五相無刷直流電動機霍爾容錯控制策略

陳黎明

(廣東機電職業技術學院,廣州510515)

0 引 言

五相無刷直流電動機驅動控制在2000年以后得到各國學者的重視[1-2],與傳統的三相無刷直流電動機相比,它降低了轉矩脈動,提高了電樞的利用率[3]。由于相數的增加使其可以提供比三相電機更多的控制自由度,增加的自由度可用來實現在故障狀態下的無擾容錯運行。發生故障后,五相電機僅需要修改其控制策略,而無需修改任何硬件電路,剩余的正常相便可以補償故障引起的轉矩脈動,實現容錯運行[4-7],文獻[8]給出五相無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)一相開路故障情況下的運轉方法。這些研究主要集中在繞組發生故障時的容錯處理,鮮有霍爾發生故障時的研究報道。

BLDCM的無位置傳感器研究已比較深入,應用較多的反電勢法由于反電勢幅值與電機轉速成正比,不適合于低速范圍。目前廣泛采用的開環起動技術,它的成功實現與負載轉矩、電機參數、外施電壓、加速曲線等諸多因素有關,如果控制不當,很容易導致電機失步甚至起動失敗[9],因此,大多情況下五相BLDCM需要采用霍爾傳感檢測轉子位置。與三相BLDCM相比,霍爾增加了2個,只要霍爾損壞1個,五相BLDCM就出現故障無法使用,由于霍爾損壞引起的故障率有較大提高。

因此,本文提出了一種五相BLDCM霍爾故障容錯控制策略。在分析不同霍爾故障的基礎上,研究霍爾損壞時霍爾狀態、開關狀態和轉矩之間的關系,給出了最多2個霍爾損壞情況下霍爾故障容錯控制策略,通過實驗樣機驗證了控制策略的效果,解決了五相BLDCM霍爾增加帶來的電機故障率上升的問題。

1 霍爾損壞時的MOS管開關問題

五相BLDCM繞組采用星形連接,每相繞組的一端與控制器的輸出相連接,另一端全部連接在一起。采用“四四”導通方式時,霍爾狀態與開關狀態真值表如表1所示。

五相BLDCM有5個霍爾,分別是HA,HB,HC,HD,HE。開關橋臂有5個,每個橋臂有2個開關管,分別是A上,A下,B上,B下,C上,C下,D上,D下,E上,E下。正常工作時,在1個360°電周期內,10種霍爾狀態(如01100)與 10 種開關狀態(如K1(A上,E上,B下,C下))一一對應,并按照狀態1,2,3,…,8,9,10,1,2,3,…,8,9,10這種方式循環。霍爾出現故障時,這種對應關系被打亂,需要研究霍爾損壞時霍爾狀態、開關狀態和轉矩之間的關系,才能確定準確的控制策略,實現容錯控制。五相無刷直流電動機有5個霍爾,只損壞1個霍爾時,有5種可能的組合,損壞2個霍爾時,有10種可能的組合。

表1 霍爾正常時霍爾狀態與開關狀態真值表

1.1 1個霍爾損壞時

在損壞1個霍爾,如表2所示霍爾HA損壞時,狀態1和10的霍爾值相同是01100,狀態5和6的霍爾值相同是00011,即1種霍爾狀態對應2種不同的MOS管開關狀態(稱為特殊霍爾狀態),其余6種狀態的霍爾狀態與MOS管開關狀態是一一對應,稱為普通霍爾狀態。

表2 HA損壞時霍爾狀態與開關狀態真值表

在霍爾HB,HC,HD,HE單獨損壞時,以此類推,分別都有兩種特殊霍爾狀態。

五相BLDCM在損壞1個霍爾的情況下,在1個360°電周期內,霍爾信號的狀態由正常工作時的10種變化為8種,這8種狀態在不同霍爾損壞時,又不相同,因此控制器無法按正常的導通邏輯開關MOS管,控制電機運轉。

1.2 2個霍爾損壞時

在同時損壞2個霍爾時,根據組合關系,存在10種組合,損壞的霍爾組合是HAHB,HBHC,HCHD,HDHE,HEHA和HAHC,HAHD,HBHD,HBHE,HCHE。

