開關(guān)磁阻電機(jī)位置信號(hào)故障保護(hù)算法

徐宇柘，秦明亮，鐘銳

（東南大學(xué) 國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京210096）

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）是一種雙凸極、無需稀土材料的直流無刷電機(jī)[1]，比感應(yīng)電機(jī)和永磁直流無刷電機(jī)具有一定性能優(yōu)勢(shì)[2]，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩大、成本低等突出特點(diǎn)，并在寬廣的速度和功率范圍內(nèi)都能保持較高效率適合高性能的應(yīng)用[3－5]，例如航空工業(yè)和混合動(dòng)力車[6－7]。

電機(jī)的微機(jī)保護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)是數(shù)字化、智能化以及多功能化[8－9]。 在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，考慮成本、安裝空間等因素，電機(jī)保護(hù)必須依托開關(guān)磁阻電機(jī)控制器來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提高控制系統(tǒng)中電機(jī)和控制器的安全可靠性，發(fā)揮開關(guān)磁阻電機(jī)成本低、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。 本文針對(duì)上述問題，對(duì)其控制原理進(jìn)行分析，研究正常和異常位置信號(hào)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律并提出位置信號(hào)故障的保護(hù)算法，在STM32 為核心的控制器中實(shí)現(xiàn)此算法，并建立測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證算法的正確性。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)控制原理分析

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）、功率變換器、控制器和檢測(cè)器4 部分組成[10]，如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of SRM driver system

控制器根據(jù)電機(jī)反饋的位置信號(hào)得到當(dāng)前電機(jī)定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，由此來判斷當(dāng)前應(yīng)該開通的電機(jī)相限，將控制信號(hào)傳送給功率變換器，驅(qū)動(dòng)開通此相對(duì)應(yīng)的MOS 管，使得電機(jī)該相繞組兩端連接電源，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。 位置檢測(cè)器一般固定在電機(jī)后端，使用開關(guān)型霍耳器件對(duì)固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子并且跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，由于磁環(huán)上N/S 極分布對(duì)稱均勻。 隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)為0～5 V高低電平循環(huán)輸出。

不計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路飽和的影響，假定相繞組的電感與電流的大小無關(guān)，且不考慮磁場(chǎng)邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子位置角θ 的周期性變化規(guī)律可以用簡(jiǎn)化線性模型描述，如圖2所示。

圖2 電感理想模型與電機(jī)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置θ 關(guān)系Fig.2 Idealized inductance versus relative position θ of stator and rotor

圖2中Lu為定轉(zhuǎn)子凸極非對(duì)齊位置的電感，La為對(duì)齊位置的電感，Linc為上升區(qū)電感，Ldec為下降區(qū)電感，βs為定子極弧，βr為轉(zhuǎn)子極弧，τr為轉(zhuǎn)子極距。 在θ2～θ3區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極不相重疊，電感保持最小值Lu不變，在θ4～θ5區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極完全重疊，相電感保持最大值La不變，在θ1～θ2和θ3～θ4區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極部分重疊，相電感值隨重疊面積線性減小或增加。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩簡(jiǎn)化公式：

電機(jī)輸出力矩是和電流平方以及相電感對(duì)于位置角度的微分成正比。 在某相電感的上升階段，開通該相使得電流流過，產(chǎn)生正向力矩，反之在某相電感的下降階段開通該相繞組，則會(huì)產(chǎn)生負(fù)向力矩，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。 那么電機(jī)應(yīng)該在定轉(zhuǎn)子凸極的非對(duì)齊位置開通，此時(shí)電機(jī)的相電感正處在上升階段，然后在定轉(zhuǎn)子凸極的對(duì)齊位置前關(guān)斷，保證對(duì)齊位置是電流減小為零，在電感的下降階段不產(chǎn)生負(fù)力矩。

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)通過三相不對(duì)稱半橋功率變換器輪流開通或關(guān)斷電機(jī)繞組，繞組開通連接到電源產(chǎn)生磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。 其電路原理圖（三相）如圖3所示。

圖3 三相不對(duì)稱半橋型功率變換器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of three phase asymmetric half bridge power converter

圖3中，Udc為驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的直流電源，T1～T6為功率管，可以選擇Power-MOSFET 或者IGBT 等，D1～D6為續(xù)流快恢復(fù)型二極管，A，B 和C三相分別為電機(jī)各相繞組。 以A 相為例，功率變換器的工作過程為：當(dāng)T1和T2導(dǎo)通時(shí)，A 相繞組從直流電源吸收電能，此時(shí)UA= Udc；若T1和T2中任意關(guān)斷一個(gè)，假設(shè)關(guān)斷T1，則相繞組電流經(jīng)D2和T2繼續(xù)流通，進(jìn)入自然續(xù)流狀態(tài)，直到繞組中存儲(chǔ)的能量消耗完畢，此時(shí)UA=0，稱為“續(xù)流”；若T1和T2同時(shí)關(guān)斷，則相繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管D1和D2繼續(xù)流通，并回饋給電源，進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)UA= -Udc，稱為“回流”。 這種形式的功率變換器具有控制靈活方便，相與相之間電流獨(dú)立，上下橋臂間不存在“直通”問題，能量能夠回饋使得系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以更方便采用不同的控制策略。

