無刷直流電機在核檢修設備中的應用與分析

高厚秀　韓捷　辛露　吳東棟

【摘 要】核電站檢修設備的某些作業區域屬于高放射性區域，存在人員不可達的工況，因此對設備的可靠性要求極高。無刷直流電機由于其固有的特性被越來越多的核檢修設備所應用，其控制方式具有通用性，維護方便。但其在實際使用過程中也會發生飛車等不可控現象，本文對無刷直流電機在特殊場合下的應用與故障處理進行分析，對提高核檢修設備系統的可靠性有極大的意義，能夠有效減少核檢修設備故障率、降低人員受輻照劑量。

【關鍵詞】無刷直流電機；檢修設備；維護；電機飛車

中圖分類號： TM33 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0127-002

Application and analysis of Brushless DC motor in nuclear overhaul devices

GAO Hou-xiu HAN Jie XIN Lu WU Dong-dong

（China Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

【Abstract】The operation area of the nuclear overhaul devices belongs to the place with high nuclear radiation of the nuclear power plant. for humans， these positions are unreachable.So these overhaul devices need to be high reliability. Now brushless DC motors are being used more and more in these devices because of their own inherent advantages， Brushless DC motor control mode is versatile and easy to maintain. But in the process of actual use， there are？problems such as runaway of motors and so on.This paper analyses the application and fault treatment of Brushless DC motor on special occasions.This is of great significance to improving the reliability of the nuclear overhaul devices.it can effectively reduce the failure rate and reduce the dose of nuclear radiation.

【Key words】brushless DC motor， overhaul device， maintenance， runaway speed of motor

1 無刷直流電機的應用

核檢修設備一般都是在對核島內部的關鍵設備進行檢修時使用，由于輻射環境的影響，其一旦發生故障會對核島設施產生損傷，并會給設備使用及維護人員增加額外的輻照劑量。從保護核島和人員安全的角度出發，核檢修設備的可靠性和可維修性一直都是體現核安全的重要特性之一。核檢修設備的驅動方式一般分為電機驅動、氣壓驅動和液壓驅動。其中，電機驅動的應用最為普遍。因此，選擇核檢修設備的驅動電機就顯得尤為重要。交流電機結構簡單，易于維護，但相對效率和可調節性都不高；有刷直流電機由于電刷換向時的物理接觸，會產生噪聲和電磁干擾，而核檢修設備主要利用超聲和渦流兩種無損檢測方法，噪聲和電磁干擾會嚴重影響超聲和渦流信號。隨著無刷直流電機性能的提升，其效率高、干擾少、維護簡單的優勢越來越明顯，因此其在核檢修設備上的應用也越來越廣泛。[1]核檢修設備種類眾多，運動方式也是多種多樣，有的需要往復運動，有的需要在檢修對象上按路徑規劃不斷變換姿態，這些都需要電機頻繁的進行方向切換，因此轉速和轉矩的動態響應比較重要。無刷直流電機在核檢修設備的應用一般分為恒定負載應用、變化負載應用以及定位應用，比如對核電站蒸汽發生器傳熱管的無損檢測定位機器人來說，線性運動由無刷直流電機驅動絲杠實現。結合其他一些復雜的運動方式，使其在傳熱管管板上爬行，從而將檢測渦流探頭送至待檢傳熱管內，這就屬于典型的定位應用。[2]

2 電機傳動控制

核檢修設備控制系統硬件一般采用分布式總線控制結構，控制系統核心硬件包括控制計算機、總線式I/O輸入輸出模塊以及運動控制模塊，這些模塊一般均自帶微處理器，可按照設定程序獨立運行。在各模塊獨立運行過程中，運行控制計算機內的下位機運動控制軟件，通過串口總線形式分別與輸入/輸出模塊以及運動控制驅動模塊進行數據通訊，以實現控制命令的傳輸和設備運行狀態的采集。其控制架構組成如圖1所示。

無刷直流電機系統按照繞組反電勢和電流波形分為兩種類型：方波驅動和正弦波驅動。由于運動控制卡所要控制的對象為無刷直流電機，可將控制卡配置成正弦波輸出的伺服電機電流輸出接口形式和無刷電機軸輸出方式。采用直流無刷電機的線性伺服驅動器，驅動器需要和電機的功率匹配，且可產生正弦信號驅動無刷電機運動。相對于傳統的梯形波控制模式，正弦模式下電機的運動較為平穩，力矩輸出也更穩定，同時可以達到更低的噪聲效果。[3]

就無刷直流電動機基本結構而言，可以近似于由開關電路、電動機以及位置傳感器組成直流供能的“電機系統”，其原理框圖如圖2所示。無刷直流電機的換相以電子控制方式實現，要使無刷直流電機轉動，則需按一定的順序給定子繞組通電。核檢修設備中常常需要高精度伺服控制系統，可以采用可靠性優、分辨率和精度高的增量式編碼器或者霍爾傳感器作為位置信號傳感器。

無刷直流電機的開關電路是用來控制電機定子上各相繞組通電的時間和順序，開關電路是控制的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組，以便使電機產生持續不斷的轉矩。而各相繞組導通的順序和時間主要取決于位置傳感器的信號。但位置傳感器產生的信號一般不能直接用來控制開關電路，往往要經過一定邏輯處理后才能控制開關電路。

