本發(fā)明涉及一種永磁無刷直流電機的控制方法，尤其涉及霍爾傳感器的容錯控制方法。

技術背景

永磁無刷直流電機是伴隨著電力電子技術發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型機電一體化電機，是現(xiàn)代電子技術、控制理論和電機技術相結合的產(chǎn)物。對永磁無刷電機的研究分為電機技術、電子技術和控制理論進行，三者相互獨立而又互相聯(lián)系。

永磁無刷直流電機與有刷直流電機相似，區(qū)別僅在于沒有電刷換相，而是采用電子換相。其本質(zhì)為由電子逆變器驅(qū)動的有位置傳感器反饋控制的交流同步電動機，與普通的有刷直流電動機和感應電動機相比，具有可控性能好、調(diào)速范圍寬、低維護率、高效率的特點。永磁無刷直流電機主要由永磁電機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和功率電子開關(逆變器)三部分構成。其中各相繞組的通電順序、通電時刻和通電時間長短取決于轉(zhuǎn)子磁極和定子繞組空間的相對位置，這是由轉(zhuǎn)子位置檢測器來感知、產(chǎn)生出各相的位置信號，并經(jīng)過邏輯處理、功率放大后形成功率開關元件的驅(qū)動信號，再去控制定子繞組的通斷。常用的位置檢測裝置主要為電磁式位置傳感器、磁敏式位置傳感器和光電式位置傳感器。

矩形波驅(qū)動下的直流無刷電機按等距離間隔進行換向，霍爾位置傳感換向法采用一組固定的霍爾傳感器和轉(zhuǎn)子上的永磁體或額外的磁鐵，用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子上某個位置的磁極，生成與電機狀態(tài)一一對應的編碼，因此讀取編碼可以確定轉(zhuǎn)子位置并進行換向，實現(xiàn)電機的旋轉(zhuǎn)。統(tǒng)計表明90％的直流無刷電機故障都由于傳感器損壞造成的，因此研究霍爾位置傳感器換向法有重要意義。

多相無刷直流電機和常見的單相和三相無刷直流電機相比，具有輸出轉(zhuǎn)矩大，效率高，轉(zhuǎn)矩波動小等特點適用于較低轉(zhuǎn)速范圍，動力需求大的場所，諸如電動車輛，電動機械機構等。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種適用于多相永磁無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制方法。該方法可以有效提高直流無刷電機的換向的穩(wěn)定性和可靠性。

本發(fā)明依據(jù)多相(m相，m＞3)永磁無刷直流電機導通角為180(m-1)/m的導通方式下的控制方式，采用m個霍爾傳感器采集換相信號，通過分析霍爾編碼信號的特點設計算法，從而提高多相電機霍爾傳感器的換相可靠性，使得直流無刷電機的運行更為穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的針對霍爾傳感器故障檢測方法僅適用于三相六狀態(tài)的永磁直流無刷電機，配備3個霍爾傳感器，對應6種編碼狀態(tài)，除去000和111兩種無效狀態(tài)外均為有效編碼。而在實際生產(chǎn)中，多相無刷直流電機與三相無刷直流電機相比，具有輸出轉(zhuǎn)矩大，效率高，轉(zhuǎn)矩波動小等特點，有著廣泛的應用。若假設電機的相數(shù)為m(m＞3)，為提高效率均采用導通角為180(m-1)/m的導通方式，此時最少配備的霍爾傳感器數(shù)量為m，可利用編碼數(shù)量2^m大于2m種有效的電機狀態(tài)。為此，利用本發(fā)明提出的針對多相直流無刷電機的霍爾傳感器容錯控制方法，可以有效的利用編碼冗余實現(xiàn)可靠控制。

傳統(tǒng)的霍爾傳感器故障檢測方法，在遇到霍爾傳感器故障而導致的編碼錯誤情況下，會依據(jù)程序設定采取停機指令要求更換霍爾傳感器，該方法雖然可以降低由于電機反轉(zhuǎn)或飛轉(zhuǎn)造成的危險，但是由于停機帶來的損失無法避免，且霍爾傳感器常安裝在機殼內(nèi)部，不易維修更換。本發(fā)明專利可以有效解決該類問題，通過分析錯誤編碼和正常編碼的關系，針對多相直流無刷電機，可以使系統(tǒng)在少量霍爾傳感器故障情況下依舊保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

一種適用于多相永磁無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟1：確定多相直流無刷電機的繞組換相過程和編碼器位置，從理論上得到有效的“編碼器位置-換相過程”對應關系。該過程具體包括：

(1)繪制多相直流無刷電機導通角為180(m-1)/m電角度的導通方式下方波驅(qū)動狀態(tài)圖；

(2)繪制與之對應的m個等相位差的霍爾傳感器的波形圖，該霍爾傳感器的理論占空比為50％；

(3)依此得到多相直流無刷電機有效的2m種狀態(tài)“編碼器位置-換相過程”，以二進制和十六進制表示。

步驟2：依據(jù)與有效編碼的漢明距離分類冗余編碼。該過程具體包括：

(1)將2^m-2m種冗余編碼序列狀態(tài)依次寫入串行移位寄存器S中，令S_i＝(S_1m,S_2m,…,S_im),i＝1，…，2^m-2m，其中m為霍爾編碼序列的位數(shù)，S_im，S_im，…，S_im為第i種編碼序列的二進制表示的各位數(shù)字；

