一种永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，属于传感器故障诊断技术领域，可解决现有故障诊断方法不能有效区分故障霍尔信号与电机转速反向霍尔信号的问题。本发明专利技术首先对某天线伺服系统中永磁无刷电机的运行特性以及相应的霍尔信号特征进行分析，以霍尔信号作为系统状态，导通开关管组合作为系统触发事件，构建了电机运行时的有限状态机；然后通过加入时间约束条件和变量约束条件，对构建的有限状态机进行了扩展，并以此监测系统状态转移过程中的逻辑与时序关系；最终解决了对运行工况为正向转动与逆向转动同时存在的永磁无刷电机的霍尔传感器故障诊断问题，具有良好的应用价值。好的应用价值。好的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法


[0001]本专利技术涉及传感器故障诊断
，特别是指一种天线伺服系统中运行工况为正向转动与逆向转动同时存在的永磁无刷电机的霍尔传感器故障诊断方法。

技术介绍

[0002]永磁无刷电机是一种采用永磁体作为电机转子的交流电机，具有工作效率高、控制结构简单和功率密度大等优点，被广泛应用于各类机电伺服系统领域。永磁无刷电机通常采用三相驱动桥电路作为其驱动系统，当三相桥电路中的开关管以不同组合方式导通和关闭时，即可驱动电机正向转动或逆向转动。电机转动过程中，一个电周期内需要进行六次换相，每个换相间隔为60
°
电角度。
[0003]霍尔传感器作为永磁无刷电机最常用的转子位置传感器，通常以120
°
电角度的间隔均匀分布在电机内部，并用于反馈当前电机的转子位置信息。由于永磁无刷电机在转动过程中必须严格按照间隔60
°
电角度的电子换相控制，所以霍尔传感器反馈的电机转子位置信号对于电机驱动系统的运行具有至关重要的作用。然而，外部环境中大幅度温差变化、剧烈冲击震动等因素均可能使霍尔传感器发生故障，进而导致其反馈信号无法再正确反映电机转子的位置信息，引发电机堵转以及电机绕组中极大的异常电流，造成电机驱动控制器甚至电机本体的损坏。
[0004]目前，现有技术中提出了一些有关永磁无刷电机中霍尔传感器故障诊断的方法。例如，申请号为201610097197.4的专利技术专利通过在电机运行过程中对霍尔信号进行检测，再根据不同的参考信息对霍尔传感器故障类型进行分类，但是该方法没有给出计算故障阈值的选取方法，不具备广泛适用性；申请号为201510533218.8的专利技术专利给出了一种更为详细的霍尔传感器故障诊断方法，并对故障诊断的阈值时间给出了详细推导过程，但是该方法的计算较为复杂且具体实施性能有待验证。
[0005]此外，上述故障诊断方法仅适用于电机处于单向转动的运行状态，并将各类异常霍尔信号特征作为霍尔传感器故障的判别依据。然而，在某些天线伺服系统的应用背景下，如方位轴和俯仰轴的伺服驱动系统中，由于天线运行时需要各个转动轴往复扫描，所以其驱动电机的运行状态不再单一，而是存在正向转动与逆向转动两种运行状态。此时，如果有霍尔传感器发生故障，相应的霍尔信号特征会极为复杂，无法再逐一列举，上述专利技术专利中提出的各类故障诊断方法将不再适用。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，针对一类天线伺服系统中运行工况为正向转动与逆向转动同时存在的永磁无刷电机，为克服现有霍尔传感器故障诊断方法存在的问题，本专利技术提出了一种霍尔传感器故障诊断方法，该方法基于扩展有效状态机，能够快速有效地对正常霍尔信号、故障霍尔信号与转速反向霍尔信号进行区分，大幅提升了霍尔传感器故障诊断算法的适用范围，具有较好的应用价值。
[0007]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，所述霍尔传感器的类型为开关型，在感应到磁场强度时输出高电平“1”，否则输出低电平“0”；该方法包括以下步骤：
[0009]步骤1，对永磁无刷电机在正常与故障情况下的霍尔信号进行区分，当3个霍尔传感器A、B和C全部正常时，有“011”、“100”、“010”、“001”、“101”和“110”共6个正常霍尔信号，当有霍尔传感器发生故障时，有“000”和“111”共2个异常霍尔信号；
[0010]步骤2，将步骤1中的6个正常霍尔信号和2个异常霍尔信号分别定义为8个系统状态S1～S8，将电机驱动电路中的6种开关管组合情况分别定义为6个系统输入事件C1～C6，然后根据电机转动时霍尔信号的换相序列，建立永磁无刷电机正常运行时的有限状态机；
