支康儀，武登云，史永麗

(北京控制工程研究所,北京 100190)

0 引 言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDCM)使用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置來(lái)控制電流換相，因其高可靠性、高性能和小體積等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、汽車等工業(yè)領(lǐng)域與家用電器領(lǐng)域。但在惡劣環(huán)境或者長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況下，霍爾位置傳感器易發(fā)生故障，產(chǎn)生斷相等問(wèn)題，電機(jī)出現(xiàn)大電流甚至?xí)龤г骷?。因此，BLDCM位置傳感器信號(hào)的故障診斷及容錯(cuò)十分必要。

近年來(lái)，位置傳感器信號(hào)故障引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的注意，提出了一些故障診斷及容錯(cuò)方法。文獻(xiàn)[1-2]利用正常傳感器信號(hào)上一周期的高低電平寬度估算得到下一周期的高低電平寬度，與實(shí)際信號(hào)電平寬度對(duì)比，當(dāng)差距過(guò)大時(shí)則可判定相應(yīng)傳感器信號(hào)發(fā)生故障，并依據(jù)理論寬度重構(gòu)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障診斷及信號(hào)重構(gòu)。但由于傳感器安裝誤差的影響，此方法只適用于較低轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[3]在某相信號(hào)上升沿和下降沿時(shí)分別對(duì)另一相信號(hào)進(jìn)行采樣，若兩次采樣電平相同，則后者無(wú)故障，否則判為故障。此方法最長(zhǎng)需要2/3周期，故障檢測(cè)效率較低。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)線電壓進(jìn)行傅里葉分解，通過(guò)譜能量密度的變化判定故障類型，但此法只適用于單相信號(hào)故障，且傅里葉分解計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性較差。文獻(xiàn)[6-7]在故障診斷的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行霍爾矢量變換和頻譜分析，消去其諧波分量，使用基波提取轉(zhuǎn)子位置信息，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的容錯(cuò)控制，抑制電流波動(dòng)及轉(zhuǎn)速波動(dòng)，但頻譜分析同樣存在計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題。

目前，對(duì)霍爾位置傳感器故障的檢測(cè)和容錯(cuò)大多不能做到實(shí)時(shí)和高精度，且會(huì)有誤差累計(jì)，因此本文研究一種結(jié)合實(shí)時(shí)加速度估計(jì)信號(hào)間脈沖寬度的霍爾位置傳感器故障檢測(cè)及信號(hào)重構(gòu)方法。該方法記錄正常狀態(tài)下不同相霍爾傳感器信號(hào)之間的跳變沿間隔，并觀測(cè)實(shí)時(shí)加速度，結(jié)合未故障相信息，對(duì)下一個(gè)跳變沿發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行推算估計(jì)，與實(shí)際跳變沿發(fā)生時(shí)刻對(duì)比來(lái)定位故障。在估計(jì)出的時(shí)刻輸出對(duì)應(yīng)相的正確跳變沿，重構(gòu)霍爾信號(hào)，最終在霍爾位置傳感器故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)電機(jī)高速或低速的正常運(yùn)行。

1 BLDCM換相原理

以兩極三相BLDCM為例，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)主電路如圖1所示。

3個(gè)霍爾傳感器間隔120°電角度被安裝在定子內(nèi)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子的N極或S極轉(zhuǎn)至霍爾位置傳感器位置并通過(guò)時(shí)，霍爾位置傳感器的輸出為邏輯“1”高電平或邏輯“0”低電平，將轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在每個(gè)電周期內(nèi)霍爾位置傳感器的高低輸出各為180°電角度，理想的相電流、反電動(dòng)勢(shì)以及霍爾位置傳感器信號(hào)如圖2所示。根據(jù)圖2及表1可知，每個(gè)電周期可分為6個(gè)狀態(tài)，3路霍爾傳感器輸出信號(hào)的上升沿和下降沿決定6個(gè)換相點(diǎn)時(shí)刻，每?jī)蓚€(gè)跳變沿間隔為60°。以此電信號(hào)控制功率驅(qū)動(dòng)電路中的逆變器導(dǎo)通或關(guān)斷，使電機(jī)繞組中的電流按照一定的次序換相，導(dǎo)通繞組順序：AB，AC，BC，BA，CA，CB，形成步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖1 BLDCM轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)主電路

