董亮輝,劉景林

(西北工業(yè)大學(xué),西安 710072)

無刷直流電動機(jī)容錯(cuò)控制中性能波動的抑制研究

董亮輝,劉景林

(西北工業(yè)大學(xué),西安 710072)

容錯(cuò)控制能夠克服霍爾位置傳感器的故障，使無刷直流電動機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。然而，在故障檢測過程中，電機(jī)會產(chǎn)生較大的異常電流和明顯的轉(zhuǎn)速波動，這源自于故障信號所引入的故障角。此外霍爾傳感器的安裝誤差也會引起三相不對稱電流，造成低頻轉(zhuǎn)矩脈動。針對霍爾傳感器的安裝誤差和較小的故障角，提出了轉(zhuǎn)子角度的估計(jì)與平均的方法，將誤差角和故障角對換相點(diǎn)的影響減小為1/3或1/2。對于較大的故障角，根據(jù)故障檢測結(jié)果的變化情況來消除故障角，并利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行角度估計(jì)，從而保證故障檢測過程中電流的合理換相。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法能夠有效地減小安裝誤差引起的電流不對稱，并且明顯地抑制了電機(jī)在故障發(fā)生后的電流和轉(zhuǎn)速波動。

無刷直流電動機(jī)；容錯(cuò)控制；波動抑制；瞬態(tài)電流；轉(zhuǎn)速波動；霍爾安裝誤差

0 引 言

近年來，無刷直流電動機(jī)驅(qū)動的可靠性得到了越來越多的關(guān)注[1-2]，其中位置傳感器的故障檢測和容錯(cuò)控制是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)[3-6]。文獻(xiàn)[3]中構(gòu)建了一個(gè)轉(zhuǎn)子位置觀測器，比較觀測結(jié)果與霍爾傳感器的輸出，利用兩者的差值來檢測傳感器的故障。檢測到故障后，改用觀測器輸出作為轉(zhuǎn)子位置反饋，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。然而位置觀測器的實(shí)現(xiàn)需要增加額外的硬件電路，提高了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，實(shí)用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[4]則對電機(jī)的線電壓進(jìn)行測量和離散傅里葉變換，通過諧波分析，確定故障類型。這種故障檢測的方法極大地增加了計(jì)算量而且檢測效率較低。隨后，文獻(xiàn)[5]對霍爾傳感器的輸出狀態(tài)進(jìn)行了分析，總結(jié)了各種故障情況下霍爾信號的獨(dú)特變化序列，然后將傳感器的輸出與這些特征序列進(jìn)行比較，完成故障檢測。這種方法簡便有效，但是檢測速度仍然很慢，影響容錯(cuò)控制的效果。最近，文獻(xiàn)[6]提出了兩種故障檢測方法，分別基于霍爾信號跳變順序和電機(jī)轉(zhuǎn)向估計(jì)，這兩種方法實(shí)現(xiàn)簡單、效率高，明顯地改善了容錯(cuò)控制性能。

雖然故障檢測的效率在不斷提高，但是，從故障發(fā)生到檢測完成仍然需要一段時(shí)間(記為故障檢測過程)。在檢測過程中，故障帶來的故障角會影響電機(jī)電流的正常換相，從而引起較大的異常電流和轉(zhuǎn)矩波動。除此以外，霍爾傳感器還會有一定的安裝誤差，這也會影響換相的準(zhǔn)確度，引起三相電流不對稱，造成低頻轉(zhuǎn)矩波動[7]。因此，為了提高無刷直流電動機(jī)的容錯(cuò)控制效果，需要對故障及誤差引起的電機(jī)性能波動進(jìn)行抑制。

