永磁無刷直流電機霍爾傳感器故障診斷與容錯運行新方法

李宏偉　李林超　張鵬

摘要：目前，針對無刷直流電機無法正常運行的情況已提出了基于振動和定子電流頻譜分析的故障檢測和診斷方法，同時也有霍爾傳感器FTC方案。本文提出在霍爾傳感器發(fā)生故障的瞬間進行精確的診斷，并保證無刷直流電機持續(xù)穩(wěn)定運行的方法。根據(jù)霍爾信號的持續(xù)時間是否出現(xiàn)異常來判斷是否出現(xiàn)霍爾傳感器故障，同時，切斷出現(xiàn)故障的霍爾傳感器，采用正常工作霍爾傳感器的信號預(yù)測故障霍爾傳感器的信號，使無刷直流電機進行正常換相。

關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電機;霍爾傳感器故障診斷;容錯控制;Simulink仿真

引言：文章圍繞一個霍爾傳感器出現(xiàn)故障和兩個霍爾傳感器出現(xiàn)故障的情況進行了詳細的分析和仿真，提出了一種霍爾傳感器實時故障分析診斷與容錯運行的方法。本容錯運行方法利用正常工作霍爾傳感器高電平與低電平的時間計算，并模擬故障霍爾傳感器高、低電平時間，在故障霍爾傳感器電平不改變的情況下也可以使電機正確換相。實驗結(jié)果表明，通過正常工作的霍爾傳感器可以較好地判斷故障霍爾傳感器電平變化的情況，進而控制晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷，保證無刷直流電機的正常換相。采用本文的容錯方式運行可以保證無刷直流電機運行驅(qū)動系統(tǒng)在霍爾傳感器故障的情況下可靠運行，對提高無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性具有重要的應(yīng)用意義。

1 基于霍爾傳感器的BLDC驅(qū)動系統(tǒng)

基于霍爾傳感器的永磁無刷直流電機（BLDC）驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器、電流幅值限制模塊、電流檢測模塊、電流PI調(diào)節(jié)器、PWM及換相模塊、位置檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊和永磁無刷直流電機組成。無刷直流電機一般采用三相逆變器供電和兩兩導(dǎo)通的控制方式，需要三個霍爾傳感器對電機轉(zhuǎn)子位置進行實時檢測，在一個電周期內(nèi)提供六路換相信號實現(xiàn)電機換相。三個霍爾傳感器分別獨立工作，在一個電周期內(nèi)可發(fā)出相位相差120°的方波信號，用以確定轉(zhuǎn)子位置，進而控制晶體管開斷.

2 霍爾傳感器故障診斷及容錯控制

2.1 一路霍爾傳感器出現(xiàn)故障

當一路霍爾傳感器出現(xiàn)故障時，可以分為三種情況：H1出現(xiàn)故障、H2出現(xiàn)故障、H3出現(xiàn)故障。本文以H3出現(xiàn)故障為例進行分析。當霍爾傳感器H3出現(xiàn)故障時，霍爾信號與晶體管導(dǎo)通時間如圖1所示。此時霍爾傳感器H3輸出的信號始終為高電平（也可以始終為低電平），在一個周期內(nèi)，有一半的信號會因其出現(xiàn)故障而發(fā)生錯誤。要解決此故障，首先應(yīng)正確診斷霍爾傳感器故障類型。不管是在電機起制動過程還是穩(wěn)態(tài)運行時，考慮到電機轉(zhuǎn)速相對于換相區(qū)間可以認為是準靜態(tài)量，因此，通過對比下一個區(qū)間與上一個區(qū)間的寬度，來診斷霍爾傳感器是否發(fā)生故障。以0～π/3為例，當電機運行至0時，霍爾傳感器H3正常輸出為低電平，主電路V6切換至V2，并計時t2時長，若t2>nt1，霍爾傳感器H3輸出信號仍沒有變化，則認為此傳感器發(fā)生故障。其中n為補償系數(shù)，根據(jù)電機實時運行狀態(tài)設(shè)定。當電機減小負載或起動時，n應(yīng)適當減小;當電機增加負載或制動時，n應(yīng)適當增大。當電機勻速運行時，轉(zhuǎn)速不變，即t1+t5+t6=t2+t3+t4，此時取t2=xt1，x=1;當電機減小負載或起動時，轉(zhuǎn)速逐漸增加，即t1+t5+t6>t2+t3+t4，此時取t2=xt1，x<1;當電機增加負載或制動時，轉(zhuǎn)速逐漸減小，即t1+t5+t61，x為補償時間系數(shù)。

