直流無(wú)刷電機(jī)相序故障自恢復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)

1、力輝直流無(wú)刷電機(jī)故障恢復(fù)功能直流無(wú)刷電機(jī)相序故障自恢復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)隨著電子電力和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的控制方式。在目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控車(chē)床、紡織機(jī)械、車(chē)輛驅(qū)動(dòng)中，采用全數(shù)字化的控制方式已是大勢(shì)所趨。數(shù)字化控制與模擬控制相比不僅具有控制方便，性能穩(wěn)定，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，智能化控制開(kāi)辟了發(fā)展空間。全數(shù)字控制的調(diào)速系統(tǒng)不僅可以方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī) 控制，同時(shí)通過(guò)軟件的編程可以實(shí)現(xiàn)多種附加功能，使得調(diào)速系統(tǒng)更為人性化，智能化，這 也正是模擬控制所不能達(dá)到的。采用全數(shù)字控制的系統(tǒng)，可以通過(guò)對(duì)軟件的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。文獻(xiàn)1-2 針對(duì)由pwm逆變器產(chǎn)生的故障，提出了

2、一些軟件補(bǔ)救策略。本文針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī) (brushless dc motor,bldcm )在應(yīng)用中存在的相序連接故障，提出了一種軟件容錯(cuò)方案。通常情況下，當(dāng)電機(jī)輸出相序不匹配時(shí)，往往需要人為判斷故障原因，并使電機(jī)與控制器相序匹配。這需要人的參與并改變電機(jī)的電纜連接。本文提出了一種相序故障的容錯(cuò)方案，通過(guò)軟件方法可以方便、快速的判斷出故障相，同時(shí)控制軟件調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的輸出相序，因此擁有故障的自恢復(fù)功能。實(shí)驗(yàn)表明，使用該方法可以準(zhǔn)確的判斷出發(fā)生的相序故障，并且在故障排除后可以正常的啟動(dòng)，整個(gè)過(guò)程不需要人的參與和改變?nèi)魏谓泳€。 系統(tǒng)原理bldcm轉(zhuǎn)子采用永磁體激磁，功率密度高，控制簡(jiǎn)單，調(diào)速性能好

3、，因此在交流傳動(dòng)中獲得廣泛應(yīng)用。目前已有大量的文獻(xiàn)對(duì) bldcm的控制技術(shù)3以及恒功率弱磁4-6 等進(jìn)行了研究。下面將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)以及bldcm的控制原理進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。圖1是整個(gè)系統(tǒng)的主電路圖，本系統(tǒng)中，bldcm的驅(qū)動(dòng)采用了 buck +full_bridge的電路結(jié)構(gòu)。與常規(guī)三相橋的驅(qū)動(dòng)方式不同，通過(guò)控制buck電路的輸出電流，即電感 上的電流來(lái)使bldcm獲得直流電流，以此獲得盡可能好的轉(zhuǎn)矩控制效果。圖2(a)、(b)、( c)分別是電感，電容以及電機(jī)母線端電流波形。圖1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路力輝直流無(wú)刷電機(jī)故障恢復(fù)功能15圖3開(kāi)關(guān)管信號(hào)、三相反電勢(shì)和電流波形圖2恒流控制下各元件電流波形電感上電

4、流波形電容上電流波形電機(jī)母線電流波形ZZZ3ZZ/力輝直流無(wú)刷電機(jī)故障恢復(fù)功能圖3給出了 bldcm的反電動(dòng)勢(shì)、相電流以及三相霍爾信號(hào)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)。如圖3所示，bldcm反電動(dòng)勢(shì)為純梯形波，在每相反電動(dòng)勢(shì)的最大處通入電流，就能產(chǎn)生恒 定的電磁轉(zhuǎn)矩。其表達(dá)式如下 ：td = ( eax ia + eb x ib + ecx ic ) / w (1)中td是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，ea、eb、ec分別是每相的反電動(dòng)勢(shì)，ia、ib、ic 分別是每相的電流，3是電機(jī)的角速度。因此，bldcm控制較為簡(jiǎn)單，只需對(duì)其根據(jù)霍爾信 號(hào)進(jìn)行換相控制即可。 圖3中標(biāo)注了每 導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管和此時(shí)霍爾信號(hào)的狀態(tài)。通過(guò)采集

5、霍爾信號(hào)的跳變，包括上升沿和下降沿，再根據(jù)一定的開(kāi)關(guān)順序來(lái)進(jìn)行換相控制。bldcm在啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)讀取霍爾元件的狀態(tài)來(lái)初始化開(kāi)關(guān)管的通斷，從而產(chǎn)生 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。然而，當(dāng)電機(jī)輸出相序與控制器不同時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)不能啟動(dòng)或啟動(dòng)不正常的情 況。下文將對(duì)此進(jìn)行分析。啟動(dòng)力矩分析在實(shí)際的換相控制中， 通過(guò)對(duì)三相u、v、w霍爾信號(hào)狀態(tài)的讀取來(lái)輸出開(kāi)關(guān)管 的控制信號(hào)。對(duì)于1200安裝的霍爾元件，其有效狀態(tài)為16,而對(duì)于60安裝的霍爾元件，其有效狀態(tài)為 0、1、3、4、6、7。下面以120安裝的情況來(lái)分析相序錯(cuò)接造成的啟動(dòng) 故障。表1中列出了六種電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接情況。對(duì)于表1中所列的六種連接方式，模式1是正確的連

