基于高频检测的永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法与流程

本发明涉及天线伺服驱动领域，特别是指一种天线伺服驱动中永磁无刷电机的霍尔传感器故障诊断方法。

背景技术：

1、天线伺服驱动系统中，驱动电机通常采用驱动电流为矩形波的永磁无刷电机，该类电机具有能量密度高、系统结构简单等优点。在永磁无刷电机驱动系统的运行过程中，控制系统必须通过位置传感器实时获取电机转子的位置信息，并施加相应的驱动电压矢量。霍尔传感器作为永磁无刷电机中最常用的转子位置传感器，在电机伺服驱动系统中具有非常重要的作用，一旦其发生故障，电机的性能就会迅速下降甚至趋于失控状态。

2、目前，现有技术中已有一些有关永磁无刷电机霍尔传感器的故障诊断方法，这些方法大多基于一个前提：当某霍尔传感器发生故障后，电机仍能保持其故障前的运行状态，直至电机继续转动到特定位置时，才可检测到异常的霍尔信号或信号序列。但是，根据永磁无刷电机的控制原理，电机运行过程中转子的位置信息需实时反馈至控制系统中，并作为控制系统选择驱动电压矢量的参考信号。而一旦某个霍尔传感器发生故障，其包含的转子位置信息会随之失效，该传感器反馈至控制系统中的转子位置信号也不再可信。此时，如果该霍尔传感器故障并未被检测与识别，则控制系统仍会按照故障传感器反馈的错误转子位置信息施加驱动电压。

3、在天线伺服驱动系统中，其驱动电机通常经过多级齿轮减速机构来驱动天线转动，故电机在负载端的转动惯量很小，负载力矩却非常大，电机还经常运行于小角度微动状态，这都导致驱动电机的运行惯性非常小。此时，在错误的驱动电压矢量作用下，电机并不一定能维持故障之前的运行状态，有可能出现过流引起的系统硬件保护，严重时甚至会对整个天线伺服驱动系统造成损坏。如果想避免这种状况，必须在某个霍尔传感器发生故障后的最短时间内将该故障检测与识别，并切断该路电机的驱动信号，从而保证天线伺服驱动系统的运行安全性。

技术实现思路

1、针对上述天线伺服驱动系统中存在的问题，本发明提供一种基于高频检测的永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法。该方法充分考虑了天线伺服驱动系统中永磁无刷电机在实际工程应用时的工作特性，能够在某霍尔传感器发生故障之后，快速检测与识别相应故障，提升天线伺服驱动系统运行时的安全性能。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、基于高频检测的永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，永磁无刷电机的3个霍尔传感器将电机转子的转动区域平均分为6个扇区；该方法包括以下步骤：

4、第一步：利用电机驱动系统的霍尔信号生成跳变沿信号与霍尔状态信号，并记录历史换相周期；

5、第二步：根据当前霍尔状态信号对下一个霍尔状态信号的取值进行预测，根据历史换相周期对下一个霍尔状态信号的时序范围进行预测，将预测得到的下一个霍尔状态信号作为故障诊断过程中的参考霍尔状态信号；

6、第三步：在电机控制芯片的主定时中断中，对霍尔信号进行高频采样，并在每次采样完成后将采样得到的实际霍尔状态信号与参考霍尔状态信号进行对比，如果二者的取值与时序均吻合，则该次换相周期内无霍尔传感器故障，重复第二步和第三步；否则，该次换相周期内有霍尔传感器故障，转至第四步进行故障判断；

7、第四步：与参考霍尔状态信号相比，如果实际霍尔状态信号的取值异常，则判定出现跳变沿信号的霍尔传感器发生故障；如果实际霍尔状态信号的出现时序提前，则判定出现跳变沿信号的霍尔传感器发生故障；如果直至参考霍尔状态信号的时序范围结束仍未检测到新的霍尔状态信号，则判定应出现跳变沿信号的霍尔传感器发生故障。

8、进一步地，所述跳变沿信号按照如下方式定义：

9、当某一霍尔传感器的霍尔信号由高电平“1”跳变至低电平“0”时，其跳变沿信号为-1；当某一霍尔传感器的霍尔信号由低电平“0”跳变至高电平“1”时，其跳变沿信号为1；当某一霍尔传感器的霍尔信号保持高电平“1”或低电平“0”不变时，其跳变沿信号为0；

10、所述霍尔状态信号由一个不为0的跳变沿信号和另外两个保持不变的霍尔信号组成。

11、进一步地，第二步中，根据历史换相周期对下一个霍尔状态信号的时序范围进行预测，具体方式为：

12、将一个换相周期中的电机转速视为定值，根据历史换相周期及一个扇区的角度，计算该换相周期内的电机转速；

13、采用二阶插值预测方法对下一个换相周期内的电机转速进行预测；

14、根据电机转速的预测值以及一个扇区的角度，计算下一次换相的发生时刻，即下一个霍尔状态信号的产生时刻，取该时刻的邻域作为下一个霍尔状态信号的时序范围。

15、进一步地，所述电机控制芯片的型号为tms320f28335。

16、本发明的有益效果是：

17、第一，引入了跳变沿信号与霍尔状态信号，大幅减少了故障诊断过程中所需检测与对比的信号数量。

18、第二，所设计方法可在故障发生后的最短时间内检测与识别相应故障，有效提升故障检测速度，降低伺服驱动系统的受损风险。

19、第三，从工程角度出发，所设计故障诊断算法在电机控制芯片中增加部分代码即可实现，无需额外增加硬件检测电路，成本低，易实现。

技术特征：

1.基于高频检测的永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，永磁无刷电机的3个霍尔传感器将电机转子的转动区域平均分为6个扇区；其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于高频检测的永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，其特征在于，所述跳变沿信号按照如下方式定义：

3.根据权利要求1所述的基于高频检测的永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，其特征在于，第二步中，根据历史换相周期对下一个霍尔状态信号的时序范围进行预测，具体方式为：

4.根据权利要求1所述的基于高频检测的永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，其特征在于，所述电机控制芯片的型号为tms320f28335。

技术总结
本发明公开了一种基于高频检测的永磁无刷电机霍尔传感器故障诊断方法，属于天线伺服驱动系统故障检测技术领域。本发明在天线伺服驱动系统的永磁无刷电机运行过程中，引入了跳变沿信号与霍尔状态信号，利用控制芯片中的定时中断对霍尔状态信号进行高频检测，同时对电机霍尔信号的逻辑与时序类型进行判断。通过上述方式，当天线伺服驱动系统中永磁无刷电机的某霍尔传感器出现故障时，控制系统可在故障发生后的最短时间内检测与识别故障传感器，并反馈相应故障信息，从而保证天线伺服驱动系统的运行安全性。

技术研发人员：张希,刘昕,王京城,付强,秦超
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14