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   隨著電力電子和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的控制方式。在目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控車床、紡織機(jī)械、車輛驅(qū)動(dòng)中，采用全數(shù)字化的控制方式已是大勢所趨。數(shù)字化控制與模擬控制相比不僅具有控制方便，性能穩(wěn)定，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，智能化控制開辟了發(fā)展空間。全數(shù)字控制的調(diào)速系統(tǒng)不僅可以方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，同時(shí)通過軟件的編程可以實(shí)現(xiàn)多種附加功能，使得調(diào)速系統(tǒng)更為人性化，智能化，這也正是模擬控制所不能達(dá)到的。

      采用全數(shù)字控制的系統(tǒng)，可以通過對(duì)軟件的編程來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。文獻(xiàn)[1-2] 針對(duì)由pwm逆變器產(chǎn)生的故障，提出了一些軟件補(bǔ)救策略。本文針對(duì)無刷直流電機(jī)（brushless dc motor, bldcm）在應(yīng)用中存在的相序連接故障，提出了一種軟件容錯(cuò)方案。通常情況下，當(dāng)電機(jī)輸出相序不匹配時(shí)，往往需要人為判斷故障原因，并使電機(jī)與控制器相序匹配。這需要人的參與并改變電機(jī)的電纜連接。本文提出了一種相序故障的容錯(cuò)方案，通過軟件方法可以方便、快速的判斷出故障相，同時(shí)控制軟件調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的輸出相序，因此擁有故障的自恢復(fù)功能。實(shí)驗(yàn)表明，使用該方法可以準(zhǔn)確的判斷出發(fā)生的相序故障，并且在故障排除后可以正常的啟動(dòng)，整個(gè)過程不需要人的參與和改變?nèi)魏谓泳€。

系統(tǒng)原理

      bldcm轉(zhuǎn)子采用永磁體激磁，功率密度高，控制簡單，調(diào)速性能好，因此在交流傳動(dòng)中獲得廣泛應(yīng)用。目前已有大量的文獻(xiàn)對(duì)bldcm的控制技術(shù)[3]以及恒功率弱磁[4-6]等進(jìn)行了研究。下面將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)以及bldcm的控制原理進(jìn)行簡要的介紹。

      圖1是整個(gè)系統(tǒng)的主電路圖，本系統(tǒng)中，bldcm的驅(qū)動(dòng)采用了buck＋full_bridge的電路結(jié)構(gòu)。與常規(guī)三相橋的驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)矩控制效果。 圖2（a）、（b）、（c）分別是電感 ，電容 以及電機(jī)母線端電流波形。 

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路 

（a） 電感 上電流波形 

（b） 電容 上電流波形

（c） 電機(jī)母線電流波形

圖2 恒流控制下各元件電流波形

圖3 開關(guān)管信號(hào)、三相反電勢和電流波形

      圖3給出了bldcm的反電動(dòng)勢、相電流以及三相霍爾信號(hào)狀態(tài)和開關(guān)管的狀態(tài)。如圖3所示，bldcm反電動(dòng)勢為純梯形波，在每相反電動(dòng)勢的最大處通入電流，就能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。其表達(dá)式如下:
td＝（ea×ia＋eb×ib＋ec×ic）/ω （1）
      中td是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，ea、eb、ec分別是每相的反電動(dòng)勢，ia、ib、ic分別是每相的電流，ω是電機(jī)的角速度。因此，bldcm控制較為簡單，只需對(duì)其根據(jù)霍爾信號(hào)進(jìn)行換相控制即可。圖3中標(biāo)注了每 導(dǎo)通的開關(guān)管和此時(shí)霍爾信號(hào)的狀態(tài)。通過采集霍爾信號(hào)的跳變，包括上升沿和下降沿，再根據(jù)一定的開關(guān)順序來進(jìn)行換相控制。
      bldcm在啟動(dòng)時(shí)，通過讀取霍爾元件的狀態(tài)來初始化開關(guān)管的通斷，從而產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。然而，當(dāng)電機(jī)輸出相序與控制器不同時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)不能啟動(dòng)或啟動(dòng)不正常的情況。下文將對(duì)此進(jìn)行分析。

啟動(dòng)力矩分析

      在實(shí)際的換相控制中，通過對(duì)三相u、v、w霍爾信號(hào)狀態(tài)的讀取來輸出開關(guān)管的控制信號(hào)。對(duì)于120°安裝的霍爾元件，其有效狀態(tài)為1～6，而對(duì)于60°安裝的霍爾元件，其有效狀態(tài)為0、1、3、4、6、7。下面以120°安裝的情況來分析相序錯(cuò)接造成的啟動(dòng)故障。表1中列出了六種電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接情況。對(duì)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(cuò)誤的，這里稱其為第二類故障。

