晏 杰 閆英敏 趙 霞

(軍械工程學院電氣工程系，河北 石家莊 050003)

0 引言

伺服驅(qū)動器是交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，它的驅(qū)動對象是交流方波同步電動機，即無刷直流電動機。由于伺服驅(qū)動器具有體積小、質(zhì)量輕、調(diào)速方便、運行性能良好等優(yōu)點［1］，因此已越來越多地應用在武器裝備高精度定位系統(tǒng)中。目前，伺服驅(qū)動器作為伺服系統(tǒng)的核心組成部分，它的廣泛應用使得相應的故障檢測方法變得日益重要。武器裝備的特殊性更加要求伺服驅(qū)動器能夠可靠運行，因此需要對它的故障檢測方法進行研究。

本文基于對某型火炮伺服驅(qū)動器幾種故障模態(tài)的理論分析和Simulink仿真，給出了它在不同故障模態(tài)下的故障特征信息，并據(jù)此提出了一種伺服驅(qū)動器在線故障檢測的思路。

1 伺服驅(qū)動器仿真模型的建立

伺服驅(qū)動器是一個自動調(diào)速系統(tǒng)，它用來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。為提高系統(tǒng)的靜差率、減小轉(zhuǎn)速的擾動、同時提高系統(tǒng)反應的快速性和抗干擾能力，對采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的某型火炮伺服驅(qū)動器進行了研究。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI控制算法，采用三相六狀態(tài)120°導通方式對無刷直流電動機進行控制，并采用PWM驅(qū)動方式實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。調(diào)速系統(tǒng)的基本參數(shù)設置如表1所示。

表1 調(diào)速系統(tǒng)的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of governing system

1.1 無刷直流電動機與逆變器模塊

無刷直流電機本體采用Simulink/SimPowerSystems庫中自帶的模塊即永磁同步電動機(permanent magnet synchronous machine，PMSM)［2］。其反電動勢波形設置為梯形。逆變器是由6個帶有續(xù)流二極管的IGBT搭建而成的三相全橋逆變電路。

1.2 PWM 生成模塊

PWM生成模塊的原理是:將電流調(diào)節(jié)器的輸出信號與一個固定頻率的三角波進行比較，就得到可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的PWM波。三角波的頻率采用20 kHz。

1.3 換向邏輯譯碼器模塊

換向邏輯譯碼器的作用是將轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的Hall信號Ha、Hb、Hc轉(zhuǎn)換成決定逆變器的6個開關管導通與關斷的信號g1～g6，使定子繞組按照一定的順序進行換流［3－4］。

本文所研究的伺服驅(qū)動器中逆變橋的工作方式為兩相導通模式，即每一瞬間有兩個功率開關管導通，每隔1/6電角度周期(60°電角度)換向一次。功率開關管 V1～V6的導通順序依次為:V6、V1導通，V1、V2導通，V2、V3導通，V3、V4導通，V4、V5導通，V5、V6導通。三相Hall信號和功率開關管通斷狀態(tài)之間的換向邏輯規(guī)則如表2所示。

表2 中:Ha、Hb、Hc分別為 A 相、B 相、C 相 Hall信號;V1～V6表示功率開關管，其狀態(tài)值為“1”時表示導通，值為“0”時表示關斷。

逆變器采用單斬的PWM調(diào)制方式對上橋臂的3個功率開關管V1、V3、V5進行PWM調(diào)制，故逆變器中功率開關管觸發(fā)信號邏輯表達式為:

式中:g1～g6分別為控制功率開關管V1～V6的觸發(fā)信號;Ha、Hb、Hc為轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的三相Hall信號，取值為邏輯“1”或“0”分別為對 Ha、Hb、Hc進行邏輯非操作后的信號;PWM為PWM生成模塊輸出的PWM信號。

由式(1)建立換向邏輯譯碼器模塊，并將其創(chuàng)建為子系統(tǒng)“譯碼器”。

表2 換向邏輯規(guī)則Tab.2 Logical rules of changing direction

在Matlab/Simulink中建立的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖1所示［5－6］。其中，邏輯模塊“邏輯門1”和“邏輯門2”都是用來模擬伺服驅(qū)動器中發(fā)生的故障。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Simulation model of the governing system

2 伺服驅(qū)動器故障模式分析

伺服驅(qū)動器中常見的故障包括逆變器中功率開關管的開路和短路故障。過壓、過流及工作溫度過高都會損壞功率開關器件，造成功率開關管開路和擊穿短路兩種故障［7－8］。下面對逆變器中的開關管開路和短路兩大類故障進行詳細分析。

2.1 逆變器中功率開關管開路

功率開關管開路故障模態(tài)又具體分為兩種情況:①發(fā)生開路故障的開關管是電機啟動初始時刻應導通的開關管;②發(fā)生開路故障的開關管不是電機啟動初始時刻應導通的開關管。以A相上橋臂開關管V1和C相上橋臂開關管V5為例進行分析。

假設V1是電機啟動初始時刻應導通的開關管，當V1在電機啟動前就已經(jīng)發(fā)生開路故障，則在電機啟動時，繞組中沒有電流，因此電機不能旋轉(zhuǎn)，啟動失敗。此時三相Hall器件發(fā)出的Hall信號保持為表2所示的某一有效狀態(tài)。而當V1在電機運行過程中發(fā)生開路故障時，由表2可知，三相全橋逆變器工作的6個狀態(tài)中有2個狀態(tài)為無效工作狀態(tài)，A相繞組在這2個無效工作狀態(tài)中沒有電流，電磁轉(zhuǎn)矩為0，電機轉(zhuǎn)速急劇下降。但是電機依靠自身的機械慣性可以轉(zhuǎn)過這2個狀態(tài)區(qū)間，只是轉(zhuǎn)過這2個狀態(tài)區(qū)間所需的時間比正常狀態(tài)下長，會超過整個時間周期的1/3。當電機進入其他正常工作狀態(tài)區(qū)間后，轉(zhuǎn)速又隨之上升。因此，轉(zhuǎn)速波動很大，且平均值與正常值相比有所減小。

