一種帶霍爾自修復(fù)的電機(jī)換相控制方法

張惠國，周學(xué)禮，石 磊

(1.常熟理工學(xué)院，常熟 215500;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，無錫 214000)

一種帶霍爾自修復(fù)的電機(jī)換相控制方法

張惠國1，周學(xué)禮1，石 磊2

(1.常熟理工學(xué)院，常熟 215500;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，無錫 214000)

針對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)，在分析霍爾傳感器原理、損壞原理，建立故障模型的基礎(chǔ)上，提出了一種霍爾故障實(shí)時(shí)自修復(fù)的方法，解決了無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中霍爾傳感器突然損壞引起的系統(tǒng)故障問題。與傳統(tǒng)方法相比，所提方法不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，能快速確定故障點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)表明，在電動(dòng)車前進(jìn)后退過程中電機(jī)發(fā)生霍爾損壞時(shí)，該方法能較好地完成自動(dòng)修復(fù)，維持正常行駛。

換相控制；自修復(fù)；霍爾傳感器；無刷直流電動(dòng)機(jī)

0 引 言

隨著能源、環(huán)保等問題日益突出，純電動(dòng)車已成為乘用車、載貨車、代步車等發(fā)展的熱點(diǎn)。電動(dòng)車主要含有電池、電機(jī)和電驅(qū)動(dòng)三個(gè)部分，電池是電動(dòng)車的能量供給單元，電機(jī)是電動(dòng)車的執(zhí)行動(dòng)作單元，電驅(qū)動(dòng)是電動(dòng)車中完成控制和驅(qū)動(dòng)的核心部件。針對(duì)不同類型的電機(jī)，常采用不同的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)車中常用電機(jī)類型包括直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，其中永磁電機(jī)采用永磁體建立磁場(chǎng)，具有效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)[1]。作為永磁電機(jī)的一種，無刷直流電動(dòng)機(jī)被廣泛用于二輪和三輪電動(dòng)車輛。

無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法主要有方波驅(qū)動(dòng)控制和正弦波驅(qū)動(dòng)控制，在這兩種控制方式中，常用霍爾元件、編碼器等傳感器反饋電機(jī)的位置信息，用于控制器確定電機(jī)的換相時(shí)機(jī)、檢測(cè)轉(zhuǎn)速等。由于霍爾傳感器重量輕，占用空間小，具有較好的抗振動(dòng)性能，價(jià)格相對(duì)便宜，現(xiàn)有市場(chǎng)中主流的二輪和三輪電動(dòng)車采用帶有霍爾位置傳感器的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。霍爾傳感器在電機(jī)的方波控制、正弦波控制時(shí)用于提供電機(jī)的位置、速度等信息；也可通過離散的霍爾信號(hào)觀測(cè)轉(zhuǎn)矩大小和符號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制[2]。

電機(jī)控制的性能依賴與霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，霍爾傳感器的可靠性直接決定了電機(jī)的控制性能。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)霍爾傳感器損壞，損壞有多種原因，控制器中的電流浪涌、靜電，或霍爾信號(hào)引出線斷開都能引起霍爾故障，高溫潮濕等惡劣工作環(huán)境會(huì)使傳感器更容易損壞。隨著控制精度的提高，應(yīng)用規(guī)模的增大，故障隱患增多，故障的檢測(cè)和恢復(fù)要求日益緊迫。能盡早發(fā)現(xiàn)故障并預(yù)防進(jìn)一步惡化，對(duì)故障的準(zhǔn)確定位和及時(shí)維修十分重要。電機(jī)控制領(lǐng)域的研究工作者對(duì)電機(jī)控制器的可靠性進(jìn)行了廣泛研究，針對(duì)霍爾傳感器的故障檢測(cè)和修復(fù)問題提出了一些解決方法。文獻(xiàn)[3]研究了霍爾傳感器精度不高的問題，提出了一種提高精度的補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)[4]通過雙模控制提高控制器的可靠性，給出了一種傳感器出現(xiàn)故障時(shí)切換到無傳感器運(yùn)行模式的雙模控制方案。雙模控制因在電機(jī)出現(xiàn)故障到檢測(cè)出故障切換到無位置控制的時(shí)間內(nèi)電機(jī)由于換相錯(cuò)誤且沒有補(bǔ)救措施，易出現(xiàn)高速時(shí)轉(zhuǎn)速驟降、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，低速時(shí)因切換速度慢而修復(fù)失效等情況。文獻(xiàn)[5]采用轉(zhuǎn)子位置估計(jì)技術(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，并與檢測(cè)到的位置傳感器信號(hào)比較，若兩者不符合，則出現(xiàn)故障，此時(shí)用預(yù)估換相點(diǎn)完成故障自修復(fù)，其預(yù)估算法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]提出了一種霍爾故障檢測(cè)方法，需要電機(jī)在霍爾傳感器出現(xiàn)故障后繼續(xù)轉(zhuǎn)兩圈才能監(jiān)測(cè)出故障點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)故障的過程中電機(jī)由于換相失敗，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)穩(wěn)定性低，且在監(jiān)測(cè)出故障后，修復(fù)部分沒有指出具體的方法。文獻(xiàn)[7]給出了霍爾傳感器故障的上自階段檢測(cè)方法，在一個(gè)換相周期內(nèi)完成故障檢測(cè)定位，在修復(fù)方面未作過多陳述。

