霍尔位置传感器(Hall position sensors)具有成本低、体积小、安装简便、不需要初始定位等优点，将其应用于永磁同步电机驱动成为了近年来的一个重要研究方向[1, 2, 3, 4, 5, 6]。由于永磁同步电机驱动需要高分辨率的转子位置信息，因此基于霍尔位置传感器的高分辨率位置估计成为了研究的关键点。混合位置观测器(hybrid observer)和外插估计法(extrapolation)首先被提出[1, 2]，2种方法基于转子平均速度进行位置估计，因此具有较明显的延迟，驱动系统的动态性能较差。随后，一种新型位置矢量跟踪观测器(vector-tracking observer,VTO)的提出引起了广泛的研究[3, 4, 5, 6]。其中，低分辨率的位置信号转换为位置空间矢量，然后通过傅里叶分解得出其中的谐波成分，并进行谐波消除(harmonics decoupling)。此外位置矢量跟踪观测器还引入了动态转矩作为前馈信号以提高系统的动态性能。然而以上研究皆是基于霍尔位置传感器正常工作的假设。当霍尔传感器发生故障，电机转速将会失调，并出现瞬态大电流，进而引起整个驱动系统的损坏和操作人员伤亡。
提高永磁同步电机驱动系统的可靠性和安全性成为了该方向的一个新的研究课题。最近，Giacomo Scelba通过分析霍尔传感器在正常和故障情况下的输出状态的变化顺序，总结了各种故障情况下霍尔信号变化的特定序列，并以此作为故障检测的依据[7]。这种方法虽然能够有效地对霍尔传感器故障进行检测，但是检测所需时间较长，并且在故障补偿中需要存储大量的状态序列信息，因此容错控制的效果不佳。
为了进一步提高霍尔故障的检测效率和容错控制效果，本文分析了霍尔信号的状态值与跳变沿中所包含的位置信息，并将二者加以综合，利用二者之间的相互关系进行霍尔传感器的故障检测。在此基础上，将各种故障状况下霍尔传感器的输出转换为位置矢量，然后对其进行傅里叶分解，推导出其中的谐波成分并加以消除，从而在位置矢量跟踪观测器中实现对故障的补偿。实验结果表明，该方法能够更快地完成霍尔传感器故障的检测和补偿，有效减小故障引起的系统性能波动，避免了系统的进一步损坏。
1 永磁同步电机驱动系统 1.1 驱动系统的构成采用霍尔位置传感器的永磁同步电机驱动系统如图 1所示，包括永磁同步电机、三相逆变器、转速调节器、转矩调节器(或电流调节器)、霍尔位置传感器(H1、H2和H3)以及转速位置观测器。永磁同步电机驱动对转子位置分辨率的要求远远高于霍尔位置传感器(分辨率为π/3)，因此转子位置观测器是影响驱动系统性能的关键点。
|
| 图 1 永磁同步电机驱动系统结构图 |
在基于霍尔传感器的位置估计方法中，位置矢量跟踪观测器(vector-tracking observer,VTO)是一种最新的估计方法，具有最好的精度和动态性能，其结构如图 2所示[3]。位置矢量跟踪观测器主要由两部分组成：闭环位置观测器和谐波成分消除机制。其中${\hat{\omega }}$e和$\hat{\theta }$e分别为转速和转角观测值，θe和θHall分别为转子实际位置和霍尔位置传感器的反馈角度。
|
| 图 2 转子位置矢量跟踪观测器 |
闭环位置观测器是根据永磁同步电机驱动系统的机械动态方程建立的，如(1)式所示：
|
| 图 3 霍尔传感器的信号及位置反馈 |
反馈位置矢量ejθHall是关于转子实际位置θe的周期函数,对其进行傅里叶级数展开,如下所示
为了降低霍尔位置反馈中谐波对观测性能的影响,需要引入谐波成分消去机制(如图 2中第二部分所示),将反馈位置矢量ejθHall中的基波信号提取出来,然后与对应的观测位置矢量eej进行相位比较,从而实现闭环观测。
当霍尔位置传感器正常运行时,此位置矢量跟踪观测器具有较好的精度和动态性能。然而,如果(单个或2个)霍尔传感器发生故障,反馈位置中存在错误信息,观测器将无法继续提供有效的位置估计,就会引起极大的故障电流和转速的波动,威胁驱动系统和操作人员的安全。
2 霍尔传感器的故障检测 2.1 霍尔传感器的故障情况分析本文主要考虑单个或2个霍尔传感器出现故障时,系统的故障检测和容错控制。而当3个霍尔传感器全都发生故障,位置反馈信息完全丢失,图 1所示的系统需要添加大量的硬件电路和软件算法,以实现无位置传感器的驱动,这种容错控制方法更加复杂,超出了本文的研究范围,将不予讨论。
