一种无刷直流电机霍尔传感器上电自修复方法
【专利摘要】本发明涉及一种无刷直流电机霍尔传感器上电自修复方法，通过对霍尔传感器实时检测，并在确认故障期间以信号预估的方式进行换向，消除故障发生后检测过程对电机的性能影响。检测出故障确认后切换故障运行模式，解决无刷直流电机运行过程中霍尔传感器突然损坏造成系统故障的问题。同时尽可能利用未损坏的霍尔传感器对损坏的霍尔传感器信号进行修复，保证电机在突发故障下正常运行，增强系统的稳定性和安全性。本发明可以实现电机运行过程中的霍尔传感器故障的检测、判断和修复，解决无刷直流电机运行过程中霍尔传感器突然损坏造成系统故障的问题。
【专利说明】一种无刷直流电机霍尔传感器上电自修复方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机控制【技术领域】，涉及电机故障修复装置，具体涉及一种无刷直流电机霍尔传感器上电自修复方法。
【背景技术】
[0002]无刷直流电机是随着现代电力电子技术的发展而产生的一种新型一体化电机，具有结构简单、调速性能好、工作效率高、运行噪声低等优点。无刷直流电机主要由电机本体、转子位置检测电路和电子开关线路及其控制电路三部分组成，附图1所示为最常用的三相全控运行电路原理图。
[0003]转子位置检测电路和电子开关线路配合完成换相动作，相当于有刷直流电机中的电刷和换相器，是无刷直流电机中至关重要的组成部分。传统的永磁无刷直流电机采用内置式霍尔位置传感器，获取位置信号电路结构简单、精度较高。在实际应用中，内置式位置传感器往往使用1-2年就会发生损坏，在某些恶劣工作环境(如高温潮湿环境)中持续工作寿命还会明显缩短。随着控制精度的提高，应用规模的增大，故障隐患增多，故而故障的检测要求日益紧迫，常见的故障能够尽早发现预防进一步恶化，对故障的准确定位、正确决策和及时维修是十分重要的。
[0004]电机在运行过程需要三个霍尔传感器提供位置信号才能实现正常换相，若有一个位置传感器损坏影响电机的正常换相，绕组电流增大，转速降低，电机性能受到影响；若有两个以上霍尔传感器损坏的情况下电机会因换相失败使电机停转，电机在堵转情况下若没有保护措施，绕组过大的电流会烧坏绕组，甚至引发安全事故。对于油泵等一些要求长期工作的系统而言，位置传感器损坏引起的电机停机可能会威胁系统的运行安全，造成更大的损失。
[0005]无刷直流电机位置传感器故障的自修复对于保障系统的运行安全就具有重要的意义，近年来逐渐成为研究热点，也有一些科研工作者在这一领域取得一些成果。
[0006]有人提出了双模控制器的思路，即无刷电机采用既有有位置传感器的控制模式又有无位置传感器的控制模式。利用位置传感器故障检测模块，在无故障时运行于有位置传感器控制模式，若位置传感器发生故障则切换到无位置传感器控制模式，并发出故障指示，这样可以暂时保证系统继续运行，不至于使系统突然停机造成安全事故。
[0007]申请号为201310312331.4的专利提出了一种霍尔位置传感器故障急救方法，在电机运行过程中，三路霍尔位置传感器最多可能出现八种状态，其中全零或全一状态为故障状态，初值均赋O ;以电机转动两圈作为一个检测周期,若出现一种霍尔位置传感器的状态，则给相应的变量赋I ;观察数组的值；当电机有故障时，通过分析为O的状态，分析确定哪一路霍尔位置传感器出现故障，并给定一个虚拟的霍尔位置传感器信号，使系统继续工作。
[0008]申请号为201310374110.X的专利提出了一种无刷直流电机容错控制方法，采用转子位置估计技术实时计算转子位置，得到下一个换相时刻转子位置估计量，通过检测位置传感器信号，当所述位置传感器信号组合为所述位置传感器信号组合次序表中的一项且与所述转子位置估计量一致时，则进入下一轮转子位置预估；否则，启动紧急诊断模式，对发生故障的转子位置信号对应的预估换相点进行人为换相，实现无刷直流电机霍尔传感器的容错控制。
[0009]双模控制的方法在电机出现故障到检测出故障切换到无位置控制的时间内电机由于换相错误且没有补救措施，出现转速骤降，转矩脉动增大的情况，在转速较低或负载较大的情况下可能会出现切换到无位置控制方法前电机已经停转的情况，使修复失败。申请号为201310312331.4的专利需要电机在霍尔传感器出现故障后继续转两圈才能监测出故障点，在检测故障的过程中电机由于换相失败，会出现转速下降，系统稳定性降低，且在检测出故障后修复部分没有指出具体的方法，实际意义不大。霍尔传感器故障申请号为201310374110.X的专利提出的转子位置预估方法过于复杂，导致程序复杂，效率较低。
