無刷直流電機位置傳感器故障容錯控制研究

中圖分類號：TM33 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0009-05

DOI ：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.003

0 引言

BLDCM的控制系統中，電機轉子位置的檢測是必不可少的，位置檢測可分為有位置傳感器檢測和無位置傳感器檢測兩大類。無位置傳感器檢測技術雖然近年來得到了廣泛的研究，但由于該技術控制過程復雜、系統應用成本高、估算精度低、抗干擾性差，且還沒有一種方法能應用在BLDCM的全速過程中，故有位置傳感器控制技術依然被廣泛采用。有位置傳感器的BLDCM控制系統中，霍爾傳感器因其結構簡單、安裝空間小、價格便宜等優勢，得到了業界的廣泛認可和應用。

因受工作環境、振動、電磁干擾、斷線以及元件本身等因素的影響，霍爾傳感器會出現故障，導致電機轉子位置檢測不準確，嚴重時會引起BLDCM系統崩潰。針對位置傳感器故障，國內外學者進行了研究，并提出了諸多解決方案。A.Tashakori等人[2提出了根據傳感器信號與對測量電機線電壓的離散傅里葉變換分析和頻譜能量密度來檢測霍爾傳感器故障的閉環容錯控制策略，并開發了一套BLDCM霍爾效應傳感器故障診斷專家系統，但該控制方法計算成本高，需要較大的存儲空間，且位置檢測準確性較差。ZhangQian等人[3提出一種快速故障診斷方法，該方法不需要復雜的矢量跟蹤觀測器，并且能夠處理最多兩個同時發生的故障，同時大大提高了診斷速度，但需對霍爾傳感器信號進行高頻采樣，對采樣計數器有較高的要求。DongLianghui等人[4提出了一種通過加速度閾值條件來檢測霍爾傳感器故障，并進行故障診斷與信號重構的快速故障診斷方法，該方法可通過在軟件中添加代碼或外部使用簡單的輔助電路即可保障兩個以下傳感器發生故障時電機的正確運行，但其不能指出傳感器發生的具體故障類型，且無法解決跳變沿提前來臨或延后帶來的診斷時間偏長的問題，而且依賴于電機參數，應用有一定的局限性。王凱等人[5]通過檢測正?；魻杺鞲衅鞯奶冄?，估算出故障霍爾傳感器發生故障時的電機平均速度及加速度，采用最小二乘法二次多項式對故障信號進行重構，實現了對電機轉子位置的精確估算。呂德剛等人[對霍爾信號進行矢量變換后根據檢測相位變化的特點診斷出霍爾傳感器的故障類型，提出改進型混合觀測器補償法和插值容錯控制算法，通過實驗驗證了其有效性和可靠性。A.K.Mohapatra等人[7]針對BLDCM單個霍爾傳感器發生故障的情況提出了一種廣義智能故障檢測和門脈沖校正系統，以提高無刷直流驅動系統在二進制霍爾傳感器故障時的可靠性。綜上所述，目前國內外學者對無刷直流電機位置傳感器故障控制的研究主要集中在根據霍爾信號的上升沿和下降沿進行故障診斷與信號重構以及采用觀測器進行故障的檢測、識別和補償等方面，以上故障診斷方法大多采用的是復雜的算法，需要處理器有較強的計算能力，因而復雜性較高，限制了其適用性。

無刷直流電機在各行各業的應用越來越廣泛，且大多以有位置傳感器的控制策略為主，為提高控制性能，減輕霍爾傳感器故障給系統安全、可靠、穩定運行帶來的負面影響，本文針對霍爾位置傳感器出現故障后的研究現狀，深入研究霍爾位置傳感器容錯控制技術，提出冗余控制策略的思想，縮短了故障計算時間，在降低計算成本的同時還能提高系統的魯棒性能，為有位置傳感器BLDCM霍爾故障容錯控制提供了一種簡單有效的方法。

