无刷直流电机位置传感器故障容错控制研究

0引言

BLDCM的控制系统中,电机转子位置的检测是必不可少的,位置检测可分为有位置传感器检测和无位置传感器检测两大类。无位置传感器检测技术虽然近年来得到了广泛的研究,但由于该技术控制过程复杂、系统应用成本高、估算精度低、抗干扰性差,且还没有一种方法能应用在BLDCM的全速过程中,故有位置传感器控制技术依然被广泛采用[1]。有位置传感器的BLDCM控制系统中,霍尔传感器因其结构简单、安装空间小、价格便宜等优势,得到了业界的广泛认可和应用。

因受工作环境、振动、电磁干扰、断线以及元件本身等因素的影响,霍尔传感器会出现故障,导致电机转子位置检测不准确,严重时会引起BLDCM系统崩溃。针对位置传感器故障,国内外学者进行了研究,并提出了诸多解决方案。A.Tashakori等人[2]提出了根据传感器信号与对测量电机线电压的离散傅里叶变换分析和频谱能量密度来检测霍尔传感器故障的闭环容错控制策略,并开发了一套BLDCM霍尔效应传感器故障诊断专家系统,但该控制方法计算成本高,需要较大的存储空间,且位置检测准确性较差。zhangQian等人[3]提出一种快速故障诊断方法,该方法不需要复杂的矢量跟踪观测器,并且能够处理最多两个同时发生的故障,同时大大提高了诊断速度,但需对霍尔传感器信号进行高频采样,对采样计数器有较高的要求。DongLianghui等人[4]提出了一种通过加速度阈值条件来检测霍尔传感器故障,并进行故障诊断与信号重构的快速故障诊断方法,该方法可通过在软件中添加代码或外部使用简单的辅助电路即可保障两个以下传感器发生故障时电机的正确运行,但其不能指出传感器发生的具体故障类型,且无法解决跳变沿提前来临或延后带来的诊断时间偏长的问题,而且依赖于电机参数,应用有一定的局限性。王凯等人[5]通过检测正常霍尔传感器的跳变沿,估算出故障霍尔传感器发生故障时的电机平均速度及加速度,采用最小二乘法二次多项式对故障信号进行重构,实现了对电机转子位置的精确估算。吕德刚等人[6]对霍尔信号进行矢量变换后根据检测相位变化的特点诊断出霍尔传感器的故障类型,提出改进型混合观测器补偿法和插值容错控制算法,通过实验验证了其有效性和可靠性。A.K.Mohapatra等人[7]针对BLDCM单个霍尔传感器发生故障的情况提出了一种广义智能故障检测和门脉冲校正系统,以提高无刷直流驱动系统在二进制霍尔传感器故障时的可靠性。综上所述, 目前国内外学者对无刷直流电机位置传感器故障控制的研究主要集中在根据霍尔信号的上升沿和下降沿进行故障诊断与信号重构以及采用观测器进行故障的检测、识别和补偿等方面,以上故障诊断方法大多采用的是复杂的算法,需要处理器有较强的计算能力,因而复杂性较高,限制了其适用性。

无刷直流电机在各行各业的应用越来越广泛,且大多以有位置传感器的控制策略为主,为提高控制性能,减轻霍尔传感器故障给系统安全、可靠、稳定运行带来的负面影响,本文针对霍尔位置传感器出现故障后的研究现状,深入研究霍尔位置传感器容错控制技术,提出冗余控制策略的思想,缩短了故障计算时间,在降低计算成本的同时还能提高系统的鲁棒性能,为有位置传感器BLDCM霍尔故障容错控制提供了一种简单有效的方法。

1 BLDCM工作原理

BLDCM及控制电路工作原理图如图1所示,图中,HA、HB和HC为以相差120°电角度安装在电机定子上的位置传感器,用于检测转子的位置,为电机驱动提供控制依据。

BLDCM的位置传感器一般采用输出数字信号的霍尔传感器,在转子旋转过程中,根据位置传感器输出信号的不同,只需以表1所示的传感器输出信号与控制信号对应的“六步驱动法”[8]控制功率逆变桥就可以使电机正常工作。

2位置传感器冗余控制策略

2.1 冗余控制策略

根据工程实践,霍尔传感器发生故障后,一般体现为对地短路或断线两种情况,其对应输出信号为“0”或“1”。就单个传感器故障而言,其输出结果如图2所示(图中t3、t6时刻为正常转换点):第一,传感器在正常转换前(t1时刻)发生对地短路,输出信号为恒“0”,见图2中G1;第二,传感器在正常转换前(t2 时刻)发生断线,输出信号从“0”跳变至恒“1”,见图中G2;第三,传感器经正常转换时刻后(t4 时刻)发生对地短路,信号从“1”变成恒“0”,见图中G3;第四,传感器经正确转换后 (t5 时刻)发生断线,信号将保持恒“1”不变,见图中G4。

图1中采用了三个主传感器(HA、HB和HC)来检测电机转子位置,根据传感器输出结果可以得到对应的控制信号,但任一个传感器发生故障后,就无法得知转子位置,表1对应的六步驱动信号就会发生错误,电机将无法正常工作。为此,以超前90°电角度增加一组辅助传感器(LA、LB和LC)以实现冗余控制,如图3所示,这样就可以得到图4所示的一个电周期内两组传感器的输出信号。从输出信号图可知,HA输出为高或低电平时(图中阴影部分),其余传感器输出转换次序是固定的,因此可利用这一结论检测HA传感器的好坏,并将该区域称为HA的检测区,HA其他部分不能通过其余传感器的输出转换次序判定HA的状态,称为非检测区。

