CN105573304A - 一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，属于霍尔位置传感器故障诊断的技术领域。本发明通过在电机转动过程中对霍尔传感器的输出状态进行实时检测，分别以二进制和十进制数组的形式保存霍尔传感器的输出综合状态信息，依据二进制数组及十进制信息依次排除三个霍尔元件均故障、两个霍尔元件故障、一个霍尔元件故障的情形，并在判定故障类型后由霍尔传感器输出综合信息定位故障霍尔元件，最终反馈故障信息至控制器，该方案不需要对硬件进行改动，成本低廉，对故障类型的快速诊断为保护***提供了保障，对故障霍尔元件的准确定位为故障霍尔元件的维修和更换提供有力支持。

Description

一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法

技术领域

本发明公开了一种霍尔位置传感器故障诊断方法，具体涉及一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，属于的霍尔位置传感器故障诊断的技术领域。

背景技术

永磁同步电机由于具有高功率、高效率以及低速大转矩等特点，在工业、交通以及家电领域得到了越来越广泛的应用。在永磁同步电机控制策略中，矢量控制是最常用的控制策略之一，该策略在控制过程中为了防止转子的失步需要对转子位置进行检测。目前对永磁同步电机转子位置进行检测的方法大致可以分为两类：有位置传感器法和无位置传感器法。有位置传感器法是应用旋转变压器和光电编码器等高精度传感器对位置进行检测，此类方法得到的转子位置精度较高，但是传感器的使用往往会增加***的体积以及成本。而无位置传感器虽然不会增加***的体积以及成本，但是位置估算的方法一般比较复杂，势必会增加***的计算压力，并且无传感器方法一般会具有较差的起动机低速性能。而在一些特定的应用背景中如电动汽车，其经常行驶在高温、潮湿以及振动比较强的工况下，这会限制上述高精度传感器的使用，同时汽车在城市中行驶时又会经常的起动停止，这则会妨碍无传感器的使用范围。因此，霍尔传感器在一些特殊的环境中得到了越来越多的应用。

霍尔位置传感器是一种价格低廉，寿命长，工作温度范围广的低精度位置传感器。该传感器是由3个开关型霍尔元件组成，均匀的安装在电角度为120°的圆周上，随着电机的转动每个霍尔元件会输出不同的高低电平，将整个360°电周期分为6个60°的扇区。在每个扇区开始的时候，可以对转子位置进行精确的检测，但是在扇区之间则需要通过一定的估算方法来计算转子位置。在利用该传感器进行位置估算时，条件是3个霍尔元件均是正常的，但在电机运行过程中，由于温度、湿度等工作环境的变化，会导致霍尔元件发生故障，故障后霍尔元件输出状态始终为0或1。在霍尔发生故障之后，如果还按照原先的方法进行位置估算，控制器会得到错误的位置信号，之后会发出错误的电压信号，轻则导致电流过大，控制器保护，重则导致控制器失控，电机烧坏。

目前已有一些中国专利提出了霍尔传感器故障诊断的方法。申请号为201310312121.5的发明专利提出的故障诊断方法通过判断电机转动时是否出现了所有正常的状态来判断，但该方法未给出故障霍尔元件定位的具体方法，并且该方法不能在电机转动过程中实时进行故障检测；申请号为201310395718.0的发明专利给出的方法是通过判断霍尔顺序是否正确以及在某扇区内走过的电角度是否在最大与最小值范围内来确认故障是否出现，但该方法没有具体给出最大最小值的选取方法，并且当参数选择不合适时，适用性比较差；申请号为201510533218.8的发明专利给出了一种详细的霍尔位置传感器故障诊断方法以及其判断过程中阀值时间的计算过程，该方法相对于上两种方法更全面、详细，但该方法实施性有待提高并且阀值时间的计算过程相对较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，实现了霍尔传感器故障类型的快速诊断以及故障霍尔元件的准确定位，解决了现有霍尔传感器故障诊断方法适用性较差、计算过程相对复杂、不能在电机转动过程中实时进行故障检测的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，霍尔位置传感器包括逆时针排列的霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C，霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C将360°电周期划分为6个60°的扇区，

