电机霍尔传感器换向：永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法

永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电机位置传感器故障诊断技术领域，尤其设及一种永磁同步电机开关 霍尔位置传感器故障判断及定位方法。
【背景技术】 阳〇〇引永磁同步电机由于具有体积小、效率高、功率密度大W及调速范围宽等优点，在航 空航天、电动汽车驱动、数控机床W及家用电器等领域得到了广泛的应用。在高性能的驱动 系统中，为了实现高精度、高动态性能的速度和转矩控制，通常采用磁场定向矢量控制。在 传统的矢量控制中，往往需要通过位置传感器来获取转子位置，W此来实现精确的磁场定 向。相比于旋转变压器和光电码盘，开关霍尔位置传感器由于具有成本低廉、体积小、安装 方便等优点，近年来得到了广泛地应用。
[0003] 如说明书附图中图2-a所示，一般将S路开关霍尔位置传感器化、化、化均匀对称 地安装在相隔120°电角度的圆周上。如图2-b~图2-C所示，当电机旋转时，霍尔输出信 号是=个相隔120°的方波，每个方波有180°的有效角度，运样就可W把360°的电角度 分为6个扇区，每个扇区60°电角度，当霍尔组合信号每跳变一次说明转子转过60°电角 度。在正弦波驱动永磁同步电机控制上，一般采用零阶泰勒级数法和一阶泰勒级数法来估 算电机转子的实际位置，进而获得精度较高的控制效果。而当开关霍尔位置传感器出现故 障时，故障路开关霍尔传感器输出数字信号恒为0或1，电机控制器也将会接收到错误的位 置信号，导致其发出不正确的电压矢量，进而带来一系列的严重后果，如：电机发热短路，控 制器过流保护，转轴磨损断裂，严重的甚至会使后级连接传动机构擁痕，最终导致整个驱动 系统崩溃。因此，对开关霍尔位置传感器的故障进行及时准确地判断和定位具有十分重要 的价值。
[0004] 中国专利. 5通过判断检测到的霍尔状态中是否含有0矢量来进行 故障检测，并同过分析检测到的霍尔状态量来定位其中的故障路霍尔传感器，但该方法需 要在电机旋转结束后才可对霍尔状态进行综合判断，不可实时检测，并且只可诊断出单路 和双路两种霍尔故障状态，对其他故障态的检测并没有给予说明，因此，该方法缺乏实际操 作性。中国专利. 0公开了一种永磁同步电机霍尔传感器故障诊断方法，该专 利同时采用=种方法来进行故障诊断，并且引入了一种故障确认方法。但该方法并没有具 体给出转子在某一区域走过电角度最小值和最大值的取值方法，另外，对于故障确认方法， 若发生双路霍尔故障且n取值较大，则确认时间过长，且该故障确认方法不适用于确认S 路霍尔故障及传感器电源故障，因此，该专利所提方法实用性较低。
【发明内容】
阳0化]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所设及到的缺陷，提供一种永磁同 步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法，用于快速准确地判断并定位出发生故障 的开关霍尔传感器。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0007] 永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法，包括W下步骤：
[0008]步骤1)，所述永磁同步电机的=路开关霍尔输出信号中只要有一路输出信号发生 跳变即触发中断，将此刻每一路开关霍尔输出信号分别存储在化llx[i]中，同时，记录相 邻两次开关霍尔信号跳变之间的时间t。；
[0009] 其中，义=曰，6，(3，1=0~5，化11义山为长度为6的一维数组；
[0010] t"=m，n为计数变量，代表开关霍尔信号跳变的次数；N为相邻两次开关霍尔信 号跳变获得的脉冲数；L是主中断周期时长；
[0011] 步骤2)，若所述永磁同步电机的转子在当前霍尔状态的停留时间大于预设的时 间阔值t。。，。、，记录所述永磁同步电机的转子在当前霍尔状态的停留时间tm，若其满足关系 则判断发生3路开关霍尔传感器故障或传感器电源故障，将故障标志位error_flag赋值为3 ; 阳01引其中，tm=NT,;k为预先设定的大于1的整数；
[001引步骤3)，若所述永磁同步电机的转子在预设的时间阔值t。。。,内进行开关霍尔信号 跳变，计数变量n累加1;
[0014] 步骤4)，当计数变量n值累加至5时为1个故障判断检测周期，将计数变量n赋值 为0 ; 阳015] 步骤5)，若数组化llx[j]中的每一个元素均满足关系化llx[j]声化llx[j+3]， 将故障标志位erroLflag赋值为0 ;
[0016] 其中，j=〇 ~2;