在检测区内传感器的输出是固定不变的,只有在发生故障时,输出才会改变,对图4分析可以得到表2所示的主传感器检测区与其余传感器输出信号转换序列之间的对应关系。当主传感器的当前状态与其余传感器转换序列关系不一致时,可认为此传感器发生故障,并以此序列重新构建出故障传感器的输出状态,再以表1进行控制。

在非检测区 ,传感器发生故障后产生的转换共有三种情形:第一 ,传感器在正常上升沿来临前发生断线,如图5(a)所示,该情况使得电机正常换相点提前到来,因而有较大的换相电流;第二,传感器经正常上升沿后,在检测区来临前就发生了接地故障,如图5(b)所示,由于故障转换点与前一个正常转换点小于30°,处在两个转换过渡范围内,实践证明,即使电机处于恒速运行过程中,传感器也无法输出等间距的转换,因此,可认为传感器转换波动在15°以内时都是正常的,因而不会导致电机有较大的故障电流;第三,故障传感器经正常上升沿后,在离开检测区不到30°就发生了接地故障,如图5(c)所示,这时,冗余控制策略可正常检测到故障传感器并进行信号重构,因而电机也不会出现大的故障电流。

2.2 故障诊断

采用冗余控制策略后,在一个电周期内,6个传感器共有12次输出转换,因此,电机的转速可表示为:

式中:nm为电机转速(r/min);Te为传感器两次状态转换对应的时间(s);p为转子极对数。

由于每两个转换之间的间隔为30°电角度,而两个连续转换间隔的时间仅取决于电机的速度,因此可根据当前转换与前一个正常转换的时间间隔,实现发生故障的传感器的检测和识别。但是,一个不正确的转换,与前一个正常的转换之间的时间间隔非常短,因而可以利用该转换提供一个非常高的速度估计,进而产生一个大的加速度,如下式所示:

式中:acc为由转换计算出的电机加速度;n_m-1为基于最后传感器两个连续转换的速度估计值;nm为基于前一个转换和当前转换的速度估计值;ΔT为两个速度读数之间的时间。

电机正常恒速运行时加速度为零,而当传感器发生故障时,式(2)变为:

式中:acc*为电机转子估算加速度;nm*为传感器发生故障转换后计算出的转速;ΔT*为最后一次正确速度读数和发生错误转换时进行速度估算时的时间差。

如图5(c)所示,在传感器LC的上升沿和故障传感器HA的下降沿之间有一个非常小的时间差,这将为系统提供非常高的速度和加速度。一般电机在空载启动时具有最大加速度,因此,当检测到系统加速度大于空载启动加速度,就可判定传感器出现故障,其判定条件为:

acc>ast(4)

式中:acc为由转换计算出的电机加速度;ast为电机空载启动加速度。

3仿真验证

为验证本文提出方案的正确性与有效性,在MATLAB/simulink平台搭建系统仿真模型,采用简单的转速闭环控制,所用电机参数如表2所示。系统在额定工况下,以HA为发生故障传感器进行仿真验证,图6为HA输出为低电平状态下在检测区发生故障时的仿真结果,图7为HA输出为高电平状态下在检测区发生故障时的仿真结果,图8为HA在非检测区发生故障时的仿真结果。

图6~8所示仿真结果中,HA为用于检测电机转子的位置传感器输出信号,HA1为基于容错控制方案重构的故障传感器信号。发生故障后,重构的故障传感器信号将取代发生故障的位置传感器输出信号,用于控制电机的正常工作。根据仿真结果,当HA在检测区发生故障时,冗余容错控制方案能可靠保证BLDCM控制系统的运行,且未产生较大的电机故障;而在非检测区,除图8(a)所示的结果,位置传感器从“0”至“1”正常转换前30°电角度内发生故障会导致两倍以上的故障电流外,另外两种情况产生的故障电流约为正常电流的1.1倍,且过渡时间极短,完全处于电机可接受的工作范围,验证了本控制方案的可行性。

4 结论

本文采用冗余位置传感器,实现了BLDCM单个位置传感器发生故障时的故障检测与容错控制,该控制策略中,辅助传感器的引入,将电机转子位置检测由60°提高到30°,缩短了电机转子故障补偿时间。与其他控制策略相比,在一个周期内,采用本文提出的冗余控制方法,有两倍的传感器输出转换次数,能够提供更多的转换信息检测出发生故障的传感器并进行故障传感器的状态重构。另外,尽管增加了一倍的位置传感器数量,但位置传感器的输出仅与电机转子位置有关,与电机其他参数及外部环境的变化无关,因而系统具备较高的鲁棒性能。

[参考文献]

[1]李佳瑶.无刷直流电动机霍尔位置传感器故障容错控制研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2023. 

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[3] zhang Q,FengM.FastFaultD,agnos,sMethodforHallsensors ,nBrushlessDCMotorDr,ves[J].IEEETransact,onsonpowerElectron,cs,2019,34(3): 2585-2596.

[4]DongLH,Jatskev,chJ,HuangYW,etal.FaultD,agnos,sands,gnalReconstruct,onofHallsensors ,n BrushlesspermanentMagnetMotorDr,ves[J].IEEETransact,onsonEnergyConvers,on,2016,31(1): 118-131.

[5] 王凯,刘细平,张云,等.BLDCM霍尔传感器故障诊断与容错控制[J].电机与控制应用,2021,48(2):84-90.

[6] 吕德刚,李松.无刷直流电机故障诊断及容错控制技术[J].电机与控制学报,2020,24(8):58-66.

[7] Mohapatra A K,TejaAVR.ANovelFaultTolerantsmart system for BLDC motor based Electr,cVeh,cles[C]//202122ndIEEEInternat,onalConfer-enceonIndustr,alTechnology( ICIT ) , 2021:1329-1334.

[8]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京:科学出版社,2009.

《机电信息》2025年第16期_15-19