如表3所示,霍爾HAHB損壞時,狀態1和10的霍爾值相同,狀態5和6的霍爾值相同,狀態2和3的霍爾值相同,狀態7和8的霍爾值相同,即1種霍爾狀態對應2種MOS管開關狀態,只有狀態4,狀態9兩種情況下霍爾狀態與MOS開關狀態是一一對應。在霍爾組合HBHC,HCHD,HDHE,HEHA損壞時,以此類推,每種組合中都有4個特殊霍爾狀態和2個普通霍爾狀態。

表3 HAHB損壞時霍爾狀態與開關狀態真值表

根據五相BLDCM霍爾HA,HB,HC,HD,HE的循環排列順序,我們稱這5種情況為相鄰相霍爾損壞,即霍爾組合HAHB,HBHC,HCHD,HDHE,HEHA損壞時,在1個360°電周期內,霍爾信號的狀態由正常工作時的10種變化為6種,這6種狀態在不同霍爾組合損壞時,又不相同,因此控制器無法按正常的導通邏輯開關MOS管,控制電機運轉。

如表4所示,霍爾HAHC損壞時,狀態1,9,10的霍爾值相同,狀態4,5,6的霍爾值相同,即1種霍爾狀態對應3種MOS管開關狀態,只有狀態2,3,7,8四種情況下霍爾狀態與MOS管開關狀態是一一對應。在霍爾HAHD,HBHD,HBHE,HCHE損壞時,以此類推,每組分別有2個特殊霍爾狀態和4個普通霍爾狀態。

表4 HAHC損壞時霍爾狀態與開關狀態真值表

根據五相BLDCMHA,HB,HC,HD,HE的循環排列順序,我們稱這5種情況為不相鄰相霍爾損壞,即霍爾組合HAHC,HAHD,HBHD,HBHE,HCHE損壞時,在1個360°電周期內,霍爾信號的狀態由正常工作時的10種變化為6種,有2種霍爾狀態分別對應3種MOS管開關狀態。在不同霍爾組合損壞時,這6種狀態又不相同,因此控制器無法按正常的導通邏輯開關MOS管,控制電機運轉。

2 霍爾損壞時的MOS管開關策略

2.1 霍爾損壞時MOS管開關的基本原則

圖1給出了五相BLDCM繞組的感應電勢波形。橫坐標是電周期,反映轉子與繞組的相對位置。霍爾正常情況下,與霍爾狀態一一對應,t1～t2區間,霍爾值是01100,…,t9～t10區間,霍爾值是11000,t10～t1區間,霍爾值是11100 。 在t10-1～t5-1(0°～180°)和t5-1～t10-1(180°～360°),分別開通A上和A下,A相繞組的感應電勢極性與加在繞組上的電壓方向相反,繞組電流產生正向轉矩,如分別開通A下和A上,則產生反向轉矩。霍爾正常情況下,A相繞組只在t1～t5(18°～162°)和t6～t10(198°～342°)工作,在區間t10～t1和t5～t6換相,其余各相MOS管開關狀態和霍爾狀態關系相似。

圖1 五相繞組反電勢波形

霍爾損壞時存在2種特殊霍爾狀態,1種霍爾狀態對應2種開關狀態和1種霍爾狀態對應3種開關狀態,霍爾狀態和開關狀態不是一一對應關系,可能出現開通相繞組產生反方向轉矩,導致電機無法運轉。

霍爾A出現故障(表2),1種霍爾狀態對應2種開關狀態,例如,狀態1和10的霍爾值相同為01100,根據表2中的開關狀態,應該開通K10(D上,E上,B下,C下)和K1(A上,E上,B下,C下)。 可能出現轉子位置在t10～t10-1區間時,MOS管按開關狀態K1(A上,E上,B下,C下)開關,A相感應電勢的方向與電源電壓方向相同,即A相繞組產生反向轉矩。轉子位置在t1-1～t2區間時,MOS管按開關狀態K10(D上,E上,B下,C下)開關,此時D相的感應電勢的方向與電源電壓方向相同,即D相繞組產生反向轉矩,如表5所示。

