直流无刷电机中相序故障自恢复功能的实现

      随着电力电子和数字控制技术的发展，越来越多的控制系统采用数字化的控制方式。在目前广泛应用于数控车床、纺织机械、车辆驱动中，采用全数字化的控制方式已是大势所趋。数字化控制与模拟控制相比不仅具有控制方便，性能稳定，成本低廉等优点，同时也为系统实现网络化，智能化控制开辟了发展空间。全数字控制的调速系统不仅可以方便的实现电机控制，同时通过软件的编程可以实现多种附加功能，使得调速系统更为人性化，智能化，这也正是模拟控制所不能达到的。

      采用全数字控制的系统，可以通过对软件的编程来实现容错功能。文献[1-2] 针对由pwm逆变器产生的故障，提出了一些软件补救策略。本文针对无刷直流电机（brushless dc motor, bldcm）在应用中存在的相序连接故障，提出了一种软件容错方案。通常情况下，当电机输出相序不匹配时，往往需要人为判断故障原因，并使电机与控制器相序匹配。这需要人的参与并改变电机的电缆连接。本文提出了一种相序故障的容错方案，通过软件方法可以方便、快速的判断出故障相，同时控制软件调整驱动器的输出相序，因此拥有故障的自恢复功能。实验表明，使用该方法可以准确的判断出发生的相序故障，并且在故障排除后可以正常的启动，整个过程不需要人的参与和改变任何接线。

系统原理

      bldcm转子采用永磁体激磁，功率密度高，控制简单，调速性能好，因此在交流传动中获得广泛应用。目前已有大量的文献对bldcm的控制技术[3]以及恒功率弱磁[4-6]等进行了研究。下面将对整个系统以及bldcm的控制原理进行简要的介绍。

      图1是整个系统的主电路图，本系统中，bldcm的驱动采用了buck＋full_bridge的电路结构。与常规三相桥的驱动方式不同，通过控制buck电路的输出电流，即电感 上的电流来使bldcm获得直流电流，以此获得尽可能好的转矩控制效果。 图2（a）、（b）、（c）分别是电感 ，电容 以及电机母线端电流波形。 

图2 恒流控制下各元件电流波形

      图3给出了bldcm的反电动势、相电流以及三相霍尔信号状态和开关管的状态。如图3所示，bldcm反电动势为纯梯形波，在每相反电动势的最大处通入电流，就能产生恒定的电磁转矩。其表达式如下:
td＝（ea×ia＋eb×ib＋ec×ic）/ω （1）
      中td是电机的电磁转矩，ea、eb、ec分别是每相的反电动势，ia、ib、ic分别是每相的电流，ω是电机的角速度。因此，bldcm控制较为简单，只需对其根据霍尔信号进行换相控制即可。图3中标注了每 导通的开关管和此时霍尔信号的状态。通过采集霍尔信号的跳变，包括上升沿和下降沿，再根据一定的开关顺序来进行换相控制。
      bldcm在启动时，通过读取霍尔元件的状态来初始化开关管的通断，从而产生启动转矩。然而，当电机输出相序与控制器不同时就会出现电机不能启动或启动不正常的情况。下文将对此进行分析。

启动力矩分析

      在实际的换相控制中，通过对三相u、v、w霍尔信号状态的读取来输出开关管的控制信号。对于120°安装的霍尔元件，其有效状态为1～6，而对于60°安装的霍尔元件，其有效状态为0、1、3、4、6、7。下面以120°安装的情况来分析相序错接造成的启动故障。表1中列出了六种电机与驱动器的连接情况。对于表1中所列的六种连接方式，模式1是正确的连法，而模式2至4中只有一相连接正确，而其他两相刚好接反，这里称其为第一类故障。剩下两种连接方式中各相连接都是错误的，这里称其为第二类故障。

      正弦波电流驱动的永磁同步电机能否正常启动需要同时满足以下两个条件:
i． 启动时，电机转矩方向与给定转向一致;
ii．转动后，定子合成电流矢量与转子轴之间的角度保持不变。
      当满足条件ii，但不满足条件i时电机将发生反转;当条件ii不满足时电机不能转动。
由于bldcm采用方波电流驱动，因此不能用坐标变换的方法来分析电机的启动转矩。这里对每 换相区域取平均转矩的方法来进行分析。
      因此，上文电机正常启动的条件变为:
i． 启动时，电机平均转矩方向与给定转向一致;
ii．转动后，平均转矩的方向保持不变。
      当满足条件ii，但不满足条件i时电机将发生反转;当条件ii不满足时电机不能转动。

