本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器故障的容錯(cuò)控制方法，所述容錯(cuò)控制方法應(yīng)用于純電動(dòng)汽車及其它無刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)控制器一般采用有轉(zhuǎn)子位置傳感器或者無轉(zhuǎn)子位置傳感器兩種模式去控制電機(jī)。采用有轉(zhuǎn)子位置傳感器的電機(jī)控制器一般使用霍爾傳感器來獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，但霍爾傳感器常因溫度、灰塵、電磁干擾等環(huán)境因素的影響而不能正常工作，嚴(yán)重的時(shí)候甚至損壞，最終導(dǎo)致電機(jī)及控制器無法正常運(yùn)行。目前常使用電機(jī)的缺相控制來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，即當(dāng)一路或兩路霍爾傳感器發(fā)生故障時(shí)，通過余下正常的兩路或一路霍爾信號(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)子的換相時(shí)刻從而控制電機(jī)繼續(xù)工作。該方法可以實(shí)現(xiàn)三路霍爾信號(hào)中一路或者兩路霍爾信號(hào)缺失時(shí)電機(jī)的容錯(cuò)控制，但在三路霍爾信號(hào)全部缺失時(shí)，則無法控制電機(jī)運(yùn)行。采用無轉(zhuǎn)子位置傳感器的電機(jī)控制器常使用電機(jī)三相的反電動(dòng)勢信號(hào)來獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，但是無霍爾傳感器控制模式有啟動(dòng)困難、低速調(diào)速性差和負(fù)載能力弱等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文針對無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種同時(shí)具備有霍爾傳感器和無霍爾傳感器兩種控制模式的容錯(cuò)控制方法。該方法根據(jù)霍爾信號(hào)的完整性選擇相應(yīng)模式來控制電機(jī)，因此該控制器可以有效解決無刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)霍爾傳感器發(fā)生故障而導(dǎo)致電機(jī)無法運(yùn)行的問題，同時(shí)充分結(jié)合有霍爾傳感器控制模式和無霍爾傳感器控制模式兩者的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

一種無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器故障的容錯(cuò)控制方法，其特征在于，

當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)上電后檢測到霍爾傳感器工作正常，則以有霍爾控制模式啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在有霍爾控制模式下，霍爾傳感器發(fā)生故障，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速滿足反電動(dòng)勢信號(hào)作為電機(jī)換相依據(jù)的條件，則自動(dòng)切換至無霍爾控制模式繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；若當(dāng)前轉(zhuǎn)速不滿足反電動(dòng)勢信號(hào)作為電機(jī)換相依據(jù)的條件，則利用三段式啟動(dòng)控制電機(jī)加速至反電動(dòng)勢信號(hào)能作為電機(jī)換相依據(jù)，此時(shí)切換至無霍爾控制模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；

當(dāng)電機(jī)工作在無霍爾控制模式下，霍爾傳感器恢復(fù)正常，則自動(dòng)切換回有霍爾控制模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行并清除霍爾傳感器故障代碼。

一種無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器故障的容錯(cuò)控制方法，其特征在于，控制系統(tǒng)集成了有霍爾控制和無霍爾控制，以霍爾信號(hào)作為有霍爾控制的換相依據(jù)，以反電動(dòng)勢信號(hào)作為無霍爾控制的換相依據(jù)，利用霍爾信號(hào)的完整性和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速判斷當(dāng)前的控制方式。

本發(fā)明應(yīng)用在無刷直流電機(jī)控制器中，利用檢測霍爾傳感器故障和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)從有霍爾控制模式啟動(dòng)切換為無霍爾控制模式工作(霍爾傳感器發(fā)生故障時(shí))，也可以實(shí)現(xiàn)從無霍爾控制模式自動(dòng)切換為有霍爾控制模式運(yùn)行(霍爾傳感器故障被清除)。無論運(yùn)行在何種工況下，都能選擇相應(yīng)的控制模式控制電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，大大降低了霍爾傳感器發(fā)生故障后給電機(jī)控制系統(tǒng)帶來的影響，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)控制策略框圖。

