BLDCM霍尔位置传感器信号故障诊断及重构

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设计分析esign and analysis 2019年第47卷第1期

支康仪等　BLDCM 霍尔位置传感器信号故障诊断及重构

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　收稿日期:2018-07-31

BLDCM 霍尔位置传感器信号故障诊断及重构

支康仪,武登云,史永丽

(北京控制工程研究所,北京100190)

摘　要:研究一种基于正确相霍尔信号对无刷直流电动机故障信号进行诊断及重构的方法,无误差积累㊁精度高且适用于较高转速㊂以未故障相为基础,结合加速度㊁速度等先验信息,推导估计下一跳变沿发生时刻,并加入置信区间机制,以此诊断故障并对信号进行重构㊂仿真及实验结果表明,该方法可及时诊断出故障霍尔信号,并实现高精度重构,电机转速及电流在正常范围内波动且电机正常运行㊂

关键词:无刷直流电动机;故障诊断;信号重构

中图分类号:TM33 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2019)01-0012-05

BLDCM Hall Sensor Signal Fault Detection and Reconstruction ZHI Kang⁃yi ,WU Deng⁃yun ,SHI Yong⁃li

(Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,China)

Abstract :A high-accuracy fault detection and signal reconstruction method on BLDCM combined with the right resid⁃

ual signals was studied.Based on the priori information and the correct phases,the next time of the jumping edge and cor⁃responding phase was estimated.Also a confident interval was set to detect the faults and reconstruct the signals.The ex⁃periment result notes that the wrong signal could be detected in time and reconstructed accurately.The speed and the cur⁃rent were both normal and the BLDCM ran well.

Key words :brushless DC motor (BLDCM),fault detection,signal reconstruction

0　引　言

无刷直流电动机(以下简称BLDCM)使用位置传感器检测转子位置来控制电流换相,因其高可靠性㊁高性能和小体积等优点被广泛应用于航空航天㊁机械㊁汽车等工业领域与家用电器领域㊂但在恶劣环境或者长时间运行情况下,霍尔位置传感器易发生故障,产生断相等问题,电机出现大电流甚至会烧毁元器件㊂因此,BLDCM 位置传感器信号的故障诊断及容错十分必要㊂

近年来,位置传感器信号故障引起了国内外学者的注意,提出了一些故障诊断及容错方法㊂文献[1-2]利用正常传感器信号上一周期的高低电平宽度估算得到下一周期的高低电平宽度,与实际信号电平宽度对比,当差距过大时则可判定相应传感器信号发生故障,并依据理论宽度重构信号,实现故障诊断及信号重构㊂但由于传感器安装误差的影响,此方法只适用于较低转速㊂文献[3]在某相信号上升沿和下降沿时分别对另一相信号进行采样,若两次采样电平相同,则后者无故障,否则判为故障㊂此方法最长需要2/3周期,故障检测效率较低㊂文献[4-5]对线电压进行傅里叶分解,通过谱能量密度

的变化判定故障类型,但此法只适用于单相信号故障,且傅里叶分解计算复杂㊁实时性较差㊂文献[6-7]在故障诊断的基础上对信号进行霍尔矢量变换和频谱分析,消去其谐波分量,使用基波提取转子位置信息,实现电机的容错控制,抑制电流波动及转速波动,但频谱分析同样存在计算复杂的问题㊂

目前,对霍尔位置传感器故障的检测和容错大多不能做到实时和高精度,且会有误差累计,因此本文研究一种结合实时加速度估计信号间脉冲宽度的霍尔位置传感器故障检测及信号重构方法㊂该方法记录正常状态下不同相霍尔传感器信号之间的跳变沿间隔,并观测实时加速度,结合未故障相信息,对下一个跳变沿发生时刻进行推算估计,与实际跳变沿发生时刻对比来定位故障㊂在估计出的时刻输出对应相的正确跳变沿,重构霍尔信号,最终在霍尔位置传感器故障状态下实现电机高速或低速的正常运行㊂

