CN110061673A - 基于霍尔传感器的电机控制方法及*** - Google Patents

基于霍尔传感器的电机控制方法及*** Download PDF

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CN110061673A CN201910380868.1A CN201910380868A CN110061673A CN 110061673 A CN110061673 A CN 110061673A CN 201910380868 A CN201910380868 A CN 201910380868A CN 110061673 A CN110061673 A CN 110061673A
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Abstract

本发明提供了一种基于霍尔传感器的电机控制方法及***，涉及电机领域。基于霍尔传感器的电机控制方法中，在电机运行后，首先判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障，如果有至少一个霍尔传感器发生故障，然后判断霍尔传感器组是否可在故障模式下工作。若霍尔传感器组能在故障模式下工作，则根据第一计算方法计算转子与设置于定子上的预设坐标轴的角度；最后，根据角度对电机进行矢量控制。采用上述方法，在电机运转的时候，首先对霍尔传感器进行故障诊断，确保计算出的角度位置准确可信。同时，当霍尔传感器故障严重时，禁止电机运行，保证车辆安全。

Description

基于霍尔传感器的电机控制方法及***
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是涉及一种基于霍尔传感器的电机控制方法及***。
背景技术
永磁同步电机的反电动势波形部分不同于直流无刷电机的梯形波，而是正弦波。如果采用方波电压对电机进行控制，方波的控制电压和正弦波的的反电动势会使得电机的电流波形出现畸变，从而导致输出扭矩波动。因此，对永磁同步电机的控制电压需要使用矢量控制，这就需要非常准确的知道转子磁极相对于定子绕组的位置。通常新能源汽车的永磁同步电机采用旋转变压器来获取电机转子磁场的准确位置，然而旋转变压器的成本非常高。
现有技术中，为了降低成本，采用霍尔传感器来完成对电机的磁场定向控制。但是，由于霍尔传感器出现故障导致计算出的角度会出现较大的误差，可能会危及汽车和成员的安全。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种基于霍尔传感器的电机控制方法，以解决因霍尔传感器出现故障导致计算出的角度会出现较大误差的问题。
本发明一个进一步的目的是要对霍尔传感器进行故障诊断，以判断电机是否允许霍尔传感器组带故障运行。
一方面，本发明提供了一种基于霍尔传感器的电机控制方法，包括：
判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障；
在至少一个霍尔传感器发生故障时，判断霍尔传感器组是否可在故障模式下工作；
若霍尔传感器组能在故障模式下工作，则根据第一计算方法计算转子与设置于定子上的预设坐标轴之间的角度；
根据角度对电机进行矢量控制。
可选地，判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障包括：
对霍尔传感器组输出的信号值进行连续采样；
比对霍尔传感器组连续两次输出的信号值；
若两次输出的信号值相同，则判定霍尔传感器组未发生故障；若两次输出的信号值不同，则判定霍尔传感器组可能发生故障，进行下一步；
获取转子旋转一周后霍尔传感器组输出的信号值中发生变化的多个数值，其中，多个数值中任意两个数值均不相同；
判断根据多个数值计算的结果是否为预设定值；
若是，则判定霍尔传感器组未发生故障，则根据第二计算方法计算电机的转子与预设轴的角度；若否，则判定霍尔传感器组发生故障。
可选地，在至少一个霍尔传感器发生故障时，判断霍尔传感器组是否可在故障模式下工作包括：
当霍尔传感器组中的一个霍尔传感器发生故障时，判定霍尔传感器组可在故障模式下工作；
