基于PCC控制器的調速器步進電機失步問題研究

翟玉杰，赫晉喆，周立成，艾遠高

（三峽水力發電廠，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

某巨型水電站安裝有多臺單機容量700MW混流式機組，調速器采用PCC雙機智能比例伺服閥和步進電機互為冗余的非對稱配置。A 套控制器控制比例閥，B 套控制器控制步進電機。兩套控制器的主接反饋和主配反饋信號各自獨立采集，形成位移傳感器的冗余設計[1]。近期，機組在B套步進電機運行過程中，多次出現調速器主接隨動故障。現場技術人員進行大量試驗及軟硬件監視措施，最終確認為步進電機失步引起。經深入分析，技術人員提出通過增加步進電機失步檢測及重啟功能，可減少故障對機組的影響，同時進行軟硬件監視措施，最終確定失步故障點。經研究改進后，步進電機失步現象大幅減少，消除了調速器運行隱患。

1 PCC控制器調速系統組成及特性

電站調速器采用能事達公司生產的WBLDT-250-6.3型調速器，控制器由2套貝加萊（B&R）2005系列PCC組成。調速器采用并聯PID結構，比例閥控制采用4～20mA模擬量綜合模塊AM374控制，步進電機采用高頻處理器單元DM455（利用TPU的PWM功能塊）控制，該機組調速器結構如圖1所示。

圖1 調速系統結構示意圖Figure 1 Structure diagram of speed control system

調速器采用了雙通道冗余結構。電氣部分均采用冗余設計，包括控制器、開關量I/O點通道、模擬量I/O通道、主接位移傳感器、輔接位移傳感器等部件。雙機互為備用，可進行無擾動切換。雙機跟蹤原理為：A機投入運行時，A機享有對調速器的控制權，此時B機也根據自己的采樣進行計算，但控制信號不出口，B機自動運算并跟蹤A機的輸出，這樣可實現A/B機切換無擾動[2]。

2 步進電機控制

步進電機是一種將電脈沖信號轉換為相應的角位移的機電執行元件[3]。調速器步進電機控制采用脈寬調制（PWM）控制方式，主CPU完成數據采集及運算后，將計算結果通過內部總線通信至DM455模塊，DM455根據收到的指令產生PWM調制波，PWM波形再經光耦隔離器送至驅動器控制步進電機，從而拖動引導閥實現電液轉換，再經切換閥后，控制主配及接力器開啟或關閉，實現對導葉開度的控制，步進電機控制的硬件邏輯圖如圖2所示。調速器采用的是日本三洋步進電機，步進電機的響應性能在很大程度上依賴于驅動電路的驅動方式、控制脈沖規律及電源電壓等[4]。在步進式水輪機調速器中為提高工作效率，步進電機控制系統的加速、減速特性非常重要，如果設計不合理，將會引起步進電機堵轉、失步（運行精度差）或升、降速過程慢（工作效率低）等問題[5-10]。

圖2 步進電機控制的硬件邏輯圖Figure 2 Hardware logic diagram of stepper motor control

3 步進電機失步原因分析

3.1 失步現象

2014年10月10日，該電站監控系統顯示29F機組“B套主接跟蹤故障”并提示“B套在線復歸”“B套自動復歸”，隨后B套控制器切換至機手動模式，調速器由B機切至A機自動模式運行。

查詢故障發生時機組運行曲線（見圖3），分析得出：當機組有功功率偏差較大時，開度給定逐漸增大，而此時導葉開度未跟隨動作，調速器下發的輔接給定值也隨著導葉給定值在增加，但輔接的實際位置沒有任何變化。B機輔接位置傳感器是直接安裝在步進電機絲桿上的，因此可以初步得出結論：故障發生時步進電機沒有正常動作，即步進電機發生失步。

圖3 故障發生時的機組運行曲線Figure 3 Operation curve of unit in case of fault

3.2 失步原因分析

通過對步進電機控制邏輯分析，失步可能存在以下故障點：

（1）步進電機裝置發生臨時性卡阻。

（2）驅動器未收到脈沖或驅動器當時未工作。

（3）光電隔離模塊未正確將PWM信號輸出。

（4）DM455工作不正常，未輸出PWM信號。

（5）主CPU未計算出正確的步進電機調節量wY_Drv。

步進電機控制環路中，從CPU至自復中裝置的機械結構屬于開環控制，即圖2所示的結構中沒有狀態監測點和反饋點。此設計雖簡化了控制過程，但無法實時了解控制環節的狀態，從而導致現有手段無法有效判斷故障發生的部位。為防止步進電機失控影響機組正常運行或導致其他更大的事故，根據故障現象和特點，首先增加步進電機失步重啟的輔助功能，即故障復歸后自行復位，其次通過增加軟硬件狀態監測點對故障進行精確定位。

4 應對措施

4.1 添加失步監測程序

該故障直接原因為步進電機失步，而具體故障報警為主接跟蹤故障。對步進電機失步而言主接隨動失敗報警信號嚴重滯后，對失步故障的處理需要更快捷的報警邏輯及應對方法。選擇將引導閥位移作為故障判斷對象，通過比較引導閥位置反饋與給定差值，在增加反饋變化速度判斷，可以有效地判斷故障。設置差值大于20%，變化速度小于0.1%/s，持續0.96s報步進電機失步。相較之前的主接隨動失敗報警20s的故障判定時間，大大地提高了報警的時效性。

