適用於多相永磁無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制方法與流程
2024-01-25 07:53:15 1
本發明涉及一種永磁無刷直流電機的控制方法，尤其涉及霍爾傳感器的容錯控制方法。
技術背景
永磁無刷直流電機是伴隨著電力電子技術發展而出現的一種新型機電一體化電機，是現代電子技術、控制理論和電機技術相結合的產物。對永磁無刷電機的研究分為電機技術、電子技術和控制理論進行，三者相互獨立而又互相聯繫。
永磁無刷直流電機與有刷直流電機相似，區別僅在於沒有電刷換相，而是採用電子換相。其本質為由電子逆變器驅動的有位置傳感器反饋控制的交流同步電動機，與普通的有刷直流電動機和感應電動機相比，具有可控性能好、調速範圍寬、低維護率、高效率的特點。永磁無刷直流電機主要由永磁電機本體、轉子位置檢測器和功率電子開關(逆變器)三部分構成。其中各相繞組的通電順序、通電時刻和通電時間長短取決於轉子磁極和定子繞組空間的相對位置，這是由轉子位置檢測器來感知、產生出各相的位置信號，並經過邏輯處理、功率放大後形成功率開關元件的驅動信號，再去控制定子繞組的通斷。常用的位置檢測裝置主要為電磁式位置傳感器、磁敏式位置傳感器和光電式位置傳感器。
矩形波驅動下的直流無刷電機按等距離間隔進行換向，霍爾位置傳感換向法採用一組固定的霍爾傳感器和轉子上的永磁體或額外的磁鐵，用霍爾傳感器檢測轉子上某個位置的磁極，生成與電機狀態一一對應的編碼，因此讀取編碼可以確定轉子位置並進行換向，實現電機的旋轉。統計表明90％的直流無刷電機故障都由於傳感器損壞造成的，因此研究霍爾位置傳感器換向法有重要意義。
多相無刷直流電機和常見的單相和三相無刷直流電機相比，具有輸出轉矩大，效率高，轉矩波動小等特點適用於較低轉速範圍，動力需求大的場所，諸如電動車輛，電動機械機構等。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，提出了一種適用於多相永磁無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制方法。該方法可以有效提高直流無刷電機的換向的穩定性和可靠性。
本發明依據多相(m相，m＞3)永磁無刷直流電機導通角為180(m-1)/m的導通方式下的控制方式，採用m個霍爾傳感器採集換相信號，通過分析霍爾編碼信號的特點設計算法，從而提高多相電機霍爾傳感器的換相可靠性，使得直流無刷電機的運行更為穩定。
傳統的針對霍爾傳感器故障檢測方法僅適用於三相六狀態的永磁直流無刷電機，配備3個霍爾傳感器，對應6種編碼狀態，除去000和111兩種無效狀態外均為有效編碼。而在實際生產中，多相無刷直流電機與三相無刷直流電機相比，具有輸出轉矩大，效率高，轉矩波動小等特點，有著廣泛的應用。若假設電機的相數為m(m＞3)，為提高效率均採用導通角為180(m-1)/m的導通方式，此時最少配備的霍爾傳感器數量為m，可利用編碼數量2m大於2m種有效的電機狀態。為此，利用本發明提出的針對多相直流無刷電機的霍爾傳感器容錯控制方法，可以有效的利用編碼冗餘實現可靠控制。
傳統的霍爾傳感器故障檢測方法，在遇到霍爾傳感器故障而導致的編碼錯誤情況下，會依據程序設定採取停機指令要求更換霍爾傳感器，該方法雖然可以降低由於電機反轉或飛轉造成的危險，但是由於停機帶來的損失無法避免，且霍爾傳感器常安裝在機殼內部，不易維修更換。本發明專利可以有效解決該類問題，通過分析錯誤編碼和正常編碼的關係，針對多相直流無刷電機，可以使系統在少量霍爾傳感器故障情況下依舊保持系統的穩定運行。
一種適用於多相永磁無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制方法，該方法具體包括以下步驟：
步驟1：確定多相直流無刷電機的繞組換相過程和編碼器位置，從理論上得到有效的「編碼器位置-換相過程」對應關係。該過程具體包括：
(1)繪製多相直流無刷電機導通角為180(m-1)/m電角度的導通方式下方波驅動狀態圖；
(2)繪製與之對應的m個等相位差的霍爾傳感器的波形圖，該霍爾傳感器的理論佔空比為50％；
(3)依此得到多相直流無刷電機有效的2m種狀態「編碼器位置-換相過程」，以二進位和十六進位表示。
步驟2：依據與有效編碼的漢明距離分類冗餘編碼。該過程具體包括：
(1)將2m-2m種冗餘編碼序列狀態依次寫入串行移位寄存器S中，令Si＝(S1m,S2m,…,Sim),i＝1，…，2m-2m，其中m為霍爾編碼序列的位數，Sim，Sim，…，Sim為第i種編碼序列的二進位表示的各位數字；
