一種永磁同步電機霍爾傳感器容錯控制算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于汽車發(fā)動機【技術領域】的一種永磁同步電機霍爾傳感器容錯控制算法，它包括基于兩霍爾傳感器的永磁同步電機控制算法和基于單霍爾傳感器的永磁同步電機控制算法，并且還包含對永磁同步電機各模式切換過程進行控制的算法。該發(fā)明可以保證永磁同步電機在一個甚至兩個霍爾傳感器出現(xiàn)故障的時候，依然可以正常運轉，平穩(wěn)輸出轉矩，并且可以保證永磁同步電機在各模式之間的切換過程平穩(wěn)，提高電機在各模式下工作的魯棒性。本發(fā)明可以廣泛應用于帶霍爾傳感器永磁同步電機的各種使用場合。
【專利說明】一種永磁同步電機霍爾傳感器容錯控制算法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車發(fā)動機【技術領域】，特別涉及一種永磁同步電機霍爾傳感器容錯控制算法，具體說是在用于新能源汽車領域能夠保證永磁同步電機能夠在一個甚至兩個霍爾傳感器出現(xiàn)故障的時候正常工作。
【背景技術】
[0002]永磁同步電機以其高轉矩，高能量密度，高效率和噪聲低等優(yōu)點被廣泛應用于新能源汽車的驅動系統(tǒng)。傳統(tǒng)的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中需要高精度轉子位置傳感器，但在一些場合中受到了安裝空間和成本的限制，無法使用。相比之下，霍爾傳感器(HallSensors)具有體積小,安裝方便，價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于永磁同步電機轉子相位檢測中。
[0003]—般來說,永磁同步電機會配置三個對稱安裝的霍爾傳感器，三相霍爾傳感器產(chǎn)生的編碼信號可以將永磁同步電機的一個電周期(電周期和物理周期之間成線性關系，其比例系數(shù)取決于電機磁極對數(shù))分為六個區(qū)域，如附圖1中所示。編碼信號分別為:101(5)、
001(1),011 (3),010 (2),110 (6),100 (4)，6個區(qū)域等間隔60個電角度，并在區(qū)域交界處有6個準確的參考相位(相位O——相位5)。準確的轉子相位對于永磁同步電機控制策略來說十分重要，相位的準確性直接影響了電機運行過程中的震動，噪聲以及效率。估測轉子相位的方法不止一種，比較常用的有零階估測和一階估測。首先，根據(jù)轉子之前所走過某(幾)個霍爾區(qū)域所經(jīng)過的時間，可以估測出轉子的角速度；根據(jù)當前霍爾信號可以確定轉子所在區(qū)域及該區(qū)域的起始相位。所謂一階估測，就是利用估測的轉子速度和轉子經(jīng)過本區(qū)域已用的時間，計算在本區(qū)域所走過的電角度，再與參考相位相加計算此時刻轉子相位；與此相對應的二階估測方法不僅利用估測的轉子轉速對相位進行估測，還對轉子加速度進行估測，進而對轉子估測轉速進行補償，最終在電機轉速波動時獲得更加精確的轉子相位。圖2可以表示這一估測過程，位于垂直方向的是電機轉子，三相定子線圈等間隔120°排列，三相霍爾信號將一個電周期分為六個區(qū)域，每個區(qū)域被一個霍爾信號編碼，區(qū)域交界處的轉子相位精確可知，在各霍爾區(qū)域內(nèi)，利用轉子估測轉速和經(jīng)過本區(qū)域的時間，細化轉子位置估計的精度，進而獲得當前時刻轉子的估測相位。
[0004]汽車對零部件的可靠性要求非常高，一旦霍爾傳感器出現(xiàn)故障，錯誤的霍爾信號就會出現(xiàn)，電機控制器將會解析出錯誤的轉子相位信號并輸出錯誤的控制信號，進而帶來嚴重的后果，例如轉矩波動、相電流過大、電機熱負荷過大甚至電機內(nèi)部短路。而這樣的情況是不能被接受的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種永磁同步電機霍爾傳感器容錯控制算法，其特征在于，首先提出了在一個和兩個霍爾傳感器出現(xiàn)故障的情況下，如何利用正常工作的傳感器繼續(xù)準確的估測轉子相位的霍爾傳感器容錯控制算法，包括:[0006]( I)兩霍爾傳感器控制算法:
[0007]當三相霍爾傳感器中的一相出現(xiàn)故障，永磁同步電機將進入兩霍爾傳感器控制模式，電機控制器將利用剩下的兩個正常霍爾信號進行轉子相位估計，兩個霍爾信號將一個電周期分割并編碼為四個不均勻的霍爾區(qū)域，根據(jù)一階估測方法，對轉子的轉速和角加速度進行估計，并估計轉子當前的轉速，將估測轉速積分，并結合當前霍爾區(qū)域的參考相位，得到當前的轉子相位，估測轉速將不均勻的霍爾區(qū)間進行了細分，需要說明的是，每經(jīng)過一個霍爾區(qū)域，轉子角速度都會更新一次；而角加速度的更新每經(jīng)過兩個霍爾區(qū)域進行一次；
