一种基于霍尔传感器电机的复合式控制方法与系统

1.本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种基于霍尔传感器电机的复合式控制方法与系统。


背景技术：

2.通常柱塞泵的直流无刷电机会使用相对简单的电机位置传感器，而在现有电机技术中，为了降低成本，采用霍尔传感器来完成对电机的磁场定向控制。但是在一些突发情况下，由于霍尔传感器出现故障导致输出的角度计算结果存在较大的误差，而如果在这种误差下运行柱塞泵，会对其力学性能造成极大影响。因此，如何及时发现霍尔传感器发生故障，并在发生故障时及时采取相应措施保证柱塞泵的正常运行，就是本发明所要解决的问题。


技术实现要素：

3.为解决基于霍尔传感器驱动电机的柱塞泵，在霍尔传感器突发故障情况下仍能够以较好的力学性能保持运转，本发明提出了一种基于霍尔传感器电机的复合式控制方法，包括步骤：
4.s1：获取各霍尔传感器的连续实时输出信号；
5.s2：判断当前采集时刻的输出信号与上一采集时刻的输出信号是否一致，若是，控制电机保持霍尔控制模式，若否，判断霍尔传感器故障，并进入步骤s3；
6.s3：控制电机切换为反电动势控制模式。
7.进一步地，所述步骤s2中，霍尔控制模式为：
8.根据实时输出信号计算当前转子与预设坐标轴的角度位置，根据角度位置对电机转子进行控制。
9.进一步地，所述各角度位置对应于不同的分布区间，各分步区间设有一个预设角度极值，根据角度位置对电机转子进行控制的具体方式为：
10.当角度位置达到某一分布区间的预设角度极值时，对应分步区间内的霍尔传感器输出信号控制电流换向。
11.进一步地，所述步骤s3中，反电动势控制模式为：
12.当未加电相组的端口电压为母线电压的半值时，以该采集时刻为反电动势零点时刻，根据零点时刻对电机转子进行控制。
13.进一步地，所述根据零点时刻对电机转子进行控制的具体方式为：
14.当到达反电动势零点时刻时，控制电流换向。
15.本发明还提出了一种基于霍尔传感器电机的复合式控制系统，包括：
16.信号采集器，用于采集各霍尔传感器的连续实时输出信号；
17.故障判断器，用于在当前采集时刻的输出信号与上一采集时刻的输出信号不一致时输出故障信号；
18.模式切换器，用于在接收到故障信号时控制电机切换为反电动势控制模式，否则控制电机保持霍尔控制模式。
19.进一步地，所述霍尔控制模式为：
20.根据实时输出信号计算当前转子与预设坐标轴的角度位置，根据角度位置对电机转子进行控制。
21.进一步地，所述各角度位置对应于不同的分布区间，各分步区间设有一个预设角度极值，根据角度位置对电机转子进行控制的具体方式为：
22.当角度位置达到某一分布区间的预设角度极值时，对应分步区间内的霍尔传感器输出信号控制电流换向。
23.进一步地，所述反电动势控制模式为：
24.当未加电相组的端口电压为母线电压的半值时，以该采集时刻为反电动势零点时刻，根据零点时刻对电机转子进行控制。
25.进一步地，所述根据零点时刻对电机转子进行控制的具体方式为：
26.当到达反电动势零点时刻时，控制电流换向。
27.与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
28.(1)本发明所述的一种基于霍尔传感器电机的复合式控制方法与系统，通过对各霍尔传感器连续实时输出信号的信号值大小的比较，从而及时获取霍尔传感器故障信息；
29.(2)在霍尔传感器发生故障时，通过反电动势零点检测对电流方向进行切换，从而保证柱塞泵能够以正常的力学特性运转。
附图说明
30.图1为一种基于霍尔传感器电机的复合式控制方法与系统的方法步骤图；
31.图2为一种基于霍尔传感器电机的复合式控制方法与系统的系统结构图；
32.图3为三霍尔传感器电机示意图；
33.图4为电流信号示意图；
34.图5为方波气隙磁场与梯形波反电势示意图。
具体实施方式
35.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
36.实施例一
37.为解决基于霍尔传感器驱动电机的柱塞泵，在霍尔传感器突发故障情况下仍能够以较好的力学性能保持运转，如图1所示，本发明提出了一种基于霍尔传感器电机的复合式控制方法，包括步骤：
38.s1：获取各霍尔传感器的连续实时输出信号；
39.s2：判断当前采集时刻的输出信号与上一采集时刻的输出信号是否一致，若是，控制电机保持霍尔控制模式，若否，判断霍尔传感器故障，并进入步骤s3；
40.s3：控制电机切换为反电动势控制模式。
41.通过上述方法,在电机运转的时候,首先对霍尔传感器进行故障诊断,通过对连续
实时输出信号的比较，在霍尔传感器发生故障导致输出信号峰值改变的第一时刻，就能立即检测出故障发生的霍尔传感器，从而对电机的驱动方式进行切换。
42.在步骤s2中，判断电机内的霍尔传感器组中是否有霍尔传感器发生故障包括：
43.对霍尔传感器组输出的信号值进行连续采样,这里的连续采样是指对霍尔传感器每次采集的信号都进行收集处理；
44.比对霍尔传感器组连续两次输出的信号值，一般地,每个霍尔传感器的相邻两次输出信号的间隔为200微秒,当然,还可以是100微秒、300微秒或其它时间,这里列举的数值并不是限定其范围,只是一个举例说明；
45.若两次输出的信号值相同,则判定霍尔传感器组未发生故障；若两次输出的信号值不同,则判定霍尔传感器组发生了故障。
46.而步骤s2中，所述霍尔控制模式为，根据实时输出信号计算当前转子与与预设坐标轴(可以根据需求自行设定)的角度位置，根据角度位置对电机转子进行控制。