3 電機的飛車故障分析

核檢修設備啟動時，由于大多采用增量式光電脈沖編碼器或者霍爾傳感器作為正弦波驅動電機的轉子位置傳感器，采用這些傳感器作為檢測位置的器件，就必須在檢修設備系統剛上電時就測得電機轉子初始的精確位置，如此才能在后續的設備運行過程中實時反饋轉子的正確位置。大量的核檢修設備調試及核電站現場應用結果表明，正弦波方式驅動的無刷直流電機存在飛車的可能性，發生這種故障一般分為設備啟動飛車或運行過程中飛車兩種情況[4]，具體分析如下：

在核檢修設備執行位置初始化命令時，控制系統剛剛通電，電機尚未運行時，系統首先進行測量轉子初始位置的工作。這個過程中，根據伺服系統的工作要求，在尋找初始位置的過程中，轉子只允許有很微小的抖動，這個抖動的方向是隨機的，并且能快速回歸原始位置。這個過程就是電機啟動時的尋相，簡單地說，測量轉子初始位置的過程就是定子電流矢量漸近地靠近轉子，直至與其重合的過程。這個過程中，在一開始，定子電流矢量的相位角是任意取定的，但最終定子電流矢量將趨向轉子的位置。正弦波電機在連續運行時，為了得到最大的電磁轉矩，定子電流矢量與轉子是正交的，而在初始定位的過程中，二者要趨于重合。在這個過程中，一旦編碼器或者霍爾傳感器由于自身質量，使用壽命，或者使用不規范，是有可能無法正確檢測到初始位置的，電機在檢測失效的情況下不會立刻停下來，反而會失去控制，發生飛車現象，在執行機構允許的范圍內快速運動，從而造成危險情況。

核檢修設備運行過程中，需要配置電機、控制卡和驅動器的各項模式或者參數，如圖3所示，在電機、驅動器與控制器連接之前，如果沒有按照要求設定位置環誤差限制或者轉矩限制，在設備運行過程中，一旦發生碰撞，拉扯等突發情況。位置傳感器有可能會丟失現有位置，從而導致反饋的位置信號出錯，電機得不到正確的位置反饋，也會發生飛車故障。

此外，運動控制卡在實際使用中只需要設置一次，在以后的運行過程不需要修改的運動控制參數，如無刷電機控制設置參數、機構間隙補償設置參數等，可以在控制卡調試完成后直接下載到卡的EEPROM中存儲，由控制卡上電自動裝載。

4 飛車故障后的處理

在核檢修設備作業時出現電機故障的情況下，一般可以先利用操作功能面板對電機進行初始化、力矩釋放、移動步進調節、移動使能、以及轉動使能控制等，從而修復核檢修設備位置偏差、旋轉偏差、移動力矩過大等問題。[5]

在執行電機初始化動作時，系統首先會根據檢修設備當前狀態判斷是否可以執行該動作。當判斷不通過時，控制系統彈出消息提示框，并在提示框中說明不可執行的錯誤代碼以及不可執行的原因。力矩釋放可以在電機伺服力持續偏大時使用，系統可以通過電機上下伺服的方法釋放伺服力矩。其中，力過大會導致系統在檢修設備移動過程中被認為發生碰撞，從而返回原位置。需要注意的是電機伺服力持續過大可能會導致燒毀電機或電機驅動器的情形發生。核檢修設備使用的無刷直流電機一般都設定位置環誤差限制值和轉矩限制值以確保安全，此時，如果電機飛車，位置環誤差超過設定的計數單位，就會立即關斷使能信號。也可以限制輸出到驅動器的最大電壓信號，一般控制器有轉矩限制命令。此命令設定控制器的最大電壓輸出，且在初始設置伺服系統時能夠用來避免轉矩或速度過大。當驅動器以轉矩方式工作時，控制器輸出電壓將直接與電機的轉矩輸出相關。

5 總結

無刷直流電機由于其固有的特性被越來越多的核檢修設備所應用，其控制方式通用性好、電機調節性和維護性俱優。但其在實際使用過程中也會發生飛車等不可控現象，通過對無刷直流電機的在特殊場合下的應用與故障處理進行分析，提出了合理的故障處理辦法，這對提高系統的可靠性具有較大的意義，能夠有效減少核檢修設備故障率，降低人員受照劑量。

【參考文獻】

[1]貢俊，陸國林.無刷直流電機在工業上的應用和發展[J].微特電機，2000，（05）：15-19.

[2]楊秀清，駱敏舟等.核環境下的機器人研究現狀與發展趨勢[J].機器人技術與應用，2008，（01）：31-39.

[3]夏長亮，方紅偉. 永磁無刷直流電機及其控制[J].電工技術學報，2012，（03）：25-34.

[4]莫育杰，史涔溦等. 無刷直流電動機故障分析與實驗[J].微電機，2008，（04）：20-24，35.

[5]黃洪劍，林瑞光.無刷直流電機可靠性及其故障模式分析[J]. 電機與控制學報，2000，（05）：198-201.