三种：霍尔信号完整情况下启动、运行；运行过程中，霍尔信号出现异常且反电动势信号可被捕捉并能转换为电机转子换相信号的情况下，切换为无霍尔模式控制电机继续运行；电机启动前或转速较低时霍尔信号出现异常(此时反电动势信号为零或电机转速不满足反电动势信号转换为电机换相信号的条件)，利用三段式启动法启动并切换为无霍尔模式控制电机运转。默认情况下电机使用有霍尔模式控制电机。系统将实时监测霍尔信号的完整性，发生故障时由故障诊断模块决定系统运行在哪种情况。

图5为电机启动前，在霍尔传感器发生故障的情况下电机转速的时间历程。电机接收启动信号后检测到霍尔信号异常，无法启动。此时故障诊断模块介入，判断故障类型后切换为无霍尔模式启动电机，在250ms时刻进入外同步模式加速环节(一般设定外同步转速达到300rpm可以检测到反电动势信号)，在350ms时刻程序检测到稳定且可以捕捉到的反电动势信号，此时由外同步切换为自同步继续控制电机加速，在700ms时刻达到设定转速并继续稳定运行。

图6为有霍尔模式运行过程中切断霍尔信号，电机转速的时间历程。电机处于有霍尔模式并运行，在700ms时刻切断霍尔信号，电机转速骤降。该异常的霍尔信号被故障诊断程序及时拾取，且反电动势信号满足转换为电机换相信号的条件，系统在750ms时刻切换至无霍尔模式加速，并在900ms时刻达到设定转速，随后稳定运行。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机转子位置传感器故障的容错控制方法，其特征在于，

当电机控制系统上电后检测到霍尔传感器工作正常，则以有霍尔控制模式启动并驱动电机运行；

当电机运行在有霍尔控制模式下，霍尔传感器发生故障，若当前转速满足反电动势信号作为电机换相依据的条件，则自动切换至无霍尔控制模式继续驱动电机运行；若当前转速不满足反电动势信号作为电机换相依据的条件，则利用三段式启动控制电机加速至反电动势信号能作为电机换相依据，此时切换至无霍尔控制模式驱动电机运行；

当电机工作在无霍尔控制模式下，霍尔传感器恢复正常，则自动切换回有霍尔控制模式驱动电机运行并清除霍尔传感器故障代码。