(2)將與換相過程對應的2m種霍爾傳感器編碼狀態(tài)寫入依次寫入串行移位寄存器U中，令U_j＝(U_j1,U_j2···U_jm)，j＝1，…，2m，其中U_j1，U_j2，…，U_j2m為第j種編碼序列的二進制表示的各位數(shù)字；

(3)依次計算每種冗余編碼序列和有效換相編碼的漢明距離。定義S_i和U_j的漢明距離為d_ij，其中表示異或運算，i＝1，…，2^m-2m，j＝1，…，2m。

(4)對于有效編碼序列U_j，分類漢明距離為1的冗余編碼集合存入寄存器Q¹中；對于有效編碼序列U_j，分類漢明距離大于等于2的冗余編碼集合存入寄存器Q²中；對于有效編碼序列U_j，分類漢明距離為[(m-0.1)/2]的冗余編碼集合存入寄存器Q^[(m-0.1)/2]中，j＝1，…，2m，其中[*]表示取整。

步驟3：分類集合中的冗余編碼，進一步確定冗余編碼和有效編碼的對應關系。該過程具體包括：

(1)分別統(tǒng)計寄存器Q¹、Q²、…、Q^[(m-0.1)/2]中各個編碼出現(xiàn)的頻數(shù)C，由此可得到C＝1，…，[(m-0.1)/2。

(2)記寄存器中C＝1的編碼序列為“次有效編碼”，存入寄存器Q^1-1中；記寄存器中C＝2的編碼序列為“低精度編碼”，存入寄存器Q^1-2中；以此類推，編碼序列可靠性逐次降低；最后記寄存器Q^[(m-0.1)/2]中的編碼序列為“無效編碼”，j＝1，…，2m。

步驟4：依據(jù)對冗余編碼序列的分類，設計直流無刷電機霍爾傳感器容錯控制算法。該過程具體包括：

(1)系統(tǒng)復位、初始化，電機啟動；

(2)檢測換相信號和霍爾傳感器的編碼序列，可能出現(xiàn)幾種情況：

(2-1)霍爾傳感器的編碼序列為集合U中的一個元素，即為有效序列中的一種，則該編碼序列為有效編碼序列，正常換相；

(2-2)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q^1-1中的一個元素，即為與有效編碼序列一一對應的冗余編碼序列，該序列為次有效編碼序列，按照與有效編碼的對應關系，完成換相；

(2-3)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q^1-2中的一個元素，即該冗余編碼序列與等概率的有效編碼序列對應，該序列為低精度編碼序列，隨機選擇一個有效編碼序列，完成換相；

(2-4)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q^[(m-0.1)/2]中的一個元素，即為無效編碼序列，等待下一換相時刻。

本發(fā)明的有益效果是：針對多相永磁直流無刷電機可能出現(xiàn)的霍爾傳感器故障問題，編程實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯和控制算法。在該方法中，基于傳感器的冗余編碼和邏輯對應關系，結合信息論中漢明距離的概念，設計算法，提高無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制能力，保證電機實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運行。同時該方法具有一定可移植性，可以用于各種多相電機的控制方式。

附圖說明

圖1是電機定轉(zhuǎn)子示意圖；

圖2是直流無刷電機控制框架圖；

圖3是五相全橋驅(qū)動電路圖；

圖4是霍爾位置檢測電路原理圖；

圖5是理想情況下霍爾信號位置與電機狀態(tài)對應圖。

具體實施方式

下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。

圖1是試驗用的五相永磁無刷直流電機定轉(zhuǎn)子示意圖，由圖可見該電機采用分數(shù)槽集中繞組，星形連接，選取Z/2p＝5/4的分類，即設計槽數(shù)為20，設計極數(shù)為16級，同時在每個定子鐵芯齒冠開兩個輔助凹槽，以削弱齒槽轉(zhuǎn)矩波動。

圖2是直流無刷電機控制框架圖，選用STM32芯片作為電機驅(qū)動主控芯片。其次對電機驅(qū)動電路的各個模塊電路進行了具體分析說明，包括五相全橋驅(qū)動電路、電流檢測模塊、霍爾位置檢測電路、電流保護電路。

圖3是五相全橋驅(qū)動電路。驅(qū)動橋電路由10個N溝道的MOS管75NF75組成電路中Q1、Q3、Q5、Q7、Q9作為上臂，Q2、Q4、Q6、Q8、Q10作為下臂。通過外加驅(qū)動信號控制MOS管的導通與截止，實現(xiàn)驅(qū)動功能。在驅(qū)動過程中應避免上下管直通，為了減小MOS管發(fā)熱，提高系統(tǒng)效率，必須為MOS管提供足夠的驅(qū)動能力，使MOS管上升沿與下降沿時問短，MOS導通時工作在飽和區(qū)。