[0017] 步骤6)，若数组化1lx[j]中存在一组元素满足关系化1lx[j]=化1lx[j+3]，继 续运行u个故障判断检测周期，若都为同一组元素满足关系化llx[j]=化llx[j+3]，则判 断发生单路开关霍尔传感器故障，将故障标志位error_flag赋值为1，并将化1lx定位为故 障路霍尔；
[001引其中，U为预先设定的整数；
[0019] 步骤7)，若数组化llx[j]中存在两组元素满足关系化llx[j]=化llx[j+3]，继 续运行1个故障判断检测周期，并记录电机转子在此故障判断检测周期所经历的时间，将 其存储在Time[j]中，若满足关系2*Time[0]〈Time[1]且2*Time[0]〈Time巧]，则判断发生 双路开关霍尔传感器故障，将故障标志位error_flag赋值为2,并将化1lx定位为故障路霍 尔；
[0020] 其中，Time[0]为电机转子在最后一个正常状态经历一个故障判断检测周期的时 间，Time[l]和Time[2]分别为发生故障后电机转子经过连续两个故障判断检测周期的时 间；
[0021] 步骤8)，将故障状态及故障路开关霍尔反馈给控制器。
[0022] 作为本发明永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位方法进一步的优 化方案，所述在预设的时间阔值t。。。、通过W下方式得到：
[0023]首先采集转子经过上一霍尔状态的时间t。1，然后根据W下公式计算得到t。。。、： CNA 说明书 3/6页
[00对其中，J为系统机械转动惯量，Lmi。为电机输出反向最大电磁转矩，lm。,为电机所 带最大负载转矩。
[00%] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0027] 1.本发明可W快速准确的对开关霍尔位置传感器的故障进行判断，并对=种故障 状态进行清晰地分类，充分降低开关霍尔位置传感器故障对系统运行带来的影响；
[0028] 2.利用一个故障判断检测周期内各路开关霍尔传感器输出信号的逻辑关系，可 W快速精确地定位出具体的故障路开关霍尔位置传感器，有利于在故障发生后对其进行维 修；
[0029] 3.利用=种方法，分别对初步判断的=种故障状态进行多次确认，及时排除由于 电机正反转切换W及电磁干扰造成的误判断现象，充分提高电机驱动系统的鲁棒性；
[0030] 4.该方法无需专口的硬件电路，只需软件就能实现，简单实用，且成本低廉。
【附图说明】
[0031]图1为开关霍尔位置传感器故障判断定位方法W及故障误判断排除方法示意图；
[0032] 图2-a为S开关霍尔位置传感器安装示意图；
[0033] 图2-b为正常运行时S开关霍尔位置区间图；
[0034] 图2-C为正常运行时=开关霍尔位置传感器各路输出信号示意图；
[0035] 图3-a为A路开关霍尔故障且输出恒为"1"时S开关霍尔位置区间图；
[0036] 图3-b为A路开关霍尔故障且输出恒为"1"时各路开关霍尔输出信号示意图；
[0037] 图4-a为A、C路开关霍尔故障且输出都恒为"1"时S开关霍尔位置区间图； 阳03引图4-b为A、C路开关霍尔故障且输出都恒为"1"时各路开关霍尔输出信号示意 图；
[0039] 图5-a为发生S路开关霍尔传感器或电源发生故障时S开关霍尔位置区间图；
[0040] 图5-b为发生=路开关霍尔传感器或电源故障时各路开关霍尔输出信号示意图；
[0041] 图6-a为电机正反转切换时S开关霍尔位置传感器各路输出信号示意图；
[0042] 图6-b为C路开关霍尔受电磁干扰时各路=开关霍尔位置传感器输出信号示意 图。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0044] 如图1所示，本发明提出一种永磁同步电机开关霍尔位置传感器故障判断及定位 方法，具体步骤为：
[0045] 第一步，初始化各变量，如图2-曰、图2-b和2-C所示，在电机正常运行过程中，转子 每转动一个电周期，各开关霍尔位置传感器会连续输出一定规律的6种状态量，因此，定义 S个长度为6的一维数组化lla[6]，化1化[6]和化11c[6]，分别用来存储3路开关霍尔传 感器的输出量，另外，定义计数变量n，定义变量t。为电机转子经过某一霍尔状态的时间，定 义一个长度为3的一维数组Time巧]，用来记录电机转子经历的连续S个故障判断检测周 期的时间；定义故障标志位error_flag,当控制器上电时，对所有变量进行初始化，并且初 值均赋为0 ;
[0046] 第二步，电机接收到控制器输出信号后转动，采用边沿捕获中断，当3路开关霍尔 传感器中任何一路输出信号发生变化则触发数字信号处理器中断，将此时开关霍尔传感器 的输出量分别存储在数组化11曰、化1化和化11c中，同时，将计数变量n值累加1。另外，在 数字处理忍片中开启2个定时器分别用来记录电机转子经过某一霍尔状态的时间t。^及 电机转子经过一个故障判断检测周期的时间Time,可分别表示为t"=NJ,，Time=NzL;
[0047

