无刷直流电机断相故障诊断与定位方法研究

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1、无刷直流电机断相故障诊断与定位方法研究杨瑞坤1．一，马瑞卿1(1．西北工业大学，陕西西安710072；2．空军工程大学，陕西西安710051)摘要：无刷直流电机断相故障的及时发现与定位，对提高航空稀土永磁(雕!PM)无刷直流电动机(BLDCM)运行的可靠性及装备的保障效能意义十分重大。为此，本文对无刷直流电动机提出了通过分析脉动的母线电流，并结合Hall位置信号来诊断与定位断相故障的新方法。采用Matlab进行动态参数仿真，验证了理论分析的正确性和有效性，为该电机的断相故障诊断与保护技术研究提供了科学的参考。关键词：稀土永磁无刷直流电机；断相；电流脉动；母线

2、电流；故障诊断0引言随着电力电子技术和稀土永磁材料的发展，以稀土永磁(REPM)无刷直流电动机(BLDCM)为核心的电驱动系统在航空领域的应用越来越多，在未来先进飞机电驱动系统中，占有重要的地位。但其机电一体化技术又带给后方技术人员越来越繁重的无刷直流电机保障任务。所以对故障及时地发现与定位，对提高装备保障及维护效能意义重大。出于无刷直流电机驱动及控制原理的特殊性，针对一类常见的断相故障，本文提出了利用母线电流脉动特性结合Hall位置信号来判断与定位故障点的方法。通过建模仿真，验证了该方法的有效性。1无刷电机工作等效电路模型以航空270V稀土永磁无刷直流电机

3、为例：定子绕组为三相六状态导通，对称Y形连接。假定电机气隙磁场为梯形波，顶宽为1200电角度。正常工作时，无刷电机运行周期由六个开关状态组成(如图1a所示)：VT6、vTl，VTl、VT2，VT2、VT3，vT3、vT4，vT5、VT6。由这六个导通状态可以求得电机正常工作时磁链轨迹如图1b所示，其中，A／B代表电流从A相流入B相流出，即开关管为VTl、VT6导通。A，CA／B(a)无刷电机驱动电路(b)无刷电机磁场波形图l无刷直流电机工作原理C／B由无刷电机相关理论可知，每一个导通状态可等效为两个分状态：定子绕组两相导通状态和定子绕组相两两切换暂态。由此可

4、建立起的无刷直流电机运行等效电路模型如图2所示。．109．。(a)A／B相导通时的等效电路+．(b)A／B向A／C导通切换时的暂态等效电路图2无刷直流电机运行时的等效电路2驱动电路母线电流脉动原因2．1由PWM调制引起的电流脉动假定逆变桥的调制模式为：Hon—Lpwm(上管常开，下管斩波)方式(以下实验调制方式相同)。以A／B导通状态为例，图2a)电路的回路方程为：毛一‰+2Ril+2(L-M)了a11=S玑Ⅱl其中，fa=ib=毛，io=O；S为开关管状态；R——相绕组电阻；￡——定子绕组自感；M——定子绕组互感。S=I时，vTl导通，相电流的流向为：“电

5、源+”一VTl—A—B—VT6_“电源．”，此时母线电流等于电机相电流；S--0时，VT6关断，相电流续流，电流流向为：VTl一A-+B—VD3_VTl，电机相电流不流经母线。由此得到结论：当逆变桥工作于占空比小于l的PWM调制模式时，电流呈增长——续流——增长变化趋势，开关频率决定导通相相电流中含有的高次谐波成分，即纹波幅值大小；开关导通时，母线电流即是电机的相电流，斩波关断时，相电流不流经母线，母线电流因此衰减，引起脉动(如图3所示)。2．2两相切换过程引起的换相脉动当A／B导通向觚导通状态切换瞬时，由图2b可得电路方程为：由以上方程解得：一面b秒m}⋯

6、一岷～啪氏⋯∽叫‘

7、

8、，图3PWM斩波引起的相电流脉动毛一‰+2嘲+她+2伍一M)拿dt+(L一肘)鲁=o毛一疋+她+2Rh+(L—M)鲁+2(￡一肘)警=％^：半+(il：一半，e上L-M厶：—2Uc+E—．-‰一—2Uc—+Eca‘3R．110．玉e吉r其中，毛=矗为续流相电流瞬时值，io=如为开通相电流瞬时值，fa=iI+之=ib+fc为常开相电流。可见，在换相瞬时，电机转速doffdt=o，各相反电势历=ecn=C。由于／1,≠io，且变化率《≠C，因此换相引起常通相电流i。的脉动(如图4所示)，相间电流越不平衡，脉动越明显；同时，母线电流(CTl处

9、)从常开相电流f。切换成fc，且《≠《，引起母线电流脉动，这是母线电流受换相影响，表现出明显的周期性脉动的主要原因，其脉动频率与电机每600的换相频率相同。换相是无刷电机运行所固有的图4换相过程引起电流脉动特性，因此各类文献中提到的脉动抑制方法是不能削去此现象的。基于以上分析得出：(1)母线电流只在上、下管同时导通时才等于电机相电流，PWM调制时，开关管关断产生的短暂续流过程，会引发母线电流脉动。(2)斩波续流引起的母线电流脉动，存在于每个600导通状态的相电流中，属高次谐波，谐波成分由斩波频率而定，但远高于电机换相频率。(3)换相引起的母线电流脉动在每个6

10、00导通状态切换时出现，其频率与电机转速有关，但远小