專利名稱：無刷電機位置信號的故障診斷方法與容錯控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無刷電機(無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機，雙凸極電機等結(jié)構(gòu)類似的電機)的位置信號有無故障的實時診斷方法，以及在位置信號出現(xiàn)故障后進行容錯控制方法。
背景技術(shù)：
對于無刷電機而言，位置傳感器是無刷電機正確換相的關(guān)鍵。位置信號出現(xiàn)永久性實效故障后，電機的換相邏輯混亂，輸出轉(zhuǎn)矩降低，電機轉(zhuǎn)速下降或為零。在某些高可靠性的系統(tǒng)或者特定場合中，不允許系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或者出現(xiàn)故障后應(yīng)能繼續(xù)運行一段時間，然后進行故障處理。為提高系統(tǒng)可靠性，使電機能在正確的位置輸出換相信息，對位置信號進行故障診斷和容錯控制是必要的。
迄今為止，在國內(nèi)外眾多文獻中，對無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機和雙凸極電機等無刷電機進行了大量研究。對位置信號的研究局限于位置信號的調(diào)整方法，以及位置信號故障的簡單描述，但對位置信號的故障診斷及其故障后的容錯控制研究都沒有涉及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無刷電機位置信號的故障診斷方法與容錯控制方法，提高系統(tǒng)的可靠性。
(I)無刷電機位置信號的故障診斷方法本發(fā)明的無刷電機位置信號的故障診斷方法，直接利用位置信號的上升沿或下降沿和位置信號的狀態(tài)實時診斷位置信號的故障，同時給出故障的種類。本發(fā)明以三相無刷電機需要三個位置傳感器和四相無刷電機需要兩個位置傳感器為例說明。位置信號發(fā)生故障后可能有兩種狀態(tài)①恒為低電平，即Hi≡0，i＝A，B，C；②恒為高電平，即Hi≡1，i＝A，B，C。
三相無刷電機位置信號故障的具體方法(1)恒為低電平的故障診斷在位置信號上升沿捕獲進入DSP(數(shù)字信號處理器)中斷后，將本次的中斷向量和預(yù)測的中斷向量相比，若不等，則位置信號故障出現(xiàn)故障。若相等，更新預(yù)測的下次中斷向量。
(2)恒為高電平的故障診斷在上述(1)的基礎(chǔ)上，同時在系統(tǒng)的采樣中斷中，將位置信號高電平區(qū)域分成t1和t2兩個區(qū)域，防止相序的誤觸發(fā)中斷。實時檢測三相位置信號的狀態(tài)，查表1或表2診斷系統(tǒng)是否故障及其種類。
表1 三相電機位置信號恒為低的故障診斷

表2 三相電機位置信號恒為高的故障診斷

四相無刷電機位置信號故障的具體方法對于四相開關(guān)磁阻電機或雙凸極電機而言，只需兩個位置信號P和Q。因此可以將一個位置信號周期分成四個區(qū)間I～IV，通過實時檢測位置信號的電平診斷故障。根據(jù)位置信號的狀態(tài)，查表3診斷是否故障及其故障種類。
表3 四相電機位置信號的故障診斷