1種霍爾狀態對應3種開關狀態,例如霍爾A,C出現故障時,狀態9,10,1的霍爾值相同為01000,根據表4中的開關狀態,應該開通K9(D上,E上,A下,B下),K10(D上,E上,B下,C下)和K1(A上,E上,B下,C下)。如 MOS管按開關狀態K1(A上,E上,B下,C下)開關時,在t9～t10區間,A相感應電勢的方向與電源電壓方向相同,即A相繞組產生反向轉矩,t9～t9-1,B相感應電勢的方向與電源電壓方向相同,即A相繞組產生反向轉矩,由于兩相繞組產生的轉矩都反向,電機無法工作。MOS管按開關狀態K10(D上,E上,B下,C下)開關,如轉子位置在t1-1～t2區間,此時D相的感應電勢的方向與電源電壓方向相同,即D相繞組產生的反向轉矩。

表5 霍爾狀態、開關狀態及轉矩關系表

因此,霍爾損壞時開關的基本原則是,優先選擇每相繞組轉矩為正的開關狀態,其次如無法避免繞組轉矩為負,選擇四相繞組合成轉矩最大的開關狀態,最后需要考慮起動和連續運轉的銜接。

2.2不同類型霍爾損壞時的MOS管開關策略

(1)1個霍爾損壞

根據表2和圖1,霍爾信號為01100時,對應的開關狀態是K10(D上,E上,B下,C下)和K1(A上,E上,B下,C下),轉子實際位子與開關狀態有4種對應關系。如果選擇開關K10(D上,E上,B下,C下),轉子可能在t10～t1區間,屬于正常狀態,電機能正常轉動,轉子也可能在t1～t2區間,D相繞組在區間t1-1～t2產生反方向的轉矩,由于合成轉矩仍然為正,電機能夠轉動。如果選擇開關K1(A上,E上,B下,C下),轉子也可能在t1～t2區間,電機正常轉動。轉子可能在t10～t1區間,屬于非正常狀態,A相繞組在區間t10-1～t1產生反方向的轉矩,由于合成轉矩仍然為正,電機能夠轉動。霍爾信號為00011時相似。因此,1個霍爾損壞時,存在2個特殊霍爾狀態,MOS管選擇對應的2種狀態進行開關,動態轉矩與轉子實際位置相關,電機能轉動,其余6個狀態都是普通霍爾狀態,電機正常工作。

(2)2個相鄰霍爾損壞

根據表3和圖1,霍爾HAHB損壞時,狀態1和10的霍爾值相同,狀態5和6的霍爾值相同,狀態2和3的霍爾值相同,狀態7和8的霍爾值相同,即1種霍爾狀態對應2種MOS管開關狀態,只有狀態4,狀態9兩種情況下霍爾狀態與MOS管開關狀態是一一對應。

因此,2個相鄰霍爾損壞時,存在4個特殊霍爾狀態,與1個霍爾故障的原理一樣,MOS管選擇對應的2種狀態進行開關,動態轉矩與轉子實際位置相關,電機能轉動,其余2個狀態都是普通霍爾狀態,電機正常工作。與1個霍爾故障時相比,在360°電周期內,轉矩相反的時間增加,電機的平均轉矩下降。

(3)2個非相鄰霍爾損壞

如表4和圖1所示,電機能夠轉動霍爾HAHC損壞時,狀態1,9,10的霍爾值相同為01000,對應的開關狀態是K9(D上,E上,A下,B下),K10(D上,E上,B下,C下)和K1(A上,E上,B下,C下),轉子實際位子與開關狀態有6種對應關系。極端情況下,如果選擇開關K9(D上,E上,A下,B下),轉子位置可能t1～t2區間,A相繞組在區間t1～t2區間,D相繞組在t1-1～t2區間產生反方向的轉矩,由于正、負轉矩相互抵消,電機無法起動。如果選擇開關K1(A上,E上,B下,C下),轉子位置可能在t9～t10區間,屬于非正常狀態,A相繞組在區間t9～t10,C相繞組在t9～t9-1產生反方向的轉矩,正、負轉矩相互抵消,電機無法起動。如選擇K10,轉子在區間t9～t10和t1～t2,只有一相繞組產生相反的轉矩,由于合成轉矩仍然為正,電機能正常轉動。