表1 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接方式

      正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)能否正常啟動(dòng)需要同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件:
i． 啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與給定轉(zhuǎn)向一致;
ii．轉(zhuǎn)動(dòng)后，定子合成電流矢量與轉(zhuǎn)子軸之間的角度保持不變。
      當(dāng)滿足條件ii，但不滿足條件i時(shí)電機(jī)將發(fā)生反轉(zhuǎn);當(dāng)條件ii不滿足時(shí)電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。
由于bldcm采用方波電流驅(qū)動(dòng)，因此不能用坐標(biāo)變換的方法來分析電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這里對(duì)每 換相區(qū)域取平均轉(zhuǎn)矩的方法來進(jìn)行分析。
      因此，上文電機(jī)正常啟動(dòng)的條件變?yōu)?
i． 啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩方向與給定轉(zhuǎn)向一致;
ii．轉(zhuǎn)動(dòng)后，平均轉(zhuǎn)矩的方向保持不變。
      當(dāng)滿足條件ii，但不滿足條件i時(shí)電機(jī)將發(fā)生反轉(zhuǎn);當(dāng)條件ii不滿足時(shí)電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

下面就針對(duì)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(shí)刻（這里不考慮換相時(shí)間）只有兩相通電，且其反電動(dòng)勢極性相反。因此，如果將通電兩相互換，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就反向。對(duì)于第一類故障，從時(shí)間上分，可以分兩種情況，其一是電動(dòng)勢過零相由于接錯(cuò)而通過了電流。針對(duì)模式2，在圖3 的90°～150°區(qū)間，由于a、b 兩相互換，b相平均轉(zhuǎn)矩為零。此時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩由c相決定，其方向與給定轉(zhuǎn)向一致。其二當(dāng)c相發(fā)生電動(dòng)勢過零時(shí)，a、b兩相電流與反電勢方向相反，產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)向相反，如圖3的210°～270°區(qū)間。從而無法滿足上文提出了條件ii，從而電機(jī)無法啟動(dòng)。
      對(duì)于第二類故障，由于三相都接錯(cuò)，因此在任何時(shí)刻對(duì)于反電動(dòng)勢過零相都存在電流，且在該 扇區(qū)內(nèi)的平均轉(zhuǎn)矩為零。電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩由另一電流相決定。針對(duì)模式5，在30°～90°的換相區(qū)間內(nèi)，c相反電勢過零，其平均轉(zhuǎn)矩為零。而b相通入與其反電動(dòng)勢相反的電流，從而產(chǎn)生了反向平均轉(zhuǎn)矩。與 30°～90°區(qū)間類似，對(duì)于任意一個(gè)換相區(qū)間，由于反電動(dòng)勢過零相均通入了電流，且其平均轉(zhuǎn)矩為零。而由于相序的錯(cuò)誤，另一電流相產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩必為反向轉(zhuǎn)矩，從而滿足條件ii，不滿足條件i，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
      這里需要指出的是，在第二類故障中，由于反電動(dòng)勢過零相不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，因此在同樣負(fù)載下，此類故障時(shí)電機(jī)電流會(huì)增加較多。 

故障檢測原理
檢測原理分析
      對(duì)于永磁電機(jī)來說，當(dāng)定子合成電流矢量的方向與轉(zhuǎn)子磁場的方向不重合時(shí)，必然存在電磁轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩迫使電機(jī)轉(zhuǎn)向合成電流矢量的方向。因此，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，需要實(shí)時(shí)的改變定子輸出電流矢量的方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩保持不變。對(duì)bldcm來說，當(dāng)三相全橋電路輸出電流矢量不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到該處。如圖3中當(dāng)t3、t6管始終導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)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(tài)。根據(jù)霍爾信號(hào)狀態(tài)的不同可以判斷出實(shí)際的連接序列。圖4是輸出的6個(gè)電流矢量方向和霍爾信號(hào)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖4中內(nèi)層的數(shù)字代表了霍爾信號(hào)的狀態(tài)，外層標(biāo)注了開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)。

圖4 定子的六種電流狀態(tài)以及霍爾元件的狀態(tài)

      這里通過控制輸出電壓矢量來獲得相應(yīng)的電流矢量。當(dāng)發(fā)生相序故障時(shí)，本文中使開關(guān)管t3、t6導(dǎo)通，此時(shí)輸出的電流矢量位于第4扇區(qū)，如果沒有相序故障，此時(shí)霍爾信號(hào)的狀態(tài)為4。表2列出了六中不同連接方式對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)狀態(tài)。

表2 不同連接方式下對(duì)應(yīng)的霍爾狀態(tài) 

軟件的實(shí)現(xiàn)方法
      整個(gè)控制系統(tǒng)采用了f2407a dsp，其內(nèi)部集成了捕獲單元，正好用于捕獲三相霍爾信號(hào)的跳變。另外也可以通過讀取高低電平來獲得該信號(hào)的狀態(tài)，并通過查表2來確定電機(jī)的連接方式。其次，當(dāng)電機(jī)的連接方式確定后，通過調(diào)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(shí)現(xiàn)控制軟件的容錯(cuò)功能。圖5是相序故障檢測和自恢復(fù)的軟件流程圖。