CN109194206A - 一种无刷直流电机容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机容错控制方法，在电机运行过程中对霍尔传感器输出进行实时监测，根据霍尔元件输出霍尔值判断是单相、两相、三相霍尔元件故障。三相故障时直接通过传统的三段式起动实现从零速切换到电机闭环状态，通过反电动势过零检测法检测转子位置和转速,实现电机的正常运转。单相、两相霍尔元件故障时，通过平均速度算法计算出电机转速并根据转速估算驱动电路换向时间。此方法能有效解决霍尔位置传感器故障带来的电机无法正常运行的问题。

Description

一种无刷直流电机容错控制方法

技术领域

本发明属于无刷直流电机控制领域，涉及一种无刷直流电机，尤其涉及一种无刷直流电机容错控制方法。

背景技术

在高性能无刷直流电机控制系统中，为了精确获取转速闭环所需要的转子速度和位置信息，一般需要在电机转子轴端安装高精度的位置传感器，虽然高精度位置传感器的引入可以保证电机的控制结果，但是也存在系统可靠性降低，控制成本增加等一系列问题。为了解决上述问题，选用的霍尔位置传感器完成转速和位置的估算，但是恶劣的环境、剧烈的振动等情况会造成霍尔传感器发生故障，无法完成转子位置信息反馈。考虑控制系统可靠性与电机维护等问题，永磁同步电机霍尔位置传感器容错控制成为了近年来的研究热点。

发明内容

本发明的目的是为了解决无刷直流电机控制中无法利用故障离散霍尔信号获得转子换相位置问题，而提供的一种针对于霍尔位置传感器故障的无刷直流电机容错控制方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种无刷直流电机容错控制方法，包括如下步骤：

步骤一：在电机运行过程中，通过三相对称安装在转子外周的霍尔位置传感器获取三路霍尔信号，记为A、B、C相霍尔位置传感器；

步骤二：根据霍尔位置传感器输出霍尔信号值，判断霍尔位置传感器故障类型，当判断为三相故障时进入步骤三；当判断为单相或两相故障时进入步骤四；

步骤三：当故障类型为三相霍尔故障时，直接通过开环起动实现从零速切换到电机闭环状态，通过反电动势过零检测法在电机运行过程中进行换相,实现电机的正常运转；

步骤四：当故障类型为单相或两相霍尔故障时，用正常相的霍尔信号结合霍尔运行加速度进行故障霍尔区间运行时间的估算；

步骤五：根据估算得到的故障霍尔区间运行时间计算转子平均速度；

步骤六：根据估算得到的故障霍尔区间运行时间，控制驱动器进行换相，完成对无刷直流电机的控制。

优选的，所述步骤一中，获取霍尔位置传感器的输出霍尔信号值，记为Ha、Hb、Hc，当三路霍尔位置传感器正常工作时，三路霍尔信号波形组合得到六种不同的霍尔信号组合值并进行循环。

优选的，所述步骤二中，三路霍尔位置传感器只输出一种相同的霍尔信号组合值，则判断为三相霍尔故障；输出两种不同的霍尔信号组合值，则判断为两相霍尔故障；输出四种不同的霍尔信号组合值，则判断为单相霍尔故障。

优选的，所述步骤二中，三路霍尔位置传感器输出100、110、111、011、001、000六种霍尔信号组合值时，则显示三路霍尔位置传感器正常工作；输出000或111中的一种霍尔信号组合值时，则显示为三相霍尔故障；输出111和011两种霍尔信号组合值时，则显示A相正常，B和C相故障；输出111和101两种霍尔信号组合值时，则显示B相正常，A和C相故障；输出111和110两种霍尔信号组合值时，则显示C相正常，A和B相故障；输出100、110、111、101四种霍尔信号组合值时，则显示A相故障，B、C正常；输出110、111、011、010四种霍尔信号组合值时，则显示B相故障，A、C正常；输出101、111、011、001四种霍尔信号组合值时，则显示C相故障，A、B正常。

优选的，所述步骤三中，当三相霍尔故障时，系统直接开环起动，稳定后切入位置闭环，通过检测反电动势过零点进行驱动换相。

优选的，电机运行时，任一时刻只有两相绕组导通，则非导通相绕组的电流为零，采用的反电动势过零检测法为：对三相电压的AD信号进行取样，电压AD信号经过低通滤波，随后采用虚拟中性点电压比较法判断绕组反电动势是否过零点。

