隨著電力電子和數字控制技術的發展，越來越多的控制系統采用數字化的控制方式。在目前廣泛應用于數控車床、紡織機械、車輛驅動中，采用全數字化的控制方式已是大勢所趨。數字化控制與模擬控制相比不僅具有控制方便，性能穩定，成本低廉等優點，同時也為系統實現網絡化，智能化控制開辟了發展空間。全數字控制的調速系統不僅可以方便的實現電機控制，同時通過軟件的編程可以實現多種附加功能，使得調速系統更為人性化，智能化，這也正是模擬控制所不能達到的。 采用全數字控制的系統，可以通過對軟件的編程來實現容錯功能。文獻[1-2] 針對由pwm逆變器產生的故障，提出了一些軟件補救策略。本文針對無刷直流電機（brushless dc motor, bldcm）在應用中存在的相序連接故障，提出了一種軟件容錯方案。通常情況下，當電機輸出相序不匹配時，往往需要人為判斷故障原因，并使電機與控制器相序匹配。這需要人的參與并改變電機的電纜連接。本文提出了一種相序故障的容錯方案，通過軟件方法可以方便、快速的判斷出故障相，同時控制軟件調整驅動器的輸出相序，因此擁有故障的自恢復功能。實驗表明，使用該方法可以準確的判斷出發生的相序故障，并且在故障排除后可以正常的啟動，整個過程不需要人的參與和改變任何接線。 系統原理 bldcm轉子采用永磁體激磁，功率密度高，控制簡單，調速性能好，因此在交流傳動中獲得廣泛應用。目前已有大量的文獻對bldcm的控制技術[3]以及恒功率弱磁[4-6]等進行了研究。下面將對整個系統以及bldcm的控制原理進行簡要的介紹。 圖1是整個系統的主電路圖，本系統中，bldcm的驅動采用了buck＋full_bridge的電路結構。與常規三相橋的驅動方式不同，通過控制buck電路的輸出電流，即電感 上的電流來使bldcm獲得直流電流，以此獲得盡可能好的轉矩控制效果。 圖2（a）、（b）、（c）分別是電感 ，電容 以及電機母線端電流波形。 [align=center] 圖1 驅動系統主電路 [/align] [align=center] （a） 電感 上電流波形 [/align] [align=center] （b） 電容 上電流波形[/align] [align=center] （c） 電機母線電流波形[/align] 圖2 恒流控制下各元件電流波形 [align=center] 圖3 開關管信號、三相反電勢和電流波形[/align] 圖3給出了bldcm的反電動勢、相電流以及三相霍爾信號狀態和開關管的狀態。如圖3所示，bldcm反電動勢為純梯形波，在每相反電動勢的最大處通入電流，就能產生恒定的電磁轉矩。其表達式如下: td＝（ea×ia＋eb×ib＋ec×ic）/ω （1） 中td是電機的電磁轉矩，ea、eb、ec分別是每相的反電動勢，ia、ib、ic分別是每相的電流，ω是電機的角速度。因此，bldcm控制較為簡單，只需對其根據霍爾信號進行換相控制即可。圖3中標注了每 導通的開關管和此時霍爾信號的狀態。通過采集霍爾信號的跳變，包括上升沿和下降沿，再根據一定的開關順序來進行換相控制。 bldcm在啟動時，通過讀取霍爾元件的狀態來初始化開關管的通斷，從而產生啟動轉矩。然而，當電機輸出相序與控制器不同時就會出現電機不能啟動或啟動不正常的情況。下文將對此進行分析。 啟動力矩分析 在實際的換相控制中，通過對三相u、v、w霍爾信號狀態的讀取來輸出開關管的控制信號。對于120°安裝的霍爾元件，其有效狀態為1～6，而對于60°安裝的霍爾元件，其有效狀態為0、1、3、4、6、7。下面以120°安裝的情況來分析相序錯接造成的啟動故障。表1中列出了六種電機與驅動器的連接情況。對于表1中所列的六種連接方式，模式1是正確的連法，而模式2至4中只有一相連接正確，而其他兩相剛好接反，這里稱其為第一類故障。剩下兩種連接方式中各相連接都是錯誤的，這里稱其為第二類故障。 [align=center]表1 電機與驅動器的連接方式 [/align] 正弦波電流驅動的永磁同步電機能否正常啟動需要同時滿足以下兩個條件: i． 啟動時，電機轉矩方向與給定轉向一致; ii．轉動后，定子合成電流矢量與轉子軸之間的角度保持不變。 當滿足條件ii，但不滿足條件i時電機將發生反轉;當條件ii不滿足時電機不能轉動。 由于bldcm采用方波電流驅動，因此不能用坐標變換的方法來分析電機的啟動轉矩。這里對每 換相區域取平均轉矩的方法來進行分析。 因此，上文電機正常啟動的條件變為: i． 