五相无刷直流电动机霍尔容错控制策略

陈黎明

(广东机电职业技术学院,广州510515)

0 引 言

五相无刷直流电动机驱动控制在2000年以后得到各国学者的重视[1-2],与传统的三相无刷直流电动机相比,它降低了转矩脉动,提高了电枢的利用率[3]。由于相数的增加使其可以提供比三相电机更多的控制自由度,增加的自由度可用来实现在故障状态下的无扰容错运行。发生故障后,五相电机仅需要修改其控制策略,而无需修改任何硬件电路,剩余的正常相便可以补偿故障引起的转矩脉动,实现容错运行[4-7],文献[8]给出五相无刷直流电动机(以下简称BLDCM)一相开路故障情况下的运转方法。这些研究主要集中在绕组发生故障时的容错处理,鲜有霍尔发生故障时的研究报道。

BLDCM的无位置传感器研究已比较深入,应用较多的反电势法由于反电势幅值与电机转速成正比,不适合于低速范围。目前广泛采用的开环起动技术,它的成功实现与负载转矩、电机参数、外施电压、加速曲线等诸多因素有关,如果控制不当,很容易导致电机失步甚至起动失败[9],因此,大多情况下五相BLDCM需要采用霍尔传感检测转子位置。与三相BLDCM相比,霍尔增加了2个,只要霍尔损坏1个,五相BLDCM就出现故障无法使用,由于霍尔损坏引起的故障率有较大提高。

因此,本文提出了一种五相BLDCM霍尔故障容错控制策略。在分析不同霍尔故障的基础上,研究霍尔损坏时霍尔状态、开关状态和转矩之间的关系,给出了最多2个霍尔损坏情况下霍尔故障容错控制策略,通过实验样机验证了控制策略的效果,解决了五相BLDCM霍尔增加带来的电机故障率上升的问题。

1 霍尔损坏时的MOS管开关问题

五相BLDCM绕组采用星形连接,每相绕组的一端与控制器的输出相连接,另一端全部连接在一起。采用“四四”导通方式时,霍尔状态与开关状态真值表如表1所示。

五相BLDCM有5个霍尔,分别是HA,HB,HC,HD,HE。开关桥臂有5个,每个桥臂有2个开关管,分别是A上,A下,B上,B下,C上,C下,D上,D下,E上,E下。正常工作时,在1个360°电周期内,10种霍尔状态(如01100)与 10 种开关状态(如K1(A上,E上,B下,C下))一一对应,并按照状态1,2,3,…,8,9,10,1,2,3,…,8,9,10这种方式循环。霍尔出现故障时,这种对应关系被打乱,需要研究霍尔损坏时霍尔状态、开关状态和转矩之间的关系,才能确定准确的控制策略,实现容错控制。五相无刷直流电动机有5个霍尔,只损坏1个霍尔时,有5种可能的组合,损坏2个霍尔时,有10种可能的组合。

表1 霍尔正常时霍尔状态与开关状态真值表

1.1 1个霍尔损坏时

在损坏1个霍尔,如表2所示霍尔HA损坏时,状态1和10的霍尔值相同是01100,状态5和6的霍尔值相同是00011,即1种霍尔状态对应2种不同的MOS管开关状态(称为特殊霍尔状态),其余6种状态的霍尔状态与MOS管开关状态是一一对应,称为普通霍尔状态。

表2 HA损坏时霍尔状态与开关状态真值表

在霍尔HB,HC,HD,HE单独损坏时,以此类推,分别都有两种特殊霍尔状态。

五相BLDCM在损坏1个霍尔的情况下,在1个360°电周期内,霍尔信号的状态由正常工作时的10种变化为8种,这8种状态在不同霍尔损坏时,又不相同,因此控制器无法按正常的导通逻辑开关MOS管,控制电机运转。

1.2 2个霍尔损坏时

在同时损坏2个霍尔时,根据组合关系,存在10种组合,损坏的霍尔组合是HAHB,HBHC,HCHD,HDHE,HEHA和HAHC,HAHD,HBHD,HBHE,HCHE。