(2)將與換相過程對應的2m種霍爾傳感器編碼狀態寫入依次寫入串行移位寄存器U中，令Uj＝(Uj1,Uj2···Ujm)，j＝1，…，2m，其中Uj1，Uj2，…，Uj2m為第j種編碼序列的二進位表示的各位數字；
(3)依次計算每種冗餘編碼序列和有效換相編碼的漢明距離。定義Si和Uj的漢明距離為dij，其中表示異或運算，i＝1，…，2m-2m，j＝1，…，2m。
(4)對於有效編碼序列Uj，分類漢明距離為1的冗餘編碼集合存入寄存器Q1中；對於有效編碼序列Uj，分類漢明距離大於等於2的冗餘編碼集合存入寄存器Q2中；對於有效編碼序列Uj，分類漢明距離為[(m-0.1)/2]的冗餘編碼集合存入寄存器Q[(m-0.1)/2]中，j＝1，…，2m，其中[*]表示取整。
步驟3：分類集合中的冗餘編碼，進一步確定冗餘編碼和有效編碼的對應關係。該過程具體包括：
(1)分別統計寄存器Q1、Q2、…、Q[(m-0.1)/2]中各個編碼出現的頻數C，由此可得到C＝1，…，[(m-0.1)/2。
(2)記寄存器中C＝1的編碼序列為「次有效編碼」，存入寄存器Q1-1中；記寄存器中C＝2的編碼序列為「低精度編碼」，存入寄存器Q1-2中；以此類推，編碼序列可靠性逐次降低；最後記寄存器Q[(m-0.1)/2]中的編碼序列為「無效編碼」，j＝1，…，2m。
步驟4：依據對冗餘編碼序列的分類，設計直流無刷電機霍爾傳感器容錯控制算法。該過程具體包括：
(1)系統復位、初始化，電機啟動；
(2)檢測換相信號和霍爾傳感器的編碼序列，可能出現幾種情況：
(2-1)霍爾傳感器的編碼序列為集合U中的一個元素，即為有效序列中的一種，則該編碼序列為有效編碼序列，正常換相；
(2-2)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q1-1中的一個元素，即為與有效編碼序列一一對應的冗餘編碼序列，該序列為次有效編碼序列，按照與有效編碼的對應關係，完成換相；
(2-3)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q1-2中的一個元素，即該冗餘編碼序列與等概率的有效編碼序列對應，該序列為低精度編碼序列，隨機選擇一個有效編碼序列，完成換相；
(2-4)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q[(m-0.1)/2]中的一個元素，即為無效編碼序列，等待下一換相時刻。
本發明的有益效果是：針對多相永磁直流無刷電機可能出現的霍爾傳感器故障問題，編程實現系統的容錯和控制算法。在該方法中，基於傳感器的冗餘編碼和邏輯對應關係，結合資訊理論中漢明距離的概念，設計算法，提高無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制能力，保證電機實現穩定可靠的運行。同時該方法具有一定可移植性，可以用於各種多相電機的控制方式。
附圖說明
圖1是電機定轉子示意圖；
圖2是直流無刷電機控制框架圖；
圖3是五相全橋驅動電路圖；
圖4是霍爾位置檢測電路原理圖；
圖5是理想情況下霍爾信號位置與電機狀態對應圖。
具體實施方式
下面根據附圖詳細說明本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。
圖1是試驗用的五相永磁無刷直流電機定轉子示意圖，由圖可見該電機採用分數槽集中繞組，星形連接，選取Z/2p＝5/4的分類，即設計槽數為20，設計極數為16級，同時在每個定子鐵芯齒冠開兩個輔助凹槽，以削弱齒槽轉矩波動。
圖2是直流無刷電機控制框架圖，選用STM32晶片作為電機驅動主控晶片。其次對電機驅動電路的各個模塊電路進行了具體分析說明，包括五相全橋驅動電路、電流檢測模塊、霍爾位置檢測電路、電流保護電路。
圖3是五相全橋驅動電路。驅動橋電路由10個N溝道的MOS管75NF75組成電路中Q1、Q3、Q5、Q7、Q9作為上臂，Q2、Q4、Q6、Q8、Q10作為下臂。通過外加驅動信號控制MOS管的導通與截止，實現驅動功能。在驅動過程中應避免上下管直通，為了減小MOS管發熱，提高系統效率，必須為MOS管提供足夠的驅動能力，使MOS管上升沿與下降沿時問短，MOS導通時工作在飽和區。