圖2為主程序流程框圖。

圖3為無霍爾控制模式電機(jī)啟動(dòng)程序流程圖。

圖4為故障診斷程序流程框圖

圖5為主程序流程框圖。

圖6為無霍爾控制模式電機(jī)啟動(dòng)程序流程圖。

具體實(shí)施方式

控制系統(tǒng)集成了有霍爾控制和無霍爾控制，以霍爾信號(hào)作為有霍爾控制的換相依據(jù)，以反電動(dòng)勢信號(hào)作為無霍爾控制的換相依據(jù)，利用霍爾信號(hào)是否發(fā)生故障和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定當(dāng)前的控制方式。

當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)上電后檢測到霍爾傳感器工作正常，則以有霍爾控制模式啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)上電后檢測到霍爾傳感器發(fā)生故障而不能正常工作，則自動(dòng)切換至無霍爾控制模式啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在有霍爾控制模式下，霍爾傳感器發(fā)生故障，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速滿足反電動(dòng)勢信號(hào)作為電機(jī)換相依據(jù)的條件，則自動(dòng)切換至無霍爾控制模式繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；若當(dāng)前轉(zhuǎn)速不滿足反電動(dòng)勢信號(hào)作為電機(jī)換相依據(jù)的條件，則利用三段式啟動(dòng)控制電機(jī)加速至反電動(dòng)勢信號(hào)可以作為電機(jī)換相依據(jù)，此時(shí)切換至無霍爾控制模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

當(dāng)電機(jī)工作在無霍爾控制模式下，霍爾傳感器恢復(fù)正常，則自動(dòng)切換回有霍爾控制模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行并清除霍爾傳感器故障代碼。

本發(fā)明的實(shí)施例如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

系統(tǒng)控制策略框圖如圖1所示。控制過程為：單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的速度與反饋的速度經(jīng)過pi調(diào)節(jié)后，調(diào)制pwm信號(hào)的占空比并用于電機(jī)的調(diào)速。上電后啟動(dòng)電機(jī)，當(dāng)霍爾信號(hào)完整時(shí)，程序會(huì)以霍爾信號(hào)作為電機(jī)換相信號(hào)，控制電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)故障診斷系統(tǒng)檢測到霍爾信號(hào)不完整、電機(jī)無法啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)利用采樣電阻r1、r2、r3采集電機(jī)三相線上的反電動(dòng)勢信號(hào)，進(jìn)行處理后得到電機(jī)換相信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)切換為無霍爾模式控制電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，以此保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并達(dá)到容錯(cuò)控制的效果。此外，檢測母線電壓，三相電壓、三相電流的模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，一旦出現(xiàn)過壓、過流、欠壓、欠流等故障，則立即切斷六路pwm波輸出，保護(hù)電機(jī)和功率模塊。

主程序流程框圖如圖2所示。程序主要分為四個(gè)模塊：初始化模塊、啟動(dòng)模塊、pi閉環(huán)調(diào)速模塊以及故障診斷模塊。初始化模塊負(fù)責(zé)在單片機(jī)上電后i/o口、時(shí)鐘、中斷、adc及其他模塊的初始化。初始化完成后，系統(tǒng)待機(jī)并等待啟動(dòng)命令。當(dāng)接收到啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)啟用有霍爾傳感器模塊來啟動(dòng)、運(yùn)行電機(jī)。此時(shí)分為兩種情況：如果電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，則進(jìn)入閉環(huán)pi調(diào)速環(huán)節(jié)繼續(xù)運(yùn)行、循環(huán)；如果電機(jī)無法運(yùn)行，則觸發(fā)中斷，進(jìn)入故障診斷程序檢查故障原因，決定是否啟用無霍爾傳感器模塊來控制電機(jī)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，能及時(shí)反應(yīng)并做出相應(yīng)處理。不論在何種模式下，系統(tǒng)始終會(huì)對霍爾、電壓和轉(zhuǎn)速等信號(hào)實(shí)施監(jiān)控。