如表3所示,霍尔HAHB损坏时,状态1和10的霍尔值相同,状态5和6的霍尔值相同,状态2和3的霍尔值相同,状态7和8的霍尔值相同,即1种霍尔状态对应2种MOS管开关状态,只有状态4,状态9两种情况下霍尔状态与MOS开关状态是一一对应。在霍尔组合HBHC,HCHD,HDHE,HEHA损坏时,以此类推,每种组合中都有4个特殊霍尔状态和2个普通霍尔状态。

表3 HAHB损坏时霍尔状态与开关状态真值表

根据五相BLDCM霍尔HA,HB,HC,HD,HE的循环排列顺序,我们称这5种情况为相邻相霍尔损坏,即霍尔组合HAHB,HBHC,HCHD,HDHE,HEHA损坏时,在1个360°电周期内,霍尔信号的状态由正常工作时的10种变化为6种,这6种状态在不同霍尔组合损坏时,又不相同,因此控制器无法按正常的导通逻辑开关MOS管,控制电机运转。

如表4所示,霍尔HAHC损坏时,状态1,9,10的霍尔值相同,状态4,5,6的霍尔值相同,即1种霍尔状态对应3种MOS管开关状态,只有状态2,3,7,8四种情况下霍尔状态与MOS管开关状态是一一对应。在霍尔HAHD,HBHD,HBHE,HCHE损坏时,以此类推,每组分别有2个特殊霍尔状态和4个普通霍尔状态。

表4 HAHC损坏时霍尔状态与开关状态真值表

根据五相BLDCMHA,HB,HC,HD,HE的循环排列顺序,我们称这5种情况为不相邻相霍尔损坏,即霍尔组合HAHC,HAHD,HBHD,HBHE,HCHE损坏时,在1个360°电周期内,霍尔信号的状态由正常工作时的10种变化为6种,有2种霍尔状态分别对应3种MOS管开关状态。在不同霍尔组合损坏时,这6种状态又不相同,因此控制器无法按正常的导通逻辑开关MOS管,控制电机运转。

2 霍尔损坏时的MOS管开关策略

2.1 霍尔损坏时MOS管开关的基本原则

图1给出了五相BLDCM绕组的感应电势波形。横坐标是电周期,反映转子与绕组的相对位置。霍尔正常情况下,与霍尔状态一一对应,t1～t2区间,霍尔值是01100,…,t9～t10区间,霍尔值是11000,t10～t1区间,霍尔值是11100 。 在t10-1～t5-1(0°～180°)和t5-1～t10-1(180°～360°),分别开通A上和A下,A相绕组的感应电势极性与加在绕组上的电压方向相反,绕组电流产生正向转矩,如分别开通A下和A上,则产生反向转矩。霍尔正常情况下,A相绕组只在t1～t5(18°～162°)和t6～t10(198°～342°)工作,在区间t10～t1和t5～t6换相,其余各相MOS管开关状态和霍尔状态关系相似。

图1 五相绕组反电势波形

霍尔损坏时存在2种特殊霍尔状态,1种霍尔状态对应2种开关状态和1种霍尔状态对应3种开关状态,霍尔状态和开关状态不是一一对应关系,可能出现开通相绕组产生反方向转矩,导致电机无法运转。

霍尔A出现故障(表2),1种霍尔状态对应2种开关状态,例如,状态1和10的霍尔值相同为01100,根据表2中的开关状态,应该开通K10(D上,E上,B下,C下)和K1(A上,E上,B下,C下)。 可能出现转子位置在t10～t10-1区间时,MOS管按开关状态K1(A上,E上,B下,C下)开关,A相感应电势的方向与电源电压方向相同,即A相绕组产生反向转矩。转子位置在t1-1～t2区间时,MOS管按开关状态K10(D上,E上,B下,C下)开关,此时D相的感应电势的方向与电源电压方向相同,即D相绕组产生反向转矩,如表5所示。

1种霍尔状态对应3种开关状态,例如霍尔A,C出现故障时,状态9,10,1的霍尔值相同为01000,根据表4中的开关状态,应该开通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管按开关状态K1(A上,E上,B下,C下)开关时,在t9～t10区间,A相感应电势的方向与电源电压方向相同,即A相绕组产生反向转矩,t9～t9-1,B相感应电势的方向与电源电压方向相同,即A相绕组产生反向转矩,由于两相绕组产生的转矩都反向,电机无法工作。MOS管按开关状态K10(D上,E上,B下,C下)开关,如转子位置在t1-1～t2区间,此时D相的感应电势的方向与电源电压方向相同,即D相绕组产生的反向转矩。