霍尔传感器及其输出读取芯片都为数字逻辑电路,故障发生后(如霍尔元件失效或连线断路),检测到的相应信号通常不再发生变化[7],不能反映电机的转动情况,如图 4所示。
|
| 图 4 霍尔传感器的故障情况 |
图 4a)是单个霍尔发生故障的情况,其中霍尔传感器H3发生故障,输出信号h3随后保持在高电平不发生变化,其中包含的位置信息随之丢失。图 4b)所示为2个霍尔传感器(H2和H3)发生故障的情况,在故障发生后,霍尔信号h2和h3都不随转子位置变化而改变,对应的位置信息进一步丢失。在这些故障情况下,要实现驱动系统的容错控制,需要首先对故障类型进行检测,然后根据检测结果对故障进行补偿。
2.2 基于霍尔信号变换顺序的故障检测(M1)如图 3所示,在正常运转过程中,霍尔信号的状态按照一定的顺序进行变化。具体来说,当电机正转的时候,3个霍尔信号h1、h2和h3的变化顺序为:001→101→100→110→010→011→001;当电机反转时,h1、h2和h3的变化顺序为:001→011→010→110→100→101→001。而当单个霍尔故障发生后如图 4a)所示,霍尔位置信号的变化顺序变为:101→111→011→001→101;当2个霍尔传感器发生故障时如图 4b)所示,霍尔位置信号的变化顺序变为:011→111→011。对应于不同的故障情况,霍尔信号都有独特的变化顺序。Giacomo Scelba总结了单个和2个霍尔故障情况下霍尔信号变化的所有特征序列,并将其与实际检测到的霍尔变化顺序进行对比,进而确定故障类型[7]。这种方法虽然能够检测出霍尔传感器故障,但是序列的比对需要检测较多的状态,故障检测的时间较长,制约了容错控制的性能。(为了方便下文的表述,将本方法记为M1)
2.3基于霍尔状态和跳变的故障检测(M2)霍尔信号除了状态值(高低电平)以外,其跳变沿同样包含着电机转动的相关信息。如图 3所示,霍尔信号的状态值反映了转子所在的角度范围(分辨率为π/3),而霍尔信号的跳变沿则能指示转子的特定位置(0,π/3,…)。在无故障的情况下,霍尔状态和跳变沿所包含的位置信息可以互相印证;而如果霍尔出现故障,两者所反映的转子位置将相互矛盾。因此,可以将霍尔信号状态和跳变沿结合,进行故障检测,具体方法如下。
为了反映霍尔信号状态和跳变沿之间的关系,首先定义一组新的变量。对于任意一对霍尔信号hx和hy(x,y∈｛1,2,3｝且x≠y),hx的值可以分别在hy的上升沿和下降沿进行采样,分别记为hx,ry和hx,fy。如图 5所示,当霍尔传感器无故障时,对于任意一对x、y取值,hx,ry和hx,fy的值总不相等,即:hx,ry ≠ hx,fy。而当霍尔传感器Hx出现故障后,霍尔信号hx将保持不变,此后,采样得到的hx,ry和hx,fy将始终相等。如图 5所示,霍尔传感器H3发生故障后,霍尔信号h3保持不变,采样值h3,r1和h3,f1(或h3,r2和h3,f2)变为相等,即:h3,r1=h3,f1(或h3,r2=h3,f2)。因此可以利用h3,r1和h3,f1(或h3,r2和h3,f2)的比较,来对霍尔传感器H3是否发生故障进行检测。同样地,对于任意霍尔传感器Hx,都可以通过对比采样值hx,ry和hx,fy来实现故障的检测。如表 1所示,在每个霍尔信号的跳变沿,对采样值hx,ry和hx,fy进行的比较,就可以得出相应霍尔传感器的故障状态,其中f1、f2和f3分别代表霍尔传感器H1、H2和H3的故障状态(fx=1表示霍尔传感器Hx发生故障)。在这种方法中,每次只需比较2个采样值,因此更加简便,效率也更高(为了便于下文表述,将此方法称为M2)。
|
| 图 5 霍尔信号状态及其跳变沿 |
| 检测时刻 | f1 | f2 | f3 |
| h1跳变沿 | 0 | 1-|h2,r1-h2,f1| | 1-|h3,r1-h3,f1| |
| h2跳变沿 | 1-|h1,r2-h1,f2| | 0 | 1-|h3,r2-h3,f2| |
| h3跳变沿 | 1-|h1,r3-h1,f3| | 1-|h2,r3-h2,f3| | 0 |
