CN114485738A - 一种双组霍尔传感器装置及其控制方法 - Google Patents

一种双组霍尔传感器装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双组霍尔传感器装置，包括第一霍尔模块，第二霍尔模块，霍尔状态转换模块，霍尔电源管理模块，霍尔信号选择模块，控制器；所述霍尔状态转换模块分别和第一霍尔模块、第二霍尔模块、控制器相连，用于收集其中的霍尔信号并转换出霍尔状态信息输出到所述控制器；所述霍尔电源管理模块分别和所述第一霍尔模块、第二霍尔模块相连；所述霍尔信号选择模块分别和所述第一霍尔模块、第二霍尔模块相连，用于选择第一或者第二霍尔模块中的霍尔信号作为输出；所述控制器分别和所述霍尔电源管理模块、霍尔信号选择模块相连。通过双组霍尔传感器的冗余方法，在某一传感器失效时切换至正常霍尔模块或者正常霍尔传感器以实现电机持续正常工作。

Description

一种双组霍尔传感器装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制领域，具体涉及一种双组霍尔传感器装置及其控制方法。
背景技术
永磁同步电机作为一种节能电机，凭借其功率密度高、调速性能稳定在交通、家电以及工业领域得到广泛的应用。在电机实际运行过程中，控制系统需要实时获取转子位置信息从而产生持续的转矩输出。在用于转子角度检测的位置传感器选择上，相较于高精度的光电编码器和旋转变压器，霍尔传感器具有结构简单、成本低的优势，因此永磁同步电机的转子位置传感，一般多采用三个开关型的霍尔传感器来实现。
然而由于永磁同步电机常工作在高负载状态，电机内部温度高、电磁干扰大，再加上在一些特定的应用背景中如电动两轮车、电动三轮车，其经常行驶在高温、潮湿、振动较强的环境下，使得开关型的霍尔传感器损坏率高。在霍尔传感器发生故障之后，其包含的位置信息随即丢失，此时如果故障并未被检测出来，则控制系统仍会按照霍尔传感器反馈的错误位置信息施加驱动电压。在错误的驱动电压作用下，电机未必能维持原来的转向和转速，这将导致电机转速失调，从而制约了电机的使用寿命。
传统对应霍尔传感器损坏的方法有：一、当霍尔传感器没有完全损坏时，采用霍尔容错控制实现电机的正常运转；二、当霍尔传感器没有完全损坏时，切换至无位置传感器进行控制。这两种方法无法在全速度范围内保持足够的精度，因此会影响运转的效果，在实际中的应用有限。申请号为CN110995071A的发明专利提供了一种基于转子位置采集的双组霍尔传感器的自动切换装置，该装置设置了双组霍尔传感器，能够在其中一组霍尔元件损坏时，切换至另外一组霍尔传感器或另外一组霍尔传感器中相对应的霍尔元件波形，但其对于单个霍尔元件故障检测的实施性有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种双组霍尔传感器装置及其控制方法，在霍尔模块发生短路故障或其中霍尔传感器故障时可准确提取故障，并切换至正常霍尔模块或正常霍尔传感器，以解决影响永磁同步电机使用寿命的问题 。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种双组霍尔传感器装置，包括第一霍尔模块，第二霍尔模块，霍尔状态转换模块，霍尔电源管理模块，霍尔信号选择模块和控制器；其中所述霍尔状态转换模块分别和所述第一霍尔模块、第二霍尔模块、控制器相连，用于收集所述第一霍尔模块、第二霍尔模块中的霍尔信号并转换出霍尔状态信息输出到所述控制器；
所述霍尔电源管理模块分别和所述第一霍尔模块、第二霍尔模块相连，用于给所述第一霍尔模块、第二霍尔模块供源；
所述霍尔信号选择模块分别和所述第一霍尔模块、第二霍尔模块相连，用于选择第一霍尔模块或者第二霍尔模块中的霍尔信号作为输出；
所述控制器分别和所述霍尔电源管理模块、霍尔信号选择模块相连，用于控制所述霍尔电源管理模块对第一霍尔模块和第二霍尔模块供源、监测所述霍尔电源管理模块的电压值和电流值，控制所述霍尔信号选择模块。
优选地，所述第一霍尔模块，包括霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3；所述第二霍尔模块，包括霍尔传感器H4、霍尔传感器H5、霍尔传感器H6；相对于永磁同步电机的定子角度，霍尔传感器H1和霍尔传感器H4安装在同一角度，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5安装在同一角度，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6安装在同一角度；霍尔传感器H1和霍尔传感器H4输出的高低电平相反，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5输出的高低电平相反，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6输出的高低电平相反。
优选地，所述霍尔状态转换模块包括第一异或门单元、第二异或门单元、第三异或门单元，所述第一异或门单元、第二异或门单元和第三异或门单元的输出均与所述控制器相连，其中霍尔传感器H1和霍尔传感器H4的电平信号为第一异或门单元的两路输入信号，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5的电平信号为第二异或门单元的两路输入信号，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6的电平信号为第三异或门单元的两路输入信号。