啟動時，電機平均轉矩方向與給定轉向一致; ii．轉動后，平均轉矩的方向保持不變。 當滿足條件ii，但不滿足條件i時電機將發生反轉;當條件ii不滿足時電機不能轉動。 下面就針對上文提出的兩種故障情況加以分析。 由bldcm的控制方法知，任意時刻（這里不考慮換相時間）只有兩相通電，且其反電動勢極性相反。因此，如果將通電兩相互換，其產生的轉矩就反向。對于第一類故障，從時間上分，可以分兩種情況，其一是電動勢過零相由于接錯而通過了電流。針對模式2，在圖3 的90°～150°區間，由于a、b兩相互換，b相平均轉矩為零。此時，平均轉矩由c相決定，其方向與給定轉向一致。其二當c相發生電動勢過零時，a、b兩相電流與反電勢方向相反，產生的平均轉矩與給定轉向相反，如圖3的210°～270°區間。從而無法滿足上文提出了條件ii，從而電機無法啟動。 對于第二類故障，由于三相都接錯，因此在任何時刻對于反電動勢過零相都存在電流，且在該 扇區內的平均轉矩為零。電機的平均轉矩由另一電流相決定。針對模式5，在30°～90°的換相區間內，c相反電勢過零，其平均轉矩為零。而b相通入與其反電動勢相反的電流，從而產生了反向平均轉矩。與30°～90°區間類似，對于任意一個換相區間，由于反電動勢過零相均通入了電流，且其平均轉矩為零。而由于相序的錯誤，另一電流相產生的平均轉矩必為反向轉矩，從而滿足條件ii，不滿足條件i，電機反向轉動。 這里需要指出的是，在第二類故障中，由于反電動勢過零相不產生平均轉矩，因此在同樣負載下，此類故障時電機電流會增加較多。 故障檢測原理 檢測原理分析 對于永磁電機來說，當定子合成電流矢量的方向與轉子磁場的方向不重合時，必然存在電磁轉矩。該轉矩迫使電機轉向合成電流矢量的方向。因此，在電機轉動過程中，需要實時的改變定子輸出電流矢量的方向，從而使電磁轉矩保持不變。對bldcm來說，當三相全橋電路輸出電流矢量不變時，電機轉子就會轉動到該處。如圖3中當t3、t6管始終導通時，電機轉子就會轉到a相繞組和b相繞組反軸線的中線處，并由此可以獲得霍爾元件的狀態。根據霍爾信號狀態的不同可以判斷出實際的連接序列。圖4是輸出的6個電流矢量方向和霍爾信號狀態的對應關系。圖4中內層的數字代表了霍爾信號的狀態，外層標注了開關管的導通狀態。 [align=center] 圖4 定子的六種電流狀態以及霍爾元件的狀態[/align] 這里通過控制輸出電壓矢量來獲得相應的電流矢量。當發生相序故障時，本文中使開關管t3、t6導通，此時輸出的電流矢量位于第4扇區，如果沒有相序故障，此時霍爾信號的狀態為4。表2列出了六中不同連接方式對應的霍爾信號狀態。 [align=center] 表2 不同連接方式下對應的霍爾狀態 [/align] 軟件的實現方法 整個控制系統采用了f2407a dsp，其內部集成了捕獲單元，正好用于捕獲三相霍爾信號的跳變。另外也可以通過讀取高低電平來獲得該信號的狀態，并通過查表2來確定電機的連接方式。其次，當電機的連接方式確定后，通過調整三相橋的控制序列，可以在不改變電氣連接的情況下排除相序故障，實現控制軟件的容錯功能。圖5是相序故障檢測和自恢復的軟件流程圖。 [align=center] 圖5 軟件流程圖[/align] 實驗結果 整個系統采用ti公司的f2407a dsp控制芯片，bldcm額定功率400w，額定轉速450r/min，額定電流12a，額定電壓36v，通過蓄電池組供電。開關管工作頻率50khz。電感l1＝650μh，電容c0＝100μf。圖6是在模式2的連接方式下獲得的相電流波形，可以看出其電流畸變較大，且電流幅值也較大，這與上文的分析一致。圖7是正確連接時相電流波形，與圖6相比，其電流波形更為平穩。 [align=center] 5a/div，5ms/div 圖6 模式2連接時的相電流波形[/align] [align=center] 2a/div，5ms/div 圖7 電機正確連接時相電流波形[/align] 結語 本文通過對bldcm啟動時平均轉矩的分析，對因電機相序接錯而造成的啟動故障進行了分析。在三相霍爾信號的幫助下，通過控制驅動器輸出一定的電壓矢量，可以準確的判斷出故障時電機的連接方式。并且在不需要人為參與的前提下，通過軟件調整的方法實現電機的正常啟動。實驗結果表明，使用該方法在判斷電機的啟動故障時，可以準確的判斷出發生故障原因，并自動排除故障完成啟動。該方法不僅具有軟件控制簡單的優點，而且具有一定的實用價值。