当霍尔传感器组中的两个及两个以上的霍尔传感器发生故障时，判定霍尔传感器组不能在故障模式下工作，控制电机停止工作。
可选地，根据第一计算方法计算或第二计算方法计算转子与预设坐标轴的角度包括：
计算转子与预设坐标轴的角度的极值a0；
修正霍尔传感器组的误差；
计算转子的转角速度；
计算转子的转角加速度；
根据极值、误差、转角速度和转角加速度转子与预设坐标轴的角度。
可选地，当根据第一计算方法计算转子与预设坐标轴的角度时，计算转子与预设坐标轴的角度的极值a0包括；
将定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当电机转子的磁极位于不同子区域时，霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)；
当其中一个霍尔传感器发生故障时，故障霍尔传感器不能产生信号值，极值a0计算如下：
如果信号值从Y1跳变到Y2，极值为R12；
如果信号值从Y2跳变到Y3，极值为R23；
如果信号值从Y3跳变到Y0，极值为R30；
如果信号值从Y0跳变到Y1，极值为R01。
可选地，当根据第二计算方法计算电机的转子与预设轴的角度时，计算转子与预设坐标轴的角度的极值a0包括；
将定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当电机转子的磁极位于不同子区域时，霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)；
极值a0计算如下：
如果信号值从Y1跳变到Y2，极值为R12；
如果信号值从Y2跳变到Y3，极值为R23；
如果信号值从Y3跳变到Y4，极值为R34；
如果信号值从Y4跳变到Y5，极值为R45；
如果信号值从Y5跳变到Y6，极值为R56；
如果信号值从Y6跳变到Y1，极值为R61。
可选地，检测霍尔传感器组中具体发生故障的霍尔传感器的方法包括：
获取转子旋转一周霍尔传感器组输出的信号值中发生变化的多个数值，其中，多个数值中任意两个数值均不相同；同时在多个数值中提取跟目标霍尔传感器无关的部分数值；
判断根据多个数值计算的第一结果是否为第一预设定值；同时判断根据部分数值计算的第二结果是否为第二预设定值；
若第一结果与第一预设定值不同，且第二结果与第二预设定值相同，则判定目标霍尔传感器发生故障。
可选地，在判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障之前，还包括：
判断电机的转速是否低于预设阈值；
若转速低于预设阈值，则根据第三计算方法计算转子与设置于定子上的预设坐标轴的角度，然后根据角度对电机进行矢量控制；若转速大于等于预设阈值，则判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障。
可选地，第三计算方法包括：
将定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当转子的磁极位于不同子区域时，霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)。
另一方面，本发明还提供了一种应用上述任一电机控制方法的电机，电机的定子固定有三个霍尔传感器，三个霍尔传感器将定子的圆周区域等分为六个区域。
本发明的基于霍尔传感器的电机控制方法中，在电机运行后，首先判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障，如果有至少一个霍尔传感器发生故障，然后判断霍尔传感器组是否可在故障模式下工作。若霍尔传感器组能在故障模式下工作，则根据第一计算方法计算转子与设置于定子上的预设坐标轴的角度；最后，根据角度对电机进行矢量控制。采用上述方法，在电机运转的时候，首先对霍尔传感器进行故障诊断，确保计算出的角度位置准确可信。通过计算出的角度对电机进行功能降级，使电机运转平稳，可以容许驾驶员在霍尔传感器出现故障的情况下将车辆驾驶至维修点进行检修。同时，当霍尔传感器故障严重时，禁止电机运行，保证车辆安全。