优选地，所述霍尔电源管理模块包括第一电源和第二电源，所述第一电源、第二电源分别对所述第一霍尔模块、第二霍尔模块供源。
一种根据权利要求1-4任一项所述的双组霍尔传感器装置的控制方法，包括霍尔信号选择方法、霍尔故障检测方法和电源管理方法。
优选地，所述电源管理方法具体为：
预设保护电压；
所述第一电源对所述第一霍尔模块供源，所述第二电源对所述第二霍尔模块供源；
检测所述第一电源的电压，当电压低于预设保护电压时，则第一霍尔模块发生短路故障，并切断对所述第一霍尔模块的供源；检测所述第二电源的电压，当电压低于预设保护电压时，则第二霍尔模块发生短路故障，切断对所述第二霍尔模块的供源。
优选地，所述霍尔故障检测方法具体为：
预设霍尔模块的稳定工作电流值；
当控制器检测到第一异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H1或霍尔传感器H4故障；此时若所述第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H1故障；若所述第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H4故障；
当控制器检测到第二异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H2或霍尔传感器H5故障；此时若所述第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H2故障；若所述第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H5故障；
当控制器检测到第三异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H3或霍尔传感器H6故障；此时若所述第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H3故障；若所述第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H6故障。
优选地，所述霍尔信号选择方法具体为：
默认选择第一霍尔模块的霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3作为霍尔信号；若第一霍尔模块发生短路故障时，则选择第二霍尔模块的霍尔传感器H4、霍尔传感器H5、霍尔传感器H6作为霍尔信号；
若第一霍尔模块发生短路故障时，当检测到霍尔传感器H1故障时，选择霍尔传感器H4替代霍尔传感器H1作为霍尔信号；当检测到霍尔传感器H2故障时，选择霍尔传感器H5替代霍尔传感器H2作为霍尔信号；当检测到霍尔传感器H3故障时，选择霍尔传感器H6替代霍尔传感器H3作为霍尔信号。
优选地，当第一霍尔模块或第二霍尔模块发生短路故障时，则停止对霍尔信号故障检测。
采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：
1.本发明的双组霍尔传感器，通过采用同一安装角度的霍尔传感器输出高低电平相反，搭配进一步的异或门处理，可以迅速准确地提取出电机运行过程中的单个霍尔传感器故障，比传统方法用比较霍尔传感器的前后高低电平信息更加直接、有效；
2.本发明提供了一种双组霍尔传感器装置，通过冗余的设计方法，使得霍尔模块发生短路故障或者其中霍尔传感器故障时，可自动准确切换至正常霍尔模块或者正常霍尔传感器以实现在某一传感器失效时电机仍能正常工作的可靠性设计。
附图说明
图1为本发明实施例中一种双组霍尔传感器装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种双组霍尔传感器装置安装示意图；
图3为本发明实施例中一种双组霍尔传感器正常输出信号示意图；
图4为本发明实施例中一种霍尔传感器故障时异或门输出信号示意图。
附图标记：第一霍尔模块51，第二霍尔模块52，霍尔状态转换模块53，霍尔电源管理模块54，霍尔信号选择模块55和控制器56。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为本发明一种双组霍尔传感器装置的实施例，包括第一霍尔模块51，第二霍尔模块52，霍尔状态转换模块53，霍尔电源管理模块54，霍尔信号选择模块55和控制器56；
所述霍尔状态转换模块53分别和第一霍尔模块51、第二霍尔模块52、控制器56相连，用于收集第一霍尔模块51、第二霍尔模块52中的霍尔信号并转换出霍尔状态信息输出到控制器56；
所述霍尔电源管理模块54分别和第一霍尔模块51、第二霍尔模块52相连，该模块包括第一电源、第二电源，所述第一电源、第二电源分别用于给第一霍尔模块51、第二霍尔模块52供源。
所述霍尔信号选择模块55分别和第一霍尔模块51、第二霍尔模块52相连，用于选择第一霍尔模块51或者第二霍尔模块52中的霍尔信号作为输出；
