無刷直流電動機故障模式仿真及試驗驗證

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

關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；故障模式；仿真分析；故障試驗

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

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

0? ? 引言

無刷直流電動機是一個由電動機本體、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。無刷直流電動機工作的基本原理與有刷直流電動機不同，不需要電刷和換向片進行換相，而是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得無刷直流電動機轉(zhuǎn)子的位置信息，控制器通過對傳送過來的轉(zhuǎn)子位置信息進行處理，生成控制功率開關(guān)管通斷的邏輯開關(guān)信號，控制電機的運轉(zhuǎn)[1]。

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

本文從無刷直流電動機的故障仿真出發(fā)，探討霍爾元器件故障仿真與試驗驗證，研究故障模式下電動機轉(zhuǎn)速、相電流變化特點。

1? ? 無刷直流電動機故障仿真模型

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

仿真過程中無刷直流電動機本體采用的參數(shù)如表1所示。逆變模塊采用6個功率管組成三相逆變橋。電動機采用轉(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程所需要的轉(zhuǎn)速、電流、霍爾傳感器信號。

PWM信號生模塊如圖2所示。它根據(jù)無刷直流電動機輸出的三相霍爾位置信號，以及DC/DC脈寬調(diào)制生成器輸出的PWM信號進行邏輯運算，從而輸出6個功率管的控制脈沖。該模塊一共有4個輸入信號，分別是三相霍爾位置信號（HA、HB、HC）和由PWM生成器產(chǎn)生的PWM信號。

仿真中無刷直流電動機采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)導(dǎo)通方式，每次使兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通。導(dǎo)通順序為T1、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開關(guān)管，每個開關(guān)管連續(xù)導(dǎo)通120°。對應(yīng)的邏輯關(guān)系如表2所示。

圖3和圖4給出了模型中無刷直流電動機正常運行時的轉(zhuǎn)速波形和三相電流波形，此時電動機運行在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，輸出三相電流對應(yīng)電動機的額定輸出轉(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，則電動機無法轉(zhuǎn)動。下面只分析霍爾一相斷線時的情況。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，對應(yīng)的傳感信號在后續(xù)各狀態(tài)均為1，這樣便打亂了霍爾信號與6個功率管觸發(fā)脈沖之間的映射關(guān)系，繞組中的電流換相時序紊亂，使得A相始終正向不導(dǎo)通，而C相負向不導(dǎo)通，平均電磁轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速也隨之下降。在整個過程中，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大振蕩。此外，相電流幅值增大2倍以上，電機燒毀的風(fēng)險很高。

3? ? 繞組開路故障試驗研究

本文對所研究的無刷直流電動機進行了故障試驗，試驗平臺如圖7所示。試驗平臺包括無刷直流電動機本體和驅(qū)動控制器、24 V直流電源、空氣開關(guān)、數(shù)字功率計、手持轉(zhuǎn)速表和上位機。24 V直流電源給無刷直流電動機本體和驅(qū)動控制器供電；空氣開關(guān)的通斷用來模擬各種故障模式；數(shù)字功率計測量相關(guān)的電壓、電流波形，并通過上位機軟件在上位機上顯示出來；手持轉(zhuǎn)速表用來測量電動機的轉(zhuǎn)速。

通過空氣開關(guān)的斷路，模擬了霍爾傳感器的斷線故障。試驗中，無論霍爾傳感器是斷路一相信號，還是兩相、三相信號，電動機均能正常運行，電流波形如圖8所示，與正常運行的波形基本相同。

這是因為在無刷直流電動機的控制程序中增加了基于反電勢過零檢測法的無位置傳感器控制子程序，當(dāng)控制器檢測到霍爾傳感器信號不正常時，就切換到無位置傳感器控制子程序進行控制。由于無刷直流電動機無位置傳感器控制程序也能夠?qū)崿F(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的有效控制，因此電動機不僅能夠保持正常運行在3 000 r/min，而且電壓、電流波形也沒有發(fā)生變化。普通的無刷直流電動機如果發(fā)生霍爾傳感器斷線故障，電動機將無法正常運行，而且有可能發(fā)生燒毀電機的故障。采用基于反電勢過零檢測法的無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，可以大大提高無刷直流電動機的可靠性。

4? ? 結(jié)論

本文建立了無刷直流電動機故障仿真模型，對霍爾傳感器斷線故障進行仿真，在整個過程中，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大振蕩，此外，相電流幅值增大2倍以上，電機燒毀的風(fēng)險很高。然后，搭建了無刷直流電動機故障模擬試驗平臺，進行了電動機霍爾傳感器斷線故障試驗，在霍爾傳感器斷線故障試驗中，由于控制軟件中加入了無位置傳感器控制子程序，霍爾傳感器斷線后電動機仍能正常運行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

[參考文獻]

[1] PILLAY P，KRISHNAN R.Modeling，simulation，and analysis of permanent-magnet motor drives.II.The brushless DC motor drive[J].IEEE Transac-tions on Industry Applications，1989，25（2）：274-279.

[2] 王蘊輝，于宗光，孫再吉.電子元器件可靠性設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3] 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(xué)報，2000，4（4）：198-201.

[4] 胡偉，溫旭輝，劉鈞.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠性模型及預(yù)計[J].電氣傳動，2007，37（12）：7-10.

收稿日期：2023-02-20

作者簡介：陶曉雪（1983—），女，貴州遵義人，工程師，主要從事無刷直流電動機、高速永磁發(fā)電機、特種電機的設(shè)計與研發(fā)工作。