直流无刷电机相序故障自恢复功能的实现(一)

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随着电力电子和数字控制技术的发展，越来越多的控制系统采用数字化的控制方式。在目前广泛应用于数控车床、纺织机械、车辆驱动中，采用全数字化的控制方式已是大势所趋。数字化控制与模拟控制相比不仅具有控制方便，性能稳定，成本低廉等优点，同时也为系统实现网络化，智能化控制开辟了发展空间。全数字控制的调速系统不仅可以方便的实现电机控制，同时通过软件的编程可以实现多种附加功能，使得调速系统更为人性化，智能化，这也正是模拟控制所不能达到的。

采用全数字控制的系统，可以通过对软件的编程来实现容错功能。文献[1-2]针对由pwm逆变器产生的故障，提出了一些软件补救策略。本文针对无刷直流电机（brushlessdcmotor,bldcm）在应用中存在的相序连接故障，提出了一种软件容错方案。通常情况下，当电机输出相序不匹配时，往往需要人为判断故障原因，并使电机与控制器相序匹配。这需要人的参与并改变电机的电缆连接。本文提出了一种相序故障的容错方案，通过软件方法可以方便、快速的判断出故障相，同时控制软件调整驱动器的输出相序，因此拥有故障的自恢复功能。实验表明，使用该方法可以准确的判断出发生的相序故障，并且在故障排除后可以正常的启动，整个过程不需要人的参与和改变任何接线。

系统原理

bldcm转子采用永磁体激磁，功率密度高，控制简单，调速性能好，因此在交流传动中获得广泛应用。目前已有大量的文献对bldcm的控制技术[3]以及恒功率弱磁[4-6]等进行了研究。下面将对整个系统以及bldcm的控制原理进行简要的介绍。

图1是整个系统的主电路图，本系统中，bldcm的驱动采用了buck＋full_bridge的电路结构。与常规三相桥的驱动方式不同，通过控制buck电路的输出电流，即电感上的电流来使bldcm获得直流电流，以此获得尽可能好的转矩控制效果。图2（a）、（b）、（c）分别是电感，电容以及电机母线端电流波形。

图1驱动系统主电路

（a）电感上电流波形

（b）电容上电流波形

（c）电机母线电流波形
图2恒流控制下各元件电流波形

图3开关管信号、三相反电势和电流波形

图3给出了bldcm的反电动势、相电流以及三相霍尔信号状态和开关管的状态。如图3所示，bldcm反电动势为纯梯形波，在每相反电动势的最大处通入电流，就能产生恒定的电磁转矩。其表达式如下:
td＝（eaXia＋ebXib＋ecXic）/ω（1）
中td是电机的电磁转矩，ea、eb、ec分别是每相的反电动势，ia、ib、ic分别是每相的电流，ω是电机的角速度。因此，bldcm控制较为简单，只需对其根据霍尔信号进行换相控制即可。图3中标注了每导通的开关管和此时霍尔信号的状态。通过采集霍尔信号的跳变，包括上升沿和下降沿，再根据一定的开关顺序来进行换相控制。
bldcm在启动时，通过读取霍尔元件的状态来初始化开关管的通断，从而产生启动转矩。然而，当电机输出相序与控制器不同时就会出现电机不能启动或启动不正常的情况。下文将对此进行分析。

启动力矩分析

在实际的换相控制中，通过对三相u、v、w霍尔信号状态的读取来输出开关管的控制信号。对于120°安装的霍尔元件，其有效状态为1～6，而对于60°安装的霍尔元件，其有效状态为0、1、3、4、6、7。下面以120°安装的情况来分析相序错接造成的启动故障。表1中列出了六种电机与驱动器的连接情况。对于表1中所列的六种连接方式，模式1是正确的连法，而模式2至4中只有一相连接正确，而其他两相刚好接反，这里称其为第一类故障。剩下两种连接方式中各相连接都是错误的，这里称其为第二类故障。

表1电机与驱动器的连接方式

正弦波电流驱动的永磁同步电机能否正常启动需要同时满足以下两个条件:
i．启动时，电机转矩方向与给定转向一致;
ii．转动后，定子合成电流矢量与转子轴之间的角度保持不变。
当满足条件ii，但不满足条件i时电机将发生反转;当条件ii不满足时电机不能转动。
由于bldcm采用方波电流驱动，因此不能用坐标变换的方法来分析电机的启动转矩。这里对每换相区域取平均转矩的方法来进行分析。
因此，上文电机正常启动的条件变为:
i．启动时，电机平均转矩方向与给定转向一致;
ii．转动后，平均转矩的方向保持不变。
当满足条件ii，但不满足条件i时电机将发生反转;当条件ii不满足时电机不能转动。

下面就针对上文提出的两种故障情况加以分析。