本發(fā)明涉及一種無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置傳感器故障的容錯控制方法，所述容錯控制方法應(yīng)用于純電動汽車及其它無刷直流電機控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的無刷直流電機控制器一般采用有轉(zhuǎn)子位置傳感器或者無轉(zhuǎn)子位置傳感器兩種模式去控制電機。采用有轉(zhuǎn)子位置傳感器的電機控制器一般使用霍爾傳感器來獲得電機轉(zhuǎn)子的位置信號，但霍爾傳感器常因溫度、灰塵、電磁干擾等環(huán)境因素的影響而不能正常工作，嚴(yán)重的時候甚至損壞，最終導(dǎo)致電機及控制器無法正常運行。目前常使用電機的缺相控制來實現(xiàn)容錯控制，即當(dāng)一路或兩路霍爾傳感器發(fā)生故障時，通過余下正常的兩路或一路霍爾信號計算出轉(zhuǎn)子的換相時刻從而控制電機繼續(xù)工作。該方法可以實現(xiàn)三路霍爾信號中一路或者兩路霍爾信號缺失時電機的容錯控制，但在三路霍爾信號全部缺失時，則無法控制電機運行。采用無轉(zhuǎn)子位置傳感器的電機控制器常使用電機三相的反電動勢信號來獲得電機轉(zhuǎn)子的位置信號，但是無霍爾傳感器控制模式有啟動困難、低速調(diào)速性差和負(fù)載能力弱等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本文針對無刷直流電機控制系統(tǒng)，設(shè)計了一種同時具備有霍爾傳感器和無霍爾傳感器兩種控制模式的容錯控制方法。該方法根據(jù)霍爾信號的完整性選擇相應(yīng)模式來控制電機，因此該控制器可以有效解決無刷直流電機運行時霍爾傳感器發(fā)生故障而導(dǎo)致電機無法運行的問題，同時充分結(jié)合有霍爾傳感器控制模式和無霍爾傳感器控制模式兩者的優(yōu)點，從而提高了電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

一種無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置傳感器故障的容錯控制方法，其特征在于，

當(dāng)電機控制系統(tǒng)上電后檢測到霍爾傳感器工作正常，則以有霍爾控制模式啟動并驅(qū)動電機運行；

當(dāng)電機運行在有霍爾控制模式下，霍爾傳感器發(fā)生故障，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速滿足反電動勢信號作為電機換相依據(jù)的條件，則自動切換至無霍爾控制模式繼續(xù)驅(qū)動電機運行；若當(dāng)前轉(zhuǎn)速不滿足反電動勢信號作為電機換相依據(jù)的條件，則利用三段式啟動控制電機加速至反電動勢信號能作為電機換相依據(jù)，此時切換至無霍爾控制模式驅(qū)動電機運行；

當(dāng)電機工作在無霍爾控制模式下，霍爾傳感器恢復(fù)正常，則自動切換回有霍爾控制模式驅(qū)動電機運行并清除霍爾傳感器故障代碼。

一種無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置傳感器故障的容錯控制方法，其特征在于，控制系統(tǒng)集成了有霍爾控制和無霍爾控制，以霍爾信號作為有霍爾控制的換相依據(jù)，以反電動勢信號作為無霍爾控制的換相依據(jù)，利用霍爾信號的完整性和當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速判斷當(dāng)前的控制方式。

本發(fā)明應(yīng)用在無刷直流電機控制器中，利用檢測霍爾傳感器故障和當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)從有霍爾控制模式啟動切換為無霍爾控制模式工作(霍爾傳感器發(fā)生故障時)，也可以實現(xiàn)從無霍爾控制模式自動切換為有霍爾控制模式運行(霍爾傳感器故障被清除)。無論運行在何種工況下，都能選擇相應(yīng)的控制模式控制電機從而實現(xiàn)容錯控制，大大降低了霍爾傳感器發(fā)生故障后給電機控制系統(tǒng)帶來的影響，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)控制策略框圖。