本文針對霍爾位置傳感器的安裝誤差和故障角展開研究，提出抑制電機(jī)性能波動的方法。首先，利用每個(gè)霍爾傳感器對角度進(jìn)行單獨(dú)估計(jì)，然后對這些估計(jì)角進(jìn)行平均值計(jì)算，根據(jù)平均轉(zhuǎn)角控制電流的換相。這樣，安裝誤差或故障角度對換相點(diǎn)的影響就縮小為1/3(所有霍爾正常工作時(shí))或者1/2(一個(gè)霍爾發(fā)生故障時(shí))。對于較大的故障角，其1/3或1/2仍然會造成較大的異常電流和轉(zhuǎn)速波動，因此本文對這種故障情況進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。通過分析故障檢測結(jié)果的變化，在故障發(fā)生瞬間，直接將包含故障角的位置信息舍棄，然后利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行角度估計(jì)，控制電機(jī)在故障檢測過程中正確換相，從而抑制較大的電流和轉(zhuǎn)速波動。最后，搭建了無刷直流電動機(jī)容錯(cuò)控制平臺，對所提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用所提出的方法，電機(jī)的不對稱電流、異常電流和轉(zhuǎn)速波動都得到了明顯的抑制，系統(tǒng)的容錯(cuò)控制性能得到了明顯的提高。

1 無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動和容錯(cuò)控制

1.1 無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)如圖1(a)所示，包括無刷直流電動機(jī)、霍爾位置傳感器、逆變器、主控電路和隔離驅(qū)動電路。主控電路根據(jù)霍爾傳感器的位置反饋，輸出一定的PWM信號，通過隔離和驅(qū)動，控制逆變器為電機(jī)提供驅(qū)動電流。無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其中H1，H2和H3分別為三

(a) 無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

(b) 無刷直流電動機(jī)橫界面示意圖

圖1 無刷直流電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)

個(gè)霍爾位置傳感器；θr為轉(zhuǎn)子位置。理想情況下，三個(gè)位置傳感器之間互差120°電角度。然而在實(shí)際中，這三個(gè)傳感器難以完全精確地安裝，往往存在角度誤差(分別記為φ1,φ2和φ3)，如圖1(b)中H1′、H2′和H3′所示。這種情況下，每個(gè)霍爾傳感器所反映的角度就不再是電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際角度θr，還包含了相應(yīng)安裝誤差角，分別如下:

(1)

(2)

(3)

由于霍爾傳感器的安裝誤差，無刷直流電動機(jī)各相的導(dǎo)通角度不再是均勻的120°，導(dǎo)致三相電流的不對稱現(xiàn)象，并引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩的低頻波動[7]。

1.2 故障檢測和容錯(cuò)控制

除了安裝誤差外，霍爾傳感器還可能發(fā)生故障，如由于霍爾元件失效或者連線發(fā)生開路等原因?qū)е履硞€(gè)霍爾信號丟失[5-6]。這種情況下，無刷直流電動機(jī)無法正確換相，會出現(xiàn)極大的異常電流，導(dǎo)致電機(jī)無法正常轉(zhuǎn)動，并會引起電機(jī)和驅(qū)動器的進(jìn)一步損壞。圖2為一個(gè)霍爾傳感器發(fā)生故障的情況，其中h1,h2和h3分別是霍爾傳感器H1，H2和H3的輸出信號。當(dāng)霍爾傳感器(例如H3)發(fā)生故障時(shí)，檢測到的霍爾信號(h3)將不再發(fā)生變化[5-6]。本文所討論的故障主要包括單個(gè)或兩個(gè)霍爾傳感器發(fā)生的故障，具體如表1所示。

圖2 霍爾傳感器故障及其檢測

表1 霍爾傳感器的故障類型

基于轉(zhuǎn)向估計(jì)的故障檢測是當(dāng)前檢測效率最高的一種方法[6]。首先定義12個(gè)變量來反映霍爾信號在各個(gè)跳變沿處的狀態(tài)，分別為h1,r2,h1,r3,h2,r1,h2,r3,h3,r1,h3,r2(在每個(gè)霍爾信號的上升沿檢測)和h1,f2,h1,f3,h2,f1,h2,f3,h3,f1,h3,f2(在每個(gè)霍爾信號的下降沿檢測)，或者簡記為hx,ry和hx,fy(x,y∈{1,2,3}且x≠y)。hx,ry和hx,fy分別是霍爾信號hx在信號hy的上升沿和下降沿處的取值，具體如圖2所示。為了便于電機(jī)轉(zhuǎn)向的表述，將正轉(zhuǎn)記為“1”，反轉(zhuǎn)記為“0”，在無故障的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以利用任意一個(gè)變量hx,ry或hx,fy推出，如表2所示，其中dx,ry和dx,fy分別對應(yīng)由變量hx,ry和hx,fy得出的方向估計(jì)[6]。