进一步地，本发明在霍尔传感器正常和发生故障时，分别通过不同的算法估算电机转子与预设坐标轴的角度，同时考虑到霍尔传感器的制造误差，通过补偿量来修正制造和安装过程中产生的角度误差，来得到转子在整个圆周上的准确的角度位置，以使霍尔传感器准确运行。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的基于霍尔传感器的电机控制方法的示意性流程图；
图2是根据本发明一个实施例的霍尔传感器组布置于电机上的示意性结构图；
图3是根据本发明另一个实施例的基于霍尔传感器的电机控制方法的示意性流程图；
图4是图2所示的霍尔传感器组正常工作的输出信号图；
图5是2所示的霍尔传感器组中的C传感器发生故障时的输出信号图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的基于霍尔传感器的电机控制方法的示意性流程图。图2是根据本发明一个实施例的霍尔传感器组布置于电机上的示意性结构图。图3是根据本发明另一个实施例的基于霍尔传感器的电机控制方法的示意性流程图。图4是图2所示的霍尔传感器组正常工作的输出信号图。图5是2所示的霍尔传感器组中的C传感器发生故障时的输出信号图。下面参照图1至图5来描述本发明实施例的基于霍尔传感器的电机控制方法及***。
如图1所示，本发明的基于霍尔传感器的电机控制方法，包括：
步骤S101，判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障；
步骤S102，在至少一个霍尔传感器发生故障时，判断霍尔传感器组是否可在故障模式下工作；
步骤S103，若霍尔传感器组能在故障模式下工作，则根据第一计算方法计算转子与设置于定子上的预设坐标轴的角度；
步骤S104，根据角度对电机进行矢量控制。
采用上述方法，在电机运转的时候，首先对霍尔传感器进行故障诊断，确保计算出的角度位置准确可信。通过计算出的角度对电机进行功能降级，使电机运转平稳，可以容许驾驶员在霍尔传感器出现故障的情况下将车辆驾驶至维修点进行检修。同时，当霍尔传感器故障严重时，禁止电机运行，保证车辆安全。
具体地，在步骤S101中，判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障包括：
对霍尔传感器组输出的信号值进行连续采样，这里的连续采样是指对霍尔传感器每次采集的信号都进行收集处理；
比对霍尔传感器组连续两次输出的信号值，一般地，每个霍尔传感器的相邻两次输出信号的间隔为200微秒，当然，还可以是100微秒、300微秒或其它时间，这里列举的数值并不是限定其范围，只是一个举例说明；
若两次输出的信号值相同，则判定霍尔传感器组未发生故障；若两次输出的信号值不同，则判定霍尔传感器组可能发生故障，进行下一步；
获取转子旋转一周后霍尔传感器组输出的信号值中发生变化的多个数值，其中，多个数值中任意两个数值均不相同；
判断根据多个数值计算的结果是否为预设定值；
若是，则判定霍尔传感器组未发生故障，则根据第二计算方法计算电机的转子与预设轴的角度；若否，则判定霍尔传感器组发生故障。
进一步地，在步骤S102中，在至少一个霍尔传感器发生故障时，判断霍尔传感器组是否可在故障模式下工作包括：
当霍尔传感器组中的一个霍尔传感器发生故障时，判定霍尔传感器组可在故障模式下工作；
当霍尔传感器组中的两个及两个以上的霍尔传感器发生故障时，判定霍尔传感器组不能在故障模式下工作，控制电机停止工作。
进一步地，在本发明的实施例中，霍尔传感器组中至少包括三个霍尔传感器，可以为四个、五个或六个。优选地，霍尔传感器组中包括三个传感器，这样，就节省成本，又能使算法准确可靠。
在一个具体的实施例中，
根据第一计算方法计算或第二计算方法计算转子与预设坐标轴的角度包括：
计算转子与预设坐标轴的角度的极值a0；
修正霍尔传感器组的误差；
计算转子的转角速度；
计算转子的转角加速度；
根据极值、误差、转角速度和转角加速度转子与预设坐标轴的角度。
当根据第一计算方法计算转子与预设坐标轴的角度时，计算转子与预设坐标轴的角度的极值a0包括；
