传感器故障引起的永磁无刷直流电机控制系统响应分析

论文总字数：20574字

摘 要

永磁无刷直流电机（BLDCM）有着高效率、高转速范围、高动态响应等优势，因此被广泛应用于各种场合中。有位置传感器的永磁无刷直流电机一直是近年来的热门研究课题。

本文首先从永磁无刷直流电机的结构和工作原理出发，研究了典型的三相六状态的换相方式。然后对霍尔传感器的工作原理和换向控制进行概括分析，研究了霍尔位置传感器的几种故障类型，并以霍尔传感器在三种故障情况下（换相提前、换相延迟、缺失换相）为例，研究永磁无刷直流电机的响应。

本文依托Matlab软件的Simulink平台，设计了一个永磁无刷直流电机的控制系统，阐述了该系统的各个部分，并设置了各部分参数。最后分别对正常工作情况和上述三种故障情况进行模拟仿真，把故障情况下的电机各物理量与故障前相比较。另外，在换相提前和换相延迟两种故障情况下，本文就提前（或延迟）角度的增加进行了仿真研究，得出了角度越大对电机运行影响越大这一结论。通过仿真分析，较为深入地研究了传感器故障情况下，永磁无刷直流电机的工作状态和响应。

关键词：永磁无刷直流电机 霍尔传感器 故障分析

AN ANALYSIS ON CONTROL SYSTEM OF BLDCM WITH SENSOR FAULTS

Abstract

BLDCMs have been used widely in many kinds of applications. High efficiency, high speed ranges, and high dynamic response are immediate advantages of BLDCMs. BLDCMs with position sensors have been heated researched these years.

This paper firstly studies the structure and principle of BLDCMs, and introduces typical three-phase six-state commutation of motor. Then this paper analyzes principle and commutation control of Hall sensors, and introduces several types of faults of them. Taking three different faults conditions (commutation in advance, commutation delay, commutation loss) for example, the responses of BLDCMs have been studied in this paper.

This paper uses Simulink in Matlab to design a control system of BLDCMs. All parts of this system and their parameters are set forth. Finally, this paper models and simulates normal condition and three faults conditions above, and compares values of BLDCM in faults conditions with those in before faults. Besides, under two circumstances(commutation in advance and commutation delay), this paper studies degree increases of them. The conclusion is drawn: the more degree increases, the more effects on BLDCM. Through simulation analysis, we have deeply studied working conditions and responses of BLDCM in sensor faults situation.

KEY WORDS: BLDCM Hall Effect Sensors Fault Analysis

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 永磁无刷直流电机的发展现状 1

1.2.1 在电动汽车中的应用 1

1.2.2 在家用电器中的应用 2

1.2.3 在工业自动化中的应用 2

1.2.4 在精密器械中的应用 2

1.3 霍尔传感器的发展现状 3

1.4 本课题的主要工作 4

第二章 有霍尔传感器的永磁无刷直流电机 5

2.1 永磁无刷直流电机的结构与工作原理 5

2.1.1 电机本体 5

2.1.2 转子位置传感器 5

2.1.3 逆变器电路 5

2.1.4 两相导通六状态换相模式 6

2.2 霍尔传感器的工作原理 7

第三章 霍尔传感器故障 10

3.1 传感器故障类型概括综述 10

3.2 霍尔换向原理 11

3.2.1 不可逆换向控制 11

3.2.2 可逆换向控制 12

3.3 霍尔故障的分析 12

3.3.1 换相提前 13

3.3.2 换相延迟 13

3.3.3 缺失换相 14

第四章 仿真平台 16

4.1 Matlab和Simulink的介绍 16

4.2 系统模型 16

4.2.1 电源和逆变装置 16

4.2.2 霍尔换向电路 16

4.2.3 电机 18

第五章 控制系统仿真 20

5.1 正常运行时 20

5.2 换相提前 22

5.3 换相延迟 26

5.4 缺失换相 30

5.5 分析比较 32

第六章 总 结 33

致谢 34

参考文献（reference） 35

1. 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

从19世纪30年代人类发明历史上第一台电机以来，经过近200年的发展，电机一直被广泛地应用于国民经济的各个领域以及人民的日常生活之中。电动机主要分为直流电动机和交流电动机两种。其中，交流电动机具有以下优点：结构简单、运行比较可靠、维修保养方便、电机寿命相对长；而直流电动机的优势在于机械性能好、效率和过载能力较高、起动转矩大等等。