2 位置信號(hào)故障保護(hù)

目前主流的12/8 結(jié)構(gòu)三相開關(guān)磁阻電機(jī)的位置信號(hào)檢測(cè)器采用電磁式位置信號(hào)采樣電路，使用3 個(gè)開關(guān)型霍耳元件檢測(cè)磁環(huán)的磁極，每個(gè)霍耳器件相隔為30°，與轉(zhuǎn)子連軸旋轉(zhuǎn)的磁環(huán)由弧長(zhǎng)為45°的8 塊圓形磁鐵充磁而成，其中N 極和S 極弧長(zhǎng)均為22.5°。 開關(guān)型霍耳位置傳感器輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為數(shù)字信號(hào)。 它是一個(gè)雙值元件，對(duì)于N，S 磁極分別輸出為“0”和“1”。假設(shè)A 相定轉(zhuǎn)子凸極非對(duì)齊時(shí)，相對(duì)位置θ 設(shè)為0°，12/8 結(jié)構(gòu)三相開關(guān)磁阻電機(jī)中相鄰轉(zhuǎn)子凸極間相距45°，相鄰轉(zhuǎn)子凸極轉(zhuǎn)過同一定子的凸極的時(shí)間內(nèi)，位置傳感器輸出波形正好為一個(gè)周期。 從圖4中可以看出，在各相位置輸出信號(hào)的下降沿開通該相，并且在下一個(gè)上升沿到來前關(guān)斷，即可獲得正向力矩，使得電機(jī)正常運(yùn)行。

圖4 三相位置信號(hào)圖Fig.4 Three phase position signal diagram

但是電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于顛簸或者長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)熱導(dǎo)致位置信號(hào)檢測(cè)器焊盤脫落，而且輸出信號(hào)做了上拉處理，故障發(fā)生后使得某一相輸出信號(hào)持續(xù)為高電平，控制器接收故障信號(hào)后輸出錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，造成電機(jī)缺相運(yùn)行，容易損壞電機(jī)。為了防止這種故障的發(fā)生，需要對(duì)檢測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢查在定轉(zhuǎn)子非對(duì)齊位置到對(duì)齊位置這個(gè)循環(huán)中，輸出信號(hào)是否按照預(yù)定的順序循環(huán)輸出，如果不符合循環(huán)則保護(hù)電機(jī)。

本文中電機(jī)的換相順序?yàn)锳→C→B→A，如此反復(fù)循環(huán)，其中位置信號(hào)“100”，“110”狀態(tài)開通A 相，“010”，“011” 開通C 相，“001”，“101”開通B 相，每相開通2 個(gè)狀態(tài)共15°。

CPU 根據(jù)接收到的位置信號(hào)，輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次導(dǎo)通各相繞組，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常換相運(yùn)行。 因?yàn)槲恢脵z測(cè)部分與電機(jī)本體一起安裝，如果霍耳器件損壞、位置信號(hào)接口脫落或者其他故障，則會(huì)導(dǎo)致位置信號(hào)沒有按“100”→“110”→“010”→“011”→“001”→“101”→“100”依次輸入CPU，如果CPU 根據(jù)錯(cuò)誤的位置信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，擾亂電機(jī)換相順序，在相電感的下降區(qū)間開通該相繞組，一方面使得控制器電流處于不可控狀態(tài)，另一方面電機(jī)產(chǎn)生負(fù)力矩，可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)和電機(jī)損壞，降低它們的可靠性。 為了預(yù)防這種故障的發(fā)生，在50 μs 定時(shí)中斷中位置信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將最新狀態(tài)與上一狀態(tài)進(jìn)行比較，比較結(jié)果是否符合規(guī)定的換相順序，例如當(dāng)前狀態(tài)為“110”，前一狀態(tài)為“100”才屬正常。 前后2 個(gè)狀態(tài)的比較結(jié)果符合規(guī)定的順序，CPU 則根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，切換開通繞組，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)行；否則判定電機(jī)位置信號(hào)檢測(cè)部分出現(xiàn)故障，電機(jī)需要停機(jī)進(jìn)入保護(hù)。 其具體流程圖如圖5所示，位置信號(hào)檢測(cè)子程序在50 μs定時(shí)中斷中執(zhí)行，CPU 讀取連接A，B，C 三相位置信號(hào)的GPIO 數(shù)據(jù)，將位置信號(hào)狀態(tài)賦予變量CurState,記錄當(dāng)前位置信號(hào)狀態(tài)。然后將CurState與已賦值變量PreState 比較，PreState 中存放的是當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)狀態(tài)，兩者相同則維持輸出控制信號(hào)不變，電機(jī)繼續(xù)開通當(dāng)前繞組運(yùn)行。 如果數(shù)值不相同，首先查看CurState，然后根據(jù)規(guī)定的換相狀態(tài)順序查看PreState 的值是否為CurState 的前一狀態(tài)，在符合的情況下CPU根據(jù)CurState 中的位置信號(hào)狀態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開通此相繞組并關(guān)斷其他兩相繞組，并且將Cur State 的值賦給PreState 留待下次中斷執(zhí)行比較；否則判定為電機(jī)位置信號(hào)故障，電機(jī)停機(jī)進(jìn)入保護(hù)。