圖4是霍爾位置檢測電路原理圖。霍爾傳位置感器一般是由5V的電源驅動。由於霍爾位置傳感器是開漏輸出，所以必須接上拉電阻，因為所用的STM32供電電壓為3.3V，所以上拉電阻電壓為3.3V。為防止無刷電機中的強磁場和無刷電機控制器PWM載波頻率的幹擾，要為霍爾位置傳感器添加低通RC濾波器處理。
本發明提供了一種適用於五相永磁無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制方法。該方法包括：
1、確定五相直流無刷電機的繞組換相過程和編碼器位置，從理論上得到有效的「編碼器位置-換相過程」對應關係。該過程具體包括：
(1)繪製五相直流無刷電機導通角為180(m-1)/m＝144電角度的導通方式下方波驅動狀態圖，如圖5從上往下1-5條線，高電平導通，低電平關斷；
(2)繪製與之對應的5個等相位差的霍爾傳感器的波形圖，該霍爾傳感器的理論佔空比為50％，如圖5從上往下6-10條線，高電平導通，低電平關斷；
(3)依此得到五相直流無刷電機有效的10種狀態「編碼器位置-換相過程」，以二進位和十六進位表示，依次為：
狀態1:10101；狀態2:00101；狀態3：01101；狀態4:01001；
狀態5:01011；狀態6:01010；狀態7：11010；狀態8：10010；
狀態9:10110；狀態10:10100；
2、依據與有效編碼的漢明距離分類冗餘編碼。該過程具體包括：
(1)將25-10＝22種冗餘編碼序列狀態寫入依次寫入串行移位寄存器S中，令Si＝(Si1，Si2，Si3，Si4，Si5)，i＝1，…，22，其中Si1，Si2，Si3，Si4，Si5為第i種編碼序列的二進位表示的各位數字；
(2)將與換相過程對應的10種霍爾傳感器編碼狀態寫入依次寫入串行移位寄存器U中，令Uj＝(Uj1，Uj2，Uj3，Uj4，Uj5)，j＝1,…,10，其中Uj1，Uj2，Uj3，Uj4，Uj5為第j種編碼序列的二進位表示的各位數字；
(3)依次計算每種冗餘編碼序列和有效換相編碼的漢明距離。定義Si和Uj的漢明距離為dij，其中表示異或運算，i＝1，…，22，j＝1，…，10。
(4)對於有效編碼序列Uj，分類漢明距離為1的冗餘編碼集合存入寄存器Q1中；對於有效編碼序列Uj，分類漢明距離為2的冗餘編碼集合存入寄存器Q2中，j＝1，…，10。據此可得：
集合狀態1:10101；
集合狀態2:00101；
集合狀態3：01101；
集合狀態4:01001；
集合狀態5:01011；
集合狀態6:01010；
集合狀態7：11010；
集合狀態8：10010；
集合狀態9:10110；
集合狀態10:10100；
集合Q2＝{00000，11111}；
3、分類集合和中的冗餘編碼，進一步確定冗餘編碼和有效編碼的對應關係。該過程具體包括：
(1)分別統計寄存器Q1和Q2中各個編碼出現的頻數C，採用輪詢的方式計算兩兩編碼的漢明距離，漢明距離為0的記C＝2，反之記C＝1。
(2)記寄存器中C＝1的編碼序列為「次有效編碼」，存入寄存器中；記寄存器中C＝2的編碼序列為「低精度編碼」，存入寄存器中；記寄存器Q2中的編碼序列為「無效編碼」，j＝1，…，10。
據此可得：
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合次有效編碼，
低精度編碼；
集合Q2＝{00000，11111}，無效編碼；
4、依據對冗餘編碼序列的分類，設計直流無刷電機霍爾傳感器容錯控制算法。該過程具體包括：
(1)根據圖3編寫系統軟體，系統復位、初始化，電機啟動；
(2)檢測換相信號和霍爾傳感器的編碼序列，可能出現四種情況：
(2-1)霍爾傳感器的編碼序列為集合U中的一個元素，即為有效序列中的一種，則該編碼序列為有效編碼序列，正常換相；
(2-2)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q1-1中的一個元素，即為與有效編碼序列一一對應的冗餘編碼序列，該序列為次有效編碼序列，按照與有效編碼的對應關係，完成換相；
(2-3)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q1-2中的一個元素，即該冗餘編碼序列與等概率的2個有效編碼序列對應，該序列為低精度編碼序列，隨機選擇一個有效編碼序列，完成換相；
(2-4)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q2中的一個元素，即為無效編碼序列，等待下一換相時刻。