将定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当电机转子的磁极位于不同子区域时，霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)；
当其中一个霍尔传感器发生故障时，故障霍尔传感器不能产生信号值，极值a0计算如下：
如果信号值从Y1跳变到Y2，极值为R12；
如果信号值从Y2跳变到Y3，极值为R23；
如果信号值从Y3跳变到Y0，极值为R30；
如果信号值从Y0跳变到Y1，极值为R01。
当根据第二计算方法计算电机的转子与预设轴的角度时，计算转子与预设坐标轴的角度的极值a0包括；
将定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当电机转子的磁极位于不同子区域时，霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)；
极值a0计算如下：
如果信号值从Y1跳变到Y2，极值为R12；
如果信号值从Y2跳变到Y3，极值为R23；
如果信号值从Y3跳变到Y4，极值为R34；
如果信号值从Y4跳变到Y5，极值为R45；
如果信号值从Y5跳变到Y6，极值为R56；
如果信号值从Y6跳变到Y1，极值为R61。
进一步地，本发明在霍尔传感器正常和发生故障时，分别通过不同的算法估算电机转子与预设坐标轴的角度，同时考虑到霍尔传感器的制造误差，通过补偿量来修正制造和安装过程中产生的角度误差，来得到转子在整个圆周上的准确的角度位置，以使霍尔传感器准确运行。
特别地，检测霍尔传感器组中具体发生故障的霍尔传感器的方法包括：
获取转子旋转一周霍尔传感器组输出的信号值中发生变化的多个数值，其中，多个数值中任意两个数值均不相同；同时在多个数值中提取跟目标霍尔传感器无关的部分数值；
判断根据多个数值计算的第一结果是否为第一预设定值；同时判断根据部分数值计算的第二结果是否为第二预设定值；
若第一结果与第一预设定值不同，且第二结果与第二预设定值相同，则判定目标霍尔传感器发生故障。
在一个优选地实施例中，在判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障之前，还包括：
判断电机的转速是否低于预设阈值；其中，预设阈值可以为30转/分，还可以为其他数值，这里不做详细限定；
若转速低于预设阈值，则根据第三计算方法计算转子与设置于定子上的预设坐标轴的角度，然后根据角度对电机进行矢量控制；若转速大于等于预设阈值，则判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障。
进一步地，第三计算方法包括：
将定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当转子的磁极位于不同子区域时，霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)。
本发明还提供了一种应用上述任一实施例中介绍的电机控制方法的电机，参考图2，电机的定子固定有三个霍尔传感器，三个霍尔传感器将定子的圆周区域等分为六个区域。
下面参考图2-5对电机及电机控制方法进行详细描述。
永磁同步电机广泛的应用于纯电动汽车以及各种混合动力汽车，在电机的转矩控制的过程中，永磁同步电机的输出转矩和定子电流之间的关系如下：
Trq＝3/2p×ψf×is
其中p为电机转子的磁极对数(p是没有单位的标量)。ψf是电机转子的磁通量，ψf是一个矢量，单位是韦伯。is是同步电机三相定子绕组合成的电流矢量，单位为安培。由于汽车在启动、加速、减速的过程中对永磁同步电机的输出转矩精度要求高，而电机的输出转矩是ψf和is矢量相乘，所以扭矩控制的时候就需要精确的知道转子磁极和固连在定子上的坐标的夹角。
参考图2，图2给出了霍尔传感器在永磁同步电机上的一种安装方式，其中A、B、C器件为三个霍尔传感器，他们固定在定子上，不会跟随着电机转子转动。标记为N-S的是同步电机的转子，当固定在转子上的磁极随着转子一起旋转并接近霍尔传感器的时候会在传感器上感应出电流，从而输出高电平信号，而当固定在转子上的磁极离霍尔传感器比较远的时候，感应电流会消失，从而输出为低电平信号。这样当转子磁极转动的时候，会在A、B、C三个霍尔传感器上感应出如图4所示的高低电流信号。将坐标系的X轴固定在定子上并和霍尔传感器B在同一直线上，转子磁极的N和X轴的夹角设定为我们需要计算得到的夹角a，它对于电机的矢量控制起到了关键的作用。由于在定子上固连的三个霍尔传感器，把圆周划分成了6个区间，所以通过霍尔传感器我们无法直接知道，而是需要使用一定的计算方法来估计转子的准确位置。