系統(tǒng)通過反電動(dòng)勢過零檢測法(反電動(dòng)勢法)實(shí)現(xiàn)無霍爾信號(hào)情況下無刷直流電機(jī)的控制。當(dāng)霍爾傳感器在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)或啟動(dòng)之前發(fā)生故障，系統(tǒng)缺失轉(zhuǎn)子位置信號(hào)并導(dǎo)致電機(jī)無法啟動(dòng)和運(yùn)行。此時(shí)進(jìn)入無霍爾模式啟動(dòng)電機(jī)，但是電機(jī)靜止時(shí)電動(dòng)勢為零，無法使用反電動(dòng)勢法得到換相信號(hào)，電機(jī)依舊無法啟動(dòng)，因此專門設(shè)計(jì)了無霍爾模式電機(jī)啟動(dòng)程序用于電機(jī)的啟動(dòng)(針對無霍爾模式下電機(jī)的啟動(dòng))。本系統(tǒng)采用三段式啟動(dòng)法(轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步加速、自同步)，圖3為其流程框圖。實(shí)現(xiàn)方法是首先將轉(zhuǎn)子預(yù)定位在某個(gè)位置，導(dǎo)通定子任意的兩相而另一相斷開，導(dǎo)通兩相產(chǎn)生的磁場會(huì)吸引轉(zhuǎn)子直軸旋轉(zhuǎn)至某一位置，這種導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間后再導(dǎo)通另外兩相，剩余的一相懸空。經(jīng)過這兩次預(yù)定位，電機(jī)能夠預(yù)定到相應(yīng)的位置。預(yù)定位結(jié)束后就在上一次導(dǎo)通狀態(tài)的前提下按順序依次導(dǎo)通場效應(yīng)管，并在程序里設(shè)定一個(gè)換相時(shí)間表使電機(jī)的轉(zhuǎn)子被強(qiáng)制同步旋轉(zhuǎn)，即增大換相頻率的同時(shí)增大直流側(cè)電壓，此時(shí)進(jìn)行的是轉(zhuǎn)子外同步。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠滿足根據(jù)反電動(dòng)勢判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的條件時(shí)切換為自同步。至此啟動(dòng)階段結(jié)束，控制器進(jìn)入調(diào)速控制階段。

故障診斷程序流程框圖如圖4所示。將電機(jī)的運(yùn)行情況分為三種：霍爾信號(hào)完整情況下啟動(dòng)、運(yùn)行；運(yùn)行過程中，霍爾信號(hào)出現(xiàn)異常且反電動(dòng)勢信號(hào)可被捕捉并能轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)子換相信號(hào)的情況下，切換為無霍爾模式控制電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行；電機(jī)啟動(dòng)前或轉(zhuǎn)速較低時(shí)霍爾信號(hào)出現(xiàn)異常(此時(shí)反電動(dòng)勢信號(hào)為零或電機(jī)轉(zhuǎn)速不滿足反電動(dòng)勢信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)換相信號(hào)的條件)，利用三段式啟動(dòng)法啟動(dòng)并切換為無霍爾模式控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。默認(rèn)情況下電機(jī)使用有霍爾模式控制電機(jī)。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測霍爾信號(hào)的完整性，發(fā)生故障時(shí)由故障診斷模塊決定系統(tǒng)運(yùn)行在哪種情況。

圖5為電機(jī)啟動(dòng)前，在霍爾傳感器發(fā)生故障的情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)間歷程。電機(jī)接收啟動(dòng)信號(hào)后檢測到霍爾信號(hào)異常，無法啟動(dòng)。此時(shí)故障診斷模塊介入，判斷故障類型后切換為無霍爾模式啟動(dòng)電機(jī)，在250ms時(shí)刻進(jìn)入外同步模式加速環(huán)節(jié)(一般設(shè)定外同步轉(zhuǎn)速達(dá)到300rpm可以檢測到反電動(dòng)勢信號(hào))，在350ms時(shí)刻程序檢測到穩(wěn)定且可以捕捉到的反電動(dòng)勢信號(hào)，此時(shí)由外同步切換為自同步繼續(xù)控制電機(jī)加速，在700ms時(shí)刻達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速并繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6為有霍爾模式運(yùn)行過程中切斷霍爾信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)間歷程。電機(jī)處于有霍爾模式并運(yùn)行，在700ms時(shí)刻切斷霍爾信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)速驟降。該異常的霍爾信號(hào)被故障診斷程序及時(shí)拾取，且反電動(dòng)勢信號(hào)滿足轉(zhuǎn)換為電機(jī)換相信號(hào)的條件，系統(tǒng)在750ms時(shí)刻切換至無霍爾模式加速，并在900ms時(shí)刻達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，隨后穩(wěn)定運(yùn)行。