BLDCM霍爾位置傳感器信號故障診斷及重構

支康儀，武登云，史永麗

(北京控制工程研究所,北京 100190)

0 引 言

無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)使用位置傳感器檢測轉子位置來控制電流換相，因其高可靠性、高性能和小體積等優點被廣泛應用于航空航天、機械、汽車等工業領域與家用電器領域。但在惡劣環境或者長時間運行情況下，霍爾位置傳感器易發生故障，產生斷相等問題，電機出現大電流甚至會燒毀元器件。因此，BLDCM位置傳感器信號的故障診斷及容錯十分必要。

近年來，位置傳感器信號故障引起了國內外學者的注意，提出了一些故障診斷及容錯方法。文獻[1-2]利用正常傳感器信號上一周期的高低電平寬度估算得到下一周期的高低電平寬度，與實際信號電平寬度對比，當差距過大時則可判定相應傳感器信號發生故障，并依據理論寬度重構信號，實現故障診斷及信號重構。但由于傳感器安裝誤差的影響，此方法只適用于較低轉速。文獻[3]在某相信號上升沿和下降沿時分別對另一相信號進行采樣，若兩次采樣電平相同，則后者無故障，否則判為故障。此方法最長需要2/3周期，故障檢測效率較低。文獻[4-5]對線電壓進行傅里葉分解，通過譜能量密度的變化判定故障類型，但此法只適用于單相信號故障，且傅里葉分解計算復雜、實時性較差。文獻[6-7]在故障診斷的基礎上對信號進行霍爾矢量變換和頻譜分析，消去其諧波分量，使用基波提取轉子位置信息，實現電機的容錯控制，抑制電流波動及轉速波動，但頻譜分析同樣存在計算復雜的問題。

目前，對霍爾位置傳感器故障的檢測和容錯大多不能做到實時和高精度，且會有誤差累計，因此本文研究一種結合實時加速度估計信號間脈沖寬度的霍爾位置傳感器故障檢測及信號重構方法。該方法記錄正常狀態下不同相霍爾傳感器信號之間的跳變沿間隔，并觀測實時加速度，結合未故障相信息，對下一個跳變沿發生時刻進行推算估計，與實際跳變沿發生時刻對比來定位故障。在估計出的時刻輸出對應相的正確跳變沿，重構霍爾信號，最終在霍爾位置傳感器故障狀態下實現電機高速或低速的正常運行。

1 BLDCM換相原理

以兩極三相BLDCM為例，轉子位置檢測主電路如圖1所示。

3個霍爾傳感器間隔120°電角度被安裝在定子內來檢測轉子位置。當轉子的N極或S極轉至霍爾位置傳感器位置并通過時，霍爾位置傳感器的輸出為邏輯“1”高電平或邏輯“0”低電平，將轉子的位置信號轉換成電信號。在每個電周期內霍爾位置傳感器的高低輸出各為180°電角度，理想的相電流、反電動勢以及霍爾位置傳感器信號如圖2所示。根據圖2及表1可知，每個電周期可分為6個狀態，3路霍爾傳感器輸出信號的上升沿和下降沿決定6個換相點時刻，每兩個跳變沿間隔為60°。以此電信號控制功率驅動電路中的逆變器導通或關斷，使電機繞組中的電流按照一定的次序換相，導通繞組順序：AB，AC，BC，BA，CA，CB，形成步進式旋轉磁場，驅動轉子旋轉。

圖1 BLDCM轉子位置檢測主電路

圖2 相電流、反電動勢及霍爾信號波形示意圖

區間編號起始跳變沿終止跳變沿1A相上升沿C相下降沿2C相下降沿B相上升沿3B相上升沿A相下降沿4A相下降沿C相上升沿5C相上升沿B相下降沿6B相下降沿A相上升沿

2 位置傳感器故障模式分析

文獻[8]指出，多種因素會導致霍爾位置傳感器信號的丟失或錯誤，如極端惡劣的環境、劇烈的振動和連線故障等。此處考慮霍爾位置信號的永久性中斷，即故障發生后霍爾信號常為高電平或常為低電平，不再發生變化，圖3為A，B相常高電平故障。

圖3 A、B雙相信號常高電平故障

正常情況下，三相霍爾信號HA,HB和HC均為占空比50%的方波信號，每個周期內三相信號共6個跳變沿表示轉子不同的位置。單個霍爾信號故障發生時(以HA信號故障為例，如圖3所示)，HA中包含的轉子位置信息丟失，兩次電流換相間隔不再是均勻60°，會出現換相間隔120°的情況。電流不能及時換相，轉子無法獲得持續的磁場驅動，輸出力矩產生波動；雙相故障時(以HA，HB信號故障為例，如圖3所示)，只有HC信號的信息被完整保存下來，電流換相間隔變為180°，產生較單相信號故障更嚴重的影響。

