基于FPGA的無刷直流電動機容錯控制系統(tǒng)

溫嘉斌，趙紅陽，劉子寧

(哈爾濱理工大學 電氣工程學院，哈爾濱 150080)

0 引 言

無刷直流電動機具有結構簡單、體積小、質量輕、可靠性高、控制精度高等優(yōu)點[1-2]，被廣泛應用于工業(yè)、航空航天等各個領域[3-4]。目前，無刷直流電動機主要通過位置傳感系統(tǒng)進行控制，位置傳感系統(tǒng)的核心器件為霍爾位置傳感器?；魻杺鞲衅骶哂徐`敏度高、體積小、安裝方便等優(yōu)點，但在惡劣條件下其具有可靠性低的缺點。在無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，霍爾傳感器的故障將導致無刷電機工作異常。因此，霍爾傳感器故障診斷及電機的容錯運行已經成為電機調速領域的一個研究熱點，國內外對此進行了大量相關的研究[5-8]。

文獻[9]提出了基于雙繞組結構的無刷直流電動機驅動控制系統(tǒng)和容錯控制策略,通過改變電機結構來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻[10]研究了霍爾傳感器故障對無刷直流電動機的影響，并提出了一種可行的故障特征提取方法，但未對電機的容錯控制問題進行研究。文獻[11]提出了利用正常的霍爾傳感器位置信號來估算故障傳感器位置信號的方法。文獻[12]設計了一種基于容錯逆變器的無刷直流電動機控制策略。該策略通過非容錯相的兩相電流控制器實現了對故障電機的三相電流控制，但未針對霍爾傳感器全部出現故障時的控制問題進行研究。

本文針對此問題進行研究，提出了一種新型無刷直流電動機控制器，該控制器通過分析霍爾傳感器信號波形，提出了基于等時計數法的故障檢測機制，在該控制器中具有兩個電機控制系統(tǒng)，當檢測到霍爾傳感器故障時，將切換電機控制系統(tǒng)，實現電機的容錯運行，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 無刷直流電動機控制原理

圖1 無刷直流電動機控制結構圖

無刷直流電動機是通過電機上的霍爾傳感器來進行控制的，如圖1所示?？刂破骼?個功率器件組成的三相全橋來控制線圈的六導通狀態(tài)，使電樞繞組依次饋電，形成旋轉磁場，驅動永磁轉子旋轉。電樞繞組通過不斷改變通電狀態(tài)，使導體電流在某一磁極下的方向始終保持不變，無刷直流電動機的換相過程如下。

圖1中無刷直流電動機控制器采用的是三相橋式逆變器，其采用兩兩導通控制。3個霍爾傳感器兩兩之間間距120°且相互獨立工作。圖2為霍爾傳感器輸出信號與換相區(qū)間之間的關系。在一個電周期內，電機電流換相6次，霍爾傳感器輸出寬度為180°的矩形信號，霍爾傳感器單相輸出信號之間相差寬度為120°，每個信號的上升沿、下降沿為換相點。

圖2 霍爾傳感器輸出信號與換相關系圖

2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)

2.1 霍爾容錯控制系統(tǒng)結構

根據無刷直流電動機霍爾傳感器故障檢測和容錯運補需要，本文提出了如圖3所示的無刷直流電動機的控制系統(tǒng)結構。根據控制器所要實現的功能，設計劃分如下幾個模塊：有位置傳感器系統(tǒng)模塊，無位置傳感器系統(tǒng)模塊，檢測模塊。在電機起動時，由于電機的反電動勢過小，難以檢測，故在該控制器中，利用有位置傳感器系統(tǒng)模塊作為系統(tǒng)正常工作時的主控制系統(tǒng)，當檢測模塊檢測到霍爾傳感器出現故障時，則利用無位置傳感器系統(tǒng)模塊作為電機的備用控制系統(tǒng)。

圖3 容錯控制系統(tǒng)結構圖

2.2 霍爾傳感器故障診斷

本文提出了基于等時計數法的故障檢測機制。圖4給出了霍爾傳感器波形與功率導通管之間的關系，Ha、Hb、Hc分別為三個霍爾傳感器的輸出信號，根據導通管變換狀態(tài)將波形圖分為12個時域，t為閘門時間?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘柦涍^采樣與AD，將模擬信號轉換為數字信號，在故障檢測模塊中設定一個閘門，此閘門可控制三相計數器的起動與停止，通過控制閘門時間可以控制閘門時間測量的脈沖數。

閘門開啟，起動計數器對三相脈沖數值進行獨立計數，當檢測到上升沿時，計數器開始計數，當沒檢測到上升沿時，計時器不計數；t秒后，閘門關閉，計數器停止對脈沖計數。由于在霍爾傳感器正常時，其輸出信號中含有上升沿信號，霍爾傳感器故障時，其輸出信號沒有上升沿，故兩者之間的計數器值不同。表1為在不同區(qū)域內霍爾傳感器正常與發(fā)生故障時的數字信號對比。

