适用于多相永磁无刷直流电机霍尔传感器的容错控制方法与流程

本发明涉及一种永磁无刷直流电机的控制方法，尤其涉及霍尔传感器的容错控制方法。

技术背景

永磁无刷直流电机是伴随着电力电子技术发展而出现的一种新型机电一体化电机，是现代电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。对永磁无刷电机的研究分为电机技术、电子技术和控制理论进行，三者相互独立而又互相联系。

永磁无刷直流电机与有刷直流电机相似，区别仅在于没有电刷换相，而是采用电子换相。其本质为由电子逆变器驱动的有位置传感器反馈控制的交流同步电动机，与普通的有刷直流电动机和感应电动机相比，具有可控性能好、调速范围宽、低维护率、高效率的特点。永磁无刷直流电机主要由永磁电机本体、转子位置检测器和功率电子开关(逆变器)三部分构成。其中各相绕组的通电顺序、通电时刻和通电时间长短取决于转子磁极和定子绕组空间的相对位置，这是由转子位置检测器来感知、产生出各相的位置信号，并经过逻辑处理、功率放大后形成功率开关元件的驱动信号，再去控制定子绕组的通断。常用的位置检测装置主要为电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器和光电式位置传感器。

矩形波驱动下的直流无刷电机按等距离间隔进行换向，霍尔位置传感换向法采用一组固定的霍尔传感器和转子上的永磁体或额外的磁铁，用霍尔传感器检测转子上某个位置的磁极，生成与电机状态一一对应的编码，因此读取编码可以确定转子位置并进行换向，实现电机的旋转。统计表明90％的直流无刷电机故障都由于传感器损坏造成的，因此研究霍尔位置传感器换向法有重要意义。

多相无刷直流电机和常见的单相和三相无刷直流电机相比，具有输出转矩大，效率高，转矩波动小等特点适用于较低转速范围，动力需求大的场所，诸如电动车辆，电动机械机构等。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种适用于多相永磁无刷直流电机霍尔传感器的容错控制方法。该方法可以有效提高直流无刷电机的换向的稳定性和可靠性。

本发明依据多相(m相，m＞3)永磁无刷直流电机导通角为180(m-1)/m的导通方式下的控制方式，采用m个霍尔传感器采集换相信号，通过分析霍尔编码信号的特点设计算法，从而提高多相电机霍尔传感器的换相可靠性，使得直流无刷电机的运行更为稳定。

传统的针对霍尔传感器故障检测方法仅适用于三相六状态的永磁直流无刷电机，配备3个霍尔传感器，对应6种编码状态，除去000和111两种无效状态外均为有效编码。而在实际生产中，多相无刷直流电机与三相无刷直流电机相比，具有输出转矩大，效率高，转矩波动小等特点，有着广泛的应用。若假设电机的相数为m(m＞3)，为提高效率均采用导通角为180(m-1)/m的导通方式，此时最少配备的霍尔传感器数量为m，可利用编码数量2^m大于2m种有效的电机状态。为此，利用本发明提出的针对多相直流无刷电机的霍尔传感器容错控制方法，可以有效的利用编码冗余实现可靠控制。

传统的霍尔传感器故障检测方法，在遇到霍尔传感器故障而导致的编码错误情况下，会依据程序设定采取停机指令要求更换霍尔传感器，该方法虽然可以降低由于电机反转或飞转造成的危险，但是由于停机带来的损失无法避免，且霍尔传感器常安装在机壳内部，不易维修更换。本发明专利可以有效解决该类问题，通过分析错误编码和正常编码的关系，针对多相直流无刷电机，可以使系统在少量霍尔传感器故障情况下依旧保持系统的稳定运行。

一种适用于多相永磁无刷直流电机霍尔传感器的容错控制方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：确定多相直流无刷电机的绕组换相过程和编码器位置，从理论上得到有效的“编码器位置-换相过程”对应关系。该过程具体包括：

(1)绘制多相直流无刷电机导通角为180(m-1)/m电角度的导通方式下方波驱动状态图；

(2)绘制与之对应的m个等相位差的霍尔传感器的波形图，该霍尔传感器的理论占空比为50％；

(3)依此得到多相直流无刷电机有效的2m种状态“编码器位置-换相过程”，以二进制和十六进制表示。

步骤2：依据与有效编码的汉明距离分类冗余编码。该过程具体包括：

(1)将2^m-2m种冗余编码序列状态依次写入串行移位寄存器S中，令S_i＝(S_1m,S_2m,…,S_im),i＝1，…，2^m-2m，其中m为霍尔编码序列的位数，S_im，S_im，…，S_im为第i种编码序列的二进制表示的各位数字；