47.以三霍尔传感器电机为例，将定子所在的圆周区域根据三个霍尔传感器等分为6个分步区间u1、u2、u3、u4、u5、u6。当电机转子的磁极位于不同分步区间时﹐霍尔传感器组均输出一个不同的信号值y1、y2、y3、y4、y5、y6；其中,每一信号值对应一个角度范围(r61～r12)、(r12～r23)、(r23～r34)、(r34～r45)、(r45～r56)、(r56～r61)。其中，根据角度对电机转子进行控制的具体方式为：
48.计算转子与预设坐标轴的角度的极值α。其中，极值α计算如下:
49.如果信号值从y1跳变到y2,极值为r12；
50.如果信号值从y2跳变到y3,极值为r23；
51.如果信号值从y3跳变到y4,极值为r34；
52.如果信号值从y4跳变到y5,极值为r45；
53.如果信号值从y5跳变到y6,极值为r56；
54.如果信号值从y6跳变到y1,极值为r61；
55.如图3所示，给出了霍尔传感器在永磁同步电机上的一种安装方式,其中a、b、c器件为三个霍尔传感器,他们固定在定子上,不会跟随着电机转子转动。标记为n
‑
s的是同步电机的转子,当固定在转子上的磁极随着转子一起旋转并接近霍尔传感器的时候会在传感器上感应出电流,从而输出高电平信号,而当固定在转子上的磁极离霍尔传感器比较远的时候,感应电流会消失,从而输出为低电平信号。这样当转子磁极转动的时候,会在a、b、c三个霍尔传感器上感应出如图4所示的高低电流信号。将坐标系的x轴固定在定子上并和霍尔传感器b在同一直线上,转子磁极的n和x轴的夹角设定为我们需要计算得到的夹角α,它对于电机的矢量控制起到了关键的作用，当角度位置达到某一分布区间的预设角度极值时，对应分步区间内的霍尔传感器输出信号控制电流换向。
56.同时，图5(图中bm为磁场强度，em为电场强度)给出了直流无刷电机正常工时的方波气隙磁场与梯形波反电势。当直流无刷电机的某相绕组反电势过零时,转子直轴与该相绕组轴线恰好重合。因此只要检测到各相绕组反电势的过零点,就可获知转子的若干个关键位置。再根据这些关键的转子位置信号,做相应的处理后控制电机换相,实现连续运转,这就是“反电势法”直流无刷电机控制控制。
57.通过对直流无刷电机数学模型的分析可知，在电机其中两相绕组加电期间的反电
动势过零点时刻，未加电相的端电压与中性点电压相等。当母线电压直流供电，其中某两相绕组通电时，中性点电压为母线电压的一半。
58.以母线电压对的一半为参考值，利用相应设备，将参考电压与未加电相绕组的端电压进行比较，当两者相等时，即可得到反电动势过零点的时刻。当到达反电动势零点时刻时，控制电流换向。
59.从图5中可以看出ωt＝30
°
电角度为a相反电势过零点时刻。控制电路检测到这一时刻,延时30
°
电角度,到60
°
电角度时切换到a相导通。a相导通120
°
电角度后,到180
°
电角度时关断a相,切换到b相导通。依此类推,就可以实现电机的连续运转,并且满足“最佳换相逻辑”。
60.采用上述电机控制方法,在电机运转的时候,首先对霍尔传感器进行故障诊断,确保计算出的角度位置准确可信。考虑到霍尔传感器的制造误差,通过补偿量来修正制造和安装过程中的角度误差。在霍尔传感器都正常的情况下,通过估算电机转子的角速度和角加速度,来得到转子在整个圆周上的准确的角度位置。在霍尔传感器发生故障的时候.采用反电动势法进行电机控制，确保柱塞泵在一些突发状况下也可以继续工作。
61.实施例二
62.为了更好的对本发明的技术内容进行描述，本实施例通过系统结构的形式将本发明模块快描述，如图2所示，一种基于霍尔传感器电机的复合式控制系统，包括：
63.信号采集器，用于采集各霍尔传感器(装于电机中)的连续实时输出信号；
64.故障判断器，用于在当前采集时刻的输出信号与上一采集时刻的输出信号不一致时输出故障信号；
65.模式切换器，用于在接收到故障信号时控制电机切换为反电动势控制模式，否则控制电机保持霍尔控制模式。
66.进一步地，所述霍尔控制模式为：
67.根据实时输出信号计算当前转子与预设坐标轴的角度位置，根据角度位置对电机转子进行控制。
68.进一步地，所述各角度位置对应于不同的分布区间，各分步区间设有一个预设角度极值，根据角度位置对电机转子进行控制的具体方式为：
69.当角度位置达到某一分布区间的预设角度极值时，对应分步区间内的霍尔传感器输出信号控制电流换向。
70.进一步地，所述反电动势控制模式为：
71.当未加电相组的端口电压为母线电压的半值时，以该采集时刻为反电动势零点时刻，根据零点时刻对电机转子进行控制。
72.进一步地，所述根据零点时刻对电机转子进行控制的具体方式为：
73.当到达反电动势零点时刻时，控制电流换向。
74.综上所述，本发明所述的一种基于霍尔传感器电机的复合式控制方法与系统，通过对各霍尔传感器连续实时输出信号的信号值大小的比较，从而及时获取霍尔传感器故障信息。
75.在霍尔传感器发生故障时，通过反电动势零点检测对电流方向进行切换，从而保证柱塞泵能够以正常的力学特性运转。
76.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
77.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
78.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
79.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
80.本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。