一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法
【专利摘要】本发明公开了属于汽车发动机【技术领域】的一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，它包括基于两霍尔传感器的永磁同步电机控制算法和基于单霍尔传感器的永磁同步电机控制算法，并且还包含对永磁同步电机各模式切换过程进行控制的算法。该发明可以保证永磁同步电机在一个甚至两个霍尔传感器出现故障的时候，依然可以正常运转，平稳输出转矩，并且可以保证永磁同步电机在各模式之间的切换过程平稳，提高电机在各模式下工作的鲁棒性。本发明可以广泛应用于带霍尔传感器永磁同步电机的各种使用场合。
【专利说明】一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车发动机【技术领域】，特别涉及一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，具体说是在用于新能源汽车领域能够保证永磁同步电机能够在一个甚至两个霍尔传感器出现故障的时候正常工作。
【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系统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，被广泛应用于永磁同步电机转子相位检测中。
[0003]—般来说,永磁同步电机会配置三个对称安装的霍尔传感器，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成线性关系，其比例系数取决于电机磁极对数)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)。准确的转子相位对于永磁同步电机控制策略来说十分重要，相位的准确性直接影响了电机运行过程中的震动，噪声以及效率。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起始相位。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，再与参考相位相加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，最终在电机转速波动时获得更加精确的转子相位。图2可以表示这一估测过程，位于垂直方向的是电机转子，三相定子线圈等间隔120°排列，三相霍尔信号将一个电周期分为六个区域，每个区域被一个霍尔信号编码，区域交界处的转子相位精确可知，在各霍尔区域内，利用转子估测转速和经过本区域的时间，细化转子位置估计的精度，进而获得当前时刻转子的估测相位。
[0004]汽车对零部件的可靠性要求非常高，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，进而带来严重的后果，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。而这样的情况是不能被接受的。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，其特征在于，首先提出了在一个和两个霍尔传感器出现故障的情况下，如何利用正常工作的传感器继续准确的估测转子相位的霍尔传感器容错控制算法，包括:[0006]( I)两霍尔传感器控制算法:
[0007]当三相霍尔传感器中的一相出现故障，永磁同步电机将进入两霍尔传感器控制模式，电机控制器将利用剩下的两个正常霍尔信号进行转子相位估计，两个霍尔信号将一个电周期分割并编码为四个不均匀的霍尔区域，根据一阶估测方法，对转子的转速和角加速度进行估计，并估计转子当前的转速，将估测转速积分，并结合当前霍尔区域的参考相位，得到当前的转子相位，估测转速将不均匀的霍尔区间进行了细分，需要说明的是，每经过一个霍尔区域，转子角速度都会更新一次；而角加速度的更新每经过两个霍尔区域进行一次；
[0008](2)单霍尔传感器控制算法:
[0009]当三相霍尔传感器中的两相出现故障，永磁同步电机将进入单霍尔传感器控制模式，电机控制器将利用唯一正常霍尔信号进行转子相位估计，霍尔信号将一个电周期分割并编码为2个等间隔的霍尔区域，根据一阶估测方法，对转子的转速和角加速度进行估计，并估计转子当前的转速，将估测转速积分，并结合当前霍尔区域的参考相位，得到当前的转子相位，(可参考图6所示。)需要说明的是，转子角速度和角加速度均为每经过一个霍尔区域更新一次；
[0010](3) 一个电机模式切换控制算法，该算法用于模式转换过程的控制，当永磁同步电机由一个模式切换到另一个的时候，该算法将更新电机控制算法中的几个变量:霍尔信号、参考相位即当前霍尔区域的起始相位、在本霍尔区域已走过的电角度、在本霍尔区域应走过的理论最小电角度和在理论最大电角度；这几个变量不仅影响永磁同步电机模式切换的平顺性，还对永磁同步电机各模式下的霍尔传感器故障诊断具有重要作用。
[0011]所述两个霍尔信号将一 个电周期分割并编码为四个不均匀的霍尔区域是分别编码为10、00、01、11 ;区域I——区 域4间隔的电角度分别是120°、60。、120。、60。。
[0012]所述转子角速度和角加速度均为每经过一个霍尔区域更新一次为经过一个霍尔区域即半个电周期都进行电机转速、加速度估测，假设此时正常相霍尔信号由O跳变到1，估测公式如下:
【权利要求】
1.一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，其特征在于，首先提出了在一个和两个霍尔传感器出现故障的情况下，如何利用正常工作的传感器继续准确的估测转子相位的霍尔传感器容错控制算法，包括: (1)两霍尔传感器控制算法: 当三相霍尔传感器中的一相出现故障，永磁同步电机将进入两霍尔传感器控制模式，电机控制器将利用剩下的两个正常霍尔信号进行转子相位估计，两个霍尔信号将一个电周期分割并编码为四个不均匀的霍尔区域；根据一阶估测方法，对转子的转速和角加速度进行估计，并估计转子当前的转速，将估测转速积分，并结合当前霍尔区域的参考相位，得到当前的转子相位，估测转速将不均匀的霍尔区间进行了细分；需要说明的是，每经过一个霍尔区域，转子角速度都会更新一次；而角加速度的更新每经过两个霍尔区域进行一次； (2)单霍尔传感器控制算法: 当三相霍尔传感器中的两相出现故障，永磁同步电机将进入单霍尔传感器控制模式，电机控制器将利用唯一正常霍尔信号进行转子相位估计，霍尔信号将一个电周期分割并编码为2个等间隔的霍尔区域；根据一阶估测方法，对转子的转速和角加速度进行估计，并估计转子当前的转速，将估测转速积分，并结合当前霍尔区域的参考相位，得到当前的转子相位；需要说明的是，转子角速度和角加速度均为每经过一个霍尔区域更新一次； (3)—个电机模式切换控制算法，该算法用于模式转换过程的控制，当永磁同步电机由一个模式切换到另一个的时候，该算法将更新电机控制算法中的几个变量:霍尔信号、参考相位即当前霍尔区域的起始相位、在本霍尔区域已走过的电角度、在本霍尔区域应走过的理论最小电角度和在理论最大电角度；这几个变量不仅影响永磁同步电机模式切换的平顺性，还对永磁同步电机各模式下的霍尔传感器故障诊断具有重要作用。
2.根据权利要求1所述一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，其特征在于，所述两个霍尔信号将一个电周期分割并编码为四个不均匀的霍尔区域是分别编码为10、00、01、11;区域I——区域4间隔的电角度分别是120°、60°、120°、60°。
3.根据权利要求1所述一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，其特征在于，所述转子角速度和角加速度均为每经过一个霍尔区域更新一次为经过一个霍尔区域即半个电周期都进行电机转速、加速度估测，假设此时正常相霍尔信号由O跳变到1，估测公式如下:
180° 电机转址ο 二——，
K-1
COr -仞,卜丨 电机加速度~=OUD， 最后，转子相位估测公式为:9 t= 9 2+wnt+0.5ant2 ; 上述式中，当前霍尔区域的时间是tn，经过上一霍尔区域的时间是tn_i;经过上两个霍尔区域的时间是tn_2 ;电机当前的转速估计值是ωη，上一次估计值是COiri ;参考相位2表示为0 2。
【文档编号】H02P21/00GK103475294SQ201310395721
【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