1 BLDCM工作原理

BLDCM及控制電路工作原理圖如圖1所示，圖中，HA、HB和HC為以相差 120^° 電角度安裝在電機定子上的位置傳感器，用于檢測轉子的位置，為電機驅動提供控制依據。

圖1 BLDCM工作原理圖

BLDCM的位置傳感器一般采用輸出數字信號的霍爾傳感器，在轉子旋轉過程中，根據位置傳感器輸出信號的不同，只需以表1所示的傳感器輸出信號與控制信號對應的“六步驅動法”[8控制功率逆變橋就可以使電機正常工作。

2位置傳感器冗余控制策略

2.1 冗余控制策略

根據工程實踐，霍爾傳感器發生故障后，一般體現為對地短路或斷線兩種情況，其對應輸出信號為“0\"或\"1”。就單個傳感器故障而言，其輸出結果如圖2所示（圖中 t₃?t₆ 時刻為正常轉換點）：第一，傳感器在正常轉換前 （t₁ 時刻）發生對地短路，輸出信號為恒“ 0^′′ ，見圖2中G1；第二，傳感器在正常轉換前（ ?_t2 時刻）發生斷線，輸出信號從“0\"跳變至恒\"1”，見圖中G2；第三，傳感器經正常轉換時刻后 （t₄ 時刻）發生對地短路，信號從“1\"變成恒“ 0^′′ ，見圖中G3；第四，傳感器經正確轉換后 （t₅ 時刻）發生斷線，信號將保持恒“1\"不變，見圖中G4。

表1BLDCM六步驅動信號表

圖2BLDCM霍爾傳感器HA故障后輸出信號圖

圖1中采用了三個主傳感器（HA、HB和HC來檢測電機轉子位置，根據傳感器輸出結果可以得到對應的控制信號，但任一個傳感器發生故障后，就無法得知轉子位置，表1對應的六步驅動信號就會發生錯誤，電機將無法正常工作。為此，以超前 90^° 電角度增加一組輔助傳感器（LA、LB和LC以實現冗余控制，如圖3所示，這樣就可以得到圖4所示的一個電周期內兩組傳感器的輸出信號。從輸出信號圖可知，HA輸出為高或低電平時（圖中陰影部分），其余傳感器輸出轉換次序是固定的，因此可利用這一結論檢測HA傳感器的好壞，并將該區域稱為HA的檢測區，HA其他部分不能通過其余傳感器的輸出轉換次序判定HA的狀態，稱為非檢測區。

圖3位置傳感器安裝位置圖

圖4傳感器輸出信號圖

在檢測區內傳感器的輸出是固定不變的，只有在發生故障時，輸出才會改變，對圖4分析可以得到表2所示的主傳感器檢測區與其余傳感器輸出信號轉換序列之間的對應關系。當主傳感器的當前狀態與其余傳感器轉換序列關系不一致時，可認為此傳感器發生故障，并以此序列重新構建出故障傳感器的輸出狀態，再以表1進行控制。

表2主傳感器輸出信號與其余傳感器轉換序列關系表

在非檢測區，傳感器發生故障后產生的轉換共有三種情形：第一，傳感器在正常上升沿來臨前發生斷線，如圖5（a）所示，該情況使得電機正常換相點提前到來，因而有較大的換相電流；第二，傳感器經正常上升沿后，在檢測區來臨前就發生了接地故障，如圖5（b）所示，由于故障轉換點與前一個正常轉換點小于 30^° ，處在兩個轉換過渡范圍內，實踐證明，即使電機處于恒速運行過程中，傳感器也無法輸出等間距的轉換，因此，可認為傳感器轉換波動在 15^° 以內時都是正常的，因而不會導致電機有較大的故障電流；第三，故障傳感器經正常上升沿后，在離開檢測區不到 30^° 就發生了接地故障，如圖5（c所示，這時，冗余控制策略可正常檢測到故障傳感器并進行信號重構，因而電機也不會出現大的故障電流。