传统的有刷电机因为要依靠换向器与电刷进行换流，因此二者之间频繁地摩擦不可避免地造成了设备的磨损以及产生电火花和电磁干扰，设备的磨损导致我们不得不定期检查、更换电刷，而电火花和电磁干扰则会影响到附近的电气设备。随着电机的发展，人们开始研究无刷直流电机，来解决有刷直流电机的这一问题。

相比于有刷电机，无刷直流电机既有有刷电机效率高、控制灵活、转速范围高、动态响应高的优秀特性，又具有交流电机体积小、结构简单、运行可靠和维护要求更少等优点，在运动控制、伺服驱动等领域应用较为广泛。

永磁无刷直流电机的电子换向主要取决于永磁转子位置的准确检测，基于转子位置检测的方法有两个主要的控制策略，其中一种就是安装转子位置传感器。目前位置传感器可以采用各种不同的传感器，霍尔传感器就是其中一种。与其他传感器相比，霍尔传感器结构较为简单、体积小、价格低、运行方便，因此使用比较广泛。但是，受运行环境及自身因素影响，霍尔传感器的可靠性可能会降低，甚至会出现各种故障。故障的发生会使得霍尔传感器的输出信号不能准确反映转子磁极的位置，最终导致永磁无刷直流电机控制系统出现不可预知的问题。因此，在本课题中，我们研究了在不同种类霍尔传感器故障下，例如霍尔信号换相提前、霍尔信号换相延迟、霍尔信号缺失换相等等，永磁无刷直流电机控制系统的响应及行为。

1.2 永磁无刷直流电机的发展现状

世界上第一台无刷直流电机在1955年由美国科学家D.Harrison发明，他的方法是用晶体管换向电路代替机械电刷。无刷直流电机兼有交流电机和直流电机的优点，因此从20世纪70年代以来，无刷直流电机一直被广泛地应用于不同的工业和商业场合，60年以来，随着电力电子技术、自动控制理论、微电子技术以及稀土永磁材料等的高速发展，永磁无刷直流电机在航空航天领域、家用电器、工业自动化、电动汽车等方面，应用十分广泛。

1.2.1 在电动汽车中的应用

由于燃油资源的日益减少，电动汽车是当今全球的一个研究热点。越来越多的汽车厂商推出不同型号的混合动力汽车和纯电动汽车。相比于燃油汽车，电动汽车的技术还不是很成熟，对电机性能要求也比较高。比如不同路况下的转矩输出要求不同，在爬坡时要求输出高转矩，在高速行驶时要求输出低转矩；维修保养要求少、尽量方便；动态性能好；能量密度高等等。永磁无刷直流电机恰恰符合电动汽车的运行特性，满足电动汽车对电机的要求，成为电动汽车的首选。

目前各大汽车厂商，如宝马、沃尔沃、丰田等，都有着自己的电动汽车，而永磁无刷直流电机在这些电动汽车中得到了充分的应用。

永磁无刷直流电机在汽车中的应用并不局限于驱动电机，在汽车空气净化器和汽车空调中也运用了永磁无刷直流电机。由于现在空气污染比较严重，汽车空气净化器受到了越来越多的消费者的青睐。目前，汽车空气净化器多采用永磁无刷直流电动机来带动离心式风叶，可以把污浊空气排出来。此外，开发低电压大电流型永磁无刷直流电动机作为汽车空调用电机，可以解决之前用有刷直流电动机的很多缺点，如噪声大、寿命短及维护困难等，汽车空间较为紧凑，空调的安装空间相对狭小，永磁无刷直流电机体积小的优势正好可以满足这个需求。

1.2.2 在家用电器中的应用

上文已经提到，永磁无刷直流电机有着噪声低、运行可靠、效率高，因此在家用空调、电冰箱、洗衣机等电器中使用较为广泛。因为交流电机虽然成本较低，但是效率低，节能效果比较差。而有刷电机中电刷和换向器摩擦会产生火花，在电器内部可能会产生安全问题。因此永磁无刷直流电机在家用电器领域应用最为广泛。早在2000年，美国通用公司就预测，在制冷器具中用无刷电机代替异步电机，效率可以提高20%，全美国每年可以节省220万kW的电量。此外，在洗衣机、热水器等电器中，使用无刷直流电机可以实现多功能自动操作，提高家电的自动化水平以及效率。

