發布日期：2022-10-09 點擊率：368
永磁同步電機開關霍爾位置傳感器故障判斷及定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及電機位置傳感器故障診斷技術領域，尤其設及一種永磁同步電機開關 霍爾位置傳感器故障判斷及定位方法。
【背景技術】 陽〇〇引永磁同步電機由于具有體積小、效率高、功率密度大W及調速范圍寬等優點，在航 空航天、電動汽車驅動、數控機床W及家用電器等領域得到了廣泛的應用。在高性能的驅動 系統中，為了實現高精度、高動態性能的速度和轉矩控制，通常采用磁場定向矢量控制。在 傳統的矢量控制中，往往需要通過位置傳感器來獲取轉子位置，W此來實現精確的磁場定 向。相比于旋轉變壓器和光電碼盤，開關霍爾位置傳感器由于具有成本低廉、體積小、安裝 方便等優點，近年來得到了廣泛地應用。
[0003] 如說明書附圖中圖2-a所示，一般將S路開關霍爾位置傳感器化、化、化均勻對稱 地安裝在相隔120°電角度的圓周上。如圖2-b~圖2-C所示，當電機旋轉時，霍爾輸出信 號是=個相隔120°的方波，每個方波有180°的有效角度，運樣就可W把360°的電角度 分為6個扇區，每個扇區60°電角度，當霍爾組合信號每跳變一次說明轉子轉過60°電角 度。在正弦波驅動永磁同步電機控制上，一般采用零階泰勒級數法和一階泰勒級數法來估 算電機轉子的實際位置，進而獲得精度較高的控制效果。而當開關霍爾位置傳感器出現故 障時，故障路開關霍爾傳感器輸出數字信號恒為0或1，電機控制器也將會接收到錯誤的位 置信號，導致其發出不正確的電壓矢量，進而帶來一系列的嚴重后果，如：電機發熱短路，控 制器過流保護，轉軸磨損斷裂，嚴重的甚至會使后級連接傳動機構擁痕，最終導致整個驅動 系統崩潰。因此，對開關霍爾位置傳感器的故障進行及時準確地判斷和定位具有十分重要 的價值。
[0004] 中國專利. 5通過判斷檢測到的霍爾狀態中是否含有0矢量來進行 故障檢測，并同過分析檢測到的霍爾狀態量來定位其中的故障路霍爾傳感器，但該方法需 要在電機旋轉結束后才可對霍爾狀態進行綜合判斷，不可實時檢測，并且只可診斷出單路 和雙路兩種霍爾故障狀態，對其他故障態的檢測并沒有給予說明，因此，該方法缺乏實際操 作性。中國專利. 0公開了一種永磁同步電機霍爾傳感器故障診斷方法，該專 利同時采用=種方法來進行故障診斷，并且引入了一種故障確認方法。但該方法并沒有具 體給出轉子在某一區域走過電角度最小值和最大值的取值方法，另外，對于故障確認方法， 若發生雙路霍爾故障且n取值較大，則確認時間過長，且該故障確認方法不適用于確認S 路霍爾故障及傳感器電源故障，因此，該專利所提方法實用性較低。
【發明內容】
陽0化]本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中所設及到的缺陷，提供一種永磁同 步電機開關霍爾位置傳感器故障判斷及定位方法，用于快速準確地判斷并定位出發生故障 的開關霍爾傳感器。
[0006] 本發明為解決上述技術問題采用W下技術方案：
[0007] 永磁同步電機開關霍爾位置傳感器故障判斷及定位方法，包括W下步驟：
[0008]步驟1)，所述永磁同步電機的=路開關霍爾輸出信號中只要有一路輸出信號發生 跳變即觸發中斷，將此刻每一路開關霍爾輸出信號分別存儲在化llx[i]中，同時，記錄相 鄰兩次開關霍爾信號跳變之間的時間t。；
[0009] 其中，義=曰，6，(3，1=0~5，化11義山為長度為6的一維數組；
[0010] t"=m，n為計數變量，代表開關霍爾信號跳變的次數；N為相鄰兩次開關霍爾信 號跳變獲得的脈沖數；L是主中斷周期時長；