(II)無刷電機位置信號的容錯控制方法本發(fā)明的無刷電機位置信號的容錯控制方法，是在系統(tǒng)診斷出位置信號故障后，根據(jù)故障的種類進行對位置信號的邊沿觸發(fā)DSP捕獲中斷方式進行修改，或結(jié)合DSP實時計算換相信息，實現(xiàn)故障后的容錯控制。本發(fā)明以三相無刷電機需要三個位置傳感器和四相無刷電機需要兩個位置傳感器為例說明。具體方法包括(1)三相無刷電機的三相位置信號的特征是，一相位置信號上升沿和前一相為位置信號的下降沿幾乎重合。因此，當(dāng)一相位置信號故障時，可以利用前一個位置信號的下降沿輸出換相信息，即將前一個位置信號置成雙沿觸發(fā)DSP中斷。
(2)對于三相無刷電機的位置信號，當(dāng)兩相位置信號故障后，可以利用正確相位置信號的下降沿代替下一相位置信號上升沿發(fā)出換相信息，同時結(jié)合DSP實時計算位置信號的高電平維持時間T，在正確相位置信號下降沿后T時刻輸出另一相位置信號的換相信息，一直到正確相位置信號上升沿來臨止，其中T為一個周期內(nèi)正確相位置信號維持高電平的時間。
(3)對于四相無刷電機的兩個位置信號P和Q，當(dāng)一相位置信號發(fā)生故障后，實時計算正確相位置信號高電平時間2T。如Q相位置信號故障后，在P位置信號上升沿T時間后輸出Q相位置信號上升沿的換相信息；在P相位置信號下升沿T時間后輸出Q相位置信號下降沿的換相信息，一直到P相位置信號上升沿來臨止，其中T為一個周期內(nèi)正確相位置信號維持高電平時間的一半。
本發(fā)明巧妙利用位置信號的觸發(fā)沿及其電平狀態(tài)診斷位置信號故障，根據(jù)位置信號之間的關(guān)系，通過TMS320LF2407 DSP對位置信號換相邏輯控制器進行重構(gòu)，實現(xiàn)位置信號故障后的容錯控制，提高系統(tǒng)可靠性，拓寬應(yīng)用范圍。
此方法不需要添加額外硬件，僅利用軟件進行故障診斷和容錯控制，對無刷電機有較大的實用價值。


圖1是三相無刷電機的三相位置信號示意2是三相無刷電機的三相位置信號故障診斷方法示意3是改進的三相無刷電機的三相位置信號故障診斷方法示意4是C相故障后位置信號容錯控制示意5是B、C兩相故障后位置信號容錯控制示意6是四相無刷電機位置信號故障診斷和容錯控制示意7是捕獲中斷軟件流程8是采樣中斷軟件流程圖具體實施方式
1位置信號故障的種類三相無刷電機需要三個位置傳感器，三個位置傳感器在空間上互差120°，產(chǎn)生的位置信號如圖1示，1/3周期為高點平，2/3周期為低電平，三個位置信號之間的相位差為1/3周期。位置信號故障可以分為三種①一相故障；②兩相故障；③三相故障。在三種故障中，一相位置信號發(fā)生故障的概率最高，其次兩相故障，故障率最低是三相同時發(fā)生故障。位置信號發(fā)生故障后可能有兩種狀態(tài)①恒為低電平，即Hi≡0，i＝A，B，C；②恒為高電平，即Hi≡1，i＝A，B，C。
對于8/6極等四相開關(guān)磁阻電機和雙凸極而言，可以用兩個位置傳感器。兩個位置信號如圖6示，1/2周期為高電平，1/2周期為低電平，相位上相差1/4周期。因此，位置信號的故障只有①、②兩種，其故障診斷和容錯控制的方法與三相電機略有不同，將在第4節(jié)給出。2、3節(jié)為三相電機的故障診斷和容錯控制。
2三相無刷電機位置信號的故障診斷位置信號的故障診斷是基于DSP對位置信號運行狀態(tài)實時監(jiān)測，通過對位置信號的邊沿或電平變化來診斷位置信號的故障。
2.1恒為低電平的故障診斷位置信號故障后電平一直為低，因此不能形成邊沿觸發(fā)進入捕獲中斷進行換相。三相位置信號A、B、C經(jīng)過整形后直接連到DSP的捕獲口cap4~cap6，在每個位置信號上升沿觸發(fā)中斷，進入捕獲中斷子程序，輸出換相邏輯，讀取對應(yīng)的中斷矢量分別為36h、37h、38h(十六進制數(shù))。圖2左上角為本次進入捕獲中斷的中斷向量，右下角為預(yù)測下次進入捕獲中斷的中斷向量。如捕獲中斷子程序檢測到中斷向量為37h，系統(tǒng)判定為B相位置信號上升沿觸發(fā)中斷，同時預(yù)測下次進入的中斷向量為38h，即C相。