下面就针对上文提出的两种故障情况加以分析。

      由bldcm的控制方法知，任意时刻（这里不考虑换相时间）只有两相通电，且其反电动势极性相反。因此，如果将通电两相互换，其产生的转矩就反向。对于第一类故障，从时间上分，可以分两种情况，其一是电动势过零相由于接错而通过了电流。针对模式2，在图3 的90°～150°区间，由于a、b两相互换，b相平均转矩为零。此时，平均转矩由c相决定，其方向与给定转向一致。其二当c相发生电动势过零时，a、b两相电流与反电势方向相反，产生的平均转矩与给定转向相反，如图3的210°～270°区间。从而无法满足上文提出了条件ii，从而电机无法启动。
      对于第二类故障，由于三相都接错，因此在任何时刻对于反电动势过零相都存在电流，且在该 扇区内的平均转矩为零。电机的平均转矩由另一电流相决定。针对模式5，在30°～90°的换相区间内，c相反电势过零，其平均转矩为零。而b相通入与其反电动势相反的电流，从而产生了反向平均转矩。与30°～90°区间类似，对于任意一个换相区间，由于反电动势过零相均通入了电流，且其平均转矩为零。而由于相序的错误，另一电流相产生的平均转矩必为反向转矩，从而满足条件ii，不满足条件i，电机反向转动。
      这里需要指出的是，在第二类故障中，由于反电动势过零相不产生平均转矩，因此在同样负载下，此类故障时电机电流会增加较多。 

故障检测原理
检测原理分析
      对于永磁电机来说，当定子合成电流矢量的方向与转子磁场的方向不重合时，必然存在电磁转矩。该转矩迫使电机转向合成电流矢量的方向。因此，在电机转动过程中，需要实时的改变定子输出电流矢量的方向，从而使电磁转矩保持不变。对bldcm来说，当三相全桥电路输出电流矢量不变时，电机转子就会转动到该处。如图3中当t3、t6管始终导通时，电机转子就会转到a相绕组和b相绕组反轴线的中线处，并由此可以获得霍尔元件的状态。根据霍尔信号状态的不同可以判断出实际的连接序列。图4是输出的6个电流矢量方向和霍尔信号状态的对应关系。图4中内层的数字代表了霍尔信号的状态，外层标注了开关管的导通状态。

      这里通过控制输出电压矢量来获得相应的电流矢量。当发生相序故障时，本文中使开关管t3、t6导通，此时输出的电流矢量位于第4扇区，如果没有相序故障，此时霍尔信号的状态为4。表2列出了六中不同连接方式对应的霍尔信号状态。

软件的实现方法
      整个控制系统采用了f2407a dsp，其内部集成了捕获单元，正好用于捕获三相霍尔信号的跳变。另外也可以通过读取高低电平来获得该信号的状态，并通过查表2来确定电机的连接方式。其次，当电机的连接方式确定后，通过调整三相桥的控制序列，可以在不改变电气连接的情况下排除相序故障，实现控制软件的容错功能。图5是相序故障检测和自恢复的软件流程图。

实验结果
      整个系统采用ti公司的f2407a dsp控制芯片，bldcm额定功率400w，额定转速450r/min，额定电流12a，额定电压36v，通过蓄电池组供电。开关管工作频率50khz。电感l1＝650μh，电容c0＝100μf。图6是在模式2的连接方式下获得的相电流波形，可以看出其电流畸变较大，且电流幅值也较大，这与上文的分析一致。图7是正确连接时相电流波形，与图6相比，其电流波形更为平稳。

结语
      本文通过对bldcm启动时平均转矩的分析，对因电机相序接错而造成的启动故障进行了分析。在三相霍尔信号的帮助下，通过控制驱动器输出一定的电压矢量，可以准确的判断出故障时电机的连接方式。并且在不需要人为参与的前提下，通过软件调整的方法实现电机的正常启动。实验结果表明，使用该方法在判断电机的启动故障时，可以准确的判断出发生故障原因，并自动排除故障完成启动。该方法不仅具有软件控制简单的优点，而且具有一定的实用价值。