由上述分析可知，A相繞組只能通過反向電流，直流母線電流在1/3電角度周期內(nèi)為0，且持續(xù)時間超過整個時間周期的1/3。同時，電機為了跟蹤給定的轉(zhuǎn)速，A相反向電流的峰值，B相、C相和直流母線電流的峰值會有所增大。

假設V5不是電機啟動初始時刻應導通的開關管，當V5在電機啟動前就已經(jīng)發(fā)生開路故障，則在電機啟動時，繞組中正常流過電流，電機正常啟動。但啟動后系統(tǒng)的運行狀況和當V5在電機運行過程中發(fā)生開路故障時系統(tǒng)的運行狀況一樣，均類似于V1在電機運行過程中發(fā)生開路故障，即C相繞組只能通過反向電流，直流母線電流在1/3電角度周期內(nèi)為0，且持續(xù)時間超過整個時間周期的1/3;C相反向電流的峰值，A相、B相和直流母線電流的峰值均會有所增大。

2.2 逆變器中功率開關管短路

當開關管擊穿短路后，其將不受門極觸發(fā)信號的控制而一直處于導通狀態(tài)。以開關管V1為例進行分析。如果V1發(fā)生短路故障，當電機運行進入V3、V4應當導通的狀態(tài)時，直流電源側將發(fā)生短路，直流母線將會流過非常大的電流，在此種情況下必須采取有效的保護措施，避免電路被燒毀［9－10］。由以上分析可知，可以通過檢測直流母線電流是否超過某一限定值來檢測該類故障。

3 伺服驅(qū)動器故障模態(tài)仿真

首先對伺服驅(qū)動器進行正常工作狀態(tài)下的仿真，設置負載轉(zhuǎn)矩為0.15 N·m。電機啟動初始階段的三相電流波形如圖2所示。

圖2 正常啟動時的電流波形Fig.2 Current curves when motor started normally

通過觀察三相電流波形，可知電機啟動初始時刻應導通的開關管是V1和V6;由表2可知，初始時刻三相Hall器件發(fā)出的信號為“101”。

3.1 逆變器中開關管開路故障仿真

通過設置V1從初始時刻一直開路來模擬V1在電機啟動之前就發(fā)生開路故障。為防止初始時刻負載轉(zhuǎn)矩導致電機反轉(zhuǎn)而造成此種故障模態(tài)仿真失敗，需設置負載轉(zhuǎn)矩為0。電路仿真得到的電機三相電流、直流母線電流均為0。這與理論分析一致。

通過設置V1在0.06 s發(fā)生開路故障來模擬V1在電機運行過程中發(fā)生開路故障。設置負載轉(zhuǎn)矩為0.15 N·m，電路仿真得到的電機三相電流和直流母線電流波形如圖3所示。

通過設置V5從初始時刻一直開路來模擬V5在電機啟動之前就發(fā)生開路故障。設置負載轉(zhuǎn)矩為0.15 N·m，電路仿真得到的電機三相電流和直流母線電流波形如圖4所示。

由圖3可知，V1在0.06 s發(fā)生故障后，A相繞組只通過反向電流，直流母線電流在1/3電角度周期內(nèi)為0，且持續(xù)時間超過整個時間周期的1/3。同時，A相反向電流的峰值，B相、C相和直流母線電流的峰值有所增大。這與理論分析一致。

由圖4可知，C相繞組只能通過反向電流，直流母線電流在1/3電角度周期內(nèi)為0，且持續(xù)時間超過整個時間周期的1/3。同時，C相反向電流的峰值，A相、B相和直流母線電流的峰值比正常情況下有所增大。這與理論分析一致。

3.2 逆變器中開關管短路故障仿真

設置V1在0.06 s發(fā)生短路故障，負載轉(zhuǎn)矩為0.15 N·m，電路仿真得到的電機三相電流和直流母線電流波形如圖5所示。

由圖5可知，V1在0.06 s發(fā)生短路故障后，當電機運行進入V3、V4應當導通的狀態(tài)時，直流母線流過非常大的電流。這與理論分析一致。

圖5 V1在0.06 s發(fā)生短路時電流波形Fig.5 Current curves when V1is short at 0.06 s

4 結束語

本文根據(jù)某型火炮伺服驅(qū)動器的工作原理，在Matlab/Simulink中建立了仿真模型。對伺服驅(qū)動器中常見的逆變器中功率開關管開路和短路2大類典型故障模態(tài)進行了詳細的理論分析，說明了伺服驅(qū)動器在不同的故障模態(tài)下具有的故障特征，并對2大類故障模態(tài)進行了仿真。仿真結果證明了理論分析的正確性，表明通過對伺服驅(qū)動器實際運行時的電機三相電流和直流母線電流進行檢測，并將這些量與系統(tǒng)正常運行時的估計值進行比較和分析，即可提取故障信息，實現(xiàn)對上述2類故障的診斷。本文為實現(xiàn)某型火炮伺服驅(qū)動器的故障檢測提供了一種思路。

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