故障诊断方法包括如下步骤：

Ⅰ、初始化霍尔传感器输出综合状态信息后运行电机；

Ⅱ、检测各霍尔元件的输出状态信息，以霍尔元件A的输出状态为最高位，以霍尔元件C的输出状态为最低位，对各霍尔元件输出状态进行二进制编码得到记录各扇区内霍尔传感器输出综合状态的二进制数组，并存储各扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据；

Ⅲ、排除三个霍尔元件均故障的情形：

当霍尔传感器输出综合状态在阀值时间或阀值角度内发生跳变时，进入步骤Ⅳ继续诊断故障类型，

否则，霍尔传感器向控制器反馈错误信号，控制器控制永磁同步电机停机；

Ⅳ、排除两个霍尔元件故障的情形：

当在整个电周期内霍尔传感器输出综合状态多于两种时，进入步骤Ⅴ继续诊断故障类型，

否则，判定有两个霍尔元件故障并由相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据定位故障的霍尔元件，霍尔传感器反馈包括故障霍尔元件个数和位置的故障类型信息至控制器；

Ⅴ、排除一个霍尔元件故障的情形：

当霍尔传感器输出综合状态不含零矢量时，判定霍尔元件无故障并返回步骤Ⅱ，

否则，判定有一个霍尔元件故障并由零矢量之后的一个霍尔传感器输出综合状态定位故障的霍尔元件，霍尔传感器反馈包括故障霍尔元件个数和位置的故障类型信息至控制器。

作为所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法非进一步优化方案，步骤Ⅳ中所述由相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据定位故障的霍尔元件，具体为：

当相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据之差的绝对值为4时，判定霍尔元件A无故障，霍尔元件B和霍尔元件C均故障；

当相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据之差的绝对值为2时，判定霍尔元件B无故障，霍尔元件A和霍尔元件C均故障；

当相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据之差的绝对值为1时，判定霍尔元件C无故障，霍尔元件A和霍尔元件B均故障。

进一步的，所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法的步骤Ⅴ中，由零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态定位故障的霍尔元件，具体为在逆时针转过扇区的情况下：

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为010或101时，判定霍尔元件A为故障霍尔元件；

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为001或110时，判定霍尔元件B为故障霍尔元件；

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为100或011时，判定霍尔元件C为故障霍尔元件。

进一步的，所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法的步骤Ⅴ中，由零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态定位故障的霍尔元件，具体为在顺时针转过扇区的情况下：

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为001或110时，判定霍尔元件A为故障霍尔元件；

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为100或011时，判定霍尔元件B为故障霍尔元件；

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为010或101时，判定霍尔元件C为故障霍尔元件。

再进一步的，所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法的步骤Ⅲ中，阀值时间在永磁同步电机未启动时根据最小速度计算，阀值时间在永磁同步电机开始转动后根据转过上一扇区的平均速度计算；阀值角度为60°与一角度余量之和。

作为所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法的进一步优化方案，步骤Ⅰ中所述初始化霍尔传感器输出综合状态信息的方法为：选取六个霍尔元件正常工作情况以外的综合状态信息为霍尔传感器输出综合状态信息的初始值，所述六个霍尔元件正常工作情况以外的综合状态信息取值各不相同。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：利用一种纯软件方法简单地实现了霍尔传感器故障的实时快速检测以及准确定位，整个方案通过在电机转动过程中对霍尔传感器的输出状态进行实时检测，分别以二进制和十进制数组的形式保存霍尔传感器输出综合状态信息，依据二进制数组及十进制信息依次排除三个霍尔元件均故障、两个霍尔元件故障、一个霍尔元件故障的情形，并在判定故障类型后由霍尔传感器输出综合信息定位故障霍尔元件，最终反馈故障信息至控制器，该方案不需要对硬件进行改动，成本低廉，对故障类型的快速诊断为保护***提供了保障，对故障霍尔元件的准确定位为故障霍尔元件的维修和更换提供有力支持。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法框图；