[0011] 步驟2)，若所述永磁同步電機的轉子在當前霍爾狀態的停留時間大于預設的時 間闊值t。。，。、，記錄所述永磁同步電機的轉子在當前霍爾狀態的停留時間tm，若其滿足關系 則判斷發生3路開關霍爾傳感器故障或傳感器電源故障，將故障標志位error_flag賦值為3 ; 陽01引其中，tm=NT,;k為預先設定的大于1的整數；
[001引步驟3)，若所述永磁同步電機的轉子在預設的時間闊值t。。。,內進行開關霍爾信號 跳變，計數變量n累加1;
[0014] 步驟4)，當計數變量n值累加至5時為1個故障判斷檢測周期，將計數變量n賦值 為0 ; 陽015] 步驟5)，若數組化llx[j]中的每一個元素均滿足關系化llx[j]聲化llx[j+3]， 將故障標志位erroLflag賦值為0 ;
[0016] 其中，j=〇 ~2;
[0017] 步驟6)，若數組化1lx[j]中存在一組元素滿足關系化1lx[j]=化1lx[j+3]，繼 續運行u個故障判斷檢測周期，若都為同一組元素滿足關系化llx[j]=化llx[j+3]，則判 斷發生單路開關霍爾傳感器故障，將故障標志位error_flag賦值為1，并將化1lx定位為故 障路霍爾；
[001引其中，U為預先設定的整數；
[0019] 步驟7)，若數組化llx[j]中存在兩組元素滿足關系化llx[j]=化llx[j+3]，繼 續運行1個故障判斷檢測周期，并記錄電機轉子在此故障判斷檢測周期所經歷的時間，將 其存儲在Time[j]中，若滿足關系2*Time[0]〈Time[1]且2*Time[0]〈Time巧]，則判斷發生 雙路開關霍爾傳感器故障，將故障標志位error_flag賦值為2,并將化1lx定位為故障路霍 爾；
[0020] 其中，Time[0]為電機轉子在最后一個正常狀態經歷一個故障判斷檢測周期的時 間，Time[l]和Time[2]分別為發生故障后電機轉子經過連續兩個故障判斷檢測周期的時 間；
[0021] 步驟8)，將故障狀態及故障路開關霍爾反饋給控制器。
[0022] 作為本發明永磁同步電機開關霍爾位置傳感器故障判斷及定位方法進一步的優 化方案，所述在預設的時間闊值t。。。、通過W下方式得到：
[0023]首先采集轉子經過上一霍爾狀態的時間t。1，然后根據W下公式計算得到t。。。、： CNA 說明書 3/6頁
[00對其中，J為系統機械轉動慣量，Lmi。為電機輸出反向最大電磁轉矩，lm。,為電機所 帶最大負載轉矩。
[00%] 本發明采用W上技術方案與現有技術相比，具有W下技術效果：
[0027] 1.本發明可W快速準確的對開關霍爾位置傳感器的故障進行判斷，并對=種故障 狀態進行清晰地分類，充分降低開關霍爾位置傳感器故障對系統運行帶來的影響；
[0028] 2.利用一個故障判斷檢測周期內各路開關霍爾傳感器輸出信號的邏輯關系，可 W快速精確地定位出具體的故障路開關霍爾位置傳感器，有利于在故障發生后對其進行維 修；
[0029] 3.利用=種方法，分別對初步判斷的=種故障狀態進行多次確認，及時排除由于 電機正反轉切換W及電磁干擾造成的誤判斷現象，充分提高電機驅動系統的魯棒性；
[0030] 4.該方法無需專口的硬件電路，只需軟件就能實現，簡單實用，且成本低廉。
【附圖說明】
[0031]圖1為開關霍爾位置傳感器故障判斷定位方法W及故障誤判斷排除方法示意圖；
[0032] 圖2-a為S開關霍爾位置傳感器安裝示意圖；
[0033] 圖2-b為正常運行時S開關霍爾位置區間圖；
[0034] 圖2-C為正常運行時=開關霍爾位置傳感器各路輸出信號示意圖；
[0035] 圖3-a為A路開關霍爾故障且輸出恒為"1"時S開關霍爾位置區間圖；