[0011]步骤3，对步骤2建立的有限状态机进行扩展，以霍尔跳变沿信号的出现作为系统状态转移时的变量约束条件，以霍尔跳变沿信号的出现时间作为状态转移过程中的时间约束条件，然后在步骤2所建立的有限状态机的状态转移过程中添加变量约束条件X
i
→
j
与时间约束条件T
i
→
j
，建立永磁无刷电机正常运行时的扩展有限状态机；
[0012]步骤4，计算扩展有限状态机所需的时间约束条件参数；首先，根据永磁无刷电机的数学模型及其正常运行时转速和电流的动态微分方程，建立基于超螺旋方法的电机转速观测器，然后利用观测器输出的电机估计转速以及预先设定的误差阈值ω
thr
，对时间约束条件参数进行计算和赋值；
[0013]步骤5，设定虚拟参考转速ω
r
，然后根据步骤4计算出的时间约束条件参数，获得系统状态转移时变量约束条件的有效时区，并将其与步骤3的扩展有限状态机相结合，使其具有对系统状态转移时序关系判别的能力；
[0014]步骤6，利用具有对系统状态转移时序关系判别的能力的扩展有限状态机，在每个控制周期内均对电机驱动系统的状态转移情况进行一次采样和对比，并进行逻辑判定：如果无故障信号，则判定系统运行正常，并继续进行下一个控制周期的逻辑判定；如果某次状态转移过程被判定为故障信号，则由控制系统记录并反馈故障信息。
[0015]进一步地，步骤6中，故障信号的具体情况如下：
[0016]故障1：在当前换相周期内检测到一个新的霍尔跳变沿信号，但并非当前变量约束条件X
i
→
j
所对应的信号，则出现霍尔跳变沿信号的霍尔传感器发生了具有异常状态转移行为的故障；
[0017]故障2：在当前换相周期内检测到一个新的霍尔跳变沿信号，且该信号与当前变量约束条件X
i
→
j
相对应，但此时表明该变量约束条件X
i
→
j
未发生在有效时区内，则出现霍尔跳变沿信号的霍尔传感器发生了具有提前状态转移行为的故障；
[0018]故障3：在当前换相周期内直至都未检测到新的霍尔跳变沿信号，表明系统的状态转移行为未在有效时区内完成，则应出现霍尔跳变沿信号的霍尔传感器发生了故障。
[0019]由于采用上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]第一，本专利技术借助有限状态机的相关概念，通过采集永磁无刷电机运行过程中电机的霍尔信号、导通开关管类型、电机相电流和电压等信息，将霍尔传感器的故障诊断问题转换为解算时间约束条件T
i
→
j
以及检测变量约束条件X
i
→
j
，能够快速准确地分辨正常霍尔
信号、故障霍尔信号和电机转速反向信号。
[0021]第二，本专利技术不仅适用于以永磁无刷电机为驱动电机的雷达伺服系统，还适用于各类运行工况为正向转动与逆向转动同时存在的永磁无刷电机伺服驱动系统，可大幅提升此类伺服驱动系统的故障保护能力。
[0022]第三，本专利技术在应用过程中，不涉及任何电机驱动系统中硬件电路的改动，仅从软件控制层面即可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，其特征在于，所述霍尔传感器的类型为开关型，在感应到磁场强度时输出高电平“1”，否则输出低电平“0”；该方法包括以下步骤：步骤1，对永磁无刷电机在正常与故障情况下的霍尔信号进行区分，当3个霍尔传感器A、B和C全部正常时，有“011”、“100”、“010”、“001”、“101”和“110”共6个正常霍尔信号，当有霍尔传感器发生故障时，有“000”和“111”共2个异常霍尔信号；步骤2，将步骤1中的6个正常霍尔信号和2个异常霍尔信号分别定义为8个系统状态S1～S8，将电机驱动电路中的6种开关管组合情况分别定义为6个系统输入事件C1～C6，然后根据电机转动时霍尔信号的换相序列，建立永磁无刷电机正常运行时的有限状态机；步骤3，对步骤2建立的有限状态机进行扩展，以霍尔跳变沿信号的出现作为系统状态转移时的变量约束条件，以霍尔跳变沿信号的出现时间作为状态转移过程中的时间约束条件，然后在步骤2所建立的有限状态机的状态转移过程中添加变量约束条件X
i
→
j
与时间约束条件T
i
→
j
，建立永磁无刷电机正常运行时的扩展有限状态机；步骤4，计算扩展有限状态机所需的时间约束条件参数；首先，根据永磁无刷电机的数学模型及其正常运行时转速和电流的动态微分方程，建立基于超螺旋方法的电机转速观测器，然后利用观测器输出的电机估计转速以及预先设定的误差阈值ω
thr
，对时间约束条件参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张希，刘昕，王京城，付强，秦超，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：