在位置信號上升沿觸發(fā)進入捕獲中斷后，讀取進入中斷的中斷向量，與預(yù)測的中斷向量相比，若相同，為正常進入的中斷，同時預(yù)測下次進入中斷的向量，如不相同則為故障。
出現(xiàn)故障后，可以將本次進入中斷的中斷向量和上次的中斷向量相比，若相等為兩相位置信號故障。若不等，將上次的中斷向量減去本次中斷向量，根據(jù)它們的差判斷相應(yīng)的故障。令本次中斷向量為X，上次中斷向量為XL，當(dāng)兩次中斷向量的差為1時，根據(jù)本次進入的中斷向量，診斷是A相故障還是C相故障。具體判別如表1所示。
對于三相位置信號故障后恒為低的故障診斷將在2.2節(jié)描述。
2.2恒為高電平的故障診斷在位置信號正常情況下為低電平時發(fā)生故障，故障后恒為高電平，故障時形成一個上升沿。此上升沿將觸發(fā)DSP進入捕獲中斷。用2.1節(jié)的方法可能會將某些故障引起的觸發(fā)中斷認為正常捕獲中斷。例如在A相上升沿之后、B相上升沿來臨前，B相位置信號發(fā)生故障，電平由低變高。同時DSP檢測到B相上升沿觸發(fā)進入中斷。檢測本次中斷向量為37h，和預(yù)測中斷向量相同，即系統(tǒng)認為正常中斷，于是修改換相邏輯，使系統(tǒng)觸發(fā)邏輯混亂，電機輸出轉(zhuǎn)矩降低。因此用2.1節(jié)的故障診斷方法不適合故障后恒為高電平的情況。
但2.1節(jié)的方法可以將不正確的相序故障進行診斷。如在A、B上升沿之間C相發(fā)生故障，預(yù)測中斷向量為37h，本次中斷向量為38h。為此，需要對2.1節(jié)的方法進行改進，方法如圖3示。
以A相為例，通過對每個位置信號的高電平區(qū)間分成兩個區(qū)域t1和t2，在t1內(nèi)觸發(fā)的任何捕獲中斷都視為不正常中斷，這樣可以避免B相的誤觸發(fā)中斷。根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整t1的值，使t2盡可能短。
通過系統(tǒng)采樣中斷實時檢測三相位置信號的電平，正常情況下，A相位置信號上升沿觸發(fā)進入捕獲中斷后，讀取三相位置信號電平為001b(二進制數(shù)，左數(shù)第一位代表C相、第二位代表B相，第三位代表A相)，且一直維持到下一相上升沿為止。同樣，B相進入捕獲中斷后，三相位置信號值為010b。C相進入捕獲中斷后，三相位置信號值為100b。因此通過實時檢測三相位置信號電平就可以判定系統(tǒng)是否故障，同時根據(jù)本次進入的中斷向量就可以診斷出故障的種類，具體的故障診斷如表2示。
由上述分析可知，故障后恒為高電平的故障診斷較恒為低電平要復(fù)雜。通過實時監(jiān)測位置信號的狀態(tài)，可以及時診斷位置信號故障，并給出相應(yīng)故障指示信號，提高故障診斷的準確性和快速性，為有效實現(xiàn)容錯控制提供條件。
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)三相故障后，位置信號電平一直為低或高，無法觸發(fā)進入中斷。為檢測三相故障，可根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)置一個時間t，當(dāng)系統(tǒng)計算超過時間t后仍沒有位置信號觸發(fā)進入捕獲中斷，且檢測到三相位置信號電平為000或111，則系統(tǒng)判定為三相位置信號故障。