发生故障的霍尔传感器,其输出信号不具备任何有效的位置信息,在故障检测完成后,应当舍弃,由余下的霍尔传感器提供位置反馈。为了实现永磁同步电机的容错控制,还需要根据故障检测的结果,对原有位置矢量跟踪观测器加以补偿,从而得到正确的转子位置估计值。
单个霍尔故障的情况如图 6所示,其中霍尔传感器H3发生故障,对应于2π/3和5π/3的转子位置信息丢失,引起了位置反馈的分辨率下降。这种情况下,反馈位置矢量ejθHall中的基波与谐波成分会发生变化。利用(3)式、(4)式,可以对ejθHall进行傅里叶级数展开,如(6)式所示:
|
| 图 6 单个霍尔传感器H3发生故障时的位置反馈 |
通过(6)~(8)式与(5)式的比较可以看出,单个霍尔传感器故障使得基波幅值减小,谐波的含量增加。
2个霍尔故障的情况如图 7所示。
|
| 图 7 2个霍尔传感器H2和H3发生故障时的位置反馈 |
其中H2和H3发生故障,对应于2π/3、π、5π/3和2π的转子位置信息丢失,位置反馈的分辨率进一步下降。利用(3)式和(4)式,可以得出这种情况下反馈位置矢量ejθHall中的基波与谐波成分如(9)式所示
类似地,可以推出当霍尔传感器H1和H3发生故障时反馈位置矢量ejθHall中的基波与谐波分量,如下式所示
相对于单个霍尔传感器故障,2个霍尔传感器故障使得霍尔位置矢量中的基波分量进一步减小,谐波成分则有所增加。
根据以上对反馈位置矢量ejθHall的分析,需要在故障发生后,根据相应的谐波分量和基波分量,对位置矢量观测器进行重建。这样观测器才能继续提供合理的转子位置估计,从而使永磁同步电机驱动系统能够从故障中恢复,继续运行,避免系统的进一步损坏和操作人员危险。
4 实验结果为了验证上文提出的永磁同步电机驱动的故障检测和容错控制方法,搭建了永磁同步电机驱动平台。其中电机的参数如下表 2所示,负载转矩(TL=1 Nm)由直流电机串接功率电阻提供,系统转动部分总体转动惯量为1.4×10-4N·m·s2,霍尔信号、电流及转速信息由基于LabVIEW的数据采集平台进行测试和记录。手动开关串联在霍尔传感器的连接线中,通过其通断来模拟霍尔传感器的故障情况。故障检测和容错控制在驱动系统中的TMS320F28335中通过编程实现,无需为系统增加任何硬件。分别在单个和2个霍尔故障的情况下,对2种故障检测方法和位置矢量跟踪观测器进行验证和比较。
图 8所示为单个霍尔传感器(H3)故障时，驱动系统的容错控制结果。当利用故障检测方法M1时，电机的瞬态电流高达62 A，转速波动到达310 r/min，故障电流的持续时间为13.5 ms。当使用本文提出的故障检测方法M2时，电机的瞬态电流只有23 A，转速波动仅为80 r/min，系统中故障电流只持续了8.5 ms。在这种情况下，所提出的容错控制方法能够使驱动系统从故障中恢复运行，而且故障检测方法M2加快了故障检测的速度和效率，减小了故障带来的系统性能的波动。
|
| 图 8 单个霍尔传感器(H3)故障下的容错控制结果 |
图 9所示为两个霍尔传感器(H2和H3)故障时，驱动系统的容错控制结果。当使用故障检测方法M1时，电机的瞬态电流高达45 A，转速波动为318 r/min，电流恢复时间为13 ms。而使用M2时，瞬态电流仅为20 A，转速波动减小为100 r/min，电流恢复时间只有7 ms。这种情况下，提出的容错控制方法同样能够使驱动系统从故障中恢复运行，并且方法M2具有更高的效率和速度，使得故障带来的电流和转矩波动得到一定程度的抑制，更有利于提高系统的可靠性和安全性。
|
| 图 9 2个霍尔传感器(H2和H3)故障下的容错控制结果 |
本文针对永磁同步电机驱动中位置传感器的故障提出了故障检测和容错控制方法。文章首先分析了正常和故障情况下，霍尔信号状态和跳变沿所反映的转子位置信息，并将二者结合起来，提出了基于霍尔信号及其跳变沿的故障检测方法。在此基础上，消除了故障霍尔传感器输出的错误信息，对反馈位置矢量重新进行了傅里叶级数展开，得出了相应的基波和谐波分量，进而重建位置矢量跟踪观测器，实现容错控制。实验结果表明，本文所提出的故障检测和容错控制方法，能够使驱动系统在故障发生后，继续保持正常运行。更重要的是，本文提出的故障检测方法极大地提高了原有故障检测方法的效率和检测速度，使得故障恢复过程中的电流和转速波动明显减小，提高了系统的可靠性和安全性。