圖2為主程序流程框圖。

圖3為無霍爾控制模式電機啟動程序流程圖。

圖4為故障診斷程序流程框圖

圖5為主程序流程框圖。

圖6為無霍爾控制模式電機啟動程序流程圖。

具體實施方式

控制系統(tǒng)集成了有霍爾控制和無霍爾控制，以霍爾信號作為有霍爾控制的換相依據(jù)，以反電動勢信號作為無霍爾控制的換相依據(jù)，利用霍爾信號是否發(fā)生故障和當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速決定當(dāng)前的控制方式。

當(dāng)電機控制系統(tǒng)上電后檢測到霍爾傳感器工作正常，則以有霍爾控制模式啟動并驅(qū)動電機運行。

當(dāng)電機控制系統(tǒng)上電后檢測到霍爾傳感器發(fā)生故障而不能正常工作，則自動切換至無霍爾控制模式啟動并驅(qū)動電機運行。

當(dāng)電機運行在有霍爾控制模式下，霍爾傳感器發(fā)生故障，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速滿足反電動勢信號作為電機換相依據(jù)的條件，則自動切換至無霍爾控制模式繼續(xù)驅(qū)動電機運行；若當(dāng)前轉(zhuǎn)速不滿足反電動勢信號作為電機換相依據(jù)的條件，則利用三段式啟動控制電機加速至反電動勢信號可以作為電機換相依據(jù)，此時切換至無霍爾控制模式驅(qū)動電機運行。

當(dāng)電機工作在無霍爾控制模式下，霍爾傳感器恢復(fù)正常，則自動切換回有霍爾控制模式驅(qū)動電機運行并清除霍爾傳感器故障代碼。

本發(fā)明的實施例如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

系統(tǒng)控制策略框圖如圖1所示?？刂七^程為：單片機根據(jù)設(shè)定的速度與反饋的速度經(jīng)過pi調(diào)節(jié)后，調(diào)制pwm信號的占空比并用于電機的調(diào)速。上電后啟動電機，當(dāng)霍爾信號完整時，程序會以霍爾信號作為電機換相信號，控制電機運行。當(dāng)故障診斷系統(tǒng)檢測到霍爾信號不完整、電機無法啟動時，系統(tǒng)會利用采樣電阻r1、r2、r3采集電機三相線上的反電動勢信號，進行處理后得到電機換相信號，此時系統(tǒng)切換為無霍爾模式控制電機繼續(xù)運行，以此保證電機正常運轉(zhuǎn)并達到容錯控制的效果。此外，檢測母線電壓，三相電壓、三相電流的模塊用于實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況，一旦出現(xiàn)過壓、過流、欠壓、欠流等故障，則立即切斷六路pwm波輸出，保護電機和功率模塊。

主程序流程框圖如圖2所示。程序主要分為四個模塊：初始化模塊、啟動模塊、pi閉環(huán)調(diào)速模塊以及故障診斷模塊。初始化模塊負(fù)責(zé)在單片機上電后i/o口、時鐘、中斷、adc及其他模塊的初始化。初始化完成后，系統(tǒng)待機并等待啟動命令。當(dāng)接收到啟動信號時，系統(tǒng)默認(rèn)啟用有霍爾傳感器模塊來啟動、運行電機。此時分為兩種情況：如果電機運轉(zhuǎn)正常，則進入閉環(huán)pi調(diào)速環(huán)節(jié)繼續(xù)運行、循環(huán)；如果電機無法運行，則觸發(fā)中斷，進入故障診斷程序檢查故障原因，決定是否啟用無霍爾傳感器模塊來控制電機。當(dāng)故障發(fā)生時，能及時反應(yīng)并做出相應(yīng)處理。不論在何種模式下，系統(tǒng)始終會對霍爾、電壓和轉(zhuǎn)速等信號實施監(jiān)控。