另外一種狀態4,5,6的霍爾值相同,即1種霍爾狀態對應3種MOS管開關狀態,情況相似。只有狀態2,3,7,8這4種情況下霍爾狀態與MOS管開關狀態是一一對應。

因此,2個不相鄰霍爾損壞時,在2種特殊霍爾狀態,選擇3種開關狀態中間狀態進行開關,動態轉矩與轉子實際位置相關,電機能轉動,其余4個狀態都是普通霍爾狀態,電機正常工作。與1個霍爾故障時相比,在360°電周期內,繞組轉矩相反的時間增加,電機的平均轉矩下降。

2.3 3個以上霍爾損壞時的MOS管開關策略探討

3個霍爾損壞時,假設HA,HB,HC3個霍爾損壞,此時只有4種霍爾狀態,2種霍爾狀態各對應2種開關狀態,2種霍爾狀態各對應3種開關狀態,根據前面討論的方法,可以控制電機運轉。由于沒有正常霍爾狀態,平均輸出轉矩下降較大,電機無法正常工作。

4 實驗效果

根據前述原理開發了具備霍爾容錯功能的控制器,霍爾容錯故障試驗示意圖如圖2所示。開關KA,KB,KC,KD,KE全部接通時霍爾無故障,KA斷開,模擬1個霍爾HA故障,KAKB斷開,模擬2個相鄰霍爾HAHB故障,其余以此類推。

圖2 霍爾容錯故障試驗示意圖

系統上電后,首先檢測霍爾好壞,霍爾的好壞是通過檢測單片機霍爾信號輸入I/O口的電平變化時間來確定的。當五相BLDCM以大于100 r/min的速度運行時霍爾信號輸入I/O口的電平持續100 ms仍無變化,則可以斷定該霍爾損壞。其次是區分不同霍爾損壞類型,1個霍爾損壞,2個相鄰相霍爾損壞,2個非相鄰相霍爾損壞,各有5種組合,確定類型后根據前述方法處理。

五相BLDCM在運行中,如控制器檢測到霍爾損壞,立刻切換到霍爾容錯處理模式,在霍爾損壞情況不發生變化時一直維持該模式,不受控制器斷電影響;在靜止狀態時,如霍爾損壞則需要使用外力輔助電機轉動起來,完成模式切換;當3個以上霍爾損壞時,控制器進入保護狀態,無輸出,重新上電后解除保護,當損壞霍爾修復后立刻切換回正常的霍爾狀態控制模式。

采用霍爾容錯控制策略的五相BLDCM,缺1個霍爾和缺2個霍爾的機械特性和效率特性與無故障的對比如圖3所示。機械特性方面,缺1個霍爾與無故障時相似,缺2個霍爾時在高速區特性變軟,低速區特性基本一致,說明容錯控制策略有效。效率特性方面,2種故障時的曲線相似,高速區的效率都低于霍爾無故障時,低速區基本一致。

圖3 采用霍爾容錯控制策略的五相BLDCM機械特性對比

4 結 論

本文區分了1個霍爾損壞、2個相鄰霍爾損壞

和2個非相鄰霍爾損壞3種類型,確定了1種霍爾狀態對應2種不同的MOS管開關狀態和1種霍爾狀態對應3種不同的MOS管開關狀態時的容錯控制策略,實驗樣機驗證了控制策略的可行性。如果霍爾故障率都是1%,霍爾損壞造成三相BLDCM的故障率是2.97%,BLDCM 的故障率4.9%,采用本文的霍爾容錯控制策略后,五相BLDCM實現了容錯運行,因為霍爾故障引起電機不能工作的概率大幅下降為9.85 ppm,該問題基本得到解決。

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