【发明内容】
[0010]要解决的技术问题
[0011]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无刷直流电机霍尔传感器上电自修复方法，
[0012]技术方案
[0013]一种无刷直流电机霍尔传感器上电自修复方法，其特征在于步骤如下:
[0014]步骤1:以电机完成软起动后时刻为起点，将霍尔传感器HX第一次中断计数周期值赋予Nxtl，第二次中断计数周期值赋予Nxi ;X为A、B或C，表示三个霍尔传感器；
[0015]步骤2:以办=》为预估系数，计算下个中断发生时刻计数周期数的值Nx =
^vXO
η XNxi，建立下次中断预估范围的置信区间为(Ux-O-Ol) XNxi，(ηχ+0.01) XNxi)；
[0016]步骤3:若在置信区间内霍尔传感器信号有突变，对霍尔传感器的故障标志位赋值HX_Fault = O ;若超出置信区间上限值霍尔传感器信号仍未突变，将故障标志值HX_Fault 自增 I ;
[0017]步骤4:若HX_Fault = 0，则霍尔传感器正常，令N’X(l = Nxi，且根据此次中断周期数更新的Nxi的值，继续执行步骤2 ;若HX_Fault = 1，则进行换相并以上次信号突变时刻为基准，计数周期数加倍，以Ux-0.01) X2XNxl, (nx+0.01) X2XNxl为置信区间继续预测下一次换相时刻；gHX_Fault = 2，则确认霍尔传感器发生故障。
[0018]一种基于所述检测方法进行故障自修复的方法，其特征在于步骤如下:
[0019]步骤1:根据定时器中断发生后，按霍尔传感器故障判断阶段三个霍尔传感器故障标志值计算故障标志 HALL_Fault = HA_Fault*9+HB_Fault*3+HC_Fault ;其中:HA_Fault为霍尔传感器HA的故障标志值，HB_Fault为霍尔传感器HB的故障标志值，HC_Fault为霍尔传感器HC的故障标志值，HALL_Fault为三个霍尔传感器综合故障标志值；所述故障标志值O为正常状态,I为初步故障状态，2为确认故障状态；所述综合故障标志值的数据范围0-26 ；
[0020]所述故障标志和故障状态对应关系为:
[0021]故障标志为0、1、3、4、9、10、12、13，为无故障状态；
[0022]故障标志为18、19、21、23，则为霍尔传感器HA故障；
[0023]故障标志为6、7、15、16,则为霍尔传感器HB故障；
[0024]故障标志为2、5、11、14,则为霍尔传感器HC故障；
[0025]故障标志为24、25，则为霍尔传感器HA、HB故障；
[0026]故障标志为8、17，则为霍尔传感器HB、HC故障；
[0027]故障标志为20、23，则为霍尔传感器HA、HC故障；
[0028]故障标志为26，则为霍尔传感器HA、HB、HC故障；
[0029]步骤2:
[0030]当故障标志显示为无故障状态时，不作处理；
[0031]当故障标志为霍尔传感器HA故障时，以霍尔传感器HB定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HA信号上升沿突变时刻为N/6，下降沿突变时刻为4*N/6，进行换相，并发出该类故障指示；
[0032]当故障标志为霍尔传感器HB故障时，以霍尔传感器HC定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HB信号上升沿突变时刻为N/6，下降沿突变时刻为4*N/6，进行换相，并发出该类故障指示；
[0033]当故障标志为霍尔传感器HC故障时，以霍尔传感器HA定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HC信号上升沿突变时刻为N/6，下降沿突变时刻为4*N/6，进行换相，并发出该类故障指示；
[0034]当故障标志为霍尔传感器HA、HB故障时，以霍尔传感器HC定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HA信号上升沿突变时刻为N/3，下降沿突变时刻为5*N/6，霍尔传感器HB信号上升沿突变时刻为N/6，下降沿突变时刻为2*N/3，进行换相，并发出该类故障指示；
[0035]当故障标志为霍尔传感器HB、HC故障时，以霍尔传感器HA定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HC信号上升沿突变时刻为2*N/3，下降沿突变时刻为N/6，霍尔传感器HB信号上升沿突变时刻为N/3，下降沿突变时刻为5*N/6，进行换相，并发出该类故障指示；