优选的，基于无刷直流电机数学模型的电压平衡方程式为：

式中u_a、u_b、u_c和i_a、i_b、i_c分别是a、b、c相绕组端电压和相电流，R是定子电阻，L是定子相自感，e_a、e_b、e_c是定子各相反电动势，u_n是电机定子绕组中性点电压；

中性点电压方程式为：

得到：

u_a+u_b+u_c＝e_a+e_b+e_c+3u_n (3)

任一时刻，导通的两相绕组中电流大小相等、方向相反，非导通相电流为0，且导通的两相绕组中反电动势大小相等、方向相反，上式可变为：

3u_n＝u_a+u_b+u_c-e_x (4)

式中x表示未导通相，x＝a、b、c，由于：

e_x＝u_x-u_n (5)

求得：

2e_x＝3u_x-(u_a+u_b+u_c) (6)

绕组端电压u_x经低通滤波后，得到检测信号u'_x，式(6)则转换成：

2e'_x＝3u'_x-(u'_a+u'_b+u'_c) (7)

式中虚拟中性点的电压为：

由式(7)和(8)得：

通过比较u'_x和u₀的大小，即可判断出绕组反电动势是否过零点。

优选的，所述步骤四中，单故障霍尔区间运行时间的估算方法为：当一路霍尔位置传感器发生故障时，通过上一正常霍尔区间运行时间，对故障霍尔区间运行时间进行估算，根据估算得到的霍尔区间运行时间进行换相。

优选的，所述步骤四中，双故障霍尔区间运行时间的估算方法是，当两路霍尔位置传感器发生故障时，用第三路正常霍尔位置信号延时得到另外两路故障霍尔位置传感器对应的转子位置信号，并对故障霍尔区间运行时间进行估算，根据估算得到的霍尔区间运行时间进行换相。

优选的，所述步骤五中，计算转子平均速度方法为：根据每个霍尔区间运行

时间，并假设单个霍尔扇区内转子做匀速运动，构建一阶加速算法，转子转

速用下式估算：

其中，Δt＝t_k-t_k-1为当前区间运行时间，为当前扇区平均速度，k为正整数。

采用上述方案后，本发明可以在霍尔传感器发生故障时获得较高精度换相点位置。

采用上述容错策略，当霍尔位置信号出现异常时，系统可以继续运行，增加系统可靠性，此方法能有效解决霍尔位置传感器故障带来的电机无法正常运行的问题。

附图说明

图1无刷直流电机驱动系统；

图2霍尔位置传感器故障检测及转子位置估算置算法流程图；

图3正常状态时霍尔元件输出波形图；

图4单霍尔元件故障输出波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明在无刷直流控制系统下，提供了一种无刷直流电机容错控制方法，如图2所示，无刷直流电机容错控制方法包括如下步骤：

步骤一：在无刷直流电机转子外周中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器。电机运行过程中，通过霍尔位置传感器获取相位差为60°的三路霍尔信号，如图3所示；

步骤二：根据霍尔信号值，判断霍尔位置传感器故障类型；

步骤三：判断是否为三相霍尔故障，三相故障时直接通过传统的三段式起动实现从零速切换到电机闭环状态，通过反电动势过零检测法在电机运行过程中进行换相,实现电机的正常运转；

步骤四：判断故障为单相或两相霍尔元件故障后，用正常相的霍尔信号结合霍尔运行加速度进行故障霍尔区间运行时间的估算；

步骤五：根据估算得到的故障霍尔区间运行时间计算转子平均速度；

步骤六：根据估算得到的故障霍尔区间运行时间，控制驱动器进行换相，完成对无刷直流电机的控制。

上述步骤一中，获取霍尔位置传感器的输出霍尔信号值，记为Ha、Hb、Hc，当三路霍尔位置传感器正常工作时，三路霍尔信号波形组合得到六种不同的霍尔信号组合值并进行循环。三路霍尔位置传感器只输出一种相同的霍尔信号组合值，则判断为三相霍尔故障；输出两种不同的霍尔信号组合值，则判断为两相霍尔故障；输出四种不同的霍尔信号组合值，则判断为单相霍尔故障。