(2)将与换相过程对应的2m种霍尔传感器编码状态写入依次写入串行移位寄存器U中，令U_j＝(U_j1,U_j2···U_jm)，j＝1，…，2m，其中U_j1，U_j2，…，U_j2m为第j种编码序列的二进制表示的各位数字；

(3)依次计算每种冗余编码序列和有效换相编码的汉明距离。定义S_i和U_j的汉明距离为d_ij，其中表示异或运算，i＝1，…，2^m-2m，j＝1，…，2m。

(4)对于有效编码序列U_j，分类汉明距离为1的冗余编码集合存入寄存器Q¹中；对于有效编码序列U_j，分类汉明距离大于等于2的冗余编码集合存入寄存器Q²中；对于有效编码序列U_j，分类汉明距离为[(m-0.1)/2]的冗余编码集合存入寄存器Q^[(m-0.1)/2]中，j＝1，…，2m，其中[*]表示取整。

步骤3：分类集合中的冗余编码，进一步确定冗余编码和有效编码的对应关系。该过程具体包括：

(1)分别统计寄存器Q¹、Q²、…、Q^[(m-0.1)/2]中各个编码出现的频数C，由此可得到C＝1，…，[(m-0.1)/2。

(2)记寄存器中C＝1的编码序列为“次有效编码”，存入寄存器Q^1-1中；记寄存器中C＝2的编码序列为“低精度编码”，存入寄存器Q^1-2中；以此类推，编码序列可靠性逐次降低；最后记寄存器Q^[(m-0.1)/2]中的编码序列为“无效编码”，j＝1，…，2m。

步骤4：依据对冗余编码序列的分类，设计直流无刷电机霍尔传感器容错控制算法。该过程具体包括：

(1)系统复位、初始化，电机启动；

(2)检测换相信号和霍尔传感器的编码序列，可能出现几种情况：

(2-1)霍尔传感器的编码序列为集合U中的一个元素，即为有效序列中的一种，则该编码序列为有效编码序列，正常换相；

(2-2)霍尔传感器的编码序列为集合Q^1-1中的一个元素，即为与有效编码序列一一对应的冗余编码序列，该序列为次有效编码序列，按照与有效编码的对应关系，完成换相；

(2-3)霍尔传感器的编码序列为集合Q^1-2中的一个元素，即该冗余编码序列与等概率的有效编码序列对应，该序列为低精度编码序列，随机选择一个有效编码序列，完成换相；

(2-4)霍尔传感器的编码序列为集合Q^[(m-0.1)/2]中的一个元素，即为无效编码序列，等待下一换相时刻。

本发明的有益效果是：针对多相永磁直流无刷电机可能出现的霍尔传感器故障问题，编程实现系统的容错和控制算法。在该方法中，基于传感器的冗余编码和逻辑对应关系，结合信息论中汉明距离的概念，设计算法，提高无刷直流电机霍尔传感器的容错控制能力，保证电机实现稳定可靠的运行。同时该方法具有一定可移植性，可以用于各种多相电机的控制方式。

附图说明

图1是电机定转子示意图；

图2是直流无刷电机控制框架图；

图3是五相全桥驱动电路图；

图4是霍尔位置检测电路原理图；

图5是理想情况下霍尔信号位置与电机状态对应图。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

图1是试验用的五相永磁无刷直流电机定转子示意图，由图可见该电机采用分数槽集中绕组，星形连接，选取Z/2p＝5/4的分类，即设计槽数为20，设计极数为16级，同时在每个定子铁芯齿冠开两个辅助凹槽，以削弱齿槽转矩波动。

图2是直流无刷电机控制框架图，选用STM32芯片作为电机驱动主控芯片。其次对电机驱动电路的各个模块电路进行了具体分析说明，包括五相全桥驱动电路、电流检测模块、霍尔位置检测电路、电流保护电路。

图3是五相全桥驱动电路。驱动桥电路由10个N沟道的MOS管75NF75组成电路中Q1、Q3、Q5、Q7、Q9作为上臂，Q2、Q4、Q6、Q8、Q10作为下臂。通过外加驱动信号控制MOS管的导通与截止，实现驱动功能。在驱动过程中应避免上下管直通，为了减小MOS管发热，提高系统效率，必须为MOS管提供足够的驱动能力，使MOS管上升沿与下降沿时问短，MOS导通时工作在饱和区。