[0036]当故障标志为霍尔传感器HA、HC故障时，以霍尔传感器HB定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HA信号上升沿突变时刻为2*N/3，下降沿突变时刻为N/6，霍尔传感器HC信号上升沿突变时刻为N/3，下降沿突变时刻为5*N/6，进行换相，并发出该类故障指示；
[0037]当故障标志为霍尔传感器HA、HB、HC故障时，三个霍尔传感器发生故障，系统发出停机指示，所有PWM信号关闭，电机安全停机，并发出故障报警。
[0038]有益效果
[0039]本发明提出的一种无刷直流电机霍尔传感器上电自修复方法，通过对霍尔传感器实时检测，并在确认故障期间以信号预估的方式进行换向，消除故障发生后检测过程对电机的性能影响。检测出故障确认后切换故障运行模式，解决无刷直流电机运行过程中霍尔传感器突然损坏造成系统故障的问题。同时尽可能利用未损坏的霍尔传感器对损坏的霍尔传感器信号进行修复，保证电机在突发故障下正常运行，增强系统的稳定性和安全性。
[0040]本发明可以实现电机运行过程中的霍尔传感器故障的检测、判断和修复，解决无刷直流电机运行过程中霍尔传感器突然损坏造成系统故障的问题。霍尔传感器实时检测的方法也使得霍尔传感器在突发故障时能及时检测出来，且在确认故障过程中对霍尔传感器信号突变时刻进行预估，保证换相顺利进行，最大限度降低对电机运行的影响。
[0041]同时尽可能利用未损坏的霍尔传感器对损坏的霍尔传感器信号进行修复，保证电机在突发故障下正常运行，增强系统的稳定性和安全性。本方法简单可行，且无需改动硬件结构，只需软件编程即可实现，具有较强的可推广性。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1:无刷直流电机结构
[0043]图2:换相逻辑关系图
[0044]图3:霍尔传感器故障检测程序流程图
[0045]图4:霍尔传感器故障修复程序流程图
【具体实施方式】
[0046]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0047]以DSP芯片组成的无刷直流电机控制器为基础，通过软件编程实现电机运行过程中的霍尔传感器的故障自修复。霍尔传感器的故障自修复方法包括故障检测和故障修复两部分，故障检测部分通过转子位置预估法建立霍尔传感器换相时刻的置信区间，检测霍尔传感器在置信区间内有没有信号突变，分别判断三个霍尔传感器是否有故障，三个传感器之间的故障检测是相互独立的；故障修复部分以某一个未损坏的霍尔传感器换相周期时间为依据，按照霍尔传感器逻辑信号相位关系确定换相时刻，实现故障霍尔传感器的人为换相。
[0048] DSP芯片的捕获模块在系统正常运行时接入信号有上升沿或下降沿跳变就可以产生一个中断，同时记录下上次中断到此次中断的时间，程序里以计数周期数表示。由于无刷直流电机3个霍尔传感器是按照120°电角度的方式均匀分布，转子每个磁极也是180°电角度分布，一个换相周期内6个通电状态均为60°电角度。在转速一定的情况下，相邻通电状态时间均一致，利用上次中断间隔时间，可以预测下一次产生中断的时间，位置传感器故障的检测和修复就是依据这一原理。
[0049]无刷直流电机正常运行时，3个霍尔传感器每隔60°电角度会有一次信号突变，三个信号相位相差120°电角度，每隔霍尔传感器输出高电平和低电平均为180°电角度。霍尔传感器信号状态和对应的绕组通电情况，如附图2所示。
[0050]电机在速度稳定情况下，一个换相周期内6个通电状态持续时间相同；电机若是在加速或减速状态下，一个换相周期内6个通电状态持续时间会减小或增加，若是仍以上个周期时间预估，则会产生误差，引起误报。电机在每个通电状态内的时间很短，转速的变化量相对于每个信号突变周期时间的变化量可以近似成线性关系。若霍尔传感器设置上升沿触发中断则每个换相周期有一次中断，记录本次判断前两次中断的计数周期数为乂、N1,
每次中断后计数周期值归零。则以
【权利要求】
1.一种无刷直流电机霍尔传感器故障检测方法，其特征在于步骤如下: 步骤1:以电机完成软起动后时刻为起点，将霍尔传感器HX第一次中断计数周期值赋予Nxtl,第二次中断计数周期值赋予Nxi ;X为A、B或C，表示三个霍尔传感器； 步骤2:以知为预估系数，计算下个中断发生时刻计数周期数的值Nx =