表5 霍尔状态、开关状态及转矩关系表

因此,霍尔损坏时开关的基本原则是,优先选择每相绕组转矩为正的开关状态,其次如无法避免绕组转矩为负,选择四相绕组合成转矩最大的开关状态,最后需要考虑起动和连续运转的衔接。

2.2不同类型霍尔损坏时的MOS管开关策略

(1)1个霍尔损坏

根据表2和图1,霍尔信号为01100时,对应的开关状态是K10(D上,E上,B下,C下)和K1(A上,E上,B下,C下),转子实际位子与开关状态有4种对应关系。如果选择开关K10(D上,E上,B下,C下),转子可能在t10～t1区间,属于正常状态,电机能正常转动,转子也可能在t1～t2区间,D相绕组在区间t1-1～t2产生反方向的转矩,由于合成转矩仍然为正,电机能够转动。如果选择开关K1(A上,E上,B下,C下),转子也可能在t1～t2区间,电机正常转动。转子可能在t10～t1区间,属于非正常状态,A相绕组在区间t10-1～t1产生反方向的转矩,由于合成转矩仍然为正,电机能够转动。霍尔信号为00011时相似。因此,1个霍尔损坏时,存在2个特殊霍尔状态,MOS管选择对应的2种状态进行开关,动态转矩与转子实际位置相关,电机能转动,其余6个状态都是普通霍尔状态,电机正常工作。

(2)2个相邻霍尔损坏

根据表3和图1,霍尔HAHB损坏时,状态1和10的霍尔值相同,状态5和6的霍尔值相同,状态2和3的霍尔值相同,状态7和8的霍尔值相同,即1种霍尔状态对应2种MOS管开关状态,只有状态4,状态9两种情况下霍尔状态与MOS管开关状态是一一对应。

因此,2个相邻霍尔损坏时,存在4个特殊霍尔状态,与1个霍尔故障的原理一样,MOS管选择对应的2种状态进行开关,动态转矩与转子实际位置相关,电机能转动,其余2个状态都是普通霍尔状态,电机正常工作。与1个霍尔故障时相比,在360°电周期内,转矩相反的时间增加,电机的平均转矩下降。

(3)2个非相邻霍尔损坏

如表4和图1所示,电机能够转动霍尔HAHC损坏时,状态1,9,10的霍尔值相同为01000,对应的开关状态是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),转子实际位子与开关状态有6种对应关系。极端情况下,如果选择开关K9(D上,E上,A下,B下),转子位置可能t1～t2区间,A相绕组在区间t1～t2区间,D相绕组在t1-1～t2区间产生反方向的转矩,由于正、负转矩相互抵消,电机无法起动。如果选择开关K1(A上,E上,B下,C下),转子位置可能在t9～t10区间,属于非正常状态,A相绕组在区间t9～t10,C相绕组在t9～t9-1产生反方向的转矩,正、负转矩相互抵消,电机无法起动。如选择K10,转子在区间t9～t10和t1～t2,只有一相绕组产生相反的转矩,由于合成转矩仍然为正,电机能正常转动。

另外一种状态4,5,6的霍尔值相同,即1种霍尔状态对应3种MOS管开关状态,情况相似。只有状态2,3,7,8这4种情况下霍尔状态与MOS管开关状态是一一对应。

因此,2个不相邻霍尔损坏时,在2种特殊霍尔状态,选择3种开关状态中间状态进行开关,动态转矩与转子实际位置相关,电机能转动,其余4个状态都是普通霍尔状态,电机正常工作。与1个霍尔故障时相比,在360°电周期内,绕组转矩相反的时间增加,电机的平均转矩下降。

2.3 3个以上霍尔损坏时的MOS管开关策略探讨

3个霍尔损坏时,假设HA,HB,HC3个霍尔损坏,此时只有4种霍尔状态,2种霍尔状态各对应2种开关状态,2种霍尔状态各对应3种开关状态,根据前面讨论的方法,可以控制电机运转。由于没有正常霍尔状态,平均输出转矩下降较大,电机无法正常工作。