表2 轉(zhuǎn)動方向的估計(jì)

當(dāng)霍爾傳感器正常工作時(shí)，由表2得到的所有轉(zhuǎn)向估計(jì)值都相等，即dx,ry=dx,fy。而當(dāng)某個(gè)霍爾傳感器發(fā)生故障，相應(yīng)的霍爾信號將不再變化(例如hx)，檢測得到的方向信號將發(fā)生矛盾，即dx,ry≠dx,fy或|dx,ry-dx,fy|=1。如圖2所示，當(dāng)故障發(fā)生后，霍爾信號h3保持在高電平，因此h3,r2=h3,f2且h3,r1=h3,f1。由表2可得|d3,r2-d3,f2|=1且|d3,r1-d3,f1|=1。因此在每個(gè)霍爾信號的跳變沿，可以通過比較不同的轉(zhuǎn)向估計(jì)值來判斷霍爾傳感器的故障情況，具體如表3所示，其中f1,f2和f3分別表示霍爾傳感器H1,H2和H3的故障情況(fx=1表示霍爾傳感器Hx發(fā)生了故障)。根據(jù)故障檢測的結(jié)果，可以利用剩余正常的霍爾信號進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)，繼續(xù)為系統(tǒng)提供合理的位置反饋，從而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制[6]。

表3 霍爾傳感器的故障檢測

2 性能波動的抑制

2.1 霍爾信號的故障角

(a) 故障角δ較小

(b) 故障角δ較大

圖3 霍爾傳感器故障檢測的仿真結(jié)果

2.2 位置估計(jì)與平均

每個(gè)霍爾信號中都包含有轉(zhuǎn)子的位置信息，如式(1)～式(3)所示，因此可以利用每個(gè)霍爾信號進(jìn)行獨(dú)立的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。如圖4所示，測試每個(gè)霍爾信號的跳變沿之間的時(shí)間Δt(也即電機(jī)轉(zhuǎn)過πrad所用的時(shí)間)，然后利用式(4)～式(6)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度進(jìn)行估計(jì)。

圖4 利用霍爾信號估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度

(4)

(5)

(6)

式中：x=1，2或3，用于指代任意一個(gè)霍爾信號。然后，對每個(gè)估計(jì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分運(yùn)算，就可以估算出每個(gè)霍爾信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)角，如下:

(7)

考慮到霍爾傳感器的安裝誤差，估算角度與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系可以近似表示:

(8)

然后對三個(gè)估計(jì)角度求平均可得:

(9)

圖5 霍爾誤差角和故障角的抑制以及容錯(cuò)控制

當(dāng)一個(gè)霍爾傳感器Hx發(fā)生故障時(shí)，錯(cuò)誤的跳變沿引入了故障角δ，則對應(yīng)的估計(jì)角度:

(10)

在故障檢測完成之前，利用角度平均法，可以得到平均角度:

這時(shí)，故障角對換相的影響變?yōu)樵瓉淼?/3。

當(dāng)故障完成檢測后，舍棄故障信號對應(yīng)的角度估計(jì)，重新進(jìn)行角度平均值計(jì)算，從而完成容錯(cuò)控制。例如，霍爾傳感器H3發(fā)生故障，故障檢測完成后，平均角度的計(jì)算變:

(12)

當(dāng)?shù)诙€(gè)霍爾信號故障發(fā)生(假設(shè)故障的傳感器為H2)時(shí)，帶來的角度誤差記為δ′，這時(shí)平均角度:

(13)

這樣，誤差角對平均角度的影響減小為1/2。當(dāng)?shù)诙位魻柟收蠙z測完成后，利用剩余的角度估計(jì)如式(14)所示，使電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，完成容錯(cuò)控制。

(14)