本文針對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)中的霍爾故障問題，主要介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)霍爾傳感器的原理，分析了方波控制方法的霍爾換相原理，在此基礎(chǔ)上提出了霍爾故障檢測(cè)、故障修復(fù)的不同方法，當(dāng)霍爾傳感器損壞時(shí)，能在一個(gè)換相周期內(nèi)實(shí)時(shí)完成故障修復(fù)，維持電機(jī)的正常運(yùn)行控制。

1 霍爾傳感器原理及應(yīng)用

霍爾傳感器是以霍爾效應(yīng)為原理制成的一種傳感器，用于檢測(cè)磁場(chǎng)的變化。由霍爾效應(yīng)原理可知，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)位于其中的帶電導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的電荷載流子施加一個(gè)垂直于其運(yùn)動(dòng)方向的力，該力使得正負(fù)電荷分別積聚到導(dǎo)體的兩側(cè)。導(dǎo)體兩側(cè)的電荷積累會(huì)建立一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差會(huì)平衡磁場(chǎng)的影響。因而不同的磁場(chǎng)，產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)差不同，磁場(chǎng)越大，電勢(shì)差越大。

市場(chǎng)上常見的霍爾傳感器均集成了霍爾芯片和相應(yīng)的放大電路，核心結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前較多的無刷直流電動(dòng)機(jī)采用的霍爾傳感器用5 V供電，其電壓經(jīng)過傳感芯片內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換供給霍爾傳感IP核，使其產(chǎn)生100 μA左右的電流，然后根據(jù)外加的磁場(chǎng)大小，產(chǎn)生約50 mV的電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差由芯片內(nèi)部的集成運(yùn)放放大后和相關(guān)基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生相應(yīng)的高或低電平，用于指示磁場(chǎng)的變換。

圖1 霍爾傳感器原理框圖

裝有霍爾傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)中，每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，傳感器便發(fā)出一個(gè)高電平或低電平信號(hào)。位置傳感器的安裝精度對(duì)永磁電機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。通常霍爾傳感器有兩種安裝方法，一種是單獨(dú)安裝在非驅(qū)動(dòng)端，并在軸上有小傳感器磁鋼，還有一種是直接安裝在定子槽(或齒)中[8]。現(xiàn)有電動(dòng)車中，為降低成本，常將霍爾傳感器直接安裝在定子槽中。一般裝有霍爾位置傳感器的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，常引出霍爾相關(guān)的5條線，其中3條為霍爾信號(hào)線，另外2條為霍爾傳感器的電源和地線。霍爾傳感器常采用5 V供電，信號(hào)線輸出電壓為5 V，提供電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的位置和速度信息。微處理器根據(jù)霍爾信號(hào)，確定合適的換相時(shí)機(jī)，控制逆變器上下橋開關(guān)的動(dòng)作。圖2給出了整體的基于霍爾信號(hào)的電機(jī)控制原理框圖，圖中電機(jī)輸出的霍爾信號(hào)經(jīng)過電阻分壓和電容濾波后連接到微控制器，微控制器采用基于Cortex-M0的STM32F030系列芯片；微控制器產(chǎn)生6路PWM信號(hào)，提供給功率驅(qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)電路可采用分立器件搭建或者使用IR公司的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，它們直接驅(qū)動(dòng)后級(jí)的功率管；M1～M6為MOSFET功率管，它們組成逆變橋，用于給電機(jī)提供功率輸入。

