CN103475294A - 一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于汽车发动机技术领域的一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，它包括基于两霍尔传感器的永磁同步电机控制算法和基于单霍尔传感器的永磁同步电机控制算法，并且还包含对永磁同步电机各模式切换过程进行控制的算法。该发明可以保证永磁同步电机在一个甚至两个霍尔传感器出现故障的时候，依然可以正常运转，平稳输出转矩，并且可以保证永磁同步电机在各模式之间的切换过程平稳，提高电机在各模式下工作的鲁棒性。本发明可以广泛应用于带霍尔传感器永磁同步电机的各种使用场合。

Description

一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法

技术领域

本发明属于汽车发动机技术领域，特别涉及一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，具体说是在用于新能源汽车领域能够保证永磁同步电机能够在一个甚至两个霍尔传感器出现故障的时候正常工作。

背景技术

永磁同步电机以其高转矩，高能量密度，高效率和噪声低等优点被广泛应用于新能源汽车的驱动***。传统的永磁同步电机矢量控制***中需要高精度转子位置传感器，但在一些场合中受到了安装空间和成本的限制，无法使用。相比之下，霍尔传感器（Hall Sensors）具有体积小，安装方便，价格低廉等优点，被广泛应用于永磁同步电机转子相位检测中。

一般来说，永磁同步电机会配置三个对称安装的霍尔传感器，三相霍尔传感器产生的编码信号可以将永磁同步电机的一个电周期（电周期和物理周期之间成线性关系，其比例系数取决于电机磁极对数）分为六个区域，如附图1中所示。编码信号分别为：101（5）、001（1）、011（3）、010（2）、110（6）、100（4），6个区域等间隔60个电角度，并在区域交界处有6个准确的参考相位（相位0——相位5）。准确的转子相位对于永磁同步电机控制策略来说十分重要，相位的准确性直接影响了电机运行过程中的震动，噪声以及效率。估测转子相位的方法不止一种，比较常用的有零阶估测和一阶估测。首先，根据转子之前所走过某（几）个霍尔区域所经过的时间，可以估测出转子的角速度；根据当前霍尔信号可以确定转子所在区域及该区域的起始相位。所谓一阶估测，就是利用估测的转子速度和转子经过本区域已用的时间，计算在本区域所走过的电角度，再与参考相位相加计算此时刻转子相位；与此相对应的二阶估测方法不仅利用估测的转子转速对相位进行估测，还对转子加速度进行估测，进而对转子估测转速进行补偿，最终在电机转速波动时获得更加精确的转子相位。图2可以表示这一估测过程，位于垂直方向的是电机转子，三相定子线圈等间隔120°排列，三相霍尔信号将一个电周期分为六个区域，每个区域被一个霍尔信号编码，区域交界处的转子相位精确可知，在各霍尔区域内，利用转子估测转速和经过本区域的时间，细化转子位置估计的精度，进而获得当前时刻转子的估测相位。

汽车对零部件的可靠性要求非常高，一旦霍尔传感器出现故障，错误的霍尔信号就会出现，电机控制器将会解析出错误的转子相位信号并输出错误的控制信号，进而带来严重的后果，例如转矩波动、相电流过大、电机热负荷过大甚至电机内部短路。而这样的情况是不能被接受的。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，其特征在于，首先提出了在一个和两个霍尔传感器出现故障的情况下，如何利用正常工作的传感器继续准确的估测转子相位的霍尔传感器容错控制算法，包括：

（1）两霍尔传感器控制算法：

当三相霍尔传感器中的一相出现故障，永磁同步电机将进入两霍尔传感器控制模式，电机控制器将利用剩下的两个正常霍尔信号进行转子相位估计，两个霍尔信号将一个电周期分割并编码为四个不均匀的霍尔区域，根据一阶估测方法，对转子的转速和角加速度进行估计，并估计转子当前的转速，将估测转速积分，并结合当前霍尔区域的参考相位，得到当前的转子相位，估测转速将不均匀的霍尔区间进行了细分，需要说明的是，每经过一个霍尔区域，转子角速度都会更新一次；而角加速度的更新每经过两个霍尔区域进行一次；

（2）单霍尔传感器控制算法：

当三相霍尔传感器中的两相出现故障，永磁同步电机将进入单霍尔传感器控制模式，电机控制器将利用唯一正常霍尔信号进行转子相位估计，霍尔信号将一个电周期分割并编码为2个等间隔的霍尔区域，根据一阶估测方法，对转子的转速和角加速度进行估计，并估计转子当前的转速，将估测转速积分，并结合当前霍尔区域的参考相位，得到当前的转子相位，（可参考图6所示。）需要说明的是，转子角速度和角加速度均为每经过一个霍尔区域更新一次；

