一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法

文档序号:6174707
一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法
【专利摘要】一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法,属于新能源汽车零部件故障诊断【技术领域】。该方法判断霍尔信号顺序是否正确;或,判断转子经过某霍尔区域所走过的电角度是否大于最小值;或,判断转子经过某霍尔区域所走过的电角度是否小于最大值。本发明还提供一种用于永磁同步电机霍尔传感器故障确认的方法,在霍尔传感器正常跳变时对故障霍尔传感器的信号进行采样,每经过n个电周期利用2n个采集信号的和是否等于n,排除“误诊”,提高系统的稳定性和鲁棒性。本发明能够迅速诊断出故障的霍尔传感器;能够及时排除误诊断,提高了整个故障诊断系统的准确性和稳定性;成本低,易实现。本发明可以广泛应用于各种带霍尔传感器永磁同步电机的使用场合。
【专利说明】一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法,以及故障传感器故障确认方法,属于新能源汽车零部件故障诊断【技术领域】。
【背景技术】
[0002]永磁同步电机以其高转矩,高能量密度,高效率和噪声低等优点被广泛应用于新能源汽车的驱动系统。传统的永磁同步电机矢量控制中需要高精度转子位置传感器,但在一些场合中受到了安装空间和成本的限制,无法使用。相比之下,霍尔传感器(HALLSensors)具有体积小,安装方便,价格低廉等优点,近年来,引起了人们高度重视,被广泛应用于永磁同步电机转子相位检测中。
[0003]三相霍尔传感器产生的编码信号可以将永磁同步电机的一个电周期(电周期和物理周期之间的关系线性相关于电机磁极对数)分为六个区域,如附图1中所示。编码信号分别为:101 (5),001 (1),011 (3),010 (2),110 (6),100 (4),6 个区域等间隔 60 个电角度,并在区域交界处有6个准确的参考相位(相位O——相位5)。
[0004]估测转子相位的方法不止一种,比较常用的有零阶估测和一阶估测。首先,根据转子之前所走过某(几)个霍尔区域所经过的时间,可以估测出转子的角速度;根据当前霍尔信号可以确定转子所在区域及该区域的参考相位。所谓一阶估测,就是利用估测的转子速度和转子经过本区域已用的时间,计算在本区域所走过的电角度,再结合参考相位计算此时刻转子相位;与此相对应的二阶估测方法不仅利用估测的转子转速对相位进行估测,还对转子加速度进行估测,进而对转子估测转速进行补偿,最终更加精确地估测转子相位。二阶估测方法在电机加速、减速工况下相比一阶估测具有一定优势,能够更加精确地对转子相位进行估测。
[0005]永磁同步电机常用的控制方法有六步法和矢量控制方法,转子相位在这两种控制方法中均有至关重要的作用,一旦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,这很可能带来可怕的后果,例如,转矩波动、相电流过大、电机热负荷过大甚至电机内部短路。电机的故障会直接影响整车的动力系统,很可能导致整车瘫痪甚至出现严重的驾驶事故。
[0006]汽车对零部件的可靠性要求非常高,不允许任何部件轻易出现故障,即使出现故障也要有相应的故障诊断和容错控制策略作为备份,确保车辆在行驶过程中的安全。针对永磁同步电机驱动电路、线圈本身的故障诊断和容错控制方法已被国内外学者研究和提出,取得了不错的效果。但遗憾的是,针对永磁同步电机霍尔传感器的故障诊断工作尚未被人关注,目前,没有发现相关学术论文和专利。

【发明内容】