系統(tǒng)通過反電動勢過零檢測法(反電動勢法)實現(xiàn)無霍爾信號情況下無刷直流電機的控制。當(dāng)霍爾傳感器在電機啟動時或啟動之前發(fā)生故障，系統(tǒng)缺失轉(zhuǎn)子位置信號并導(dǎo)致電機無法啟動和運行。此時進入無霍爾模式啟動電機，但是電機靜止時電動勢為零，無法使用反電動勢法得到換相信號，電機依舊無法啟動，因此專門設(shè)計了無霍爾模式電機啟動程序用于電機的啟動(針對無霍爾模式下電機的啟動)。本系統(tǒng)采用三段式啟動法(轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步加速、自同步)，圖3為其流程框圖。實現(xiàn)方法是首先將轉(zhuǎn)子預(yù)定位在某個位置，導(dǎo)通定子任意的兩相而另一相斷開，導(dǎo)通兩相產(chǎn)生的磁場會吸引轉(zhuǎn)子直軸旋轉(zhuǎn)至某一位置，這種導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)一段時間后再導(dǎo)通另外兩相，剩余的一相懸空。經(jīng)過這兩次預(yù)定位，電機能夠預(yù)定到相應(yīng)的位置。預(yù)定位結(jié)束后就在上一次導(dǎo)通狀態(tài)的前提下按順序依次導(dǎo)通場效應(yīng)管，并在程序里設(shè)定一個換相時間表使電機的轉(zhuǎn)子被強制同步旋轉(zhuǎn)，即增大換相頻率的同時增大直流側(cè)電壓，此時進行的是轉(zhuǎn)子外同步。當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速能夠滿足根據(jù)反電動勢判斷電機轉(zhuǎn)子位置的條件時切換為自同步。至此啟動階段結(jié)束，控制器進入調(diào)速控制階段。

故障診斷程序流程框圖如圖4所示。將電機的運行情況分為三種：霍爾信號完整情況下啟動、運行；運行過程中，霍爾信號出現(xiàn)異常且反電動勢信號可被捕捉并能轉(zhuǎn)換為電機轉(zhuǎn)子換相信號的情況下，切換為無霍爾模式控制電機繼續(xù)運行；電機啟動前或轉(zhuǎn)速較低時霍爾信號出現(xiàn)異常(此時反電動勢信號為零或電機轉(zhuǎn)速不滿足反電動勢信號轉(zhuǎn)換為電機換相信號的條件)，利用三段式啟動法啟動并切換為無霍爾模式控制電機運轉(zhuǎn)。默認(rèn)情況下電機使用有霍爾模式控制電機。系統(tǒng)將實時監(jiān)測霍爾信號的完整性，發(fā)生故障時由故障診斷模塊決定系統(tǒng)運行在哪種情況。

圖5為電機啟動前，在霍爾傳感器發(fā)生故障的情況下電機轉(zhuǎn)速的時間歷程。電機接收啟動信號后檢測到霍爾信號異常，無法啟動。此時故障診斷模塊介入，判斷故障類型后切換為無霍爾模式啟動電機，在250ms時刻進入外同步模式加速環(huán)節(jié)(一般設(shè)定外同步轉(zhuǎn)速達到300rpm可以檢測到反電動勢信號)，在350ms時刻程序檢測到穩(wěn)定且可以捕捉到的反電動勢信號，此時由外同步切換為自同步繼續(xù)控制電機加速，在700ms時刻達到設(shè)定轉(zhuǎn)速并繼續(xù)穩(wěn)定運行。

圖6為有霍爾模式運行過程中切斷霍爾信號，電機轉(zhuǎn)速的時間歷程。電機處于有霍爾模式并運行，在700ms時刻切斷霍爾信號，電機轉(zhuǎn)速驟降。該異常的霍爾信號被故障診斷程序及時拾取，且反電動勢信號滿足轉(zhuǎn)換為電機換相信號的條件，系統(tǒng)在750ms時刻切換至無霍爾模式加速，并在900ms時刻達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，隨后穩(wěn)定運行。