将A、B、C三个霍尔传感器输出的信号输入到电机控制器(MCU)的端口，MCU实时的读取输入端口的数据记为Y＝ABC(当A或B或C为高电平的时候记为1，为低电平的时候记为0，Y为二进制数)，下面介绍如何估算电机转子磁极和固定在定子上X轴的夹角-记为角a，单位为rad。
对应于图1的安装方式，Y值可以取为Y5、Y4、Y6、Y2、Y3、Y1(譬如101、100、110、010、011、001)六种情况分别记为区域U5、U4、U6、U2、U3、U1。参考图3所示的流程图，简要的说明以下计算步骤之间的逻辑关系。
在电机未启动或转速低的时候，采用一种计算方法(第三计算方法)来估算转子磁极的位置。计算方法如下：
将定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当转子的磁极位于不同子区域时，霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)；
如果Y＝Y5，取磁极的转角a的范围为R15～R54的值(如-π/6～π/6)；
如果Y＝Y4，取磁极的转角a的范围为R54～R46的值(如π/6～π/2)；
如果Y＝Y6，取磁极的转角a的范围为R46～R62的值(如π/2～5π/6)；
如果Y＝Y2，取磁极的转角a的范围为R62～R23的值(如5π/6～7π/6)；
如果Y＝Y3，取磁极的转角a的范围为R23～R31的值(如7π/6～3π/2)；
如果Y＝Y1，取磁极的转角a的范围为R31～R15的值(如3π/2～11π/6)。
当电机转速超过一定门限值时，采用另一种方法来估算转子磁极的位置。计算方法如下：
步骤1，采用如下方法来判定Y值是否发生跳变；
利用MCU对Y进行连续采样，记当前的值为Y(k)，上一个采样周期的值为Y(k-1)，如果Y(k)≠Y(k-1)，则认为Y值发生了跳变，传感器的角度出现了区域的变化，此时计时为t1(k)；在电机启动或者低速的时候，估计出电机转子的角度范围，使用这个粗略的角度能让永磁同步电机输出扭矩和期望扭矩的差值在***允许范围内。
步骤2，霍尔传感器组的故障诊断；
检测霍尔传感器是否正常的方法包括：
例如利用MCU的存储单元记录Y值最近几次(记为n次，而且n≥6)出现了变化的值，按时间排列记为队列S(0)、S(1)、S(2)、S(3)、S(4)、S(5)……S(n-1),同时记录电机转子的旋转方向标志sgn。间隔一定时间Tcheck，周期性的对这n个数据的分析，如果在记录的队列从S(0)到S(n-1)这段时间内电机转子旋转方向没有发生改变，我们可以判定出A、B、C三个霍尔传感器是否存在故障。譬如：
(1)当的时候(S6为常量)，霍尔传感器组无故障，HallErr＝0；
(2)当的时候(S6为常量)，霍尔传感器组发生故障，HallErr＝1；
进一步地，检测出霍尔传感器A、B或C中的一个出现故障的方法:
参考图5，当霍尔传感器C出现断路故障的时候，C输出的信号一直是低电平(当霍尔传感器C的电路出现了对电源短路的时候，C也可能始终输出高电平)。
周期性的记录、分析队列S的n个数据，如果记录队列过程中从S(0)到S(n-1)这段时间内电机转子旋转方向没有发生改变，我们可以判定出A、B、C霍尔传感器是否存在故障。譬如，
(1)当并且的时候(S6和S4为常量)：
通过以上方法可以得出两个传感器的组合是否正常HalluvErr的值(u和v是ABC的任意一个)，以及HallwErr(w是ABC的任意一个)。例如以下的一种情形，传感器A、B无故障，HallABErr＝0，但是传感器C出现故障，HallCErr＝1。
(2)当并且的时候(S6和S4为常量)：
传感器A、B故障，HallABErr＝1；传感器C出现故障，HallCErr＝1。