3三相無刷電機位置信號的容錯控制在系統(tǒng)診斷出位置信號故障后，通過對不同故障狀態(tài)下的換相邏輯控制器進行重構(gòu)，使得在故障后立即轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序，減少過渡時間。由于三相位置信號同時發(fā)生故障時，無法確定任一相的基準點，也無法根據(jù)位置信號計算電機的轉(zhuǎn)速，因此三相位置信號故障后無法實現(xiàn)容錯控制。與一相或兩相位置信號故障相比，三相位置信號同時發(fā)生故障的概率很小，因此針對一相位置信號故障和兩相位置信號故障進行容錯控制研究。
3.1一相位置信號故障的容錯控制從圖1可知，一相位置信號的上升沿和前一相位置信號的下降沿完全重合。因此當(dāng)一相位置信號發(fā)生故障時，可以用前一相位置信號的下降沿替代故障信號上升沿。以C相位置信號故障為例，可以利用B相位置信號下降沿觸發(fā)中斷進入中斷子程序，輸出C相位置信號上升沿時換相信息。在實時檢測到故障后，將B相位置信號設(shè)置為雙沿觸發(fā)，即B相位置信號的上升沿和下降沿都能觸發(fā)進入捕獲中斷，進行相應(yīng)的換相邏輯控制，如圖4示。同理，若A相發(fā)生故障時，可以使C相變成雙沿觸發(fā)；若B相故障時，可以使A相變成雙沿觸發(fā)。
3.2兩相位置信號故障的容錯控制當(dāng)兩相位置信號發(fā)生故障時，利用正確的位置信號下降沿可以替代下一相位置信號的上升沿，但由于一相位置信號只有兩個沿，另一相位置信號的上升沿的時刻只能通過精確計算得到。以B、C兩相位置信號發(fā)生故障為例，可以將A相位置信號設(shè)置雙沿觸發(fā)，此時A相的下降沿代替B相的上升沿輸出換相信息，如圖5示。由于A相位置信號是雙沿觸發(fā)，中斷向量都是36h，需結(jié)合位置信號的電平判斷是上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)。若進入中斷后讀取電平為1，則為上升沿觸發(fā)，同時將定時器的計數(shù)值清零，否則為下降沿觸發(fā)。當(dāng)下次A相位置信號下降沿觸發(fā)進入中斷時，保存定時器的值到變量T中，同時輸出B相位置信號上升沿換相信息。然后在采樣周期中，不斷讀取定時器的值，當(dāng)定時器的值大于等于T時，輸出相應(yīng)的C相位置信號上升沿換相邏輯，維持到A相上升沿為止，其中T為一個周期內(nèi)正確相位置信號維持高電平的時間。
4四相無刷電機位置信號的故障診斷和容錯控制4.1故障診斷對于8/6極四相開關(guān)磁阻電機和雙凸極電機可以只用兩個位置傳感器，因此位置傳感器的安裝位置和三相無刷電機略有不同。兩個位置傳感器輸出的位置信號P、Q之間的上升沿和下降沿不是完全重合，但其診斷方法與三相電機相似。
一個位置信號周期可以分成4個區(qū)域I～IV，四個區(qū)域的寬度完成相同。由于每個區(qū)間的P、Q信號邏輯電平不同，因此可以根據(jù)不同區(qū)間的電平狀態(tài)診斷位置信號的故障，具體如表3示。
4.2容錯控制由于只有兩相位置信號，因此當(dāng)兩相位置信號同時故障時無法實現(xiàn)容錯控制，本發(fā)明給出一相位置信號故障后的容錯控制方法。
例如Q位置信號發(fā)生故障后，通過DSP內(nèi)部定時器實時計算P相位置信號一個上升沿與下一個下降沿之間的時間為2T。在P信號上升沿后的T時刻就是Q信號的上升沿，P信號的下降沿后的T時刻就是Q信號的下降沿。因此，可以通過軟件計算復(fù)現(xiàn)Q信號的信息，實現(xiàn)故障后的容錯控制，如圖6示，其中T為一個周期內(nèi)正確相位置信號維持高電平時間的一半。