圖2 基于霍爾信號(hào)的電機(jī)控制原理圖

2 基于霍爾傳感器的換相原理

電動(dòng)車用無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成，為讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來，需要給定子上的電樞繞組依次通電，使得定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)保持約90°角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。圖3為霍爾傳感器的輸出波形示意圖，這里3個(gè)霍爾位置傳感器采用間隔120°電角度的安裝方式，其波形的上升或下降沿位置對(duì)應(yīng)定子電樞繞組導(dǎo)通時(shí)刻。根據(jù)霍爾信號(hào)的跳變，產(chǎn)生相應(yīng)順序的霍爾編碼，此時(shí)將依次打開功率MOSFET的開關(guān)，相應(yīng)導(dǎo)通次序?yàn)閳D2中的M1M4，M1M6，M3M6，M3M2，M5M2，M5M4，共6種狀態(tài)，這6種狀態(tài)的換相方式也稱為二二導(dǎo)通方式[9]。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)相同的霍爾編碼，電機(jī)繞組通過的電流應(yīng)反向，功率MOSFET導(dǎo)通次序?yàn)镸3M2，M5M2，M5M4，M1M4，M1M6，M3M6。

圖3 霍爾傳感器換相波形

正常換相時(shí)，我們根據(jù)霍爾傳感器的狀態(tài)，控制對(duì)應(yīng)MOSFET的開關(guān)動(dòng)作，完成相應(yīng)的換相處理。同時(shí)，也可以根據(jù)霍爾狀態(tài)的值，計(jì)算出相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，用于電動(dòng)車的速度控制。在霍爾傳感器出錯(cuò)時(shí)，正常的換相程序便不能確定合適的開關(guān)順序，電機(jī)無法正確旋轉(zhuǎn)，甚至引起功率MOSFET的損壞。

3 霍爾傳感器故障模型和修復(fù)實(shí)現(xiàn)

3.1 霍爾故障模型

霍爾傳感器的損壞，主要表現(xiàn)為一相霍爾信號(hào)的常高(短路)或常低(短路)。在出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)霍爾傳感器的輸出值表現(xiàn)出特定位固定的狀態(tài)。表1給出了在6種霍爾編碼狀態(tài)中，正確的編碼狀態(tài)為{5，1，3，2，6，4}，第二列給出了對(duì)應(yīng)編碼的二進(jìn)制值；同時(shí)也給出了在單一霍爾出錯(cuò)情況下的霍爾編碼二進(jìn)制狀態(tài)值。從表中可以看出，在一個(gè)霍爾發(fā)生故障時(shí)，霍爾狀態(tài)將會(huì)從6個(gè)狀態(tài)變?yōu)?個(gè)狀態(tài)。同樣道理，若同時(shí)有兩個(gè)霍爾傳感器出錯(cuò)，霍爾狀態(tài)則直接從6個(gè)狀態(tài)變?yōu)?個(gè)狀態(tài)。由此，可根據(jù)一個(gè)換相周期中霍爾狀態(tài)數(shù)來判定是否發(fā)生了霍爾故障。

表1 故障時(shí)的霍爾信號(hào)狀態(tài)

分析表中各種出錯(cuò)狀況下的霍爾狀態(tài)值，可以得到不同故障條件下的可能霍爾編碼值如表2所示。可以看出，不同霍爾故障有著不同的霍爾編碼序列，可以根據(jù)這個(gè)特征完成對(duì)應(yīng)故障的霍爾修復(fù)。

表2 霍爾故障編碼狀態(tài)

3.2 霍爾修復(fù)的實(shí)現(xiàn)

在上述故障模型中可以看出，在霍爾發(fā)生故障時(shí)，霍爾編碼從原來的{5，1，3，2，6，4}6種狀態(tài)，變?yōu)?種狀態(tài)(單相霍爾故障)或4種以下的狀態(tài)(多相霍爾故障)。實(shí)際應(yīng)用中，單相霍爾故障出現(xiàn)頻率較高，而多相霍爾故障較少出現(xiàn)，我們主要針對(duì)單相霍爾故障進(jìn)行處理。為從單個(gè)故障中恢復(fù)，需要解決兩個(gè)問題，一是確定處于何種故障狀態(tài)；二是確定故障狀態(tài)時(shí)的換相時(shí)機(jī)。