4 实验效果

根据前述原理开发了具备霍尔容错功能的控制器,霍尔容错故障试验示意图如图2所示。开关KA,KB,KC,KD,KE全部接通时霍尔无故障,KA断开,模拟1个霍尔HA故障,KAKB断开,模拟2个相邻霍尔HAHB故障,其余以此类推。

图2 霍尔容错故障试验示意图

系统上电后,首先检测霍尔好坏,霍尔的好坏是通过检测单片机霍尔信号输入I/O口的电平变化时间来确定的。当五相BLDCM以大于100 r/min的速度运行时霍尔信号输入I/O口的电平持续100 ms仍无变化,则可以断定该霍尔损坏。其次是区分不同霍尔损坏类型,1个霍尔损坏,2个相邻相霍尔损坏,2个非相邻相霍尔损坏,各有5种组合,确定类型后根据前述方法处理。

五相BLDCM在运行中,如控制器检测到霍尔损坏,立刻切换到霍尔容错处理模式,在霍尔损坏情况不发生变化时一直维持该模式,不受控制器断电影响;在静止状态时,如霍尔损坏则需要使用外力辅助电机转动起来,完成模式切换;当3个以上霍尔损坏时,控制器进入保护状态,无输出,重新上电后解除保护,当损坏霍尔修复后立刻切换回正常的霍尔状态控制模式。

采用霍尔容错控制策略的五相BLDCM,缺1个霍尔和缺2个霍尔的机械特性和效率特性与无故障的对比如图3所示。机械特性方面,缺1个霍尔与无故障时相似,缺2个霍尔时在高速区特性变软,低速区特性基本一致,说明容错控制策略有效。效率特性方面,2种故障时的曲线相似,高速区的效率都低于霍尔无故障时,低速区基本一致。

图3 采用霍尔容错控制策略的五相BLDCM机械特性对比

4 结 论

本文区分了1个霍尔损坏、2个相邻霍尔损坏

和2个非相邻霍尔损坏3种类型,确定了1种霍尔状态对应2种不同的MOS管开关状态和1种霍尔状态对应3种不同的MOS管开关状态时的容错控制策略,实验样机验证了控制策略的可行性。如果霍尔故障率都是1%,霍尔损坏造成三相BLDCM的故障率是2.97%,BLDCM 的故障率4.9%,采用本文的霍尔容错控制策略后,五相BLDCM实现了容错运行,因为霍尔故障引起电机不能工作的概率大幅下降为9.85 ppm,该问题基本得到解决。

[1]GAN J,CHAU K T,CHAN C C,et al.A new surface-inset,permanent-magnet,brushless DC motor drive for electric vehicles.IEEE Transactions on Magnetics,2000,36(5):3810-3818.

[2]LU Shuai,CORZINE K.Multilevelmulti-phase propulsion drives[C]//2005 IEEE Electric Ship Technologies Symposium,2005:363-370.

[3]刘国海,陈钢.多相无刷直流电动机系统建模与仿真[J].微特电机,2008,47(3):25-28.

[4]郑萍,唐佩伦,隋义,等.电动汽车用五相永磁同步电机的容错控制策略[J].电机与控制学报,2013,17(10):65-69.

[5]CHAU K T,CHAN C C,LIU C.Overview of permanent-magnet brush-less drives for electric and hybrid electric vehicles[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2008,55(6):2246-2257.

[6]赵品志,杨贵杰,李勇.五相永磁同步电动机单相开路故障的容错控制策略[J].中国电机工程学报,2011,31(24):68-75.

[7]OWEN R L,ZHU Z Q,THOMAS A S,et al.Fault-tolerant fluxswitcking permanent magnet brushless AC machines[C]//IEEE Industry Applications on Society Annual Meetings,2008:1-8.

[8]许晓春,刘国海,赵文祥.新型五相BLDC电机的容错控制策略研究[J].微电机,2014,47(6):31-35.

[9]吕鲁莹,陈敏祥.无刷直流电动机无位置传感器技术的新发展[J].微特电机,2008,47(9):56-59.