图2（a）为霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C均正常时的霍尔位置区间图；

图2（b）为霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C均正常时各霍尔元件输出信号及相关数组存储值示意图；

图3（a）为霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C均故障且霍尔元件A输出为1，霍尔元件B输出为1，霍尔元件C输出为0时的霍尔位置区间图；

图3（b）为霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C均故障且霍尔元件A输出为1，霍尔元件B输出为1，霍尔元件C输出为0时各霍尔元件输出信号及相关数组存储值示意图；

图4（a）为霍尔元件A与霍尔元件C故障且霍尔元件A输出为1、霍尔元件C输出为0时的霍尔位置区间图；

图4（b）为霍尔元件A与霍尔元件C故障且霍尔元件A输出为1、霍尔元件C输出为0时各霍尔元件输出信号及相关数组存储值示意图；

图5（a）为霍尔元件A故障且输出为1时的霍尔位置区间图；

图5（b）为霍尔元件A故障且输出为1时各霍尔元件输出信号及相关数组存储值示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提出了一种如图1所示的永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法，霍尔位置传感器包括逆时针排列的霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C，霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C将360°电周期划分为6个60°的扇区。诊断方法具体包括如下四大步骤。

第一步：变量定义及***初始化。在电机转动过程中，霍尔传感器会输出6种综合状态，以（ABC）的形式可以表示为(100)，(110)，(010)，(011)，(001)，(101)，将整个电周期分为6个扇区，如图2（a）所示，所以首先需要定义一个数组Hall(j)用于存储电机运行过程中各扇区内霍尔传感器输出的综合状态，该数组长度为6（与扇区总数相同），同时为了防止初始阶段出现误报故障，数组中所有元素的初始值均设定为上述6种情况以外的值，且均不相同。同时为了便于之后的故障定位，以霍尔元件C输出状态为最低位，以霍尔元件A输出状态为最高位，将上述数组中每个二进制数据转化为十进制，同时定义一个数组Hall_dl(j)来储存上述十进制数据，其初始值的设定与数组Hall(j)采用相同的原则。霍尔传感器正常时每个霍尔元件的状态与Hall(j)、Hall_dl(j)的值如图2（b）所示。

第二步：霍尔传感器信号检测。在控制器开始驱动电机工作之后，***采用边沿捕获的方式对霍尔传感器中霍尔元件的输出状态进行采集，将其对应的二进制信息存储在数组Hall(j)中，同时将每个二进制数据对应的十进制数据存储在相应的Hall_dl(j)数组中。

第三步：在采集到霍尔传感器的信号后，采用逐步判断的方式对故障的类型进行判断并对故障霍尔元件进行定位。霍尔传感器故障之后可以根据发生故障的霍尔元件个数以及位置的不同分为多种类型，本发明将按故障霍尔元件个数的不同，按三个阶段来进行判断：

1、判断是否三个霍尔元件均发生故障。当3个霍尔元件均发生故障，霍尔传感器在电机转动过程中只有一种状态，此时的霍尔位置区间图如图3（a）所示，图3（b）给出的是相对应的各霍尔元件输出信号及数组Hall(j)、Hall_dl(j)的存储值，此时霍尔元件A输出为1，霍尔元件B输出为1，霍尔元件C输出为0。这里另定义一个时间变量以及每个扇区走过的角度，在时间或角度达到阀值之后，若霍尔传感器状态还未发生变化，那么可以认定为3个霍尔均发生故障。阀值时间可以分为两种，一是在电机还未转动时，可以通过给出一个最小速度来得到时间，一是电机转动之后，通过转过上一扇区的平均速度来得到时间。每个扇区的角度则是速度的积分得到，如果该角度在达到60°加上一个角度余量之后（即为阀值角度），霍尔传感器输出综合状态仍然未发生改变，亦可以认定3个霍尔元件均发生故障。本申请涉及的阀值计算过程相对简单，有利于提高算法效率。

