驅(qū)動用微特電機及其控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)探討

陳 方

（中山大洋電機股份有限公司，廣東 中山 528400）

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驅(qū)動用微特電機及其控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)探討

陳 方

（中山大洋電機股份有限公司，廣東 中山 528400）

摘 要：在驅(qū)動領(lǐng)域中，微特電機的應(yīng)用越來越廣泛，可靠性問題影響到其能夠得到順利應(yīng)用，為此，加大對微特電機的研究，進一步提高其可靠性，是避免故障、減少損失的前提。本文主要探討了微特電機的控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)，主要目的是為微特電機日后的應(yīng)用提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動領(lǐng)域；微特電機；控制系統(tǒng)；可靠性技術(shù)

0. 前言

20世紀(jì)30年代，微特電機開始興起，它是應(yīng)軍事裝備、科學(xué)技術(shù)發(fā)展而快速發(fā)展起來的一門技術(shù)，按照其用途可劃分為驅(qū)動用微特電機和控制用微特電機兩種類型。對于驅(qū)動用微特電機來說，轉(zhuǎn)換能量是其最主要的任務(wù)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等各個領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。在微特電機及其控制系統(tǒng)運行過程中，電力電子器件不可避免地出現(xiàn)故障現(xiàn)象，影響到電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，尤其是在軍事裝備以及航天等重要領(lǐng)域，對電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性要求更為嚴(yán)格。為此，加強對驅(qū)動用微特電機系統(tǒng)可靠性技術(shù)的研究，具有重大的現(xiàn)實意義。在國際的相關(guān)研究成果中，把可靠性技術(shù)劃分為冗余和容錯兩種方法。本文主要是從微特電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)主要故障進行分析，并在此基礎(chǔ)上提出提高微特電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性建議，希望能夠引起國內(nèi)相關(guān)科研人員的高度重視，加大對驅(qū)動用微特電機及其控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)研究，推動國內(nèi)在此領(lǐng)域技術(shù)進一步發(fā)展。

1. 可靠性理論概述

所謂的可靠性主要是指在規(guī)定的時間以及條件內(nèi)，產(chǎn)品可以順利完成某一規(guī)定功能的一種能力，或者說是產(chǎn)品維持功能的時間。電機驅(qū)動系統(tǒng)在多個領(lǐng)域當(dāng)中都得到了充分應(yīng)用，電機驅(qū)動系統(tǒng)在不同的場合完成規(guī)定功能的能力也會存在差異。例如：對于電動車來說，雖然它的驅(qū)動系統(tǒng)有一部分發(fā)生了故障，但因為系統(tǒng)具備容錯能力，為此可以帶故障繼續(xù)運行，及時電動出的轉(zhuǎn)速質(zhì)量在不斷地下降，這些故障不會影響到它的運行。可以及時把電動車送到維修店進行維修，在這種情況下，可以說電動車在存在故障的情況下順利完成了規(guī)定的功能，它的功能并沒有失效。又例如，對于高射炮來說，它的3個主要功能分別為射速、射程和命中精度3個方面，如果該電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生了故障導(dǎo)致僅有兩個功能符合要求，這種情況下是不能說明其順利完成規(guī)定的功能。所以，在判斷一個產(chǎn)品是否順利完成規(guī)定功能，首先需要把判斷故障的主要依據(jù)明確出來，接著再于實際情況進行結(jié)合分析。工況不同，判斷產(chǎn)品功能失效的標(biāo)準(zhǔn)也會有所不同。

2. 電機驅(qū)動系統(tǒng)主要故障

一般來說，電機驅(qū)動系統(tǒng)的故障情況可劃分電氣故障和機械故障兩種。

不同的類型，其表現(xiàn)出來的故障也會存在差異。對于電機結(jié)構(gòu)來說，其內(nèi)部一般存在勵磁繞組和電樞繞組兩套繞組。因此，電機本體內(nèi)的主要故障主要是指勵磁繞組和電樞繞組兩套繞組發(fā)生短路或者斷路。對于永磁電機來說，其電機體內(nèi)只有電樞繞組沒有勵磁繞組。在條件相同的情況之下，繞組發(fā)生故障的幾率往往比較低。但是，永磁電機自身也存在一定的局限性：因為永磁體主要是在轉(zhuǎn)子的表面進行安裝且不容易冷卻，容易導(dǎo)致高溫發(fā)生退磁故障現(xiàn)象。在運行環(huán)境一樣的條件之下，和其他一般的電機對比，開關(guān)磁阻電機發(fā)生故障的幾率也是比較低，因為在內(nèi)部均不存在永磁體，也不存在繞組。

一般來說，電機本體故障主要分為以下幾種情況：

（1）繞組發(fā)生斷路。

（2）繞組匝間、繞組出線端、繞組相間發(fā)生短路。

（3）永磁體勵磁發(fā)生故障。

此外，驅(qū)動電路的功率變換器故障也是電機驅(qū)動系統(tǒng)的故障表現(xiàn)，一般可分為以下幾種：

（1）直流母線接地。

（2）輸入電源對地短路。

（3）開關(guān)器件操作過程中發(fā)生失誤。

（4）功率開關(guān)器件操作過程中，發(fā)生斷路。

對于電機驅(qū)動系統(tǒng)來說，要具備高可靠性應(yīng)滿足以下幾個基本特征：電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及驅(qū)動控制電路相間的電耦合、磁耦合、熱耦合可以達到最小，當(dāng)發(fā)生以上描述的各種故障的時候，可以及時對一部分故障進行物理隔離，在最大程度上降低故障產(chǎn)生的影響，即發(fā)生一個或者多個故障的時候，電機依然可以在僅符合某一種技術(shù)指標(biāo)的條件下帶著故障繼續(xù)運行，具備比較高的可靠性。