權(quán)利要求
1.一種無刷電機位置信號的故障診斷方法，其特征在于直接利用位置信號的上升沿或下降沿和位置信號的狀態(tài)實時診斷位置信號的故障，同時給出故障的種類；(a).對于三相無刷電機位置信號故障診斷的具體方法是(1).電機位置信號發(fā)生故障后恒為低電平的故障診斷是，在電機位置信號上升沿捕獲進入DSP中斷后，將本次的中斷向量和預(yù)測的中斷向量相比較，比較結(jié)果若不等，則位置信號出現(xiàn)故障；若相等，更新預(yù)測的下次中斷向量；(2).電機位置信號發(fā)生故障后恒為高電平的故障診斷是，在上述電機位置信號發(fā)生故障后恒為低電平的故障診斷的基礎(chǔ)上，同時在電機系統(tǒng)的采樣中斷中，將位置信號高電平區(qū)域分成兩個區(qū)域，防止相序的誤觸發(fā)中斷，實時檢測三相位置信號的狀態(tài)，查下表1或表2診斷電機系統(tǒng)是否發(fā)生故障及其種類；表1三相電機位置信號恒為低的故障診斷
表2三相電機位置信號恒為高的故障診斷
(b).對于四相無刷電機位置信號故障診斷的具體方法是，將一個位置信號周期分成I～IV四個區(qū)間，通過實時檢測位置信號的電平診斷故障，根據(jù)位置信號的狀態(tài)，查下表3表3四相電機位置信號的故障診斷
診斷是否則發(fā)生故障及其故障種類。
2.一種無刷電機位置信號的容錯控制方法，其特征在于，根據(jù)對無刷電機位置信號故障診斷的故障種類，進行對位置信號的邊沿觸發(fā)DSP捕獲中斷方式進行修改或者結(jié)合DSP實時計算換相信息，實現(xiàn)故障后的容錯控制(a).三相無刷電機位置信號故障的容錯控制方法是，(1)當(dāng)一相位置信號發(fā)生故障時，利用前一相位置信號的下降沿輸出換相信息，即將前一相位置信號置成雙沿觸發(fā)DSP中斷；(2)當(dāng)兩相位置信號故障后，利用正確位置信號的下降沿代替下一相位置信號的上升沿觸發(fā)換相信息，同時結(jié)合DSP實時計算位置信號高電平維持的一個時間周期，在正確相位置信號下降沿后的一個時間周期輸出另一相位置信號的換相信息，一直到正確相位置信號上升沿來臨止；(b).四相無刷電機位置信號故障的容錯控制方法是，當(dāng)一相位置信號發(fā)生故障后，實時計算正確相位置信號高電平時間為2個時間周期。即一相位置信號發(fā)生故障后，在相鄰相位置信號上升沿一個時間周期后輸出上述故障相位置信號上升沿(或下降沿)的換相信息；在該故障相的相鄰相位置信號下降沿一個時間周期后輸出故障位置信號下降沿(或上升沿)的換相信息，一直到相鄰相位置信號上升沿來臨為止。
全文摘要
一種無刷電機位置信號的故障診斷方法與容錯控制方法，屬電機位置信號故障診斷與容錯控制。該故障診斷方法，是直接利用位置信號的上升沿或下降沿和位置信號的狀態(tài)實時診斷位置信號故障并給出故障種類；容錯控制方法是，根據(jù)故障種類，對位置信號的邊沿觸發(fā)DSP捕獲中斷方式進行修改或者結(jié)合DSP實時計算換相信息，實現(xiàn)故障后的容錯控制，提高了電機系統(tǒng)的可靠性，拓寬了應(yīng)用范圍。
文檔編號H02P6/14GK1972113SQ20061009746
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者馬長山, 周波 申請人:南京航空航天大學(xué)