4.2 添加失步重啟邏輯

步進電機檢測到失步報警后，給驅動器一次200ms的強制重啟Free信號，并在CPU程序中增加失步后PID積分清零，即檢測到步進電機失步后，將當前實際導葉開度賦值給開度給定值，等待電機失步重啟后再將計算開度給定值賦給開度給定。同時步進電機失步報警次數加1，報警次數一小時內累計3次及以上，不再進行失步重啟，直接輸出B機輔接跟蹤故障，并進行控制器切換。

4.3 失步故障定位

現場將機組調速器步進電機驅動器模塊的Phase Out信號引入B機PCC輸入模塊，對驅動器接受到的脈沖進行計數，并對脈沖計數值進行實時監視，將故障范圍以步進電機驅動器為界限，進行分離，以進一步確定故障點。

通過對步進電機失步故障的數據分析，監視到故障發生時，驅動器脈沖計數值未增加，PCC控制器程序也未發現明顯問題，故將故障點精確定位在DM455至驅動器之間，排除了步進電機自身及其自復中裝置故障的可能，為后續進一步分析減少了工作量。

4.3.1 光隔測試

在試驗臺對光隔進行測試，當光隔傳遞脈沖的頻率為5kHz時，脈沖波形依然是正常的，而實際的工作環境中光隔的最高工作頻率為2kHz，且光隔本身結構簡單，集成度也很高，屬于技術工藝很成熟的器件，可以暫時排除光隔故障的因素，基本可以將故障點定位于DM455上。

4.3.2 DM455內部程序監視

DM455在調速器中主要用于機組測頻及步進電機控制。通過修改程序對DM455模塊進行監視，主要措施包括：

（1）建立CPU與DM455內部進程之間另外獨立的問答機制，以考察DM455內部進程執行是否有跑飛的情況。

（2）將DM455收到的頻率指令反送回CPU，以確認DM455是否正確收到來自CPU的指令。

（3）將DM455輸出脈沖計數值送回CPU，監視LTXdpwm功能函數輸出脈沖工作情況。

4.3.3 增加DM455模塊50ms錄波功能

在調速器觸摸屏中增加錄波程序，將DM455模塊運行狀態信息及PWM計數、失步報警等信息保存在存儲介質中，以便事后查看分析。程序運行后，當檢測到步進電機失步觸發啟動錄波，將采集的數據以50ms采樣率保存在存儲介質中。自動故障錄波方式下，觸摸屏錄波程序保持對數據持續采樣，一旦錄波條件觸發，觸摸屏錄波程序便將條件觸發時刻前2min以及后8min共10min的數據以CSV格式存入存儲介質。

4.4 改進效果

機組程序進行上述改進后，對失步故障進行追蹤試驗。圖4為步進電機失步重啟故障錄波，其中：Y-mid-fbk輔接位置；Y-mid-give輔接給定；Y-mid-difference輔接偏差；Stepout失步報警；檢測到失敗故障報警后，執行了失步重啟功能，先導閥強制回中，反饋信號回零，重啟后驅動器繼續執行調節命令，先導閥隨動恢復正常，調速器恢復正常。

圖4 輔接給定與反饋錄波（單位：時間/ms）Figure 4 Auxiliary setting and feedback recording

圖5為PWM給定與反饋錄波。其中：PWM-Give脈沖給定計數；PWM-FBK脈沖反饋計數；Y-mid-fbk輔接位置；Y-mid-give輔接給定；故障前PWM信號的給定與回傳指令變化趨勢具有嚴格的一致性，在55～59ms區間，兩者趨勢出現明顯差異，DM455收到調節指令，但DM455未能產生PWM脈沖。通過對失步現象的分析得出，引起失步的主要原因是DM455未能根據指令產生PWM脈沖。

圖5 PWM給定與反饋錄波（單位：時間/ms）Figure 5 PWM setting and feedback recording

機組調速系統控制器經過上述改進后，在實際工作中能快速準確的判定步進電機失步，判斷時間為0.96s，并成功完成步進電機重啟，相較之前的主接隨動失敗報警20s的故障判定時間，大大地提高了報警的時效性，降低了故障的危害，同時與貝加萊工程師交流后，判定為PWM功能函數在一個程序周期內多次被調用是導致PWM功能塊出現異常的原因。因此，與貝加萊工程師對DM455代碼進行了優化處理措施，并在試驗臺進行了長時間測試，已期滿足現場需求。

5 結論

針對某巨型水電站機組多次出現機組步進電機失控的現象，本文詳述了研究人員基于此故障現象，通過進行大量試驗、程序改進及監視措施，并最終闡明了問題產生的原因，提出此類故障的應對措施及改進方法。通過這些措施，規避了步進電機失步導致機組負荷異常波動，同時減少了調速器切機帶來的風險，將步進電機失步對機組影響降到最低，也為其他同類電站在處理類似問題提供參考依據。