1　BLDCM 换相原理

以两极三相BLDCM 为例,转子位置检测主电路如图1所示㊂

3个霍尔传感器间隔120°电角度被安装在定子

内来检测转子位置㊂当转子的N 极或S 极转至霍尔位置传感器位置并通过时,霍尔位置传感器的输

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设计分析esign and analysis

支康仪等　

BLDCM

霍

尔位置传感器信号故障诊断及重构

13　出为逻辑 1”高电平或逻辑 0”低电平,将转子的位置信号转换成电信号㊂在每个电周期内霍尔位置传感器的高低输出各为180°电角度,理想的相电流㊁反电动势以及霍尔位置传感器信号如图2所示㊂根据图2及表1可知,每个电周期可分为6个状态,3路霍尔传感器输出信号的上升沿和下降沿决定6个换相点时刻,每两个跳变沿间隔为60°㊂以此电信号控制功率驱动电路中的逆变器导通或关断,使电机绕组中的电流按照一定的次序换相,导通绕组顺序:AB ,AC ,BC ,BA ,CA ,CB ,形成步进式旋转磁场,驱动转子旋转

㊂

图1　BLDCM

转子位置检测主电路

图2　相电流㊁反电动势及霍尔信号波形示意图

表1　周期内跳变沿对应关系

区间编号

起始跳变沿终止跳变沿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6

B 相下降沿A 相上升沿2　位置传感器故障模式分析

文献[8]指出,多种因素会导致霍尔位置传感器信号的丢失或错误,如极端恶劣的环境㊁剧烈的振动和连线故障等㊂此处考虑霍尔位置信号的永久性中断,即故障发生后霍尔信号常为高电平或常为低电平,不再发生变化,图3为A ,B 相常高电平故障

㊂

图3　A ㊁B 双相信号常高电平故障

正常情况下,三相霍尔信号H A ,H B 和H C 均为占空比50%的方波信号,每个周期内三相信号共6个跳变沿表示转子不同的位置㊂单个霍尔信号故障发生时(以H A 信号故障为例,如图3所示),H A 中包含的转子位置信息丢失,两次电流换相间隔不再是均匀60°,会出现换相间隔120°的情况㊂电流不能及时换相,转子无法获得持续的磁场驱动,输出力矩产生波动;双相故障时(以H A ,H B 信号故障为例,如图3所示),只有H C 信号的信息被完整保存下来,

电流换相间隔变为180°,产生较单相信号故障更严重的影响㊂

综上所述,在霍尔信号故障情况下转子位置无法确定,电流不能正常换相,无法满足BLDCM 驱动系统的要求,电机输出力矩受到影响,尤其在转速较高情况下会产生巨大的电流波动和转速波动㊂

3　霍尔信号故障诊断及信号重构

为减小霍尔信号故障对电机影响,在霍尔信号进入驱动电路前需进行故障的检测定位并重构出正

确的信号,图4为霍尔信号故障诊断及重构模块所在位置,其中H ′A ,H ′B 和H ′C 为诊断重构后的信号㊂

霍尔信号断相故障发生时,根据前一周期内估计得到的角加速度a ^

㊁角速度ω^

㊁跳变沿间宽度ΔT 和最近一次跳变沿发生时刻t 来估计下一个跳变沿发生

时刻t ′,并设置一定的置信区间,检测是否在区间内检测到指定相的跳变沿,若未检测到即可判定对应相发生故障,同时输出跳变沿重构出的正确信号㊂

因此本文的方法可分为3个步骤实现:先验信息的

计算㊁跳变沿的估计㊁置信区间的设定㊂以下以t k +1

4

时刻A 相发生常高故障为例进行分析㊂

图4　信号故障及重构模块示意图

3.1　先验信息计算

因电机加速阶段加速度不定,此处只考虑稳速情况㊂电机转速稳定时,不可避免存在较小的转速波动,因此在算法中考虑实时加速度和速度,使结果更加精确㊂如图5所示,在第k 个周期(k ≥2)内三

相霍尔信号的6个跳变沿发生时刻分别为t k 1~t k

6,每

个周期被跳变沿分为6个区间,每个区间时间宽度

为ΔT k i (i =1,2, ,6,图中只标出ΔT k 4),每段区间对

应的起始及终止跳变沿如表1所示㊂在计算加速度

时,将第k -1个周期中的加速度a k -1

i 作为a ^

k i 的估计