2.3 較大誤差角的消除

當(dāng)故障角度較大時(shí)，如圖3(b)所示，即使使用角度的平均法，誤差角度仍然會對電機(jī)的正確換相產(chǎn)生十分不利的影響，這就需要采取特殊的策略。如圖3(b)所示，較大的誤差角使得故障檢測結(jié)果立即發(fā)生變化，但是直到檢測過程結(jié)束，才能得知真正的故障類型。因此這種情況下，故障的發(fā)生可以通過故障檢測結(jié)果ftype的改變來指示(ftype(n-1)≠ftype(n))，這個(gè)時(shí)刻的霍爾跳變提供了錯(cuò)誤的位置信息，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速計(jì)算也是錯(cuò)誤的，在角度估計(jì)中將其舍棄，繼續(xù)使用之前計(jì)算的速度和加速度進(jìn)行角度估計(jì)。當(dāng)檢測結(jié)果不再發(fā)生變化時(shí)(ftype(n-1)=ftype(n))，故障檢測已經(jīng)完成，這時(shí)再根據(jù)故障檢測結(jié)果，選取正?；魻栃盘枺ㄟ^角度估計(jì)和平均提供轉(zhuǎn)子位置反饋，完成容錯(cuò)控制。這樣就完全避免了故障角δ對角度估計(jì)的影響，可以極大地減小電機(jī)的性能波動。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文所用無刷直流電動機(jī)參數(shù)如表4所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 N·m，加載器轉(zhuǎn)動慣量為1.2×10-4N·m·s2，霍爾信號、電流及轉(zhuǎn)速信息通過基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集平臺進(jìn)行測試和記錄。三個(gè)開關(guān)串聯(lián)在霍爾傳感器的連接線中，通過控制開關(guān)的開合來模擬霍爾傳感器的故障。故障檢測和容錯(cuò)控制在一個(gè)基于dsPIC30F2020的硬件電路中實(shí)現(xiàn)，該硬件電路連接在霍爾傳感器和驅(qū)動器之間。實(shí)驗(yàn)中，針對各種故障情況，對無波動抑制的容錯(cuò)控制和基于波動抑制方法的容錯(cuò)控制都進(jìn)行了測試和比較。

表4 無刷直流電動機(jī)參數(shù)

圖6為霍爾信號完全正常的情況下，角度估計(jì)與平均法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中角度估計(jì)和平均法在t=70 ms處使能?？梢钥闯觯?dāng)直接利用霍爾信號控制電機(jī)換相時(shí)，霍爾傳感器的安裝誤差導(dǎo)致電機(jī)三相電路不對稱，且電流中有明顯的尖峰。當(dāng)角度估計(jì)與平均法使能之后，電機(jī)三相繞的換相時(shí)刻分布更加均勻，三相電流的對稱度明顯提高。

圖6 霍爾安裝誤差的抑制

圖7和圖8為單個(gè)霍爾發(fā)生故障的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖7中故障角較小，而圖8中故障角度較大。圖7中故障發(fā)生在t=20 ms處，在原有容錯(cuò)控制方法中，電流出現(xiàn)了30 A的尖峰，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了60 r/min的波動。而當(dāng)使用波動抑制方法時(shí)，電流和轉(zhuǎn)速都只出現(xiàn)了很小的波動。圖8為故障角較大的情況，故障發(fā)生在t=20 ms處，在常規(guī)容錯(cuò)控制中，電流的尖峰達(dá)到了20 A，轉(zhuǎn)速波動為48 r/min。而當(dāng)使用波動抑制的容錯(cuò)控制時(shí)，電流和轉(zhuǎn)速幾乎沒有波動。

