無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)故障模式仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

摘要：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)防軍事、航空航天等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。隨著應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜多樣，造成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)故障的因素在增加。鑒于此，深入研究了如何保證無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的高可靠、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。從無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的故障模式出發(fā)，分析了各零部件的失效機(jī)理和故障表現(xiàn)，基于Matlab軟件平臺(tái)，建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)故障仿真模型，對(duì)不同故障特征進(jìn)行了仿真研究，并進(jìn)行了霍爾傳感器斷線故障試驗(yàn)。由試驗(yàn)可知，在控制軟件中加入無(wú)位置傳感器控制子程序有助于提升無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的可靠性，延長(zhǎng)其壽命。

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；故障模式；仿真分析；故障試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TM33? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）12-0020-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.006

0? ? 引言

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)本體、電子換向電路以及轉(zhuǎn)子位置傳感器組成的系統(tǒng)，其中電子換向電路由逆變電路和控制電路組成。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作的基本原理與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同，不需要電刷和換向片進(jìn)行換相，而是通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，控制器通過(guò)對(duì)傳送過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行處理，生成控制功率開關(guān)管通斷的邏輯開關(guān)信號(hào)，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

驅(qū)動(dòng)控制電路由功率管、電阻、電容、集成芯片等元件組成，這些元件中任何一個(gè)出現(xiàn)故障，整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制電路基本上就無(wú)法正常工作。也有極少數(shù)元件出現(xiàn)故障時(shí)整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制電路還能工作，但往往會(huì)使得電機(jī)性能下降[2]。因此，驅(qū)動(dòng)控制電路是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的可靠性薄弱環(huán)節(jié)[3]，其中直線母線電容、IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)控制電路可靠性的影響較大[4]。

本文從無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的故障仿真出發(fā)，探討霍爾元器件故障仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，研究故障模式下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、相電流變化特點(diǎn)。

1? ? 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)故障仿真模型

采用Matlab軟件建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)故障仿真模型，如圖1所示。模型包括無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體模塊、逆變模塊、PWM信號(hào)生成模塊、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制電路和信號(hào)反饋電路。

仿真過(guò)程中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體采用的參數(shù)如表1所示。逆變模塊采用6個(gè)功率管組成三相逆變橋。電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略，電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)都由PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM生成器的輸入控制PWM占空比，改變施加在繞組上的電壓，反饋電路采集仿真過(guò)程所需要的轉(zhuǎn)速、電流、霍爾傳感器信號(hào)。

PWM信號(hào)生模塊如圖2所示。它根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸出的三相霍爾位置信號(hào)，以及DC/DC脈寬調(diào)制生成器輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而輸出6個(gè)功率管的控制脈沖。該模塊一共有4個(gè)輸入信號(hào)，分別是三相霍爾位置信號(hào)（HA、HB、HC）和由PWM生成器產(chǎn)生的PWM信號(hào)。

仿真中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)導(dǎo)通方式，每次使兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。導(dǎo)通順序?yàn)門1、T4→T1、T6→T3、T6→T3、T2→T5、T2→T5、T4，共有6種導(dǎo)通狀態(tài)。每隔60°改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每次改變僅切換一個(gè)開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管連續(xù)導(dǎo)通120°。對(duì)應(yīng)的邏輯關(guān)系如表2所示。

圖3和圖4給出了模型中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速波形和三相電流波形，此時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，輸出三相電流對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩0.1 N·m。

2? ? 霍爾傳感器故障仿真

比較常見的霍爾傳感器故障為傳感器與控制器的連接線斷開，若有兩線或三線斷開，則電動(dòng)機(jī)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。下面只分析霍爾一相斷線時(shí)的情況。圖5和圖6給出了A相霍爾斷線的電流、轉(zhuǎn)速仿真波形。在A相霍爾傳感器斷線后，對(duì)應(yīng)的傳感信號(hào)在后續(xù)各狀態(tài)均為1，這樣便打亂了霍爾信號(hào)與6個(gè)功率管觸發(fā)脈沖之間的映射關(guān)系，繞組中的電流換相時(shí)序紊亂，使得A相始終正向不導(dǎo)通，而C相負(fù)向不導(dǎo)通，平均電磁轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速也隨之下降。在整個(gè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大振蕩。此外，相電流幅值增大2倍以上，電機(jī)燒毀的風(fēng)險(xiǎn)很高。

3? ? 繞組開路故障試驗(yàn)研究

本文對(duì)所研究的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了故障試驗(yàn)，試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。試驗(yàn)平臺(tái)包括無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)控制器、24 V直流電源、空氣開關(guān)、數(shù)字功率計(jì)、手持轉(zhuǎn)速表和上位機(jī)。24 V直流電源給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)控制器供電；空氣開關(guān)的通斷用來(lái)模擬各種故障模式；數(shù)字功率計(jì)測(cè)量相關(guān)的電壓、電流波形，并通過(guò)上位機(jī)軟件在上位機(jī)上顯示出來(lái)；手持轉(zhuǎn)速表用來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

通過(guò)空氣開關(guān)的斷路，模擬了霍爾傳感器的斷線故障。試驗(yàn)中，無(wú)論霍爾傳感器是斷路一相信號(hào)，還是兩相、三相信號(hào)，電動(dòng)機(jī)均能正常運(yùn)行，電流波形如圖8所示，與正常運(yùn)行的波形基本相同。

這是因?yàn)樵跓o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制程序中增加了基于反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的無(wú)位置傳感器控制子程序，當(dāng)控制器檢測(cè)到霍爾傳感器信號(hào)不正常時(shí)，就切換到無(wú)位置傳感器控制子程序進(jìn)行控制。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制程序也能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制，因此電動(dòng)機(jī)不僅能夠保持正常運(yùn)行在3 000 r/min，而且電壓、電流波形也沒有發(fā)生變化。普通的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)如果發(fā)生霍爾傳感器斷線故障，電動(dòng)機(jī)將無(wú)法正常運(yùn)行，而且有可能發(fā)生燒毀電機(jī)的故障。采用基于反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的無(wú)位置傳感器控制子程序后，霍爾傳感器斷線這一致命故障就可轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微故障，可以大大提高無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的可靠性。

4? ? 結(jié)論

本文建立了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)故障仿真模型，對(duì)霍爾傳感器斷線故障進(jìn)行仿真，在整個(gè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大振蕩，此外，相電流幅值增大2倍以上，電機(jī)燒毀的風(fēng)險(xiǎn)很高。然后，搭建了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了電動(dòng)機(jī)霍爾傳感器斷線故障試驗(yàn)，在霍爾傳感器斷線故障試驗(yàn)中，由于控制軟件中加入了無(wú)位置傳感器控制子程序，霍爾傳感器斷線后電動(dòng)機(jī)仍能正常運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2023-02-20

作者簡(jiǎn)介：陶曉雪（1983—），女，貴州遵義人，工程師，主要從事無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、高速永磁發(fā)電機(jī)、特種電機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。