ivXOη XNxi，建立下次中断预估范围的置信区间为(Ux-O-Ol) XNxi，(ηχ+0.01) XNxi)； 步骤3:若在置信区间内霍尔传感器信号有突变，对霍尔传感器的故障标志位赋值ΗΧ_Fault = O ;若超出置信区间上限值霍尔传感器信号仍未突变，将故障标志值HX_Fault自增I ; 步骤4:若HX_Fault = 0，则霍尔传感器正常，令N’ xo = Nxi，且根据此次中断周期数更新的Nxi的值，继续执行步骤2 ;若HX_Fault = 1，则进行换相并以上次信号突变时刻为基准，计数周期数加倍，以Ux-0.01) X2XNxl, (nx+0.01) X2XNxl为置信区间继续预测下一次换相时刻；gHX_Fault = 2，则确认霍尔传感器发生故障。
2.一种基于权利要求1所述检测方法进行故障自修复的方法，其特征在于步骤如下: 步骤1:根据定时器中断发生后，按霍尔传感器故障判断阶段三个霍尔传感器故障标志值计算故障标志 HALL_Fault = HA_Fault*9+HB_Fault*3+HC_Fault ;其中:HA_Fault 为霍尔传感器HA的故障标志值，HB_Fault为霍尔传感器HB的故障标志值，HC_Fault为霍尔传感器HC的故障标志值，HALL_Fault为三个霍尔传感器综合故障标志值；所述故障标志值O为正常状态,I为初步故障状态，2为确认故障状态；所述综合故障标志值的数据范围0-26 ； 所述故障标志和故障状态对应关系为: 故障标志为0、1、3、4、9、10、12、13，为无故障状态； 故障标志为18、19、21、23，则为霍尔传感器HA故障； 故障标志为6、7、15、16,则为霍尔传感器HB故障； 故障标志为2、5、11、14,则为霍尔传感器HC故障； 故障标志为24、25，则为霍尔传感器HA、HB故障； 故障标志为8、17，则为霍尔传感器HB、HC故障； 故障标志为20、23，则为霍尔传感器HA、HC故障； 故障标志为26，则为霍尔传感器HA、HB、HC故障； 步骤2: 当故障标志显示为无故障状态时，不作处理； 当故障标志为霍尔传感器HA故障时，以霍尔传感器HB定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HA信号上升沿突变时刻为N/6，下降沿突变时刻为4*N/6，进行换相，并发出该类故障指示； 当故障标志为霍尔传感器HB故障时，以霍尔传感器HC定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HB信号上升沿突变时刻为N/6，下降沿突变时刻为4*N/6，进行换相，并发出该类故障指示； 当故障标志为霍尔传感器HC故障时，以霍尔传感器HA定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HC信号上升沿突变时刻为N/6，下降沿突变时刻为4*N/6，进行换相，并发出该类故障指示； 当故障标志为霍尔传感器HA、HB故障时，以霍尔传感器HC定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HA信号上升沿突变时刻为N/3，下降沿突变时刻为5*N/6，霍尔传感器HB信号上升沿突变时刻为N/6，下降沿突变时刻为2*N/3，进行换相，并发出该类故障指不; 当故障标志为霍尔传感器HB、HC故障时，以霍尔传感器HA定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HC信号上升沿突变时刻为2*N/3，下降沿突变时刻为N/6，霍尔传感器HB信号上升沿突变时刻为N/3，下降沿突变时刻为5*N/6，进行换相，并发出该类故障指不; 当故障标志为霍尔传感器HA、HC故障时，以霍尔传感器HB定时器值为基准，参考预估信号突变时刻N，预测霍尔传感器HA信号上升沿突变时刻为2*N/3，下降沿突变时刻为N/6，霍尔传感器HC信号上升沿突变时刻为N/3，下降沿突变时刻为5*N/6，进行换相，并发出该类故障指示； 当故障标志为霍尔传感器HA、HB、HC故障时，三个霍尔传感器发生故障，系统发出停机指示，所有PWM信号关闭，电机安全停机，并发出故障报警。
【文档编号】H02P29/02GK104167979SQ201410431142
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】解恩, 王晓斌, 吴少石, 闫磊 申请人:西北工业大学