3. 如何進一步提高微特電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性

一般來說，可通過以下幾個有效途徑來進一步提高微特電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性：

3.1 從驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)著手

不斷開發(fā)高容錯性的驅(qū)動系統(tǒng)電路拓撲結(jié)構(gòu)是提高微特電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。在一般情況下，并聯(lián)冗余相和提高缺相容錯能力的方法來實現(xiàn)高可靠性的電路拓撲結(jié)構(gòu)，電路需要具備一定的獨立性是兩者的前提要求。當(dāng)發(fā)生故障現(xiàn)象的時候，其他相會承擔(dān)這一部分的工作，不會給其他相的工作造成任何的影響。冗余技術(shù)可以確保系統(tǒng)正常運行，并進一步增強電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。并對控制線路和相數(shù)進行備份。雖然采用冗余結(jié)構(gòu)可在很大程度上提高驅(qū)動電路的可靠性，但是由于用相的驅(qū)動電路增加了，也進一步增加了整個系統(tǒng)的成本，在一定程度上造成累贅以及浪費。

3.2 從電機本體結(jié)構(gòu)著手

電機本體自身具有良好的容錯性，對于SR電機來說，雙凸極是其主要的結(jié)構(gòu)，磁體、繞組、電刷等都沒有在轉(zhuǎn)子上安裝，由于結(jié)構(gòu)比較簡單，當(dāng)其處在高速度運行狀態(tài)系的時候可以降低故障發(fā)生幾率。集中繞組是R電機定子主要采用的方式，從空間上來分析，相對的定子極串聯(lián)形成一相，所以它們之間是相對獨立的，這種獨立又可以分為電路的獨立和磁路的獨立。當(dāng)發(fā)生短路或者斷路等故障的時候，不會給其他相關(guān)的工作造成影響，利用檢測裝置，對故障及時進行監(jiān)測，并及時在該系統(tǒng)把該相進行切除，防止電機運行的過程中出現(xiàn)故障。當(dāng)電流一定的時候會不但會促使轉(zhuǎn)矩脈動不斷變大，還會促使平均轉(zhuǎn)矩不斷下降，為了提高電機在斷路故障下的運行特性，把驅(qū)動電路分別于每一個極下的繞組互相進行連接。如果在運行的過程中，某一極繞組發(fā)生了故障，且該極下繞組電壓為零，此時電機的轉(zhuǎn)矩主要是由該相的另外一極的繞組來產(chǎn)生。但是，當(dāng)SR電處在這種結(jié)構(gòu)下發(fā)生故障的時候，不但會產(chǎn)生比較大的徑向力，還會導(dǎo)致電磁力產(chǎn)生不平衡感。針對這些存在的問題，使用雙繞組結(jié)構(gòu)的SR電機進行布局可以進行彌補。

3.3 從傳感集成技術(shù)著手

在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，傳感器是重要的組成部分，發(fā)揮著無可替代的作用。與此同時，它也其中一個安全隱患之一，長時間使用之后，受到各種因素的影響，傳感器會出現(xiàn)不同程度地損壞，加之灰塵會給光電信號造成阻擋，容易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，給整個驅(qū)動系統(tǒng)的正常運行造成影響。為此，在電機驅(qū)動系統(tǒng)的傳感器集成技術(shù)方面還需要進一步深入研究，才能進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

在無位置傳感器技術(shù)方面，很多國外相關(guān)學(xué)者也進行了大量的研究，并或缺了很多成果，總結(jié)出很多方法。一般來說，無位置傳感器檢測方法主要是通過構(gòu)造一個轉(zhuǎn)子位置信號的檢測電路，而不是在定子上直接安裝位置傳感器。采用較為先進的檢測技術(shù)和計算機技術(shù)，主要從硬件、軟件兩個方面來著手，電機本身具備一定的電壓、電流參數(shù)，可以充分借助這些參數(shù)達到獲取轉(zhuǎn)子的位置信息的目的。續(xù)流二極管法、查表計算法、反電勢法以及查表計算法等等都是經(jīng)常被使用到的方法，且都比較成熟。此外，在國外有很多類型的研究成果，研究者主要借助相關(guān)的軟件和硬件對電機驅(qū)動系統(tǒng)的溫度傳感器以及電流傳感器進行研究，并取得了較為理想的研究成果，這些成果為日后微特電機驅(qū)動發(fā)展以及應(yīng)用提供了有效的借鑒和參考。

結(jié)語

綜上可知，對高可靠性的微特電機及其控制系統(tǒng)進行開發(fā)具有重大的現(xiàn)實意義。本文分析了可靠性工程的基本原理，并探討了提高微特電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性的有效途徑，雖然對于微特電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性技術(shù)的研究取得了一定的成果，但由于起步較晚，技術(shù)還未完善，理論和技術(shù)還需要加以完善。

參考文獻

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