[0036] 圖3-b為A路開關霍爾故障且輸出恒為"1"時各路開關霍爾輸出信號示意圖；
[0037] 圖4-a為A、C路開關霍爾故障且輸出都恒為"1"時S開關霍爾位置區間圖； 陽03引圖4-b為A、C路開關霍爾故障且輸出都恒為"1"時各路開關霍爾輸出信號示意 圖；
[0039] 圖5-a為發生S路開關霍爾傳感器或電源發生故障時S開關霍爾位置區間圖；
[0040] 圖5-b為發生=路開關霍爾傳感器或電源故障時各路開關霍爾輸出信號示意圖；
[0041] 圖6-a為電機正反轉切換時S開關霍爾位置傳感器各路輸出信號示意圖；
[0042] 圖6-b為C路開關霍爾受電磁干擾時各路=開關霍爾位置傳感器輸出信號示意 圖。
【具體實施方式】
[0043] 下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
[0044] 如圖1所示，本發明提出一種永磁同步電機開關霍爾位置傳感器故障判斷及定位 方法，具體步驟為：
[0045] 第一步，初始化各變量，如圖2-曰、圖2-b和2-C所示，在電機正常運行過程中，轉子 每轉動一個電周期，各開關霍爾位置傳感器會連續輸出一定規律的6種狀態量，因此，定義 S個長度為6的一維數組化lla[6]，化1化[6]和化11c[6]，分別用來存儲3路開關霍爾傳 感器的輸出量，另外，定義計數變量n，定義變量t。為電機轉子經過某一霍爾狀態的時間，定 義一個長度為3的一維數組Time巧]，用來記錄電機轉子經歷的連續S個故障判斷檢測周 期的時間；定義故障標志位error_flag,當控制器上電時，對所有變量進行初始化，并且初 值均賦為0 ;
[0046] 第二步，電機接收到控制器輸出信號后轉動，采用邊沿捕獲中斷，當3路開關霍爾 傳感器中任何一路輸出信號發生變化則觸發數字信號處理器中斷，將此時開關霍爾傳感器 的輸出量分別存儲在數組化11曰、化1化和化11c中，同時，將計數變量n值累加1。另外，在 數字處理忍片中開啟2個定時器分別用來記錄電機轉子經過某一霍爾狀態的時間t。^及 電機轉子經過一個故障判斷檢測周期的時間Time,可分別表示為t"=NJ,，Time=NzL;
[0047
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BLDC與霍爾傳感器
直流無刷電機霍爾傳感器2種安裝方式 ? ? ? ? ? ? ? ? 寫得比較清晰
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電機霍爾真值表（霍爾120度安裝和60度安裝）
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無刷電機學習筆記 ? ?
BLDC和PMSM：?
BLDC：無刷直流電機（Brushless Direct Current）?
PMSM：永磁同步電動機（Permanent-Magnet Synchronous Motor）?
二者結構上直接觀察無明顯區別，想要區分，主要看感應電動勢。?
從控制上由明顯區別，PMSM感應電動勢波形為正弦波，BLDC感應電動勢波形為梯形波。而造成感應電動勢的不同的的原因是磁鋼磁場的分別和線圈纏繞的方式不同。因為感生電動勢E=BLVsin（theta）。
BLDC一般用六步換向，FOC都可以，而PMSM一般用FOC，很少用六步換向。但在高速條件下，會使用六步換向，因為高速條件下，電機換向很快，有的CPU無法支持計算量。
增量式編碼器和絕對式編碼器，ABI信號和UVW信號、編碼器PWM信號 ? ? ABI和ABZ一樣。?