控制器56分别和霍尔电源管理模块54、霍尔信号选择模块55相连，用于控制霍尔电源管理模块54对第一霍尔模块51和第二霍尔模块52供源、监测霍尔电源管理模块54的电压值和电流值，控制霍尔信号选择模块55。
如图2所示，本发明一种双组霍尔传感器装置安装方法的实施例，第一霍尔模块51包括霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3；第二霍尔模块52包括霍尔传感器H4、霍尔传感器H5、霍尔传感器H6；相对于永磁同步电机的定子角度，霍尔传感器H1和霍尔传感器H4安装在同一角度，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5安装在同一角度，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6安装在同一角度。如图3所示，为双组霍尔传感器的正常输出逻辑，霍尔传感器H1和霍尔传感器H4输出的高低电平相反，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5输出的高低电平相反，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6输出的高低电平相反。
可选地，霍尔状态转换模块53，包括第一异或门单元、第二异或门单元、第三异或门单元；第一异或门单元、第二异或门单元、第三异或门单元的输出都和控制相连，其中霍尔传感器H1和霍尔传感器H4的电平信号为第一异或门单元的两路输入信号，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5的电平信号为第二异或门单元的两路输入信号，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6的电平信号为第三异或门单元的两路输入信号。
一种双组霍尔传感器的控制方法，包括：电源管理方法，霍尔信号故障检测方法，霍尔信号选择方法。
可选地，霍尔信号选择方法具体为：
默认选择第一霍尔模块51的霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3作为霍尔信号；
若第一霍尔模块51发生短路故障时，则选择第二霍尔模块52的霍尔传感器H4、霍尔传感器H5、霍尔传感器H6作为霍尔信号；
若第一霍尔模块51未发生短路故障时，当检测到霍尔传感器H1故障时，选择霍尔传感器H4替代霍尔传感器H1作为霍尔信号；当检测到霍尔传感器H2故障时，选择霍尔传感器H5替代霍尔传感器H2作为霍尔信号；当检测到霍尔传感器H3故障时，选择霍尔传感器H6替代霍尔传感器H3作为霍尔信号。
可选地，霍尔信号故障检测方法具体为：
预设霍尔模块的稳定工作电流值；
当控制器56检测到第一异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H1或霍尔传感器H4故障；进一步地，若第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H1故障；若第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H4故障；
如图4所示，当霍尔传感器H1和霍尔传感器H4正常时，第一异或门单元输出为高电平；当霍尔传感器H1发生故障时，第一异或门单元输出为低电平。
当控制器56检测到第二异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H2或霍尔传感器H5故障；进一步地，若第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H2故障；若第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H5故障；
当控制器56检测到第三异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H3或霍尔传感器H6故障；进一步地，若第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H3故障；若第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H6故障。
可选地，电源管理方法具体为：
预设保护电压；
第一电源对第一霍尔模块51供源，第二电源对第二霍尔模块52供源；
检测第一电源的电压，当电压低于预设保护电压时，则第一霍尔模块51发生短路故障，并切断对第一霍尔模块51的供源；
检测第二电源的电压，当电压低于预设保护电压时，则第一霍尔模块52发生短路故障，切断对第二霍尔模块52的供源。
优选地，当第一霍尔模块或第二霍尔模块发生短路故障时，则停止对霍尔信号故障检测。
显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种双组霍尔传感器装置，包括第一霍尔模块，第二霍尔模块，霍尔状态转换模块，霍尔电源管理模块，霍尔信号选择模块和控制器，其特征在于：
所述霍尔状态转换模块分别和所述第一霍尔模块、第二霍尔模块、控制器相连，用于收集所述第一霍尔模块、第二霍尔模块中的霍尔信号并转换出霍尔状态信息输出到所述控制器；