上述步骤二中，根据霍尔信号值，判断霍尔位置传感器故障类型，具体霍尔位置传感器值与故障类型对应关系如下表1所示。

表1 霍尔位置传感器值对应故障类型

上述步骤三中，当三相霍尔故障时，系统直接开环起动，稳定后切入位置闭环，通过检测反电动势过零点进行驱动换相。

电机运行时，任一时刻只有两相绕组导通，则非导通相绕组的电流为零，未导通相绕组端电压等于中性点电压的时刻，就是未导通相绕组反电动势过零点的时刻。采用的反电动势过零检测法：对三相电压信号进行取样，电压经过低通滤波，然后采用虚拟中性点电压比较法。

具体的，基于无刷直流电机数学模型的电压平衡方程式：

式中u_a、u_b、u_c和i_a、i_b、i_c分别是a、b、c相绕组端电压和相电流，R是定子电阻，L是定子相自感，e_a、e_b、e_c是定子各相反电动势，u_n是电机定子绕组中性点电压。中性点电压方程式：

任一时刻，导通的两相绕组中电流大小相等、方向相反，非导通相电流为0，根据式(2)可以得到

u_a+u_b+u_c＝e_a+e_b+e_c+3u_n (3)

又因为导通的两相绕组中反电动势大小相等、方向相反，上式可变为

3u_n＝u_a+u_b+u_c-e_x (4)

式中x表示未导通相。又因为

e_x＝u_x-u_n (5)

所以求得

2e_x＝3u_x-(u_a+u_b+u_c) (6)

绕组端电压u_x(x＝a、b、c)经低通滤波后，得到检测信号u'_x，式(6)则转换成：

2e'_x＝3u'_x-(u'_a+u'_b+u'_c) (7)

式中虚拟中性点的电压为：

由式(7)和(8)得

通过比较u'_x和u₀的大小，就可以判断出绕组反电动势的过零点。

上述步骤四中，单故障霍尔区间运行时间的估算方法是，当一路霍尔位置传感器发生故障时，需要对两个区间的时间宽度进行估算。例如当H_a发生故障时，需要估算区间3和区间6的时间宽度，用正常相进行估算，当t₃＝χt₂，t₆＝χt₅时需要进行换相，式中t₂、t₅为正常霍尔区间运行时间，κ为霍尔区间运行时间估算参数，其中：

式中ω^*为设置转速，转速范围在0-n之间，n为额定转速，本实施例中，ω^*为1/6n。

霍尔位置传感器故障换相策略如表2所示。

表2 霍尔位置传感器故障容错表

上述步骤四中，双故障霍尔区间运行时间的估算方法是，当两路霍尔位置传感器发生故障时，用第三路正常霍尔位置信号延时得到其它转子的位置信号。以H_c正常为例，只有H_c有高、低电平，在区间2和区间5时仍然由H_c提供换相信息，在区间6和区间1用上一次H_c低电平宽度的1/3进行估算，即t₆＝χt₁＝χ(t₃+t₄+t₅)/3，式中在区间3和区间4用上一次H_c高电平宽度的1/3进行估算，即t₃＝χt₄＝χ(t₆+t₁+t₂)/3，当到达估算时间时，控制驱动器进行换相，完成对无刷直流电机的控制。

上述步骤五中，计算转子平均速度、加速度方法是，根据每个霍尔区间运行时间，并假设单个霍尔扇区内，构建平均速度算法，转子做匀速运动，构建一阶加速算法，转子转速可用公式(10)估算：

其中，Δt＝t_k-t_k-1为当前区间运行时间，为当前扇区平均速度，k为正整数。

综上，本发明在综合考虑成本和控制性能的基础上，可以在较宽范围内较高精度的观测转子位置与转速，此方法能有效解决霍尔位置传感器故障带来的电机无法正常运行的问题。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在电机运行过程中，通过三相对称安装在转子外周的霍尔位置传感器获取三路霍尔信号，记为A、B、C相霍尔位置传感器；

步骤二：根据霍尔位置传感器输出霍尔信号值，判断霍尔位置传感器故障类型，当判断为三相故障时进入步骤三；当判断为单相或两相故障时进入步骤四；

步骤三：当故障类型为三相霍尔故障时，直接通过开环起动实现从零速切换到电机闭环状态，通过反电动势过零检测法在电机运行过程中进行换相,实现电机的正常运转；

步骤四：当故障类型为单相或两相霍尔故障时，用正常相的霍尔信号结合霍尔运行加速度进行故障霍尔区间运行时间的估算；

步骤五：根据估算得到的故障霍尔区间运行时间计算转子平均速度；

步骤六：根据估算得到的故障霍尔区间运行时间，控制驱动器进行换相，完成对无刷直流电机的控制。

2.如权利要求1所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，所述步骤一中，获取霍尔位置传感器的输出霍尔信号值，记为Ha、Hb、Hc，当三路霍尔位置传感器正常工作时，三路霍尔信号波形组合得到六种不同的霍尔信号组合值并进行循环。