1.2.3 在工业自动化中的应用

从20世纪80年代以来，随着控制理论与技术、电力电子技术以及集成电路的迅猛发展，高性能伺服驱动系统在工业中的地位越来越重要。传统的直流电机制造成本高、维护困难、体积庞大，在中小功率伺服驱动中难以应用。而永磁无刷直流电机的发展，可以满足机械设备高效率、高性能、高精度的要求，因此在轻工业领域，如工业缝纫机、数控机床、搅拌机、流水线等，要求速度和位置的控制相对较精密，于是永磁无刷直流电机就得到了大规模的应用。

1.2.4 在精密器械中的应用

随着科技的不断进步，很多领域都需要使用大量的精密仪器。例如，在骨科、牙科以及耳科医疗器械中，由于手术的需要，要求电动机能在较大范围内变速。以前使用的交直流串励电机噪声较大，而有刷电机由于电刷和换向器的存在，导致手术前无法消毒，影响手术的进行，并且需要定期更换电刷和维护电机，比较麻烦。因此永磁无刷直流电机噪声小、维护方便、调速范围宽的优势有了其用武之地。血液分析仪、“心脏泵”中的电机也采用了永磁无刷直流电机。

另外，在航天飞行器中，由于永磁无刷直流电机具有直流电机的优越特性，卫星上的太阳能驱动在十年之前就开始采用它，美国航天飞机的升降副翼驱动用的也是永磁无刷直流电机；在计算机领域，激光打印机、硬盘驱动等均有永磁无刷直流电机的身影；在军事上，装甲车辆、潜艇等的电力推进也由其完成。

1.3 霍尔传感器的发展现状

转子的位置检测方法主要分为两种，一种是传感器检测技术，另一种是无位置传感器技术。前者是指在电机上安装一套专门的位置检测传感器来检测转子的位置；后者则是通过测量电流、电压、磁链等物理量，然后利用这些物理量与转子位置的关系间接获得转子的位置信息。目前来说，无位置传感器技术虽然不需要位置传感器，这简化了系统结构，降低了成本，但是它的控制算法较为复杂，而且精度难以保证，存在着起动困难、动态性能不理想以及运行转速范围小等缺点，因此在现在的工程应用中，采用位置传感器检测转子位置更为普遍。

位置传感器按装配结构可分为接触式与非接触式两种。非接触式与接触式相比，减少了摩擦，能更准确地消除机械配合造成的影响，因此应用更为广泛。常见的非接触式位置传感器包括光电式、磁阻式、电涡流式、霍尔式等等。

其中，霍尔传感器是名目繁多的传感器中重要的一个家族,因其具有稳定、结构牢固，体积小，寿命长，安装方便，功耗小，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀、频率响应宽等优点，从上世纪九十年代开始，已经有了较为广泛的应用。

根据霍尔传感器的输出信号形式，可以将其分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器两类，前者输出模拟信号，而后者输出的则是高低电平的数字信号。这两类传感器在电机转子位置传感器中的应用都比较广泛，线性霍尔传感器虽然分辨率较低，但是成本便宜，体积小；开关型霍尔传感器输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高，可以把大部分非磁信号转化为电量，虽然精度不高，但是由于其无可比拟的优势在很多工程应用中不可取代。此外，精度和分辨率等问题可以通过算法解决，并不需要使用成本高的传感器。

如今，霍尔传感器的应用遍布于各个行业中，而且它的需求还在不断增加。霍尔传感器的主要应用领域是电力电子工业、汽车工业、国防工业和医疗保健等。

汽车工业一直以来都是霍尔传感器最重要的应用领域，占据了霍尔传感器总市场份额的40%左右。在汽车工业中，霍尔传感器最广泛地被应用在防抱死制动系统（ABS）、电动汽车的驱动电机以及引擎控制管理系统之中。在电力电子领域，霍尔传感器与计算机程序相结合，形成了规模庞大的应用市场，包括空调、DVD 播放机、热水器、硬盘驱动器、打印机、电话和洗衣机等等。

目前，发达国家仍是全球最大和最先进的电子与汽车的消费市场，因此大型半导体公司和传感器制造商主要分布于这些国家中。广大的市场、数量庞大的消费者使得霍尔传感器具有很好的市场前景。据报道，霍尔传感器在全球磁场传感器市场所占的份额已经超过了70%，而且相关的新技术不断获得了突破。霍尔传感器的供应商主要有AKM、Micronas和Austria Microsystems等公司。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：20574字

相关图片展示：