[0007]针对上述问题,本发明的目的是提供一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法,该方法适用于三、两霍尔传感器永磁同步电机的控制过程中,能够快速正确检测并判断出出现故障的霍尔传感器。
[0008]本发明提供的技术方案是:
[0009]—种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法,该方法包括以下三种方法:
[0010]I)判断霍尔/[目号顺序是否正确
[0011]在霍尔信号正常的情况下,电机转动时霍尔信号变化的规律是一定的,正转时的霍尔信号顺序是 5 (101), I (001),3 (011),2 (010),6 (110) ,4 (100);反转时的霍尔信号顺序是 5 (101),4 (100),6 (110),2 (010),3 (011), I (001)。霍尔传感器出现故障后引起的第一类错误的霍尔信号可以归结为霍尔信号顺序错误,因此在霍尔跳变出现的时刻,可以根据霍尔信号顺序是否正确来判断是否有霍尔传感器出现故障,如果霍尔信号顺序错误,可进一步根据具体的霍尔信号判断出哪相霍尔传感器出现故障。
[0012]2)判断转子经过某霍尔区域所走过的电角度是否大于最小值
[0013]第二类霍尔故障并不会引起霍尔信号顺序的错误,但是会引起霍尔跳变提前发生。这一判断准则的核心是确定转子经过某一霍尔区域理论上应走过的最小电角度,当然该理论值是针对转子累计走过电角度估测值所取的下限,实质上转子经过任何霍尔区域应走过的电角度是确定的,但是由于转速估测误差,转子经过某霍尔区域所经过的电角度是根据估测转速积分所得,因此其中必定存在估测误差,这个误差是由电机实际转速变化所引起的,由于存在惯性,因此电机转速波动必定有界,进而可以根据转速波动范围计算出转子经过某霍尔区域应走过电角度的理论最大、最小值。因此,一旦霍尔跳变出现时转子经过跳变前霍尔区域的累积电角度小于理论最小值,便可根据相应霍尔区间确定出现故障的霍尔传感器。
[0014]3)判断转子经过某霍尔区域所走过的电角度是否小于最大值
[0015]第三类霍尔故障会引起霍尔跳变的滞后,同方法2类似,根据计算确定转子经过某霍尔区域理论应经过的最大电角度,一旦转子在该区域所走过的电角度大于该最大值,便可结合霍尔信号诊断出出现故障的霍尔传感器。与方法1、2的区别在于,方法3对故障的诊断是每时每刻的,并不由霍尔信号跳变所触发。
[0016]所述三个诊断方法适用于三霍尔传感器控制模式下的霍尔传感器故障诊断,而且同样适用于两霍尔传感器控制模式下的霍尔传感器故障诊断,原理、方法、具体形式是一样的。
[0017]除此之外,本发明还提供一种用于永磁同步电机霍尔传感器故障确认的方法,也是霍尔传感器故障排除方法,即不断检测“故障”信号,确认相应传感器确实故障,进而排除由于接触不良或者信号噪声所引起的“误诊断”,充分保证系统的准确性和鲁棒性。
[0018]—种用于永磁同步电机霍尔传感器故障确认的方法,该方法在某一(两)相霍尔信号被认定故障后,在正常霍尔传感器的跳变时刻,对故障霍尔传感器的信号进行采样,经过η (η为正整数)个电周期后,将2η个采样信号相加,如果信号的和是否等于η,则判定“故障”霍尔传感器是正常的,其“故障”是由信号噪声或者接触不良引起的,并恢复使用该霍尔传感器;若采样信号的和不等于η,则认定该故障霍尔传感器确实存在故障,并继续执行故障确认方法。在两相霍尔信号出现故障时也执行同样的操作,对两个故障信号同时采样,并利用相同的判定准则来确定它们是否真实存在故障,原理相同。
[0019]本发明具有以下优点:[0020]1、利用三个方法,可以将故障霍尔信号进行清晰的分类,并且可以迅速诊断出故障的霍尔传感器,进而排除故障信号。此外,该方法不仅使用于三相霍尔信号的故障诊断,同样适用于两相霍尔信号的故障诊断中,原理方法均一致,因此使得方法本身非常简洁明了。