3.如权利要求2所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，所述步骤二中，三路霍尔位置传感器只输出一种相同的霍尔信号组合值，则判断为三相霍尔故障；输出两种不同的霍尔信号组合值，则判断为两相霍尔故障；输出四种不同的霍尔信号组合值，则判断为单相霍尔故障。

4.如权利要求3所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，所述步骤二中，三路霍尔位置传感器输出100、110、111、011、001、000六种霍尔信号组合值时，则显示三路霍尔位置传感器正常工作；输出000或111中的一种霍尔信号组合值时，则显示为三相霍尔故障；输出111和011两种霍尔信号组合值时，则显示A相正常，B和C相故障；输出111和101两种霍尔信号组合值时，则显示B相正常，A和C相故障；输出111和110两种霍尔信号组合值时，则显示C相正常，A和B相故障；输出100、110、111、101四种霍尔信号组合值时，则显示A相故障，B、C正常；输出110、111、011、010四种霍尔信号组合值时，则显示B相故障，A、C正常；输出101、111、011、001四种霍尔信号组合值时，则显示C相故障，A、B正常。

5.如权利要求1所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，所述步骤三中，当三相霍尔故障时，系统直接开环起动，稳定后切入位置闭环，通过检测反电动势过零点进行驱动换相。

6.如权利要求5所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，电机运行时，任一时刻只有两相绕组导通，则非导通相绕组的电流为零，采用的反电动势过零检测法为：对三相电压的AD信号进行取样，电压AD信号经过低通滤波，随后采用虚拟中性点电压比较法判断绕组反电动势是否过零点。

7.如权利要求6所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，基于无刷直流电机数学模型的电压平衡方程式为：

式中u_a、u_b、u_c和i_a、i_b、i_c分别是a、b、c相绕组端电压和相电流，R是定子电阻，L是定子相自感，e_a、e_b、e_c是定子各相反电动势，u_n是电机定子绕组中性点电压；

中性点电压方程式为：

得到：

u_a+u_b+u_c＝e_a+e_b+e_c+3u_n (3)

任一时刻，导通的两相绕组中电流大小相等、方向相反，非导通相电流为0，且导通的两相绕组中反电动势大小相等、方向相反，上式可变为：

3u_n＝u_a+u_b+u_c-e_x (4)

式中x表示未导通相，x＝a、b、c，由于：

e_x＝u_x-u_n (5)

求得：

2e_x＝3u_x-(u_a+u_b+u_c) (6)

绕组端电压u_x经低通滤波后，得到检测信号u'_x，式(6)则转换成：

2e'_x＝3u'_x-(u'_a+u'_b+u'_c) (7)

式中虚拟中性点的电压为：

由式(7)和(8)得：

通过比较u'_x和u₀的大小，即可判断出绕组反电动势是否过零点。

8.如权利要求1所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，所述步骤四中，单故障霍尔区间运行时间的估算方法为：当一路霍尔位置传感器发生故障时，通过上一正常霍尔区间运行时间，对故障霍尔区间运行时间进行估算，根据估算得到的霍尔区间运行时间进行换相。

9.如权利要求1所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，所述步骤四中，双故障霍尔区间运行时间的估算方法是，当两路霍尔位置传感器发生故障时，用第三路正常霍尔位置信号延时得到另外两路故障霍尔位置传感器对应的转子位置信号，并对故障霍尔区间运行时间进行估算，根据估算得到的霍尔区间运行时间进行换相。

10.如权利要求1所述的一种无刷直流电机容错控制方法，其特征在于，所述步骤五中，计算转子平均速度方法为：根据每个霍尔区间运行时间，并假设单个霍尔扇区内转子做匀速运动，构建一阶加速算法，转子转速用下式估算：

其中，Δt＝t_k-t_k-1为当前区间运行时间，为当前扇区平均速度，k为正整数。