增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90。，從而可方便的判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。
如上圖，編碼器輸出三組方波脈沖A、B和I相；A、B兩組脈沖相位差90度，根據誰先出現可以方便的判斷旋轉方向。而Z相為每轉一圈輸出一個脈沖，用于基準點定位。
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無刷無霍爾BLCD電機控制? ? ? ? ? ? ?這一篇原理介紹比較詳細?
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描述
在工業大多數的電能損耗來自大型電機和固定速度的驅動系統。因此，能效運動控制系統應適應未來實際負載需求應用。BLDC電機滿足這一要求通過電子換向和調速控制。電機磁極繞組換向在最佳的轉子位置的是非常重要的，用于減少電損耗當使用可變轉速和負載的情況。本文討論了不同的霍爾傳感器布置和一體化技術發展趨勢。
轉子位置反饋可靠性是很重要的，對于運動控制系統的性能。它允許定子繞組精確的換相，最大限度地減少電機電損耗。通常在120?相移UVW信號用于激活BLDC電機驅動器的換向。不同的選項are available today to generate the UVW signals.可產生UVW信號。
這可以使用霍爾傳感器或開關，可以組裝在繞組中或安裝在一個小的PCB上面；計算軟件基于反電動勢數據從定子繞組；連接在電機軸上的光學或磁編碼器；或先進的單片光學或磁編碼器芯片集成motorhousing.電機外殼當中。
霍爾傳感器或開關廣泛用于BLDC電機，由于其低元件成本。這種方法需要有效的算法來計算UVW，從測得的反向電動勢。同時快速微處理器或DSP需要減少執行時間和減少額外的延遲時間。這種方法的局限，UVW信號的產生可以在快速負載變化，在低轉速和在同步操作上觀看到。硬件中檢測轉子的絕對位置被認為是the most reliable option. Attaching an optical ormagnetic encoder unit to the BLDC最可靠的選擇。連接在BLDC電機上的光學或磁性編碼器是有利的，當需要高精度動態定位，如果motor is advantageous when very high precisiondynamic positioning is required andif the application is not cost sensitive.應用對成本不敏感。
霍爾傳感器用于換向
在一個BLDC電機使用三個分離的霍爾傳感器/開關產生UVW信號基于傳感器的安裝位置，無論是在定子繞組，或組裝在小PCB上，0?，120?和240?，位置相對轉子永磁體。在某些情況下，一個磁極環連接到軸可以用。圖1的左邊顯示了三個霍爾傳感器/開關的機械位置，resulting UVW signals generated. The positionaccuracy of the UVW signals in relation用于UVW信號的產生。UVW信號定位精度與關的to the actual rotor position轉子實際位置depends on the mounting取決于安裝tolerances and matching of公差與配合霍爾傳感器/開關的靈敏度和穩定性。磁場變化很多，由于a lotover temperature， rotor超溫，轉子速度和操作壽命（永磁老化），位置誤差很容易累加to +/-3? or more.+/ - 3?或更多。
另一種方法使用四個集成霍爾傳感器并且信號調理生成正弦/余弦信號，其中在360?