（a）故障產生大電流

（b）故障后無大電流

圖5非檢測區HA故障圖

2.2 故障診斷

采用冗余控制策略后，在一個電周期內，6個傳感器共有12次輸出轉換，因此，電機的轉速可表示為：

式中： n_m 為電機轉速 （r/min） ； T_e 為傳感器兩次狀態轉換對應的時間 Π（s）：P. 為轉子極對數。

由于每兩個轉換之間的間隔為 30^° 電角度，而兩個連續轉換間隔的時間僅取決于電機的速度，因此可根據當前轉換與前一個正常轉換的時間間隔，實現發生故障的傳感器的檢測和識別。但是，一個不正確的轉換，與前一個正常的轉換之間的時間間隔非常短，因而可以利用該轉換提供一個非常高的速度估計，進而產生一個大的加速度，如下式所示：

式中： a_c 為由轉換計算出的電機加速度； n_m-1 為基于最后傳感器兩個連續轉換的速度估計值； n_m 為基于前一個轉換和當前轉換的速度估計值; ΔT 為兩個速度讀數之間的時間。

電機正常恒速運行時加速度為零，而當傳感器發生故障時，式（2）變為：

式中： a_∞^* 為電機轉子估算加速度； n_m^* 為傳感器發生故障轉換后計算出的轉速； ΔT^* 為最后一次正確速度讀數和發生錯誤轉換時進行速度估算時的時間差。

如圖5（c）所示，在傳感器LC的上升沿和故障傳感器HA的下降沿之間有一個非常小的時間差，這將為系統提供非常高的速度和加速度。一般電機在空載啟動時具有最大加速度，因此，當檢測到系統加速度大于空載啟動加速度，就可判定傳感器出現故障，其判定條件為：

a_ccgt;a_st

式中： a_c 為由轉換計算出的電機加速度； a_st 為電機空載啟動加速度。

3 仿真驗證

為驗證本文提出方案的正確性與有效性，在MATLAB/Simulink平臺搭建系統仿真模型，采用簡單的轉速閉環控制，所用電機參數如表2所示。系統在額定工況下，以HA為發生故障傳感器進行仿真驗證，圖6為HA輸出為低電平狀態下在檢測區發生故障時的仿真結果，圖7為HA輸出為高電平狀態下在檢測區發生故障時的仿真結果，圖8為HA在非檢測區發生故障時的仿真結果。

表2仿真電機參數表

圖6檢測區HA _Ω=0 時故障仿真結果圖

圖 6～8 所示仿真結果中，HA為用于檢測電機轉子的位置傳感器輸出信號，HA1為基于容錯控制方案重構的故障傳感器信號。發生故障后，重構的故障傳感器信號將取代發生故障的位置傳感器輸出信號，用于控制電機的正常工作。根據仿真結果，當HA在檢測區發生故障時，冗余容錯控制方案能可靠保證BLDCM控制系統的運行，且未產生較大的電機故障；而在非檢測區，除圖8（a）所示的結果，位置傳感器從“0\"至\"1\"正常轉換前 30^° 電角度內發生故障會導致兩倍以上的故障電流外，另外兩種情況產生的故障電流約為正常電流的1.1倍，且過渡時間極短，完全處于電機可接受的工作范圍，驗證了本控制方案的可行性。

圖7檢測區HA ? 時故障仿真結果圖

4結論

本文采用冗余位置傳感器，實現了BLDCM單個位置傳感器發生故障時的故障檢測與容錯控制，該控制策略中，輔助傳感器的引入，將電機轉子位置檢測由 60^° 提高到 30^° ，縮短了電機轉子故障補償時間。與其他控制策略相比，在一個周期內，采用本文提出的冗余控制方法，有兩倍的傳感器輸出轉換次數，能夠提供更多的轉換信息檢測出發生故障的傳感器并進行故障傳感器的狀態重構。另外，盡管增加了一倍的位置傳感器數量，但位置傳感器的輸出僅與電機轉子位置有關，與電機其他參數及外部環境的變化無關，因而系統具備較高的魯棒性能。

圖8非檢測區HA故障仿真結果圖

[參考文獻]

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