圖4是霍爾位置檢測電路原理圖?；魻杺魑恢酶衅饕话闶怯?V的電源驅(qū)動。由于霍爾位置傳感器是開漏輸出，所以必須接上拉電阻，因為所用的STM32供電電壓為3.3V，所以上拉電阻電壓為3.3V。為防止無刷電機中的強磁場和無刷電機控制器PWM載波頻率的干擾，要為霍爾位置傳感器添加低通RC濾波器處理。

本發(fā)明提供了一種適用于五相永磁無刷直流電機霍爾傳感器的容錯控制方法。該方法包括：

1、確定五相直流無刷電機的繞組換相過程和編碼器位置，從理論上得到有效的“編碼器位置-換相過程”對應關系。該過程具體包括：

(1)繪制五相直流無刷電機導通角為180(m-1)/m＝144電角度的導通方式下方波驅(qū)動狀態(tài)圖，如圖5從上往下1-5條線，高電平導通，低電平關斷；

(2)繪制與之對應的5個等相位差的霍爾傳感器的波形圖，該霍爾傳感器的理論占空比為50％，如圖5從上往下6-10條線，高電平導通，低電平關斷；

(3)依此得到五相直流無刷電機有效的10種狀態(tài)“編碼器位置-換相過程”，以二進制和十六進制表示，依次為：

狀態(tài)1:10101；狀態(tài)2:00101；狀態(tài)3：01101；狀態(tài)4:01001；

狀態(tài)5:01011；狀態(tài)6:01010；狀態(tài)7：11010；狀態(tài)8：10010；

狀態(tài)9:10110；狀態(tài)10:10100；

2、依據(jù)與有效編碼的漢明距離分類冗余編碼。該過程具體包括：

(1)將2⁵-10＝22種冗余編碼序列狀態(tài)寫入依次寫入串行移位寄存器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為第i種編碼序列的二進制表示的各位數(shù)字；

(2)將與換相過程對應的10種霍爾傳感器編碼狀態(tài)寫入依次寫入串行移位寄存器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為第j種編碼序列的二進制表示的各位數(shù)字；

(3)依次計算每種冗余編碼序列和有效換相編碼的漢明距離。定義S_i和U_j的漢明距離為d_ij，其中表示異或運算，i＝1，…，22，j＝1，…，10。

(4)對于有效編碼序列U_j，分類漢明距離為1的冗余編碼集合存入寄存器Q¹中；對于有效編碼序列U_j，分類漢明距離為2的冗余編碼集合存入寄存器Q²中，j＝1，…，10。據(jù)此可得：

集合狀態(tài)1:10101；

集合狀態(tài)2:00101；

集合狀態(tài)3：01101；

集合狀態(tài)4:01001；

集合狀態(tài)5:01011；

集合狀態(tài)6:01010；

集合狀態(tài)7：11010；

集合狀態(tài)8：10010；

集合狀態(tài)9:10110；

集合狀態(tài)10:10100；

集合Q₂＝{00000，11111}；

3、分類集合和中的冗余編碼，進一步確定冗余編碼和有效編碼的對應關系。該過程具體包括：

(1)分別統(tǒng)計寄存器Q¹和Q²中各個編碼出現(xiàn)的頻數(shù)C，采用輪詢的方式計算兩兩編碼的漢明距離，漢明距離為0的記C＝2，反之記C＝1。

(2)記寄存器中C＝1的編碼序列為“次有效編碼”，存入寄存器中；記寄存器中C＝2的編碼序列為“低精度編碼”，存入寄存器中；記寄存器Q²中的編碼序列為“無效編碼”，j＝1，…，10。

據(jù)此可得：

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合次有效編碼，

低精度編碼；

集合Q₂＝{00000，11111}，無效編碼；

4、依據(jù)對冗余編碼序列的分類，設計直流無刷電機霍爾傳感器容錯控制算法。該過程具體包括：

(1)根據(jù)圖3編寫系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)復位、初始化，電機啟動；

(2)檢測換相信號和霍爾傳感器的編碼序列，可能出現(xiàn)四種情況：

(2-1)霍爾傳感器的編碼序列為集合U中的一個元素，即為有效序列中的一種，則該編碼序列為有效編碼序列，正常換相；

(2-2)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q^1-1中的一個元素，即為與有效編碼序列一一對應的冗余編碼序列，該序列為次有效編碼序列，按照與有效編碼的對應關系，完成換相；

(2-3)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q^1-2中的一個元素，即該冗余編碼序列與等概率的2個有效編碼序列對應，該序列為低精度編碼序列，隨機選擇一個有效編碼序列，完成換相；

(2-4)霍爾傳感器的編碼序列為集合Q²中的一個元素，即為無效編碼序列，等待下一換相時刻。