閘門關閉后，A相、B相、C相的計數值分別與標準脈沖數值N進行比較。若閘門時間t內檢測的計數值與N相等，則霍爾傳感器無故障；若閘門時間t內檢測的計數值與N不相等，則可判斷霍爾傳感器出現故障。

圖4 故障檢測原理圖

表1 不同時域霍爾傳感器正常相與故障相信號對比表

故障相實時狀態(tài)霍爾信號所在時域A相正常運行101100110123發(fā)生故障001000010789B相正常運行110010011345發(fā)生故障10000000191011C相正常運行011001101567發(fā)生故障0100001001112

在實際測量過程中，為保證測量精度，閘門時間t一般選用霍爾信號周期的N倍，因此，t值不是一個固定的值，其隨著電機的轉速實時變化。假設利用反電動勢檢測到的電機轉速為n，相當于霍爾傳感器輸出信號的周期為60/n，為了檢測到標準脈沖數值N，閘門時間需滿足：

(1)

由式(1)可知，電機在不同轉速下的閘門時間t不同，電機轉速越快，霍爾傳感器輸出信號頻率越高，采樣閘門時間t越短。電機轉速越慢，采樣閘門時間t越長。本文所設計的霍爾傳感器故檢測模塊具有較高的測量精度，能適應于低速、高速電機。通過均衡測量時間與測量精度之間的關系，本文設定標準脈沖值N=4。

2.3 無刷直流電動機傳感器故障容錯策略

在本文的控制器中，采用了兩套控制系統(tǒng)實現對電機的控制，其中備用控制系統(tǒng)采用了無位置傳感器系統(tǒng)來對電機進行容錯控制。無位置傳感器系統(tǒng)選擇反電動勢過零檢測法作為其檢測方法，反電動勢過零檢測法是根據相反電動勢波形過零點的特點得到準確的換相點。由圖3可知，三相端電壓平衡方程：

(2)

式中：UA，UB，UC為端電壓；Ua，Ub，Uc分別為電機三相相電壓，Un為繞組中性點電壓。根據電機結構可推導出如下平衡方程：

(3)

式中：ea，eb，ec分別為A,B,C三相反電動勢；ia，ib，ic為三相相電流；R為相繞組電阻；L為單相自感與互感之差。故可推導出：

(4)

假設電機處于電流從A相流入、B相流出、C相懸空的狀態(tài)。此時C相沒有電流流過，因此C相反電動勢：

(5)

同理可得電機每一相的反電動勢表達式：

(6)

由以上分析可得出反電動勢波形與導通功率管的關系，具體反電動勢波形與導通功率管的關系如圖5所示。

在本文的控制器中，兩個控制系統(tǒng)同時并行運行，當霍爾傳感器正常時，無位置傳感器系統(tǒng)只能空運行，不能實現對電機的控制。當檢測到霍爾傳感器出現故障時，控制器可以通過使用無位置傳感器系統(tǒng)對電機進行容錯控制。故障檢測模塊檢測到故障時發(fā)出切換信號，此時控制器將不再接收霍爾傳感器數字信號，接收反電動勢信號。一直工作的無位置傳感器系統(tǒng)將取代霍爾傳感器系統(tǒng)對電機進行容錯控制，由于起動初期電機的轉速較低，相反電動勢值為零或者很小，若一直使用無位置傳感器系統(tǒng)對電機進行控制會導致整個無位置傳感器控制系統(tǒng)無法起動或者無法正常運行。因此選擇有位置傳感器系統(tǒng)作為無刷直流電動機的主控制系統(tǒng)，選擇無位置傳感器系統(tǒng)作為容錯系統(tǒng)。霍爾傳感器故障運行時數字信號與容錯后的反電勢信號對比如表2所示。

圖5 反電動勢波形與導通功率管的關系圖

表2 霍爾信號與容錯后的信號對比表

以A相霍爾傳感器故障為例，控制器切換至無位置傳感器控制系統(tǒng)后的三相反電動勢與導通功率管的關系如圖6所示。

(a) 無故障容錯波形

(b) 有故障容錯后波形

3 容錯控制器的FPGA實現

本文的容錯控制器主要由故障檢測模塊組成，故障檢測模塊具體由控制模塊、計數模塊和比較模塊組成。控制模塊控制閘門的開啟和關斷，計數模塊實現對三相脈沖進行計數，比較模塊完成脈沖值與標準值的比較并發(fā)出系統(tǒng)切換信號。故障檢測模塊在FPGA中實現的原理框圖如圖7所示。