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对电机的可靠性和制造工艺带来不利的因素,例如:安装霍尔传感器会增加电机的体积大小,若是传感器的信号传输线比较多,那很容易造成对电机的干扰,电机的工作环境和温度降低霍尔传感器的可靠性,另外就是安装的问题,若安装不精密,会造成电机的...百度快照

电机霍尔传感器换向：霍尔传感器与直流无刷电机换相

BLDC与霍尔传感器
直流无刷电机霍尔传感器2种安装方式 ? ? ? ? ? ? ? ? 写得比较清晰

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电机霍尔真值表（霍尔120度安装和60度安装）

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无刷电机学习笔记 ? ?

BLDC和PMSM：?
BLDC：无刷直流电机（Brushless Direct Current）?
PMSM：永磁同步电动机（Permanent-Magnet Synchronous Motor）?
二者结构上直接观察无明显区别，想要区分，主要看感应电动势。?
从控制上由明显区别，PMSM感应电动势波形为正弦波，BLDC感应电动势波形为梯形波。而造成感应电动势的不同的的原因是磁钢磁场的分别和线圈缠绕的方式不同。因为感生电动势E=BLVsin（theta）。

BLDC一般用六步换向，FOC都可以，而PMSM一般用FOC，很少用六步换向。但在高速条件下，会使用六步换向，因为高速条件下，电机换向很快，有的CPU无法支持计算量。

增量式编码器和绝对式编码器，ABI信号和UVW信号、编码器PWM信号 ? ? ABI和ABZ一样。?

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90。，从而可方便的判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

如上图，编码器输出三组方波脉冲A、B和I相；A、B两组脉冲相位差90度，根据谁先出现可以方便的判断旋转方向。而Z相为每转一圈输出一个脉冲，用于基准点定位。

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无刷无霍尔BLCD电机控制? ? ? ? ? ? ?这一篇原理介绍比较详细?

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电机霍尔传感器换向：霍尔传感器在BLDC电机上的应用解析