在电机运转的时候，首先对霍尔传感器组进行故障诊断，确保传感器正常，这样计算出的角度位置才准确可信。由于汽车的动力部分涉及到驾驶员和乘员的人生安全，而永磁同步电机转子磁极的位置传感器一旦出现故障，给予MCU的是错误的角度反馈，轻则会导致汽车失去动力；严重的会使得电机输出错误的力矩，甚至于相反的力矩，这会对汽车产生严重的破坏以至于危及乘员的人生安全。
因此有必要对A、B、C霍尔传感器以及MCU的采样电路进行故障判断，一旦监测到霍尔传感器故障，针对故障模式的严重程度，在同步电机的控制策略上分别采取电机和汽车带故障降级运行、电机禁止运行但是汽车可以带故障运行、禁止电机运转但是允许汽车运行、禁止电机和汽车启动运行。
步骤3，三个霍尔传感器均正常的处理；在三个霍尔传感器都正常的情况下，通过估算电机转子的角速度和角加速度，来计算转子在整个圆周上的准确的角度位置。具体如下：
计算电机转子磁极和X轴的夹角的极值a0，
如果Y的值是从Y5跳变到Y4(或者从Y4跳变到Y5)，那么取a0＝R54(如π/6)；
如果Y的值是从Y4跳变到Y6(或者从Y6跳变到Y4)，那么取a0＝R46(如π/2)；
如果Y的值是从Y6跳变到Y2(或者从Y2跳变到Y6)，那么取a0＝R26(如5π/6)；
如果Y的值是从Y2跳变到Y3(或者从Y3跳变到Y2)，那么取a0＝R23(如7π/6)；
如果Y的值是从Y3跳变到Y1(或者从Y1跳变到Y3)，那么取a0＝R31(如3π/2)；
如果Y的值是从Y1跳变到Y5(或者从Y5跳变到Y1)，那么取a0＝R15(如11π/6)；
步骤4，ABC三个霍尔传感器中的一个存在故障的处理；
当A、B、C三个霍尔传感器之中的1个出现了故障的时候，当满足一定的条件(譬如汽车转速平稳等)我们依然可以通过如下的方法推算出同步电机转子磁极的位置角，记为a，能让电机具备部分功能，使得用户能将车辆开到就近的维修点进行修理。
通过以下方法能在两个霍尔传感器正常的情况下，估算出转子的夹角。步骤3之中计算a0的方法修改如下，
如果Y的值是从Y4跳变到Y6(或者从Y6跳变到Y4)，那么取a0＝R46；
如果Y的值是从Y6跳变到Y2(或者从Y2跳变到Y6)，那么取a0＝R62；
如果Y的值是从Y2跳变到Y0(或者从Y0跳变到Y2)，那么取a0＝R20；
如果Y的值是从Y0跳变到Y4(或者从Y4跳变到Y0)，那么取a0＝R04。
在霍尔传感器存在故障(譬如仅有两个正常的情况下)，如果电机运转平稳，依然能够估算得到电机转子的角速度和角加速度，来计算转子在整个圆周上的角度位置，这样得到的角度通过对电机进行功能降级，可以容许驾驶员在出现故障的情况下将车辆驾驶至维修点进行检修。在角度、角速度以及角加速度计算的过程之中考虑了制造和安装的误差，通过补偿量来修正角度误差。
步骤5,霍尔传感器有两个或两个以上的故障处理；
如果电机的霍尔传感器有两个或两个以上的霍尔传感器出现了故障，从而导致转子磁极和固定在定子上的X轴夹角非常不精确，这时候，需要报告电机的故障，同时禁止电机的转矩输出，同时跳过步骤6～步骤11，准备进入下一个夹角a的计算循环。
步骤6，霍尔传感器误差修正Δaij(表示Y值从i跳变到j的补偿)；
由于霍尔传感器的安装和制造误差，3个霍尔传感器并不是平均的将圆周划分为6个等份，而是存在一定的误差，这个误差有时候是不能够忽略不计的，这里需要进行补偿修正，这个修正值是通过实际测量得到的误差，记为Δaij；
步骤7，计算电机转子的转角速度(单位为rad/s2)；
在霍尔传感器信号正常的情况下，MCU可以捕获Y值从Yi跳变到Yj的时间间隔，记为T1，转子磁极的转角速度-记为ω，那么：
其中：sgn＝1，当电机转子逆时针旋转时；
sgn＝-1，当电机转子顺时针旋转时；
为了消除由于计算误差、转矩脉动而引起的ω的波动，对转子角速度ω进行多次计算并加权平均，来过滤掉干扰的噪声。
步骤8，计算电机转子的转角加速度(单位为rad/s2)；
对电机转子的转角速度ω进行微分运算并进行滤波处理，得到转角加速度
αr＝dω/dt；
对转子角加速度αr进行多次计算并加权平均，过滤掉干扰的噪声。
步骤9，在Y值发生两次跳变之间时刻，计算同步电机转子磁极和X轴的夹角a；