綜上所述，在霍爾信號故障情況下轉子位置無法確定，電流不能正常換相，無法滿足BLDCM驅動系統的要求，電機輸出力矩受到影響，尤其在轉速較高情況下會產生巨大的電流波動和轉速波動。

3 霍爾信號故障診斷及信號重構

圖4 信號故障及重構模塊示意圖

3.1 先驗信息計算

(1)

可得角加速度估計值：

(2)

(3)

圖5 A相斷相故障波形

3.2 下一時刻跳變沿估計

(4)

因此有：

(5)

可得：

(6)

3.3 置信區間設置

(7)

3.4 雙相霍爾信號故障診斷及信號重構

(8)

4 仿真驗證

為驗證本文方法的正確性及可行性，在MATLAB/Simulink環境下搭建BLDCM仿真模型。設定電機極對數為6，直流端輸入電壓50 V，置信區間中的參數K設為10。采用轉速及電流雙閉環PID控制，設定轉速3 500 r/min。因仿真環境及計算機內存限制，仿真模型的其他參數不完全與實際實驗電機相同。在0.4 s時將A相信號置為高電平，仿真結果對比如圖6所示。

(a) A相信號對比

(b) 繞組電流對比

(c) 母線電流對比

(d) 轉速對比

圖6為無/有故障檢測及重構方法時的仿真結果對比。圖6(a)為A相霍爾信號對比，在故障發生后，A相信號常為高電平，當使用本文方法時，霍爾信號仍正常存在；圖6(b)為繞組電流對比，未進行故障檢測重構時，電流峰值由2 A在短時間內升至10 A左右，使用本文方法后電流一直保持正常；圖6(c)為母線電流對比，在未采取措施時，故障發生后母線電流由2 A左右升至3～3.5 A，且出現波動，采取措施后電流保持平穩；圖6(d)為轉速對比，在故障發生時，轉速在約0.002 s后開始下降，在0.03 s內下降150 r/min，采用本文方法后，在故障發生后轉速略有波動，然后穩定在3 500 r/min。由以上分析可知，本文的方法有較好的效果。

5 實驗驗證

在理論分析及仿真研究基礎上，對以上算法進行實驗驗證。使用的BLDCM極對數為6，額定電壓為50 V，額定電流為3 A，置信區間中的參數K設為10。控制系統在DSP中實現，采用轉速及電流雙閉環PID控制，信號故障診斷及重構模塊由FPGA進行數據測量、DSP運算實現，驅動電路采用三相半橋式，并在三相霍爾信號傳輸通路中分別安裝開關以模擬霍爾信號故障。當開關打開時，信號正常，關閉時，信號被截斷，置為高電平，使用示波器記錄霍爾信號、繞組電流和母線電流。繞組電流和母線電流均由電流鉗測得，分別為10 A/V和1 A/V檔；通過1553B接口傳回并記錄實際轉速值。受篇幅所限，僅給出在3 500 r/min轉速下，單相(A相)信號故障時的實驗結果，開關在25 s時關閉。

(a) 霍爾信號及繞組電流

(b)轉速

(a) 霍爾信號及繞組電流

(b)轉速

圖7(a)為示波器截圖，從上到下4個通道依次為A相信號、重構A相信號、繞組電流及母線電流，在tf=25 s時故障發生，此過程中故障診斷及重構模塊關閉，即重構信號與原信號相同；圖7(b)為通過1553B通信接口傳回的實測電機轉速數據。當故障發生時，A相信號常為高電平，母線電流在5 s內由0.4 A增大至1 A，繞組電流峰值由2 A增大至12 A，轉速在10 s內下降40 r/min，電機出現異常響應。

圖8為加入信號故障診斷及重構方法后的運行結果。在未發生故障時，重構信號為正常信號；當tf=25 s時故障發生，A相信號常為高電平，A相重構信號仍然保持正常，母線電流及繞組電流基本保持不變，轉速波動較小，都在可接受波動范圍內，且電機運行過程中無異常響應，實驗結果與仿真結果一致。對比可知，本文的故障診斷及信號重構方法對信號故障抑制效果較好，在故障發生后電機運行基本不受影響。

6 結 語

針對霍爾位置傳感器故障，研究了一種基于正確相信號的故障診斷及信號重構方法。本文分析了BLDCM原理及霍爾位置傳感器故障模式，在當前未被判定為故障相的信號基礎上，根據不同周期跳變沿間寬度的關系，結合實時的轉子加速度、速度，實現對霍爾信號故障的檢測和故障信號的重構。在3 500 r/min轉速下進行MATLAB/Simulink仿真驗證并進行物理實驗，結果表明，本文方法可實時檢測出故障并及時對故障信號進行重構，在故障發生后電機轉速和電流幾乎未產生波動，無誤差累計現象，電機可正常運行。