描述
在工业大多数的电能损耗来自大型电机和固定速度的驱动系统。因此，能效运动控制系统应适应未来实际负载需求应用。BLDC电机满足这一要求通过电子换向和调速控制。电机磁极绕组换向在最佳的转子位置的是非常重要的，用于减少电损耗当使用可变转速和负载的情况。本文讨论了不同的霍尔传感器布置和一体化技术发展趋势。
转子位置反馈可靠性是很重要的，对于运动控制系统的性能。它允许定子绕组精确的换相，最大限度地减少电机电损耗。通常在120?相移UVW信号用于激活BLDC电机驱动器的换向。不同的选项are available today to generate the UVW signals.可产生UVW信号。
这可以使用霍尔传感器或开关，可以组装在绕组中或安装在一个小的PCB上面；计算软件基于反电动势数据从定子绕组；连接在电机轴上的光学或磁编码器；或先进的单片光学或磁编码器芯片集成motorhousing.电机外壳当中。
霍尔传感器或开关广泛用于BLDC电机，由于其低元件成本。这种方法需要有效的算法来计算UVW，从测得的反向电动势。同时快速微处理器或DSP需要减少执行时间和减少额外的延迟时间。这种方法的局限，UVW信号的产生可以在快速负载变化，在低转速和在同步操作上观看到。硬件中检测转子的绝对位置被认为是the most reliable option. Attaching an optical ormagnetic encoder unit to the BLDC最可靠的选择。连接在BLDC电机上的光学或磁性编码器是有利的，当需要高精度动态定位，如果motor is advantageous when very high precisiondynamic positioning is required andif the application is not cost sensitive.应用对成本不敏感。
霍尔传感器用于换向
在一个BLDC电机使用三个分离的霍尔传感器/开关产生UVW信号基于传感器的安装位置，无论是在定子绕组，或组装在小PCB上，0?，120?和240?，位置相对转子永磁体。在某些情况下，一个磁极环连接到轴可以用。图1的左边显示了三个霍尔传感器/开关的机械位置，resulting UVW signals generated. The positionaccuracy of the UVW signals in relation用于UVW信号的产生。UVW信号定位精度与关的to the actual rotor position转子实际位置depends on the mounting取决于安装tolerances and matching of公差与配合霍尔传感器/开关的灵敏度和稳定性。磁场变化很多，由于a lotover temperature， rotor超温，转子速度和操作寿命（永磁老化），位置误差很容易累加to +/-3? or more.+/ - 3?或更多。
另一种方法使用四个集成霍尔传感器并且信号调理生成正弦/余弦信号，其中在360?
选择磁/光学电机编码
图 1： BLDC电机位置检测的选择用于换向
现代混合信号集成的研究进展，让霍尔阵列加上所有的正弦/余弦信号调理和插值用于绝对位置，能够在一个编码器IC集成。代替the threediscrete Hall sensor/switches， a single三个分离的霍尔传感器/开关，一个单一的5x5mm封装可以组装在同一个PCB （see igure 1）.PCB上（参图1）。
该Z信号标志转子的零位置，允许从ABZ信号以简单的方法计算电机的绝对位置，control or motion control system.在电机控制和运动控制系统。
从绝对位置也可以产生增量ABZ信号可用于监测快速位置变化，以非常低的延迟。图2显示了上/下AB信号编码，用于增量操作。当电机的方向反转AB信号改变其相移。该Z信号标志转子的零位置，允许从ABZ信号以简单的方法计算电机的绝对位置，control or motion controlsystem.在电机控制或运动控制系统。
图2： 通过正弦/余弦产生UVW和ABZ
With a sine/cosineto UVW interpolation用正弦/余弦到UVW，插值unit the commutation signals can be单元的换向信号可以产生两个，四个或多个磁极BLDC-motor types. In this case eachBLDC电机类型。在这种情况下，每个commutation signal is shifted by 60? in换向信号偏移了60?phase. It can be used to control directly相位。它可以直接控制the BLDC-driver unit for block commutation.
BLDC驱动单元用于块换向。它也可以通过电机控制器用来产生正弦波换向。一个集成的单芯片磁编码器通常有多输出选项，用于电机控制器或高级运动控制器。但进展远落后于当前的需求。
提出了通过单芯片编码器集成
单芯片编码器一体化的进展，使一个完整的“片上系统”具有多个输出选择用于BLDC电机。图3显示了BLDC电机反馈选项，以iC-MH8作为一个例子。在顶部的UVW其他信号的输出选项设置，例如绝对位置通过SSI / BiSS接口，
图3： 绝对磁编码器电机控制带输出选项
芯片上的正弦/余弦信号放大到to 1 Vpp andprovided through a diferential1 Vpp，并且通过一个差分模拟输出驱动器，用于analogue output driver for external monitoring外部监测或独立的插补。他们也被用于12位实时正弦数字转换器/插补器，以一个非常低时间延迟1μs.，小于1μS。
12位提供了一个小于0.1?的分辨率。一个绝对位置可读出通过串行SSI（同步串行接口）或BiSS接口（双向同步串行接口）的运动控制器。一个开放标准的SSI / BISS提供高速串行接口，也用于生产线配置。如果需要，集成的RS422线路驱动器支持长电缆到电机或运动控制器。ABZ信号以2MHz的频率更新并且延迟时间小于the 1μs. The zero position can be programmed in1μS。零位可编程256 steps （1.4?） for the incremental and 192steps256步（1.4?）用于增量，192步（1.8°）用于UVW接口。
也很重要的是要有设置和调理模拟信号的能力。这需要一个高质量编码器输出信号。选择BLDC电机换向磁极设置，可用于各种不同的电机设备类型。可调设置存储在编码器芯片的RAM并且能够编程到片内非易失性ROM中，上电后可读。
光集成也可能
磁性编码器芯片能够更好的用于非常苛刻，灰尘和严格的环境。然而光单片编码器芯片带换向输出通过光学系统集成同样变为可能。其性能更高一些，但对比表明，两种技术齐头并进。图4显示了两个单芯片光学编码器带增量和UVW输出。这里的分辨率定义是码盘确定的，并且使用三个光学传感器用于产生UVW。电机的极对数定义是码盘设计确定的。例如，四个光电二极管阵列可以提供高达20，000CPR用一个直径33.2mm的码盘。特殊的封装如optoQFN符合这个光学解决方案需要。
现在的混合信号集成能力可以提供可靠、高度灵活单片编码器芯片，并且可配置磁编码器反馈选项具有12位分辨率。这与传统的霍尔传感器/开关系统相比较，具有高性能集成到电机壳体。在光学编码器带有集成的UVW输出选择，也是单芯片解决方案的发展趋势。这些趋势支持增强性能提高电机电子换向的能量效率，通过最好的电机反馈解决方案。
图 4： 光学单芯片电机编码器芯片带UVW换向
责任编辑；zl
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