3.2.1 故障狀態(tài)確定

在故障狀態(tài)確定時(shí)，可采用以下流程：

1)連續(xù)采集一個(gè)換相周期中的6次霍爾狀態(tài)值，存入數(shù)組；

2)對(duì)采集到的霍爾狀態(tài)值進(jìn)行排序，并刪除重復(fù)狀態(tài)，形成一個(gè)排序的狀態(tài)序列；

3)根據(jù)2)中的狀態(tài)數(shù)判斷是否出現(xiàn)霍爾故障，并和表2中的狀態(tài)值序列對(duì)比，確定故障的類型。

以A相霍爾損壞為例，在發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)排序后的A相霍爾狀態(tài)變?yōu)閧7，6，5，4}或{3，2，1，0}，根據(jù)序列不同，可確定A相處于常高故障或常低故障。

在A相霍爾常高故障情況下，分析表1中的編碼情況，可知故障時(shí)的編碼7狀態(tài)，需要糾正為正常的3狀態(tài)方式處理；故障時(shí)的編碼6狀態(tài)需要切換為正常的2狀態(tài)方式處理或者按照正常狀態(tài)處理；故障時(shí)的編碼5狀態(tài)需要切換為正常的1狀態(tài)方式處理或按照正常狀態(tài)處理；故障時(shí)的編碼4狀態(tài)可安正常換相處理。其中，故障時(shí)的狀態(tài)6和5恢復(fù)時(shí)各自對(duì)應(yīng)著兩種正常狀態(tài)。

在A相霍爾常低故障情況下，故障時(shí)的編碼3狀態(tài)按照正常狀態(tài)處理；故障時(shí)的編碼2狀態(tài)切換為正常的6狀態(tài)方式處理或者按正常狀態(tài)處理；故障時(shí)的編碼1狀態(tài)切換為正常的5狀態(tài)方式處理或者按正常狀態(tài)處理；故障時(shí)的編碼0狀態(tài)糾正為正常的4狀態(tài)方式處理。其中，故障狀態(tài)2和1恢復(fù)時(shí)各自對(duì)應(yīng)著兩種正常狀態(tài)。

3.2.2 換相時(shí)機(jī)確定

在單個(gè)霍爾故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)故障霍爾狀態(tài)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)正常的霍爾狀態(tài)，并且從上一小節(jié)的分析中確認(rèn)了故障狀態(tài)對(duì)應(yīng)的正常狀態(tài)值。這里我們需要進(jìn)一步確定從故障狀態(tài)中恢復(fù)的兩個(gè)正常狀態(tài)間的切換時(shí)機(jī)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同，霍爾信號(hào)的變換時(shí)間也不同，霍爾狀態(tài)間的切換時(shí)間需要實(shí)時(shí)根據(jù)霍爾信號(hào)的變化而調(diào)整。在確定了故障狀態(tài)和換相時(shí)機(jī)后，在下個(gè)換相周期即可完成實(shí)時(shí)修復(fù)。

具體確定換相時(shí)機(jī)的流程如下：

1)啟動(dòng)時(shí)選用一個(gè)初始值作為一個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間；

2)運(yùn)行時(shí)，采集一個(gè)換相周期的6此霍爾狀態(tài)值，存入數(shù)組；

3)在采集的霍爾狀態(tài)值中找出僅出現(xiàn)一次的正常霍爾狀態(tài)值；

4)記錄2)中的霍爾狀態(tài)值對(duì)應(yīng)的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間；