圖1.霍爾傳感器H3出現(xiàn)故障時，霍爾信號與晶體管導(dǎo)通時間：

2.2 兩路霍爾傳感器同時出現(xiàn)故障

當兩路霍爾傳感器發(fā)生故障時，可能出現(xiàn)三種情況：H1、H2同時發(fā)生故障，H1、H3同時發(fā)生故障和H2、H3同時發(fā)生故障[1]。本文以H2、H3同時發(fā)生故障為例進行分析。當霍爾傳感器H2、H3出現(xiàn)故障時，霍爾信號與晶體管導(dǎo)通時間如圖2所示。此時的霍爾傳感器H2、H3輸出信號都始終為高電平（也可以都始終為低電平、H2始終為高電平H3始終為低電平或H2始終為低電平H3始終為高電平），在一個周期內(nèi)，有5/6的信號會因其出現(xiàn)故障而發(fā)生錯誤。與一個霍爾傳感器發(fā)生故障類似，可以通過對比下一個區(qū)間與上一個區(qū)間的寬度來診斷霍爾傳感器是否發(fā)生故障。此時應(yīng)在一個霍爾傳感器發(fā)生故障的基礎(chǔ)上進一步進行診斷。

圖2.霍爾傳感器H2、H3出現(xiàn)故障時，霍爾信號與晶體管導(dǎo)通時間：

以4π/3～5π/3為例，當電機運行至4π/3時，霍爾傳感器H2正常輸出為低電平，主電路V4切換至V6，并開始計時t1，若t6>nt5，霍爾傳感器H2輸出信號仍沒有變化，則認為此傳感器發(fā)生故障。在已知霍爾傳感器H2發(fā)生故障的基礎(chǔ)上，取t6=xt5，并比較前一個周期t1+t5+t6與t2+t3+t4的時間長短。若t1+t5+t6=t2+t3+t4，此時電機處于勻速運行狀態(tài)，取x=1;若t1+t5+t61;若t1+t5+t6>t2+t3+t4，說明轉(zhuǎn)速逐漸增加，此時電機處于減小負載或起動狀態(tài)，取x<1。并繼續(xù)對t2進行判斷，當電機運行至5π/3時霍爾傳感器H1正常輸出為高電平，此時其輸出也為高電平，說明霍爾傳感器H1正常工作。再對t3進行判斷，當電機運行至0時，霍爾傳感器H3正常輸出為低電平，主電路V6切換至V2，并開始計時t3，若t2>nt1，霍爾傳感器H3輸出信號仍沒有變化，則認為霍爾傳感器H3發(fā)生故障。當電機勻速運行時，轉(zhuǎn)速不變，即t1+t5+t6=t2+t3+t4，此時取t2=xt1，x=1;當電機減小負載或起動時，轉(zhuǎn)速逐漸增加，即t1+t5+t6>t2+t3+t4，此時取t2=xt1，x<1;當電機增加負載或制動時，轉(zhuǎn)速逐漸減小，即t1+t5+t61[2]。

結(jié)論：

簡而言之，針對霍爾傳感器運行時的故障，提出了永磁無刷直流電機（BLDC）的容錯控制運行方式，并驗證其可靠性。根據(jù)霍爾傳感器的故障后時間間隔的異常判斷故障類型，在正確判斷故障基礎(chǔ)上采用霍爾傳感器容錯運行方式可以使電機保持穩(wěn)定運行。Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明，此方法可有效地判斷霍爾傳感器的故障類型，并可以使電機在霍爾傳感器故障的情況下穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]董亮輝，劉景林.霍爾傳感器故障下的永磁無刷電機容錯控制及動態(tài)性能研究[J].中國電機工程學(xué)報，2017，37（12）：3602-3611.

[2]李自成，劉新芝，曾麗，等.無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置傳感器故障斷及容錯策略[J].微電機，2014，47（4）：59-61.