（3）一个电机模式切换控制算法，该算法用于模式转换过程的控制，当永磁同步电机由一个模式切换到另一个的时候，该算法将更新电机控制算法中的几个变量：霍尔信号、参考相位即当前霍尔区域的起始相位、在本霍尔区域已走过的电角度、在本霍尔区域应走过的理论最小电角度和在理论最大电角度；这几个变量不仅影响永磁同步电机模式切换的平顺性，还对永磁同步电机各模式下的霍尔传感器故障诊断具有重要作用。

所述两个霍尔信号将一个电周期分割并编码为四个不均匀的霍尔区域是分别编码为10、00、01、11；区域1——区域4间隔的电角度分别是120°、60°、120°、60°。

所述转子角速度和角加速度均为每经过一个霍尔区域更新一次为经过一个霍尔区域即半个电周期都进行电机转速、加速度估测，假设此时正常相霍尔信号由0跳变到1，估测公式如下：

电机转速

电机加速度 $a_n=\frac{{\mathrm{\ω}}_n-{\mathrm{\ω}}_{n-1}}{0.5(t_{n-1}+t_{n-2})},$

最后，转子相位估测公式为：

θ_t=θ₂+ω_nt+0.5a_nt²；

上述式中，当前霍尔区域的时间是t_n，经过上一霍尔区域的时间是t_n-1；经过上两个霍尔区域的时间是t_n-2；电机当前的转速估计值是ω_n，上一次估计值是ω_n-1；参考相位2表示为θ₂。

本发明的有益效果是保证永磁同步电机可以在一个甚至两个霍尔传感器出现故障的时候继续正常工作，输出平稳的转矩。除此之外，本发明还包括各对电机模式切换过程的控制算法，即及时更新必要的参数，保证永磁同步电机在各模式切换过程中的平顺性以及电机在各模式下运转的稳定性和鲁棒性。具有以下优点：1、不改变电机控制算法，只将霍尔容错算法嵌套在其中，保证转子相位估计始终可靠，算法本身非常简洁明了。2、模式切换控制可以保证控制参数的及时更新，保证了转子相位估计的连续性，以及整个控制***的可靠性。3、本***并未增加任何硬件设备，单从软件层面即可实现，没有增加设备成本，具有低成本，易实现的特点。综上所述，本发明可以广泛用于利用霍尔传感器进行相位检测的永磁同步电机的各种使用场合中。

附图说明

图1一个电周期下的三相霍尔信号

图2三霍尔模式下估测转速细分转子相位示意

图3一个电周期下B、C两相霍尔信号

图4两霍尔模式下估测转速细分转子相位示意

图5一个电周期下C相霍尔信号

图6单霍尔模式下估测转速细分转子相位示意

图7永磁同步电机模式切换过程示例

具体实施方式

本发明提供一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法。

下面结合附图分别介绍其具体实施方式：

（1）霍尔传感器容错控制算法：霍尔传感器容错控制算法包括两霍尔传感器控制算法和单霍尔传感器控制算法，二者本质上是一样的，先介绍两霍尔控制的实施方式。

举例说明，在图3中，假设A相霍尔出现故障，B、C两相霍尔将一个电周期分割成4个区域，分别编码为10、00、01、11，区域1——区域4间隔的电角度分别是120°、60°、120°、60°。每经过一个霍尔区域都进行电机转速估计，而电机加速度估计每经过两个霍尔区域进行一次，这是为了减少估测加速度中的噪声。下面具体说明：

首先，定义电机转子经过当前霍尔区域的时间是t_n，经过上一霍尔区域的时间是t_n-1，以此类推；定义电机当前的转速估计值是ω_n，上一次估计值是ω_n-1，以此类推；定义电机当前的加速度估计值是a_n，上一次估计值是a_n-1，以此类推。如果某时刻出现霍尔跳变，例如转子马上进入区域3（如图4所示）。假设在本霍尔跳变时，不仅需要进行转速估计，还需要进行电机加速度估计，区域3的起始相位参考相位2——θ₂。则转速估计公式如下：

加速度估计公式为：

$a_n=\frac{{\mathrm{\ω}}_n-{\mathrm{\ω}}_{n-2}}{0.5(t_{n-3}+t_{n-4}+t_{n-1}+t_{n-2})}.$

通过估测转速和估测加速度，便可以估测转子在区域3内任意时刻t的转子相位θ_t：

θ_t=θ₂+ω_nt+0.5a_nt²。

对于单霍尔模式下的转子相位检测，假设B、C相霍尔传感器故障，如图5、6所示，同两霍尔控制模式略有区别，每次经过一个霍尔区域（即半个电周期）都进行电机转速、加速度估测，假设此时A相霍尔信号由0跳变到1，估测公式如下：