5)利用3)中的時(shí)間指導(dǎo)下個(gè)換相周期的霍爾換相時(shí)機(jī)。

以A相的換相時(shí)機(jī)確定為例，根據(jù)表1，各種霍爾故障時(shí)，其狀態(tài)值為HA常高故障{5，5，7，6，6，4}，HA常低故障{1，1，3，2，2，0}，HB常高{7，3，3，2，6，6}，HB常低{5，1，1，0，4，4}，HC常高{5，1，3，3，7，5}，HC常低{4，0，2，2，6，4}。根據(jù)狀態(tài)的特征，可實(shí)時(shí)選擇正常的單個(gè)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間作為一個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，并以此時(shí)間去劃分故障狀態(tài)中對(duì)應(yīng)的兩個(gè)正常狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。如在HA常高故障時(shí)，選擇4狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間作為狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間；相應(yīng)的，在HA常低故障時(shí)選擇3狀態(tài)、HB常高選擇2狀態(tài)、HB常低選擇5狀態(tài)、HC常高選擇1狀態(tài)、HC常低選擇6狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用了Cortex-M0架構(gòu)的STM32F030C8微控制器。其中利用定時(shí)器2捕獲通道采集電機(jī)的霍爾信號(hào)，并在定時(shí)器2的中斷處理函數(shù)中完成霍爾出錯(cuò)狀態(tài)的判斷。定時(shí)器1則完成電機(jī)的霍爾換相處理，產(chǎn)生相應(yīng)的功率MOSFET的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。定時(shí)器1采用48 MHz的計(jì)數(shù)頻率，設(shè)定計(jì)數(shù)周期為0～3 199，采用15 kHz的PWM頻率，即換相以15 kHz的頻率約0.067 ms檢測(cè)是否換相。而輪胎直徑為16英寸的23對(duì)極輪轂電機(jī)，以40 km/h速度行駛，霍爾傳感器每轉(zhuǎn)過120°電角度所經(jīng)歷的時(shí)間約為1.666 ms。本文提出的方法在霍爾修復(fù)時(shí)具有較高的精度。

實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于方波控制的3 kW無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器，如圖4所示。其中控制器中的控制部分和功率部分層疊布版，有效的減小了控制器的體積。測(cè)試時(shí)，我們將霍爾信號(hào)的其中一相斷開、斷路，電機(jī)仍能正常運(yùn)行。圖5是有一相霍爾斷開為低時(shí)的實(shí)際測(cè)量信號(hào)。其中，HA為一相正常的霍爾信號(hào)，M1，M3，M5為對(duì)應(yīng)的上橋功率管柵極對(duì)地驅(qū)動(dòng)信號(hào)。從圖中可以看出，在霍爾缺相的情況下，控制器仍能很好的完成換相，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)。經(jīng)過實(shí)地電動(dòng)車測(cè)試，在將一相霍爾信號(hào)斷開或者接高電平的情況下，電動(dòng)車能正常行駛。實(shí)際應(yīng)用中，常在霍爾傳感器發(fā)生故障修復(fù)的情況下，限制電動(dòng)車的速度并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示霍爾損壞。這種帶霍爾自修復(fù)功能的電動(dòng)車控制器，能有效防止霍爾損壞時(shí)的拋錨情況，有效提高了控制器的可靠性。

圖4 控制器整體圖

圖5 霍爾修復(fù)時(shí)的上半橋功率管柵極信號(hào)

5 結(jié) 語

本文針對(duì)裝有三相霍爾位置傳感器的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，提出了一種帶自修復(fù)功能的霍爾換相算法。并基于STM32F030C8微處理器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)前進(jìn)后退時(shí)的霍爾自修復(fù)設(shè)計(jì)。在一路霍爾損壞的情況下，能完成霍爾的實(shí)時(shí)自動(dòng)修復(fù)，提高了電動(dòng)車控制器的可靠性，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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A Self-Repairing Method of Hall Sensor in Motor Commutation

ZHANGHui-Guo1,ZhouXue-Li1,SHILei2

(1.Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China;2.No.58 Research Institute of CETC,Wuxi 214000,China)

Based on the principle of Hall sensor and its damage mechanism, the fault model was constructed and a novel method of self-repairing in realtime for Hall sensors in blushless direct current motor(BLDCM) was proposed to solve the sytem failure introduced by the Hall sensor fault. Compared with traditional methods, the proposed method can determine the Hall fault and repair itself rapidly without complex mathematical computation.The experimental results show that the electrical vehicle can self-repair and keep driving normally when the Hall sensor is damaged in motor whenever in the forward or back state.

commutation control; self-repairing; Hall sensor; BLDCM

2016-01-28

教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(第48批)

劉彬(1972-)，女，碩士，副教授，主要從事電力電子技術(shù)方面的研究。

TM33

A

1004-7018(2016)12-0098-04