(a) 霍爾信號

(b) 無波動抑制

(c) 波動抑制

(d) 轉(zhuǎn)速

(a) 霍爾信號

(b) 無波動抑制

(c) 波動抑制

(d) 轉(zhuǎn)速

圖9和圖10為兩個(gè)霍爾發(fā)生故障的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖9為故障角較小的情況，圖10為故障角較大的故障情況。圖9中，故障發(fā)生在t=70 ms，對于無波動抑制的容錯(cuò)控制，故障引起了極大的異常電流，峰值達(dá)到了75 A，而轉(zhuǎn)速波動高達(dá)100 r/min。當(dāng)采用波動抑制方法時(shí)，電流只增加了3 A，轉(zhuǎn)速波動只有14 r/min，波動得到了明顯的抑制。較大的故障角如圖10所示，在無波動抑制的情況下，電機(jī)電流出現(xiàn)了高達(dá)75 A的尖峰，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了110 r/min的波動。而當(dāng)采用提出的波動抑制方法時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流都幾乎沒有發(fā)生波動，平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)控制。

(a) 霍爾信號

(b) 無波動抑制

(c) 波動抑制

(d) 轉(zhuǎn)速

(a) 霍爾信號

(b) 無波動抑制

(c) 波動抑制

(d) 轉(zhuǎn)速

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所提出的波動抑制方法，能夠抑制由霍爾傳感器安裝誤差引起的電流不對稱，也能夠明顯地抑制容錯(cuò)控制中的電流和轉(zhuǎn)速波動，從而提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)控制效果。

4 結(jié) 語

本文在無刷直流電動機(jī)容錯(cuò)控制的基礎(chǔ)上，對霍爾傳感器安裝誤差和故障引起的電流和轉(zhuǎn)速波動展開研究，提出了轉(zhuǎn)角估計(jì)與平均的方法，實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)控制中性能波動的抑制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)角估計(jì)與平均法能夠有效地消除霍爾傳感器安裝誤差帶來的電流不對稱，而且能夠明顯地抑制霍爾傳感器故障所帶來的異常電流和轉(zhuǎn)速波動，從而使無刷直流電動機(jī)的容錯(cuò)控制性能得到了極大的提高。

[1] 林海,嚴(yán)衛(wèi)生,李宏.無刷直流電動機(jī)驅(qū)動控制容錯(cuò)方案研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009 ，43(2)：53-57.

[2] 王強(qiáng),王友仁,張子富,等.無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)逆變器的開路故障診斷[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013，33(24)：114-120.

[3] YU-SEOK J,SEUNG-KI S,STEVEN E S,et al.Fault detection and fault-tolerant control of interior permanent-magnet motor drive system for electric vehicle[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(1): 46-51.

[4] TASHAKORI A,EKTESABI M.A simple fault tolerant control system for Hall effect sensors failure of BLDC motor[C]//8th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.IEEE,2013:1011-1016.

[5] GIACOMO S,GIULIO D D,GIUSEPPE S,et al.Fault-tolerant rotor position and velocity estimation using binary Hall-effect sensors for low-cost vector control drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2014,50(5):3403-3413.

[6] DONG L,JATSKEVICH J,HUANG Y,et al.Fault diagnosis and signal reconstruction of hall sensors in brushless permanent magnet motor drives[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2015,31(1):118-131.

[7] POOYA A,SINA C,JURI J.Evaluating misalignment of hall sensors in brushless DC motors[C]//2008 IEEE Electric Power & Energy Conference.IEEE,2008:1-6.

Suppression of Performance Fluctuation in Fault Tolerant Control of Brushless DC Motor

DONGLiang-hui,LIUJing-Lin

(Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

The brushless DC motor drives can recover from Hall sensor faults under the fault tolerant control. However, abnormal transient currents and speed fluctuation emerge during the fault diagnosis process due to the fault angle brought by the faulty signal. In adddition, the installation errors of Hall sensors also result in unbalanced currents and low-frequnecy torque fluctuation. In this paper, position estimations and averaging methods were proposed to reduce the influence of error and fault angles on the commutation timings. For significant fault angles, the fault diagnosis process was notified by the variation of fault diagnosis results, during which the fault angle was eliminated and the rotor position was estimated based on the history data. The experimental results demonstrate that the currents can be balanced and the fluctuation in currents and speed can be suppressed by the proposed methods.

brushless DC motor (BLDCM); fault tolerant control; fluctuation suppression; transient currents; speed fluctuation; position error

2015-11-07

TM33

A

1004-7018(2016)05-0001-05