2、判断是否为两个霍尔元件均发生故障。当两个霍尔元件发生故障，只有一个霍尔元件的状态会发生变化，那么霍尔传感器只会输出两个综合状态，霍尔元件A、霍尔元件C故障后的霍尔区间图如图4（a）所示，图4（b）是对应的各霍尔元件输出信号及数组Hall(j)、Hall_dl(j)的存储值，此时霍尔元件A输出为1，霍尔元件C输出为0，可以根据这个特点来判定是否是两个霍尔元件发生故障。根据霍尔传感器输出综合状态是否满足Hall(j)=Hall(j+2)来判断，一旦满足这个条件，可以判定为两个霍尔元件故障。而由于数组Hall_dl(j)中存储的是Hall(j)对应的十进制数据，可以通过Hall_dl(j+1)-Hall_dl(j)的绝对值来定位故障霍尔元件，当其绝对值为4时，可以确定霍尔元件A未发生故障，相反故障的是霍尔元件B、霍尔元件C；当其绝对值为2时，可以确定霍尔元件B未发生故障，相反故障的是霍尔元件A、霍尔元件C；当其绝对值为1时，可以确定霍尔元件C未发生故障，故障的是霍尔元件A、霍尔元件B。

3、判断是否为一个霍尔元件发生故障。一个霍尔元件故障时，霍尔传感器输出综合状态会剩下四种，其中必有一种状态是三个霍尔元件的输出状态是一样的，称为零矢量状态，当在判断为不是三个或两个霍尔故障之后，就可以通过判断是否会出现零矢量（即三个霍尔元件的状态一样，此种状态在两个霍尔元件出错时也可能会出现，但该种情况已排除）来判断是否只有一个霍尔元件出错，若出现了零矢量，那么可以判定为有一个霍尔元件出现了故障，图5（a）给出了霍尔元件A故障后的霍尔区间图，图5（b）为对应的各霍尔元件输出信号及数组Hall(j)、Hall_dl(j)的存储值，此时霍尔元件A输出为1。因此在上两种情况均不成立情况下，当数组Hall(j)中一旦出现零矢量，可以认定为1个霍尔元件故障。对于故障的定位，按图2（a）逆时针旋转时，霍尔元件A故障后，如果霍尔元件A输出状态为0，那么零矢量后的一个状态为010，如果霍尔元件A输出状态为1，那么零矢量后的一个状态为101；同理可以得到霍尔元件B故障之后对应的状态为001（如果霍尔元件B输出状态为0，那么零矢量后的一个状态为001）、110（如果霍尔元件B输出状态为1，那么零矢量后的一个状态为110），霍尔元件C故障后为100（如果霍尔元件C输出状态为0，那么零矢量后的一个状态为100）、011（如果霍尔元件C输出状态为1，那么零矢量之后的一个状态为011）。顺时针旋转时，霍尔元件A故障后，如果霍尔元件A输出状态为0，那么零矢量后的一个状态为001，如果霍尔元件A输出状态为1，那么零矢量后的一个状态为110；同理可以得到霍尔元件B故障之后对应的状态为100（如果霍尔元件B输出状态为0，那么零矢量之后的一个状态为100）、011（如果霍尔元件B输出状态为1，那么零矢量之后的一个状态为011），霍尔元件C故障后为010（如果霍尔元件C输出状态为0，那么零矢量之后的一个状态为010）、101（如果霍尔元件C输出状态为1，那么零矢量之后的一个状态为101）。

第四步：在进行上述几个步骤之后，如果判定为未发生故障，则重复进行第二、三步；如果判定发生了上述三种情况之一的故障，则向控制器返回对应的故障类型，包括故障霍尔元件的个数和位置，控制器需要针对不同的故障类型采取相应的应对策略。