圖7 FPGA中檢測模塊的操作實現流程圖

在FPGA開發(fā)環(huán)境中，編譯器不能實現除法運算，因此需要將故障檢測模塊中的除法運算轉換為減法、移位與比較等運算進行實現。除此之外，根據FPGA的特性，在FPGA內部其電路結構是并行運行，則三個計數模塊可同時對信號進行計數，計數模塊運用加法器，實現脈沖數值的累加。

比較模塊主要運用比較器進行實現，由前文可知，本文選取的標準脈沖數為4，作為比較器的一個輸入，比較器的另一個輸入為計數器值。

4 系統(tǒng)仿真及實驗分析

為驗證本文的無刷直流電動機控制器的可行性，本文利用基于無刷直流電動機的數學模型和MATLAB/Simulink搭建了無刷直流電動機容錯控制系統(tǒng)。仿真選用的無刷直流電動機參數：Rs=1 Ω，轉動慣量J=0.02 kg·m2，磁極對數為4，反電動勢系數Ke=0.048V/(r·min-1)，阻尼系數B=0.0002 N·m·s/rad。

當設定轉速為2 000 r/min時， 電機空載運行時的仿真轉速曲線如圖9所示。

圖9 設定轉速2 000 r/min 電機空載時的仿真轉速曲線

在后續(xù)仿真實驗時，設定在0.8 s時不接收A相脈沖信號，模擬霍爾傳感器故障。圖10為霍爾傳感器單相出現故障時的信號曲線。可觀察到霍爾傳感器信號曲線在0.8 s時無信號傳出。

此時仿真控制器中無容錯處理，圖11為霍爾故障時的電機轉速仿真曲線，從仿真波形可知，0.8 s時A相加入故障，電機運行產生波動，電機不能平穩(wěn)運行。

圖10 A相霍爾傳感器出現故障信號曲線

圖11 模擬霍爾故障的電機轉速曲線

利用無位置傳感器系統(tǒng)對電機進行容錯處理，矯正后的轉速波形如圖12所示。從仿真結果可看出，采用容錯控制的電機幾乎無波動，與正常運行的電機性能基本相似，電機能夠正常運行。

圖12 采用容錯后的電機轉速曲線

仿真驗證系統(tǒng)的可行性后，本文搭建了基于FPGA的無刷直流電動機容錯控制系統(tǒng)，并在此平臺上實現了對霍爾傳感器故障檢測及容錯處理的驗證。實驗所用電機參數：額定功率60 W，額定轉速2 000 r/min，額定電壓24 V，極對數為4。圖13為基于FPGA的無刷直流電動機容錯系統(tǒng)平臺。

圖13 基于FPGA的無刷直流電動機容錯控制系統(tǒng)平臺

為模擬傳感器故障，在FPGA中加入算法，使0.8 s后FPGA接收到的A相傳感器信號恒為0，模擬A相霍爾傳感器無脈沖輸出。本文利用Quartus II軟件編寫FPGA中的算法并記錄轉速數據。測試完成后，將記錄的數據文件導入到MATLAB軟件中，MATLAB運行Quartus II的tbl文件后讀取數據，利用描點繪圖可以看到實測波形。圖14為電機轉速2 000 r/min空載運行時的實測轉速曲線。

圖15為電機在0.8 s加入故障后的實測轉速曲線。其實測結果與仿真分析結果相似，當檢測到故障后，電機的轉速開始波動，電機不能正常運行。

圖14 電機空載設定轉速2 000 r/min時的實測轉速曲線

圖15 電機0.8 s加入故障的實測轉速曲線

圖16為電機經過容錯處理后的實測轉速曲線，經過容錯處理后，電機基本實現無波動平穩(wěn)運行。

圖16 電機經過容錯處理后的轉速曲線

通過仿真和實驗驗證可知：

1)電機在霍爾傳感器系統(tǒng)控制下能實現平穩(wěn)運行，具有響應快，超調量小等優(yōu)點。

2)當不使用容錯技術，單相傳感器出現故障時，電機轉速出現波動，不能平穩(wěn)運行。

3)在檢測電機故障后，控制系統(tǒng)切換至無位置傳感器系統(tǒng)實現容錯處理，對電機的轉速波動有明顯的糾正，電機能夠實現平穩(wěn)運行。

5 結 語

本文針對霍爾傳感器出現故障導致電機轉速出現不穩(wěn)定的問題進行了討論，提出了一種新型無刷直流電動機控制器。針對霍爾傳感器故障，提出了基于等時計數法的故障檢測機制，并通過切換控制系統(tǒng)的方法實現了無刷直流電動機的容錯控制。通過仿真及實驗結果可知，霍爾傳感器出現故障時，本文的控制系統(tǒng)可以保證無刷直流電動機正常換相，電機運行較平穩(wěn)，實現了從霍爾故障檢測到容錯控制的機電一體化控制。