6、法，而模式 2至4中只有一相連接正確，而其他兩相剛好接反，這里稱(chēng)其為第 一類(lèi)故障。剩下兩種連接方式中各相連接都是錯(cuò)誤的，這里稱(chēng)其為第二類(lèi)故障。表1電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接方式正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)能否正常啟動(dòng)需要同時(shí)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：i . 啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與給定轉(zhuǎn)向一致；ii .轉(zhuǎn)動(dòng)后，定子合成電流矢量與轉(zhuǎn)子軸之間的角度保持不變。當(dāng)滿(mǎn)足條件ii ,但不滿(mǎn)足條件i時(shí)電機(jī)將發(fā)生反轉(zhuǎn)；當(dāng)條件ii不滿(mǎn)足時(shí)電機(jī) 不能轉(zhuǎn)動(dòng)。由于bldcm采用方波電流驅(qū)動(dòng)，因此不能用坐標(biāo)變換的方法來(lái)分析電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這里對(duì)每 換相區(qū)域取平均轉(zhuǎn)矩的方法來(lái)進(jìn)行分析。因此，上文電機(jī)正常啟動(dòng)的條件變?yōu)椋毫x直流無(wú)刷電機(jī)故障

7、恢復(fù)功能i .啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩方向與給定轉(zhuǎn)向一致；ii .轉(zhuǎn)動(dòng)后，平均轉(zhuǎn)矩的方向保持不變。當(dāng)滿(mǎn)足條件ii ,但不滿(mǎn)足條件i時(shí)電機(jī)將發(fā)生反轉(zhuǎn)；當(dāng)條件ii不滿(mǎn)足時(shí)電機(jī) 不能轉(zhuǎn)動(dòng)。下面就針對(duì)上文提出的兩種故障情況加以分析。由bldcm的控制方法知，任意時(shí)刻（這里不考慮換相時(shí)間）只有兩相通電，且 其反電動(dòng)勢(shì)極性相反。因此，如果將通電兩相互換， 其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就反向。 對(duì)于第一類(lèi)故障， 從時(shí)間上分，可以分兩種情況，其一是電動(dòng)勢(shì)過(guò)零相由于接錯(cuò)而通過(guò)了電流。針對(duì)模式2,在圖3的90150區(qū)間，由于a、b兩相互換，b相平均轉(zhuǎn)矩為零。此時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩由 c相決定，其方向與給定轉(zhuǎn)向一致。其二當(dāng)c相發(fā)生電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)

8、，a、b兩相電流與反電勢(shì)方向相反，產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)向相反，如圖 3的210270區(qū)間。從而無(wú)法滿(mǎn)足 上文提出了條件ii ,從而電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。對(duì)于第二類(lèi)故障，由于三相都接錯(cuò)，因此在任何時(shí)刻對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零相都存 在電流，且在該 扇區(qū)內(nèi)的平均轉(zhuǎn)矩為零。電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩由另一電流相決定。針對(duì)模式5,在3090的換相區(qū)間內(nèi)，c相反電勢(shì)過(guò)零，其平均轉(zhuǎn)矩為零。而b相通入與其反電動(dòng)勢(shì) 相反的電流，從而產(chǎn)生了反向平均轉(zhuǎn)矩。與30。90。區(qū)間類(lèi)似，對(duì)于任意一個(gè)換相區(qū)間，由于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零相均通入了電流，且其平均轉(zhuǎn)矩為零。而由于相序的錯(cuò)誤，另一電流相產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩必為反向轉(zhuǎn)矩，從而滿(mǎn)足條件ii ,不滿(mǎn)足條件i

9、,電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。這里需要指出的是，在第二類(lèi)故障中，由于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零相不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩， 因此在同樣負(fù)載下，此類(lèi)故障時(shí)電機(jī)電流會(huì)增加較多。故障檢測(cè)原理檢測(cè)原理分析對(duì)于永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)定子合成電流矢量的方向與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的方向不重合時(shí)， 必然存在電磁轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩迫使電機(jī)轉(zhuǎn)向合成電流矢量的方向。因此，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中， 需要實(shí)時(shí)的改變定子輸出電流矢量的方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩保持不變。 對(duì)bldcm來(lái)說(shuō)，當(dāng)三相全橋電路輸出電流矢量不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到該處。如圖 3中當(dāng)t3、t6管始終導(dǎo) 通時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)到 a相繞組和b相繞組反軸線的中線處， 并由此可以獲得霍爾元件的 狀態(tài)。根據(jù)霍爾信號(hào)狀態(tài)的不同可以

10、判斷出實(shí)際的連接序列。圖4是輸出的6個(gè)電流矢量方向和霍爾信號(hào)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖4中內(nèi)層的數(shù)字代表了霍爾信號(hào)的狀態(tài)，外層標(biāo)注了開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)。力輝直流無(wú)刷電機(jī)故障恢復(fù)功能T3TttAT3T6Th圖4 定子的六種電流狀態(tài)以及霍爾元件的狀態(tài)這里通過(guò)控制輸出電壓矢量來(lái)獲得相應(yīng)的電流矢量。當(dāng)發(fā)生相序故障時(shí)，本文中使開(kāi)關(guān)管t3、t6導(dǎo)通，此時(shí)輸出的電流矢量位于第4扇區(qū)，如果沒(méi)有相序故障，此時(shí)霍爾信號(hào)的狀態(tài)為4。表2列出了六中不同連接方式對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)狀態(tài)。L_連接模式.31 456 1霍爾狀態(tài)4.1 563表2不同連接方式下對(duì)應(yīng)的霍爾狀態(tài)軟件的實(shí)現(xiàn)方法整個(gè)控制系統(tǒng)采用了 f2407a dsp,其內(nèi)部集成了捕獲單元，正好用于捕獲三相霍爾信號(hào)的跳變。另