選擇磁/光學電機編碼
圖 1： BLDC電機位置檢測的選擇用于換向
現代混合信號集成的研究進展，讓霍爾陣列加上所有的正弦/余弦信號調理和插值用于絕對位置，能夠在一個編碼器IC集成。代替the threediscrete Hall sensor/switches， a single三個分離的霍爾傳感器/開關，一個單一的5x5mm封裝可以組裝在同一個PCB （see igure 1）.PCB上（參圖1）。
該Z信號標志轉子的零位置，允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置，control or motion control system.在電機控制和運動控制系統。
從絕對位置也可以產生增量ABZ信號可用于監測快速位置變化，以非常低的延遲。圖2顯示了上/下AB信號編碼，用于增量操作。當電機的方向反轉AB信號改變其相移。該Z信號標志轉子的零位置，允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置，control or motion controlsystem.在電機控制或運動控制系統。
圖2： 通過正弦/余弦產生UVW和ABZ
With a sine/cosineto UVW interpolation用正弦/余弦到UVW，插值unit the commutation signals can be單元的換向信號可以產生兩個，四個或多個磁極BLDC-motor types. In this case eachBLDC電機類型。在這種情況下，每個commutation signal is shifted by 60? in換向信號偏移了60?phase. It can be used to control directly相位。它可以直接控制the BLDC-driver unit for block commutation.
BLDC驅動單元用于塊換向。它也可以通過電機控制器用來產生正弦波換向。一個集成的單芯片磁編碼器通常有多輸出選項，用于電機控制器或高級運動控制器。但進展遠落后于當前的需求。
提出了通過單芯片編碼器集成
單芯片編碼器一體化的進展，使一個完整的“片上系統”具有多個輸出選擇用于BLDC電機。圖3顯示了BLDC電機反饋選項，以iC-MH8作為一個例子。在頂部的UVW其他信號的輸出選項設置，例如絕對位置通過SSI / BiSS接口，
圖3： 絕對磁編碼器電機控制帶輸出選項
芯片上的正弦/余弦信號放大到to 1 Vpp andprovided through a diferential1 Vpp，并且通過一個差分模擬輸出驅動器，用于analogue output driver for external monitoring外部監測或獨立的插補。他們也被用于12位實時正弦數字轉換器/插補器，以一個非常低時間延遲1μs.，小于1μS。
12位提供了一個小于0.1?的分辨率。一個絕對位置可讀出通過串行SSI（同步串行接口）或BiSS接口（雙向同步串行接口）的運動控制器。一個開放標準的SSI / BISS提供高速串行接口，也用于生產線配置。如果需要，集成的RS422線路驅動器支持長電纜到電機或運動控制器。ABZ信號以2MHz的頻率更新并且延遲時間小于the 1μs. The zero position can be programmed in1μS。零位可編程256 steps （1.4?） for the incremental and 192steps256步（1.4?）用于增量，192步（1.8°）用于UVW接口。
也很重要的是要有設置和調理模擬信號的能力。這需要一個高質量編碼器輸出信號。選擇BLDC電機換向磁極設置，可用于各種不同的電機設備類型。可調設置存儲在編碼器芯片的RAM并且能夠編程到片內非易失性ROM中，上電后可讀。
光集成也可能
磁性編碼器芯片能夠更好的用于非常苛刻，灰塵和嚴格的環境。然而光單片編碼器芯片帶換向輸出通過光學系統集成同樣變為可能。其性能更高一些，但對比表明，兩種技術齊頭并進。圖4顯示了兩個單芯片光學編碼器帶增量和UVW輸出。這里的分辨率定義是碼盤確定的，并且使用三個光學傳感器用于產生UVW。電機的極對數定義是碼盤設計確定的。例如，四個光電二極管陣列可以提供高達20，000CPR用一個直徑33.2mm的碼盤。特殊的封裝如optoQFN符合這個光學解決方案需要。
現在的混合信號集成能力可以提供可靠、高度靈活單片編碼器芯片，并且可配置磁編碼器反饋選項具有12位分辨率。這與傳統的霍爾傳感器/開關系統相比較，具有高性能集成到電機殼體。在光學編碼器帶有集成的UVW輸出選擇，也是單芯片解決方案的發展趨勢。這些趨勢支持增強性能提高電機電子換向的能量效率，通過最好的電機反饋解決方案。
圖 4： 光學單芯片電機編碼器芯片帶UVW換向
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