BLDCM 控制系統霍爾位置傳感器故障診斷與保護研究

劉少龍，張煜辰，李侖升

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710076）

0 引 言

無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）控制系統作為高度機電一體化的設備，主要包含電機本體、控制器、轉子位置傳感器3 個部分[1-3]。在精度要求較高的應用場合下，通常使用位置編碼器、旋轉變壓器等作為轉子位置傳感器。這類傳感器能有效提高系統的控制精度，但其控制算法相對復雜且成本高[4]。由于霍爾位置傳感器具有控制算法成熟、硬件電路簡單、成本低廉以及工作可靠等優點，廣泛應用于航空航天、工業控制、醫療器械等領域[5-6]。文章僅探討采用霍爾位置傳感器的BLDCM 控制系統，并對霍爾位置傳感器的多種故障模式進行深入研究，尋求有效的故障定位和保護方法。

由于實際工作環境復雜多變，霍爾轉子位置傳感器可能產生開路、短路、物理損壞等多種形式的故障。這些故障會直接影響控制器，使其無法獲取正確的電機轉子位置信息，導致電機工作異常，使整個控制系統無法正常工作。因此，文章重點分析和研究霍爾轉子位置傳感器故障，尋求一種有效的故障診斷和保護技術。

1 霍爾位置傳感器故障分析

霍爾位置傳感器通常安裝在電機內部端蓋上，且傳感器數量需要與控制的電機繞組相數匹配，各傳感器在空間上相隔的電角度為120°。文章以三相星型六狀態BLDC 電機為例進行分析。

1.1 霍爾位置傳感器開路故障

以單個霍爾位置傳感器HA 開路時的情況進行說明。當HA 開路時，該相傳感器輸出信號始終為低電平0，不再有高低電平的跳變。此時三相霍爾傳感器輸出波形和電機三相繞組電流波形如圖1 所示。

圖1 HA 短路故障換相波形

由圖1 可知，A 相霍爾傳感器在故障點時刻發生開路故障，故障前后HA 信號電平發生變化，經邏輯合成后的驅動信號也立刻發生改變，導致提前換相。新合成的換相信號驅動開關管VT6 關斷的同時，打開VT1、VT2，且該狀態的持續時間大于正常換相間隔。在電角度為60°～240°時，HA 開路故障前后三相霍爾信號完全相同，定子繞組和開關管完成2次正常的換相過程。當轉子的電角度達到240°時，功率管VT3、VT4 仍保持導通狀態不發生換流。轉子繼續旋轉至300°電角度的位置時，三相霍爾信號均為低電平，合成的驅動信號關斷6 路功率管，定子繞組無電流通過。轉子在慣性作用下仍繼續旋轉，當電角度達到360°時，根據該時刻霍爾信號產生的驅動信號開通功率管VT1、VT2，完成一次換相，此時轉子轉過一個完整的電周期。

由三相繞組電流波形可知，HA 開路故障后的一個電周期內，在一定時間內出現6 個功率管全部關斷的狀態。A相電流ia基本不變，B、C兩相電流有效值減小，且B相繞組僅通過正向電流，C相繞組僅通過反向電流。

當兩相霍爾傳感器同時發生開路故障時，電機會因為無法產生正常的換相信號，導致三相繞組電流的幅值顯著下降[4-6]。在一個電周期內，繞組電流將迅速下降，使得電機在額定負載下的轉速迅速降為0。

1.2 霍爾位置傳感器對電源短路故障

以單相霍爾位置傳感器HA 對電源短路為例進行說明。當HA 發生短路時，其輸出信號始終為高電平1且保持不變。與霍爾傳感器開路故障類似，在發生短路故障后的一個電周期內，霍爾信號有一半的時間正常，電機可以正常換相并工作。但也會出現6 個功率管全部關斷的運行狀態和不正常的換相狀態。當電機在額定負載或較重負載下運行時，流過繞組的電流會減小，導致電磁轉矩減小，致使電機在工作一段時間后停止轉動。