[0021]2、故障确认方法会不断确认霍尔传感器故障是否真实存在,并能够及时排除由于信号噪声、霍尔传感器接触不良所引起的误诊断,因此提高了整个故障诊断系统的准确性和稳定性。
[0022]3、本方法成本低,易实现。
[0023]综上所述,本发明可以广泛用于利用霍尔传感器进行相位检测的永磁同步电机的各种使用场合中。
【专利附图】

【附图说明】
[0024]图1是一个电周期下的三相霍尔信号不意图。
[0025]图2是A相霍尔断路引起的霍尔彳目号顺序错误不意图。
[0026]图3是A相霍尔断路引起的霍尔跳变提前示意图。
[0027]图4是A相霍尔断路引起的霍尔跳变滞后不意图。
[0028]图5是经过某一霍尔区域理论经过电角度的限值示意图。
[0029]图6是在一个电周期内对A相霍尔信号进行故障确认示意图。
[0030]图7是A相霍尔接触不良所引起的故障霍尔信号不意图。
[0031]图8是在一个电周期内对A、B相霍尔信号进行故障确认示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】进一步说明书本发明。
[0033]本发明提供一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法。本发明还提供一种用于永磁同步电机霍尔传感器故障确认的方法。
[0034](I)霍尔传感器故障诊断方法:该方法应用于三、两霍尔传感器控制模式下,由于原理和实施方式一样,因此以三霍尔控制模式为例进行介绍。
[0035]首先,在任何霍尔区域中,在任何霍尔跳变发生前,方法3,即经过该区域的电角度是否大于最大值,都会在每个PWM周期进行检查,若发现当前时刻转子在该区域所走过的电角度已经大于最大值,则根据所在区域霍尔信号确定故障霍尔传感器,并及时摒弃故障信号,可以参考图4,图4是A相霍尔断路引起的霍尔跳变滞后示意图;相反,如果确认当前时刻转子在该区域走过的电角度小于最大值,则照常执行其它控制命令,不做任何更改,等待霍尔跳变的到来,可以参考图1,图1是一个电周期下的三相霍尔信号示意图;一旦霍尔跳变发生,先根据方法I (霍尔信号顺序是否正确)和电机转向判断是否出现霍尔传感器故障,若出现故障,则根据跳变前霍尔信号和跳变后霍尔信号确定出现故障的霍尔传感器并及时消除错误信号,可以参考图2,图2是A相霍尔断路引起的霍尔信号顺序错误示意图;如果霍尔信号顺序没错,则判断经过上一区域(即跳变出现前的区域)电机转子所走过的电角度是否小于最小值,如果小于,根据霍尔信号判断出现故障的霍尔传感器,可以参考图3,图3是A相霍尔断路引起的霍尔跳变提前示意图;如果大于最小值,则执行控制命令不做任何动作。方法2、3可参考图5,图5是经过某一霍尔区域理论经过电角度的限值示意图,即只有霍尔跳变发生在两条采集信号实线所形成的区域内(分别代表理论最小值和理论最大值),才认定无任何霍尔传感器出现故障。
[0036]在双霍尔控制模式下,霍尔故障诊断的实施方式是一样的,唯一不同的是,两个霍尔信号将一个电周期分为了不规则的四个区域,如图7所示,因此要根据具体霍尔信号设定相应区域的理论电角度最大间隔和理论电角度最小间隔,作为方法2、3的判断依据。
[0037]霍尔故障诊断方法嵌套在电机控制方法中,它并不改变电机控制的核心方法,只进行霍尔故障诊断,判断霍尔信号的可信度,进而使得电机控制器可以利用可靠地霍尔信号正确的判断转子位置,进行产生正确的控制信号,降低电机工作的噪声震动,提高其效率。
[0038](2)霍尔传感器故障确认方法:
[0039]霍尔故障确认方法应用于双、单霍尔控制模式,即已经有霍尔传感器被认定故障的情况下,其实施方式如下:
[0040]在双霍尔控制模式下,利用其中一个正常霍尔信号,在其跳变的时刻对故障霍尔信号进行采样,如图6所示(图6是在一个电周期内对A相霍尔信号进行故障确认示意图,利用B相霍尔信号跳变时刻对A相霍尔进行采样),经过η个电周期将采集的2η个信号进行累加,判断2η个信号的和是否等于η,如果等于,则认定“故障”的霍尔传感器能够正常工作,之前的“故障”是由非故障因素,如信号噪声或者接触不良所引起的(如图7,图7是A相霍尔接触不良所引起的故障霍尔信号示意图。);若211个信号之和不等于η,则认定该霍尔传感器确实存在故障,并继续执行本方法,提高方法的准确性,整个系统的稳定性及鲁棒性。
[0041]在单霍尔控制模式下,霍尔故障确认方法的逻辑和实施方式并无本质区别,例如图8所示,图8是在一个电周期内对Α、Β相霍尔信号进行故障确认示意图,利用正常的霍尔信号,在其跳变时刻分别对两故障传感器信号进行采样,经过10个电周期,按照判断准则分别确认两故障霍尔传感器是否确实存在故障。
[0042]本发明三个方法可以将故障霍尔信号进行清晰的分类,能够迅速诊断出故障的霍尔传感器;能够及时排除误诊断,提高了整个故障诊断系统的准确性和稳定性;成本低,易实现。本发明可以广泛应用于各种带霍尔传感器永磁同步电机的使用场合。
【权利要求】
1.一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法,其特征在于,该方法包括以下三种方法: 1)判断霍尔信号顺序是否正确 在霍尔信号正常的情况下,电机转动时霍尔信号变化是规律的,正转时的霍尔信号顺序是 5 (101), I (001),3 (011),2 (010) ,6 (110),4 (100);反转时的霍尔信号顺序是5 (101) ,4 (100),6 (110) , 2 (010) , 3 (011) , I (001);在霍尔跳变出现的时刻,若霍尔信号顺序正确,则霍尔传感器没有出现故障,若霍尔信号顺序不正确,则霍尔传感器出现故障; 若霍尔信号顺序不正确,可进一步根据不正确的霍尔信号判断出哪相霍尔传感器出现故障;或, 2)判断转子经过某霍尔区域所走过的电角度是否大于最小值; 确定转子经过某一霍尔区域理论上应走过的最小电角度,所述理论上应走过的最小电角度是针对转子累计走过电角度估测值所取的下限——转子经过某霍尔区域所经过的电角度是根据估测转速积分所得,其中存在估测误差,这个误差是由电机实际转速变化所引起;由于存在惯性,电机转速波动必定有界,进而可以根据转速波动范围计算出转子经过某霍尔区域应走过电角度的理论最大、最小值; 一旦转子经过霍尔跳变前霍尔区域的累积电角度小于理论最小值,则判断出现故障;同时,根据相应霍尔区间确定出现故障的霍尔传感器;或, 3)判断转子经过某霍尔区域所走过的电角度是否小于最大值 计算确定转子经过某霍尔区域理论应经过的最大电角度,一旦转子在该区域所走过的电角度大于该最大值,则判断霍尔传感器出现故障;同时,结合霍尔信号诊断出出现故障的霍尔传感器;此方法对故障的诊断是每时每刻的,并不由霍尔信号跳变所触发。
2.一种用于永磁同步电机霍尔传感器故障确认的方法,其特征在于,该方法在某一两相或三相霍尔信号被认定故障后, 在正常霍尔传感器的跳变时刻,对故障霍尔传感器的信号进行采样; 经过η个电周期后,η为正整数,将2η个采样信号相加; 如果信号的和是否等于η,则判定“故障”霍尔传感器是正常的,其“故障”是由信号噪声或者接触不良引起的,并恢复使用该霍尔传感器;若采样信号的和不等于η,则认定该故障霍尔传感器确实存在故障,并继续执行故障确认方法。
【文档编号】G01P21/02GK103472263SQ201310395718
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】宋子由, 李建秋, 程思亮, 欧阳明高 申请人:清华大学
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