图4是霍尔位置检测电路原理图。霍尔传位置感器一般是由5V的电源驱动。由于霍尔位置传感器是开漏输出，所以必须接上拉电阻，因为所用的STM32供电电压为3.3V，所以上拉电阻电压为3.3V。为防止无刷电机中的强磁场和无刷电机控制器PWM载波频率的干扰，要为霍尔位置传感器添加低通RC滤波器处理。

本发明提供了一种适用于五相永磁无刷直流电机霍尔传感器的容错控制方法。该方法包括：

1、确定五相直流无刷电机的绕组换相过程和编码器位置，从理论上得到有效的“编码器位置-换相过程”对应关系。该过程具体包括：

(1)绘制五相直流无刷电机导通角为180(m-1)/m＝144电角度的导通方式下方波驱动状态图，如图5从上往下1-5条线，高电平导通，低电平关断；

(2)绘制与之对应的5个等相位差的霍尔传感器的波形图，该霍尔传感器的理论占空比为50％，如图5从上往下6-10条线，高电平导通，低电平关断；

(3)依此得到五相直流无刷电机有效的10种状态“编码器位置-换相过程”，以二进制和十六进制表示，依次为：

状态1:10101；状态2:00101；状态3：01101；状态4:01001；

状态5:01011；状态6:01010；状态7：11010；状态8：10010；

状态9:10110；状态10:10100；

2、依据与有效编码的汉明距离分类冗余编码。该过程具体包括：

(1)将2⁵-10＝22种冗余编码序列状态写入依次写入串行移位寄存器S中，令S_i＝(S_i1，S_i2，S_i3，S_i4，S_i5)，i＝1，…，22，其中S_i1，S_i2，S_i3，S_i4，S_i5为第i种编码序列的二进制表示的各位数字；

(2)将与换相过程对应的10种霍尔传感器编码状态写入依次写入串行移位寄存器U中，令U_j＝(U_j1，U_j2，U_j3，U_j4，U_j5)，j＝1,…,10，其中U_j1，U_j2，U_j3，U_j4，U_j5为第j种编码序列的二进制表示的各位数字；

(3)依次计算每种冗余编码序列和有效换相编码的汉明距离。定义S_i和U_j的汉明距离为d_ij，其中表示异或运算，i＝1，…，22，j＝1，…，10。

(4)对于有效编码序列U_j，分类汉明距离为1的冗余编码集合存入寄存器Q¹中；对于有效编码序列U_j，分类汉明距离为2的冗余编码集合存入寄存器Q²中，j＝1，…，10。据此可得：

集合状态1:10101；

集合状态2:00101；

集合状态3：01101；

集合状态4:01001；

集合状态5:01011；

集合状态6:01010；

集合状态7：11010；

集合状态8：10010；

集合状态9:10110；

集合状态10:10100；

集合Q₂＝{00000，11111}；

3、分类集合和中的冗余编码，进一步确定冗余编码和有效编码的对应关系。该过程具体包括：

(1)分别统计寄存器Q¹和Q²中各个编码出现的频数C，采用轮询的方式计算两两编码的汉明距离，汉明距离为0的记C＝2，反之记C＝1。

(2)记寄存器中C＝1的编码序列为“次有效编码”，存入寄存器中；记寄存器中C＝2的编码序列为“低精度编码”，存入寄存器中；记寄存器Q²中的编码序列为“无效编码”，j＝1，…，10。

据此可得：

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合次有效编码，

低精度编码；

集合Q₂＝{00000，11111}，无效编码；

4、依据对冗余编码序列的分类，设计直流无刷电机霍尔传感器容错控制算法。该过程具体包括：

(1)根据图3编写系统软件，系统复位、初始化，电机启动；

(2)检测换相信号和霍尔传感器的编码序列，可能出现四种情况：

(2-1)霍尔传感器的编码序列为集合U中的一个元素，即为有效序列中的一种，则该编码序列为有效编码序列，正常换相；

(2-2)霍尔传感器的编码序列为集合Q^1-1中的一个元素，即为与有效编码序列一一对应的冗余编码序列，该序列为次有效编码序列，按照与有效编码的对应关系，完成换相；

(2-3)霍尔传感器的编码序列为集合Q^1-2中的一个元素，即该冗余编码序列与等概率的2个有效编码序列对应，该序列为低精度编码序列，随机选择一个有效编码序列，完成换相；

(2-4)霍尔传感器的编码序列为集合Q²中的一个元素，即为无效编码序列，等待下一换相时刻。