[0008](2)單霍爾傳感器控制算法:
[0009]當三相霍爾傳感器中的兩相出現(xiàn)故障，永磁同步電機將進入單霍爾傳感器控制模式，電機控制器將利用唯一正?；魻栃盘栠M行轉子相位估計，霍爾信號將一個電周期分割并編碼為2個等間隔的霍爾區(qū)域，根據(jù)一階估測方法，對轉子的轉速和角加速度進行估計，并估計轉子當前的轉速，將估測轉速積分，并結合當前霍爾區(qū)域的參考相位，得到當前的轉子相位，(可參考圖6所示。)需要說明的是，轉子角速度和角加速度均為每經(jīng)過一個霍爾區(qū)域更新一次；
[0010](3) 一個電機模式切換控制算法，該算法用于模式轉換過程的控制，當永磁同步電機由一個模式切換到另一個的時候，該算法將更新電機控制算法中的幾個變量:霍爾信號、參考相位即當前霍爾區(qū)域的起始相位、在本霍爾區(qū)域已走過的電角度、在本霍爾區(qū)域應走過的理論最小電角度和在理論最大電角度；這幾個變量不僅影響永磁同步電機模式切換的平順性，還對永磁同步電機各模式下的霍爾傳感器故障診斷具有重要作用。
[0011]所述兩個霍爾信號將一 個電周期分割并編碼為四個不均勻的霍爾區(qū)域是分別編碼為10、00、01、11 ;區(qū)域I——區(qū) 域4間隔的電角度分別是120°、60。、120。、60。。
[0012]所述轉子角速度和角加速度均為每經(jīng)過一個霍爾區(qū)域更新一次為經(jīng)過一個霍爾區(qū)域即半個電周期都進行電機轉速、加速度估測，假設此時正常相霍爾信號由O跳變到1，估測公式如下:
【權利要求】
1.一種永磁同步電機霍爾傳感器容錯控制算法，其特征在于，首先提出了在一個和兩個霍爾傳感器出現(xiàn)故障的情況下，如何利用正常工作的傳感器繼續(xù)準確的估測轉子相位的霍爾傳感器容錯控制算法，包括: (1)兩霍爾傳感器控制算法: 當三相霍爾傳感器中的一相出現(xiàn)故障，永磁同步電機將進入兩霍爾傳感器控制模式，電機控制器將利用剩下的兩個正常霍爾信號進行轉子相位估計，兩個霍爾信號將一個電周期分割并編碼為四個不均勻的霍爾區(qū)域；根據(jù)一階估測方法，對轉子的轉速和角加速度進行估計，并估計轉子當前的轉速，將估測轉速積分，并結合當前霍爾區(qū)域的參考相位，得到當前的轉子相位，估測轉速將不均勻的霍爾區(qū)間進行了細分；需要說明的是，每經(jīng)過一個霍爾區(qū)域，轉子角速度都會更新一次；而角加速度的更新每經(jīng)過兩個霍爾區(qū)域進行一次； (2)單霍爾傳感器控制算法: 當三相霍爾傳感器中的兩相出現(xiàn)故障，永磁同步電機將進入單霍爾傳感器控制模式，電機控制器將利用唯一正?；魻栃盘栠M行轉子相位估計，霍爾信號將一個電周期分割并編碼為2個等間隔的霍爾區(qū)域；根據(jù)一階估測方法，對轉子的轉速和角加速度進行估計，并估計轉子當前的轉速，將估測轉速積分，并結合當前霍爾區(qū)域的參考相位，得到當前的轉子相位；需要說明的是，轉子角速度和角加速度均為每經(jīng)過一個霍爾區(qū)域更新一次； (3)—個電機模式切換控制算法，該算法用于模式轉換過程的控制，當永磁同步電機由一個模式切換到另一個的時候，該算法將更新電機控制算法中的幾個變量:霍爾信號、參考相位即當前霍爾區(qū)域的起始相位、在本霍爾區(qū)域已走過的電角度、在本霍爾區(qū)域應走過的理論最小電角度和在理論最大電角度；這幾個變量不僅影響永磁同步電機模式切換的平順性，還對永磁同步電機各模式下的霍爾傳感器故障診斷具有重要作用。
2.根據(jù)權利要求1所述一種永磁同步電機霍爾傳感器容錯控制算法，其特征在于，所述兩個霍爾信號將一個電周期分割并編碼為四個不均勻的霍爾區(qū)域是分別編碼為10、00、01、11;區(qū)域I——區(qū)域4間隔的電角度分別是120°、60°、120°、60°。
3.根據(jù)權利要求1所述一種永磁同步電機霍爾傳感器容錯控制算法，其特征在于，所述轉子角速度和角加速度均為每經(jīng)過一個霍爾區(qū)域更新一次為經(jīng)過一個霍爾區(qū)域即半個電周期都進行電機轉速、加速度估測，假設此時正常相霍爾信號由O跳變到1，估測公式如下:
180° 電機轉址ο 二——，

K-1

COr -仞,卜丨 電機加速度~=OUD， 最后，轉子相位估測公式為:9 t= 9 2+wnt+0.5ant2 ; 上述式中，當前霍爾區(qū)域的時間是tn，經(jīng)過上一霍爾區(qū)域的時間是tn_i;經(jīng)過上兩個霍爾區(qū)域的時間是tn_2 ;電機當前的轉速估計值是ωη，上一次估計值是COiri ;參考相位2表示為0 2。
【文檔編號】H02P21/00GK103475294SQ201310395721
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權日:2013年9月3日
【發(fā)明者】宋子由, 李建秋, 程思亮, 歐陽明高 申請人:清華大學