| [1] | Corzine K A, Sudhoff S D. A Hybrid Observer for High Performance Brushless DC Motor Drives[J]. IEEE Trans on Energy Conversion,1996(2):318-323 |
| Click to display the text | |
| [2] | Shigeo M, Masayuki S, Yoji T. Sinusoidal Current Drive System of Permanent Magnet Synchronous Motor with Low Resolution Position Sensor[C]//Proceedings of 1996 IEEE IAS Annual Meeting, San Diego, 1996:9-14 |
| Click to display the text | |
| [3] | Fabio G C, Giulio D D, Luca D F, et al. AC Brushless Drive with Low-Resolution Hall-Effect Sensors for Surface-Mounted PM Machines[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2006(2):526-535 |
| Click to display the text | |
| [4] | Michael C H, Giulio D D, Fabio G C, et al. Implementation Issues and Performance Evaluation of Sinusoidal, Surface-Mounted PM Machine Drives with Hall-Effect Position Sensors and A Vector-Tracking Observer[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2008(1):161-173 |
| Click to display the text | |
| [5] | Anno Y, Seung-Ki S, DongCheol L, et al. Novel Speed and Rotor Position Estimation Strategy Using a Dual Observer for Low-Resolution Position Sensors[J]. IEEE Trans on Power Electronics, 2009(12):2897-2906 |
| Click to display the text | |
| [6] | Sam-Young K, Chinchul C, Kyeongjin L, et al. An Improved Rotor Position Estimation with Vector-Tracking Observer in PMSM Drives with Low-Resolution Hall-Effect Sensors[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics, 2011(9):4078-4086 |
| Click to display the text | |
| [7] | Giacomo S, Giulio D D, Giuseppe S, et al. Fault-Tolerant Rotor Position and Velocity Estimation Using Binary Hall-Effect Sensors for Low-Cost Vector Control Drives[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2014(5):3403-3413 |