$a_n=\frac{{\mathrm{\ω}}_n-{\mathrm{\ω}}_{n-1}}{0.5(t_{n-1}+t_{n-2})},$

最后，转子相位估测公式为：

θ_t=θ₂+ω_nt+0.5a_nt²。

永磁同步电机模式切换控制算法：在实际的运转过程中，永磁同步电机可能经历4中模式切换过程，即三霍尔控制模式两霍尔控制模式

单霍尔控制模式，模式间的转换过程控制十分必要，主要是更新电机控制中的某些参量，举例说明，假设此时A相霍尔检测出错误，永磁同步电机由三霍尔控制模式切换到两霍尔控制模式，如图7所示，首先，***要将霍尔信号从010更新为01；由于霍尔区间的分布和间隔发生了改变，因此要将霍尔区域起始相位（参考相位）从相位3更新为相位2；随后，在本霍尔区域所走过的电角度也应该更新，即增加Δθ₂；之后，要对当前霍尔区域应经过的理论最大、最小电角度进行更新，这是永磁同步电机霍尔故障诊断中要用到的重要参数和判断标准。完成上述参数更新后，电机便成功由三霍尔控制模式切换到两霍尔控制模式。可见，对于永磁同步电机模式转换过程的控制不仅影响模式切换过程的平顺性，还影响永磁同步电机在各模式下工作的稳定性和可靠性。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，其特征在于，首先提出了在一个和两个霍尔传感器出现故障的情况下，如何利用正常工作的传感器继续准确的估测转子相位的霍尔传感器容错控制算法，包括：

（1）两霍尔传感器控制算法：

当三相霍尔传感器中的一相出现故障，永磁同步电机将进入两霍尔传感器控制模式，电机控制器将利用剩下的两个正常霍尔信号进行转子相位估计，两个霍尔信号将一个电周期分割并编码为四个不均匀的霍尔区域；根据一阶估测方法，对转子的转速和角加速度进行估计，并估计转子当前的转速，将估测转速积分，并结合当前霍尔区域的参考相位，得到当前的转子相位，估测转速将不均匀的霍尔区间进行了细分；需要说明的是，每经过一个霍尔区域，转子角速度都会更新一次；而角加速度的更新每经过两个霍尔区域进行一次；

（2）单霍尔传感器控制算法：

当三相霍尔传感器中的两相出现故障，永磁同步电机将进入单霍尔传感器控制模式，电机控制器将利用唯一正常霍尔信号进行转子相位估计，霍尔信号将一个电周期分割并编码为2个等间隔的霍尔区域；根据一阶估测方法，对转子的转速和角加速度进行估计，并估计转子当前的转速，将估测转速积分，并结合当前霍尔区域的参考相位，得到当前的转子相位；需要说明的是，转子角速度和角加速度均为每经过一个霍尔区域更新一次；

（3）一个电机模式切换控制算法，该算法用于模式转换过程的控制，当永磁同步电机由一个模式切换到另一个的时候，该算法将更新电机控制算法中的几个变量：霍尔信号、参考相位即当前霍尔区域的起始相位、在本霍尔区域已走过的电角度、在本霍尔区域应走过的理论最小电角度和在理论最大电角度；这几个变量不仅影响永磁同步电机模式切换的平顺性，还对永磁同步电机各模式下的霍尔传感器故障诊断具有重要作用。

2.根据权利要求1所述一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，其特征在于，所述两个霍尔信号将一个电周期分割并编码为四个不均匀的霍尔区域是分别编码为10、00、01、11；区域1——区域4间隔的电角度分别是120°、60°、120°、60°。

3.根据权利要求1所述一种永磁同步电机霍尔传感器容错控制算法，其特征在于，所述转子角速度和角加速度均为每经过一个霍尔区域更新一次为经过一个霍尔区域即半个电周期都进行电机转速、加速度估测，假设此时正常相霍尔信号由0跳变到1，估测公式如下：

电机转速

电机加速度 $a_n=\frac{{\mathrm{\ω}}_n-{\mathrm{\ω}}_{n-1}}{0.5(t_{n-1}+t_{n-2})},$

最后，转子相位估测公式为：

θ_t=θ₂+ω_nt+0.5a_nt²；

上述式中，当前霍尔区域的时间是t_n，经过上一霍尔区域的时间是t_n-1；经过上两个霍尔区域的时间是t_n-2；电机当前的转速估计值是ω_n，上一次估计值是ω_n-1；参考相位2表示为θ₂。

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