利用电机转子磁极的极限位置值a0，角速度值ω,以及角加速度值αr来计算电机转子磁极的夹角，计算公式如下，
a＝a0+Δaij+ω×Δt+αr×Δt2/2；
其中Δaij表示Y值最近的一次跳变是从i跳变到j的夹角安装误差；Δt＝t-t1(k)，t表示为当前时刻，t1(k)代表Y值最近一次跳变的时刻；
步骤10，对计算得到的角度a进行限值：
由于计算存在误差以及脉动，需要对计算结果进行合理化的限定。对角度a的取值范围进行上下限定：
当ω>0的时候，电机逆时针运转,角度的范围是[a0，a0+Δij]；
当ω<0的时候，电机顺时针运转,角度的范围是[a0-Δij，a0]；
其中Δij是指Y值从i跳变到j的过程中被霍尔传感器分成的角度。
步骤11，输出结果:
如果电机霍尔传感器组无故障，通过步骤1～步骤9计算得到的电机转子磁极和固定在定子上X轴的夹角a有效，可以输出给电机控制部分对同步电机进行矢量控制，转到步骤1进行下一个周期的同步电机转子磁极角度的计算。如果电机霍尔传感器有故障则停止电机的转矩输出。
步骤12，准备进行下一个周期的同步电机转子磁极角度的计算:
在进行下一个计算周期之前，需要MCU对电机运行状态进行监测,譬如输出的转矩是否异常、电机的***电压是否异常等。然后跳转到下一个运行周期。
在图3中，需要注意的是，在电机刚启动时，如果霍尔传感器组正常工作，在Y值未发生跳变时，不进行故障诊断，由于电机的转速较快，启动后在很短时间内转子会从一个区域转到另一个区域，Y值就发生跳变，故上述步骤没有体现在图中。同时，在Y值发生第一次跳变后，在后续计算过程中，当Y值没有发生跳变时，直接进入到步骤6，此后步骤中的a0采用上一周期计算的a0的值。
采用上述电机，在电机运转的时候，首先对霍尔传感器进行故障诊断，确保计算出的角度位置准确可信。考虑到霍尔传感器的制造误差，通过补偿量来修正制造和安装过程中的角度误差。在霍尔传感器都正常的情况下，通过估算电机转子的角速度和角加速度，来得到转子在整个圆周上的准确的角度位置。在条件允许的情况下，霍尔传感器发生故障的时候，采用一定的算法得出电机转子的角度，容许霍尔传感器带故障运行。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于霍尔传感器的电机控制方法，其特征在于，包括：
判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障；
在至少一个所述霍尔传感器发生故障时，判断所述霍尔传感器组是否可在故障模式下工作；
若所述霍尔传感器组能在故障模式下工作，则根据第一计算方法计算转子与设置于定子上的预设坐标轴之间的角度；
根据所述角度对所述电机进行矢量控制。
2.根据权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，
所述判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障包括：
对所述霍尔传感器组输出的信号值进行连续采样；
比对所述霍尔传感器组连续两次输出的信号值；
若两次输出的信号值相同，则判定所述霍尔传感器组未发生故障；若两次输出的信号值不同，则判定所述霍尔传感器组可能发生故障，进行下一步；
获取所述转子旋转一周后所述霍尔传感器组输出的信号值中发生变化的多个数值，其中，所述多个数值中任意两个数值均不相同；
判断根据所述多个数值计算的结果是否为预设定值；
若是，则判定所述霍尔传感器组未发生故障，则根据第二计算方法计算所述电机的转子与预设轴的角度；若否，则判定所述霍尔传感器组发生故障。
3.根据权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，
所述在至少一个所述霍尔传感器发生故障时，判断所述霍尔传感器组是否可在故障模式下工作包括：
当所述霍尔传感器组中的一个霍尔传感器发生故障时，判定所述霍尔传感器组可在故障模式下工作；
当所述霍尔传感器组中的两个及两个以上的霍尔传感器发生故障时，判定所述霍尔传感器组不能在故障模式下工作，控制所述电机停止工作。
4.根据权利要求2所述的电机控制方法，其特征在于，
所述根据第一计算方法计算或所述第二计算方法计算所述转子与所述预设坐标轴的角度包括：