所述霍尔电源管理模块分别和所述第一霍尔模块、第二霍尔模块相连，用于给所述第一霍尔模块、第二霍尔模块供源；
所述霍尔信号选择模块分别和所述第一霍尔模块、第二霍尔模块相连，用于选择第一霍尔模块或者第二霍尔模块中的霍尔信号作为输出；
所述控制器分别和所述霍尔电源管理模块、霍尔信号选择模块相连，用于控制所述霍尔电源管理模块对第一霍尔模块和第二霍尔模块供源、监测所述霍尔电源管理模块的电压值和电流值，控制所述霍尔信号选择模块。
2.根据权利要求1所述的一种双组霍尔传感器装置，其特征在于，所述第一霍尔模块包括霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3；所述第二霍尔模块包括霍尔传感器H4、霍尔传感器H5、霍尔传感器H6；相对于永磁同步电机的定子角度，霍尔传感器H1和霍尔传感器H4安装在同一角度，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5安装在同一角度，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6安装在同一角度；霍尔传感器H1和霍尔传感器H4输出的高低电平相反，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5输出的高低电平相反，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6输出的高低电平相反。
3.根据权利要求2所述的一种双组霍尔传感器装置，其特征在于，所述霍尔状态转换模块包括第一异或门单元、第二异或门单元、第三异或门单元，上述各单元的输出均与控制器相连，其中霍尔传感器H1和霍尔传感器H4的电平信号为第一异或门单元的两路输入信号，霍尔传感器H2和霍尔传感器H5的电平信号为第二异或门单元的两路输入信号，霍尔传感器H3和霍尔传感器H6的电平信号为第三异或门单元的两路输入信号。
4.根据权利要求1所述的一种双组霍尔传感器装置，其特征在于，所述霍尔电源管理模块包括第一电源和第二电源，所述第一电源、第二电源分别对所述第一霍尔模块、第二霍尔模块供源。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的双组霍尔传感器装置的控制方法，其特征在于，包括对所述装置的霍尔信号选择方法、霍尔故障检测方法和电源管理方法。
6.根据权利要求5所述的一种双组霍尔传感器装置的控制方法，其特征在于，所述电源管理方法具体为：
预设保护电压；
所述第一电源对所述第一霍尔模块供源，所述第二电源对所述第二霍尔模块供源；
检测所述第一电源的电压，当电压低于预设保护电压时，则第一霍尔模块发生短路故障，并切断对所述第一霍尔模块的供源；检测所述第二电源的电压，当电压低于预设保护电压时，则第二霍尔模块发生短路故障，切断对所述第二霍尔模块的供源。
7.根据权利要求5所述的一种双组霍尔传感器装置的控制方法，其特征在于，所述霍尔故障检测方法具体为：
预设霍尔模块的稳定工作电流值；
当控制器检测到第一异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H1或霍尔传感器H4故障；若所述第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H1故障；若所述第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H4故障；
当控制器检测到第二异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H2或霍尔传感器H5故障；若所述第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H2故障；若所述第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H5故障；
当控制器检测到第三异或门单元的输出为低电平时，则霍尔传感器H3或霍尔传感器H6故障；若所述第一电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H3故障；若所述第二电源的电流值小于稳定工作电流值时，则霍尔传感器H6故障。
8.根据权利要求5所述的一种双组霍尔传感器装置的控制方法，其特征在于，所述霍尔信号选择方法具体为：
默认选择第一霍尔模块的霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3作为霍尔信号；若第一霍尔模块发生短路故障时，则选择第二霍尔模块的霍尔传感器H4、霍尔传感器H5、霍尔传感器H6作为霍尔信号；
若第一霍尔模块发生短路故障时，当检测到霍尔传感器H1故障时，选择霍尔传感器H4替代霍尔传感器H1作为霍尔信号；当检测到霍尔传感器H2故障时，选择霍尔传感器H5替代霍尔传感器H2作为霍尔信号；当检测到霍尔传感器H3故障时，选择霍尔传感器H6替代霍尔传感器H3作为霍尔信号。
9.根据权利要求5所述的一种双组霍尔传感器装置的控制方法，其特征在于，当第一霍尔模块或第二霍尔模块发生短路故障时，停止对霍尔信号故障检测。
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