综上所述，本发明利用一种纯软件方法简单地实现了霍尔传感器故障的实时快速检测以及准确定位，整个方案通过在电机转动过程中对霍尔传感器的输出状态进行实时检测，分别以二进制和十进制数组的形式保存霍尔传感器输出综合状态信息，依据二进制数组及十进制信息依次排除三个霍尔元件均故障、两个霍尔元件故障、一个霍尔元件故障的情形，并在判定故障类型后由霍尔传感器输出综合信息定位故障霍尔元件，最终反馈故障信息至控制器，该方案不需要对硬件进行改动，成本低廉，对故障类型的快速诊断为保护***提供了保障，对故障霍尔元件的准确定位为故障霍尔元件的维修和更换提供有力支持。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案实质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机、服务器，或者网络设备等）执行本发明的实施例或实施例的某些部分所述的方法。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，霍尔位置传感器包括逆时针排列的霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C，霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C将360°电周期划分为6个60°的扇区，

其特征在于，故障诊断方法包括如下步骤：

Ⅰ、初始化霍尔传感器输出综合状态信息后运行电机；

Ⅱ、检测各霍尔元件的输出状态信息，以霍尔元件A的输出状态为最高位，以霍尔元件C的输出状态为最低位，对各霍尔元件输出状态进行二进制编码得到记录各扇区内霍尔传感器输出综合状态的二进制数组，并存储各扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据；

Ⅲ、排除三个霍尔元件均故障的情形：

当霍尔传感器输出综合状态在阀值时间或阀值角度内发生跳变时，进入步骤Ⅳ继续诊断故障类型，

否则，霍尔传感器向控制器反馈错误信号，控制器控制永磁同步电机停机；

Ⅳ、排除两个霍尔元件故障的情形：

当在整个电周期内霍尔传感器输出综合状态多于两种时，进入步骤Ⅴ继续诊断故障类型，

否则，判定有两个霍尔元件故障并由相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据定位故障的霍尔元件，霍尔传感器反馈包括故障霍尔元件个数和位置的故障类型信息至控制器；

Ⅴ、排除一个霍尔元件故障的情形：

当霍尔传感器输出综合状态不含零矢量时，判定霍尔元件无故障并返回步骤Ⅱ，

否则，判定有一个霍尔元件故障并由零矢量之后的一个霍尔传感器输出综合状态定位故障的霍尔元件，霍尔传感器反馈包括故障霍尔元件个数和位置的故障类型信息至控制器。

2.根据权利要求1所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤Ⅳ中所述由相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据定位故障的霍尔元件，具体为：

当相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据之差的绝对值为4时，判定霍尔元件A无故障，霍尔元件B和霍尔元件C均故障；

当相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据之差的绝对值为2时，判定霍尔元件B无故障，霍尔元件A和霍尔元件C均故障；

当相邻两扇区内霍尔传感器输出综合状态对应的十进制数据之差的绝对值为1时，判定霍尔元件C无故障，霍尔元件A和霍尔元件B均故障。

3.根据权利要求2所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤Ⅴ中所述由零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态定位故障的霍尔元件，具体为在逆时针转过扇区的情况下：

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为010或101时，判定霍尔元件A为故障霍尔元件

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为001或110时，判定霍尔元件B为故障霍尔元件；

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为100或011时，判定霍尔元件C为故障霍尔元件。

4.根据权利要求2所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤Ⅴ中所述由零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态定位故障的霍尔元件，具体为在顺时针转过扇区的情况下：

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为001或110时，判定霍尔元件A为故障霍尔元件；

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为100或011时，判定霍尔元件B为故障霍尔元件；

当零矢量状态之后的一个霍尔传感器输出综合状态为010或101时，判定霍尔元件C为故障霍尔元件。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤Ⅲ中所述阀值时间在永磁同步电机未启动时根据一个设定的最小速度计算，阀值时间在永磁同步电机开始转动后根据转过上一扇区的平均速度计算；所述阀值角度为60°与一角度余量之和。

6.根据权利要求1所述一种永磁同步电机霍尔位置传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤Ⅰ中所述初始化霍尔传感器输出综合状态信息的方法为：选取六个霍尔元件正常工作情况以外的综合状态信息为霍尔传感器输出综合状态信息的初始值，所述六个霍尔元件正常工作情况以外的综合状态信息取值各不相同。