计算所述转子与所述预设坐标轴的角度的极值a0；
修正所述霍尔传感器组的误差；
计算所述转子的转角速度；
计算所述转子的转角加速度；
根据所述极值、所述误差、所述转角速度和所述转角加速度所述转子与预设坐标轴的角度。
5.根据权利要求4所述的电机控制方法，其特征在于，
当根据第一计算方法计算所述转子与预设坐标轴的角度时，计算所述转子与所述预设坐标轴的角度的极值a0包括；
将所述定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当电机转子的磁极位于不同子区域时，所述霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)；
当其中一个霍尔传感器发生故障时，故障霍尔传感器不能产生信号值，所述极值a0计算如下：
如果信号值从Y1跳变到Y2，极值为R12；
如果信号值从Y2跳变到Y3，极值为R23；
如果信号值从Y3跳变到Y0，极值为R30；
如果信号值从Y0跳变到Y1，极值为R01。
6.根据权利要求4所述的电机控制方法，其特征在于，
当根据第二计算方法计算所述电机的转子与预设轴的角度时，计算所述转子与所述预设坐标轴的角度的极值a0包括；
将所述定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当电机转子的磁极位于不同子区域时，所述霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)；
所述极值a0计算如下：
如果信号值从Y1跳变到Y2，极值为R12；
如果信号值从Y2跳变到Y3，极值为R23；
如果信号值从Y3跳变到Y4，极值为R34；
如果信号值从Y4跳变到Y5，极值为R45；
如果信号值从Y5跳变到Y6，极值为R56；
如果信号值从Y6跳变到Y1，极值为R61。
7.根据权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，
检测霍尔传感器组中具体发生故障的霍尔传感器的方法包括：
获取所述转子旋转一周所述霍尔传感器组输出的信号值中发生变化的多个数值，其中，所述多个数值中任意两个数值均不相同；同时在所述多个数值中提取跟目标霍尔传感器无关的部分数值；
判断根据所述多个数值计算的第一结果是否为第一预设定值；同时判断根据所述部分数值计算的第二结果是否为第二预设定值；
若所述第一结果与所述第一预设定值不同，且所述第二结果与第二预设定值相同，则判定所述目标霍尔传感器发生故障。
8.根据权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，
在所述判断电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障之前，还包括：
判断电机的转速是否低于预设阈值；
若所述转速低于所述预设阈值，则根据第三计算方法计算所述转子与设置于所述定子上的预设坐标轴的角度，然后根据角度对所述电机进行矢量控制；若转速大于等于预设阈值，则判断所述电机内的霍尔传感器组中是否有至少一个霍尔传感器发生故障。
9.根据权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，
所述第三计算方法包括：
将所述定子所在的圆周区域根据3个霍尔传感器等分为6个子区域U1、U2、U3、U4、U5、U6；
当所述转子的磁极位于不同子区域时，所述霍尔传感器组均输出一个不同的信号值Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6；其中，每一信号值对应一个角度范围(R61～R12)、(R12～R23)、(R23～R34)、(R34～R45)、(R45～R56)、(R56～R61)。
10.一种应用权利要求1-9中任一项所述的电机控制方法的电机，其特征在于，所述电机的定子固定有三个霍尔传感器，所述三个霍尔传感器将所述定子的圆周区域等分为六个区域。
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