圖2 相電流、反電動(dòng)勢(shì)及霍爾信號(hào)波形示意圖

區(qū)間編號(hào)起始跳變沿終止跳變沿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6B相下降沿A相上升沿

2 位置傳感器故障模式分析

文獻(xiàn)[8]指出，多種因素會(huì)導(dǎo)致霍爾位置傳感器信號(hào)的丟失或錯(cuò)誤，如極端惡劣的環(huán)境、劇烈的振動(dòng)和連線故障等。此處考慮霍爾位置信號(hào)的永久性中斷，即故障發(fā)生后霍爾信號(hào)常為高電平或常為低電平，不再發(fā)生變化，圖3為A，B相常高電平故障。

圖3 A、B雙相信號(hào)常高電平故障

正常情況下，三相霍爾信號(hào)HA,HB和HC均為占空比50%的方波信號(hào)，每個(gè)周期內(nèi)三相信號(hào)共6個(gè)跳變沿表示轉(zhuǎn)子不同的位置。單個(gè)霍爾信號(hào)故障發(fā)生時(shí)(以HA信號(hào)故障為例，如圖3所示)，HA中包含的轉(zhuǎn)子位置信息丟失，兩次電流換相間隔不再是均勻60°，會(huì)出現(xiàn)換相間隔120°的情況。電流不能及時(shí)換相，轉(zhuǎn)子無(wú)法獲得持續(xù)的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，輸出力矩產(chǎn)生波動(dòng)；雙相故障時(shí)(以HA，HB信號(hào)故障為例，如圖3所示)，只有HC信號(hào)的信息被完整保存下來(lái)，電流換相間隔變?yōu)?80°，產(chǎn)生較單相信號(hào)故障更嚴(yán)重的影響。

綜上所述，在霍爾信號(hào)故障情況下轉(zhuǎn)子位置無(wú)法確定，電流不能正常換相，無(wú)法滿足BLDCM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，電機(jī)輸出力矩受到影響，尤其在轉(zhuǎn)速較高情況下會(huì)產(chǎn)生巨大的電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

3 霍爾信號(hào)故障診斷及信號(hào)重構(gòu)

圖4 信號(hào)故障及重構(gòu)模塊示意圖

3.1 先驗(yàn)信息計(jì)算

(1)

可得角加速度估計(jì)值：

(2)

(3)

圖5 A相斷相故障波形

3.2 下一時(shí)刻跳變沿估計(jì)

(4)

因此有：

(5)

可得：

(6)

3.3 置信區(qū)間設(shè)置

(7)

3.4 雙相霍爾信號(hào)故障診斷及信號(hào)重構(gòu)

(8)

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文方法的正確性及可行性，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建BLDCM仿真模型。設(shè)定電機(jī)極對(duì)數(shù)為6，直流端輸入電壓50 V，置信區(qū)間中的參數(shù)K設(shè)為10。采用轉(zhuǎn)速及電流雙閉環(huán)PID控制，設(shè)定轉(zhuǎn)速3 500 r/min。因仿真環(huán)境及計(jì)算機(jī)內(nèi)存限制，仿真模型的其他參數(shù)不完全與實(shí)際實(shí)驗(yàn)電機(jī)相同。在0.4 s時(shí)將A相信號(hào)置為高電平，仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