2 故障診斷和定位方法

對三相霍爾位置傳感器輸出信號的不同狀態進行編碼，得到8 個不同的霍爾信號狀態編碼值FHall。當電機正常換相時，霍爾狀態編碼值FHall共有6 個不同的狀態值，且由6、2、3、1、5、4 的順序構成一個完整的換相周期，6 個不同的狀態值分別對應6個不同的換相狀態。當出現霍爾開路或短路故障時，FHall值為0或7。通過分析單相霍爾電源短路，得出A、B、C 三相霍爾信號出現電源短路故障時，FHall狀態編碼值的變換情況如表1 所示。

表1 單相霍爾電源短路FHall 編碼值

由表1 可知，當發生單相霍爾電源電路故障時，在一個電周期內FHall信號不再為連續不同的6 個狀態值，且會出現獨有的故障編碼值7。因此，若要將故障定位至具體的霍爾傳感器位置，則分析發生電源電路故障時FHall的變化情況。

第一，定義霍爾故障狀態4 元素數組SH={S1,S2,S3,S4}，即發生霍爾故障后實時采集的4 個變化的霍爾狀態，且Si≠Si-1（其中i=2,3,4）。第二，在電機運行過程中，實時監測霍爾狀態編碼值FHall。正常工作時數組SH中不儲存數據，當FHall=7 時，立刻診斷系統是否發生霍爾開路故障，并將故障信息上傳。同時，將FHall值存入數組元素S1中，并連續采集3個FHall值，分別存入數組SH的元素S2、S3、S4中。采集4 個霍爾狀態編碼值便可得到一個霍爾故障狀態數組SH，將數組中的4 個元素按照從小到大的順序進行排列，得出4 個元素中的最小值Smin，根據表2便可定位具體的故障模式。

表2 單相霍爾對電源短路故障和開路故障定位

霍爾單相開路的故障診斷和定位與霍爾單相對電源短路類似。不同之處在于，霍爾單相開路故障標志為FHall=0。當檢測到FHall值為0 時，診斷系統發生霍爾單相開路故障。同時，將此時的霍爾狀態編碼0寫入數組SH的S1元素中，并繼續采集前后不等的3個霍爾狀態編碼，得到霍爾故障狀態數組SH。此時，需要將SH中的4 個元素按照從小到大的順序排列，并得出最大的元素，記為Smax。根據不同的Smax值，即可完成單相霍爾開路故障定位。單相霍爾對電源短路故障和開路故障定位如表2 所示。

3 仿真與分析

3.1 單相霍爾對電源短路故障的定位和保護仿真

通過仿真分析單相霍爾HA 短路故障，可得出霍爾信號和電機關鍵參數波形如圖2 所示。

圖2 單相霍爾HA 短路故障仿真波形

由圖2 可知，系統在0.02 ～0.04 s 處于穩定狀態，正常運行；0.04 s 時刻HA 突發電源短路故障。故障發生后，HA 信號始終保持在高電平狀態，且霍爾狀態編碼值FHall為7。在一個電周期內，B 相繞組電流只通過反向電流，C 相繞組只通過正向電流，且電角度為60°時三相繞組均不導通，轉速明顯下降并出現波動。在閉環控制作用下，脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）調制波占空比增大，三相電流幅值達到限定幅值200 A。

3.2 單相霍爾開路故障的定位和保護仿真分析

單相霍爾開路故障的定位和保護仿真波形與圖2類似，區別是發生開路故障后控制器會檢測到霍爾狀態編碼值為7，此時控制器會立即進入故障定位程序。在故障定位程序中，連續采集4 個不同的霍爾狀態編碼值，并對其進行升序排列，確認故障處于哪一相繞組。完成故障定位后，控制器通過另外兩相正常的霍爾狀態信號進行相應的邏輯運算，并對故障相霍爾信號進行修復，采用修復完成的霍爾信號可使BLDC 電機在霍爾開路故障下持續運行。霍爾信號的修復運算需考慮故障發生后故障相對兩相正常霍爾信號的影響，僅需在修復運算中添加相應的轉速校正環節。

4 結 論

文章提出的針對單相霍爾短路故障和開路故障2種常見的霍爾故障診斷、定位和修復方法，可有效提高BLDC 系統的故障容錯能力，確保系統工作的可靠性和安全性，對工程應用具有顯著的指導價值。