圖5 位置信號(hào)檢測(cè)子程序流程圖Fig.5 Flow chart of position signal detecting subroutine

3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

為了驗(yàn)證開關(guān)磁阻電機(jī)保護(hù)算法能夠針對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中位置信號(hào)異常狀態(tài)，做出正確的保護(hù)措施。 測(cè)試平臺(tái)包括12/8 結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)，60 V，100 A 穩(wěn)壓電源，測(cè)功機(jī)，測(cè)功機(jī)數(shù)字顯示儀，0～5 V 可調(diào)穩(wěn)壓電源，4 通道數(shù)字示波器，電流霍耳傳感器，開關(guān)磁阻電機(jī)控制器。 測(cè)試平臺(tái)中使用的電流霍耳傳感器的采集比例為1∶100，即示波器采集的傳感器電壓波形中，100 mV 感應(yīng)電壓對(duì)應(yīng)實(shí)際運(yùn)行中電機(jī)相電流10 A。

控制器采用Cortex-M3 內(nèi)核的STM32 處理器。 其片上搭載了專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的定時(shí)器和AD。 定時(shí)器最高輸入頻率可達(dá)72 MHz，提供13.9 ns 的邊沿分辨能力，位置信號(hào)檢測(cè)精度更高；在每個(gè)PWM 周期和每次DMA 傳輸過程中有一個(gè)附加的中斷，不會(huì)損失分辨率；PWM 輸出相互獨(dú)立可選擇，并且提供了可編程的、硬件水平支持的死區(qū)產(chǎn)生機(jī)制。ADC 架構(gòu)提供了并行轉(zhuǎn)換模式，采樣率可編程，最低1 μs 轉(zhuǎn)換時(shí)間，最多16 個(gè)通道，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。 霍耳器件輸出集電極開路，因此需要在輸出端使用上拉電阻。

控制器軟件中采用前后臺(tái)設(shè)計(jì)，表1列出主要中斷功能，捕獲中斷用于獲取當(dāng)前速度及時(shí)更新?lián)Q相周期。50 ms 中斷增加外部信號(hào)更新PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。 其中保護(hù)算法在50 μs 中執(zhí)行，有效保障其反映速度。

表1 中斷功能列表Tab.1 List of interrupt function

3.2 位置信號(hào)故障保護(hù)算法測(cè)試

測(cè)試方案為：在電機(jī)運(yùn)行過程中，拔掉A 相位置信號(hào)，由于外部上拉使其持續(xù)為高電平，模擬電機(jī)運(yùn)行過程中位置信號(hào)脫落的情況并記錄波形。

圖6a 中通道1 為A 相電流，通道2，3，4 分別為A，B，C 三相位置信號(hào)； 圖6b 中通道1 為A相下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，低電平為開通，通道2，3，4 分別為A，B，C 三相位置信號(hào)。 從波形圖可以看出，A 相位置信號(hào)脫落之后，因保護(hù)算法在50 μs 中斷執(zhí)行，迅速判斷執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，A 相下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)持續(xù)為高電平，繞組不再開通，控制器停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了位置信號(hào)故障保護(hù)的功能。

圖6 位置信號(hào)故障波形圖Fig.6 Waveforms of position signal error

4 結(jié)論

本文針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的位置檢測(cè)器件存在損壞、脫落等問題，分析其控制原理，研究正常和異常位置信號(hào)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律，提出位置信號(hào)故障的保護(hù)算法，在STM32 為主控CPU 的控制器上實(shí)現(xiàn)算法并建立測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證其效果，結(jié)果表明算法能在位置信號(hào)發(fā)生異常狀態(tài)下，準(zhǔn)確判斷并迅速做出保護(hù)動(dòng)作，提高了電機(jī)及控制器的安全可靠性。

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