(a) A相信號(hào)對(duì)比

(b) 繞組電流對(duì)比

(c) 母線電流對(duì)比

(d) 轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖6為無(wú)/有故障檢測(cè)及重構(gòu)方法時(shí)的仿真結(jié)果對(duì)比。圖6(a)為A相霍爾信號(hào)對(duì)比，在故障發(fā)生后，A相信號(hào)常為高電平，當(dāng)使用本文方法時(shí)，霍爾信號(hào)仍正常存在；圖6(b)為繞組電流對(duì)比，未進(jìn)行故障檢測(cè)重構(gòu)時(shí)，電流峰值由2 A在短時(shí)間內(nèi)升至10 A左右，使用本文方法后電流一直保持正常；圖6(c)為母線電流對(duì)比，在未采取措施時(shí)，故障發(fā)生后母線電流由2 A左右升至3～3.5 A，且出現(xiàn)波動(dòng)，采取措施后電流保持平穩(wěn)；圖6(d)為轉(zhuǎn)速對(duì)比，在故障發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)速在約0.002 s后開始下降，在0.03 s內(nèi)下降150 r/min，采用本文方法后，在故障發(fā)生后轉(zhuǎn)速略有波動(dòng)，然后穩(wěn)定在3 500 r/min。由以上分析可知，本文的方法有較好的效果。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在理論分析及仿真研究基礎(chǔ)上，對(duì)以上算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用的BLDCM極對(duì)數(shù)為6，額定電壓為50 V，額定電流為3 A，置信區(qū)間中的參數(shù)K設(shè)為10?？刂葡到y(tǒng)在DSP中實(shí)現(xiàn)，采用轉(zhuǎn)速及電流雙閉環(huán)PID控制，信號(hào)故障診斷及重構(gòu)模塊由FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量、DSP運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電路采用三相半橋式，并在三相霍爾信號(hào)傳輸通路中分別安裝開關(guān)以模擬霍爾信號(hào)故障。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，信號(hào)正常，關(guān)閉時(shí)，信號(hào)被截?cái)啵脼楦唠娖?，使用示波器記錄霍爾信?hào)、繞組電流和母線電流。繞組電流和母線電流均由電流鉗測(cè)得，分別為10 A/V和1 A/V檔；通過(guò)1553B接口傳回并記錄實(shí)際轉(zhuǎn)速值。受篇幅所限，僅給出在3 500 r/min轉(zhuǎn)速下，單相(A相)信號(hào)故障時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開關(guān)在25 s時(shí)關(guān)閉。

(a) 霍爾信號(hào)及繞組電流

(b)轉(zhuǎn)速

(a) 霍爾信號(hào)及繞組電流

(b)轉(zhuǎn)速

圖7(a)為示波器截圖，從上到下4個(gè)通道依次為A相信號(hào)、重構(gòu)A相信號(hào)、繞組電流及母線電流，在tf=25 s時(shí)故障發(fā)生，此過(guò)程中故障診斷及重構(gòu)模塊關(guān)閉，即重構(gòu)信號(hào)與原信號(hào)相同；圖7(b)為通過(guò)1553B通信接口傳回的實(shí)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，A相信號(hào)常為高電平，母線電流在5 s內(nèi)由0.4 A增大至1 A，繞組電流峰值由2 A增大至12 A，轉(zhuǎn)速在10 s內(nèi)下降40 r/min，電機(jī)出現(xiàn)異常響應(yīng)。

圖8為加入信號(hào)故障診斷及重構(gòu)方法后的運(yùn)行結(jié)果。在未發(fā)生故障時(shí)，重構(gòu)信號(hào)為正常信號(hào)；當(dāng)tf=25 s時(shí)故障發(fā)生，A相信號(hào)常為高電平，A相重構(gòu)信號(hào)仍然保持正常，母線電流及繞組電流基本保持不變，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，都在可接受波動(dòng)范圍內(nèi)，且電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)異常響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。對(duì)比可知，本文的故障診斷及信號(hào)重構(gòu)方法對(duì)信號(hào)故障抑制效果較好，在故障發(fā)生后電機(jī)運(yùn)行基本不受影響。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)霍爾位置傳感器故障，研究了一種基于正確相信號(hào)的故障診斷及信號(hào)重構(gòu)方法。本文分析了BLDCM原理及霍爾位置傳感器故障模式，在當(dāng)前未被判定為故障相的信號(hào)基礎(chǔ)上，根據(jù)不同周期跳變沿間寬度的關(guān)系，結(jié)合實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子加速度、速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾信號(hào)故障的檢測(cè)和故障信號(hào)的重構(gòu)。在3 500 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證并進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，本文方法可實(shí)時(shí)檢測(cè)出故障并及時(shí)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，在故障發(fā)生后電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流幾乎未產(chǎn)生波動(dòng)，無(wú)誤差累計(jì)現(xiàn)象，電機(jī)可正常運(yùn)行。