無刷直流電動機故障模式仿真及試驗驗證研究

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子位置傳感器組成的系統，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，而是通過轉子位置傳感器獲得無刷直流電動機轉子的位置信息，控制器通過對傳送過來的轉子位置信息進行處理，生成控制功率開關管通斷的邏輯開關信號，控制電機的運轉[1]。

驅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故障，整個驅動控制電路基本上就無法正常工作。也有極少數元件出現故障時整個驅動控制電路還能工作，但往往會使得電機性能下降[2]。因此，驅動控制電路是無刷直流電動機的可靠性薄弱環節[3]，其中直線母線電容、IGBT對驅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，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、轉速電流雙閉環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。電動機采用轉速電流雙閉環控制策略，電流環和轉速環都由PI調節器調節。調節器的輸出作為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速、電流、霍爾傳感器信號。

PWM信號生成模塊如圖2所示。它根據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生成器產生的PWM信號。

仿真中無刷直流電動機采用兩相導通六狀態導通方式，每次使兩個開關管同時導通。導通順序為T1、T4→T1、T6→T3、T6→T3、T2→T5、T2→T5、T4，共有6種導通狀態。每隔60°改變一次導通狀態，每次改變僅切換一個開關管，每個開關管連續導通120°。對應的邏輯關系如表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速波形和三相電流波形，此時電動機運行在額定轉速3 000 r/min，輸出三相電流對應電動機的額定輸出轉矩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、轉速仿真波形。在A相霍爾傳感器斷線后，對應的傳感信號在后續各狀態均為1，這樣便打亂了霍爾信號與6個功率管觸發脈沖之間的映射關系，繞組中的電流換相時序紊亂，使得A相始終正向不導通，而C相負向不導通，平均電磁轉矩減小，轉速也隨之下降。在整個過程中，轉速出現較大振蕩。此外，相電流幅值增大2倍以上，電機燒毀的風險很高。

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動控制器、24 V直流電源、空氣開關、數字功率計、手持轉速表和上位機。24 V直流電源給無刷直流電動機本體和驅動控制器供電；空氣開關的通斷用來模擬各種故障模式；數字功率計測量相關的電壓、電流波形，并通過上位機軟件在上位機上顯示出來；手持轉速表用來測量電動機的轉速。

通過空氣開關的斷路，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實現電動機轉速的有效控制，因此電動機不僅能夠保持正常運行在3 000 r/min，而且電壓、電流波形也沒有發生變化。普通的無刷直流電動機如果發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變為輕微故障，可以大大提高無刷直流電動機的可靠性。

4 結論

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，轉速出現較大振蕩，此外，相電流幅值增大2倍以上，電機燒毀的風險很高。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，大大提高了系統的可靠性。

審核編輯：劉清