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DSPM电机的基本原理与故障模式

时间:2012/3/15 7:56:22  作者:中国电机网  来源:www.jinandianjin.cn  查看:137  评论:0
内容摘要:   自20世纪90年代初美国电机专家Lipo T A提出永磁双凸极( Doubly salient permanent mag- net, DSPM )电机以来,众多科技工作者对DSPM电机进行了广泛深入的研究,研究的重点主要集中于电机结构、原理分析,静态特性及控制策略等方面...

  自20世纪90年代初美国电机专家Lipo T A提出永磁双凸极( Doubly salient permanent mag- net, DSPM )电机以来,众多科技工作者对DSPM电机进行了广泛深入的研究,研究的重点主要集中于电机结构、原理分析,静态特性及控制策略等方面。但对DSPM电机电动运行中可能出现的故障及其机理研究却并未涉及。为保证DSPM电机的可靠电动运行,通常需要采用霍尔元件来间接地检测转子位置,从而把得到的三相霍尔信号进行逻辑变换,获得电机运行所需的换相信号。三相霍尔信号线P A, P B, P C从电机引出后需要与逻辑电路中对应的端子联接。另外,电机的三相绕组一般采用星形接法,公共端为N,另一端分别对应端子A,B, C,并分别与三相桥式变换器的三相桥臂中点相连。但工程师在接线过程中,可能会因为疏忽或其他原因,把这些连线接错,可能出现的错误有三相线的顺序接错,或三相霍尔线的顺序接错。此外,霍尔信号自身也可能出现故障,即恒为高电平或低电平,其电平不随转子位置变化而变化。出现这些故障后,电机的电动运行将受何影响,在现场调试中如何快速地判断并解决故障成为重要的实际问题。

  为此,本文首先简介了DSPM电机的基本原理及关系,列举了DSPM电机常见的故障模式,继而分别对霍尔信号线及三相线接线故障、霍尔信号本身故障进行了详细的机理分析,得出结论,并通过故障模拟及工程实践结果验证文中分析结论的正确性及实用性。

  1DSPM电机的基本原理永磁双凸极电机中,定、转子均为凸极齿槽结构,铁芯采用硅钢片叠压而成,定子上装有永久磁钢和集中电枢绕组,转子上无绕组。转子斜槽有一定角度后,三相绕组反电势逼近正弦电压,有利于减小齿谐波及其产生的不利于电机运行的转矩脉动,改善电机的运行性能。DSPM电机作为一种交流电机,为了实现电动运行,必须具备两个基本条件:(1)要有功率变换器,以控制电流;(2)要有电机转子位置信号,以使电流跟踪电势的变化而变化。

  12/ 8极DSPM电机采用三相桥式逆变电路供电,工作原理如所示。图中: V in为输入电压;功率场效应管A+~C-组成三相桥式逆变电路, A + , A-构成a相桥臂,与电机a相绕组相接; B+ , B-构成b相桥臂,与电机b相绕组相接; C+ , C-构成c相桥臂,与电机c相绕组相接。各相绕组电流的参考正方

  向均指向三相公共端N。电机转子位置检测器由固定在电机壳体的3个霍尔位置传感器和固定在转子上的8齿钢盘构成。转子旋转时位置传感器(机械制造离不开传感器)P A, P B和P C的输出信号如所示,每相的信号为180°方波,三相信号互差120°,电机正转时,三相位置信号P A, P B和P C及三相反电势e a, e b, e c的相位关系如所示。

  一周期内,三相霍尔位置信号的组合P A -P B - P C只可能有6种,即101, 100, 110, 010, 011和001.

  其中,“1”代表高电平,“0”代表低电平, P A -P B -P C不会出现000或111的情况,否则说明位置信号有误。2DSPM电机常见故障模式2. 1接线故障为便于阐述,电机三相线分别以e a, e b, e c表示,三相霍尔信号线分别以P A, P B, P C表示。e a, e b, e c与P A, P B, P C的排列组合共有36种,其中连线完全正确的1种情况为e a, e b, e c与P A, P B, P C一一对应,对应电机正转。其他可能的错误接线情况如下:( 1)霍尔信号连线接错、三相线连线正确( 5种)。三相线顺序为e a, e b, e c,三相霍尔线顺序变化为:P A, P C, P B;P B, P A, P C;P B, P C, P A;

  P C, P A, P B; P C, P B, P A;( 2)三相线连线接错、霍尔信号连线正确( 5种)。三相霍尔线顺序为P A, P B, P C,三相线顺序变化为:e a, e c, e b;e b, e a, e c;e b, e c, e a;e c, e a, e b; e c, e b, e a;( 3)霍尔信号连线及三相反电势连线均接错( 25种)。P A, P C, P B;P B, P A, P C; P B, P C, P A;P C, P A, P B; P C, P B, P A。的每种错误霍尔接线下,三相线均对应5种错误接线的情况,即e a, e c, e b; e b, e a, e c; e b, e c, e a;e c, e a, e b; e c, e b, e a。

  2. 2霍尔信号故障三相霍尔信号P A, P B, P C可能出现以下故障形式:( 1)一相霍尔故障恒为低电平,如: P A≡0;恒为高电平,如: P A≡1.

  (2)二相霍尔故障两相霍尔信号均恒为低电平,如: P A = P B≡0;一相霍尔信号恒为低电平,另一相霍尔信号恒为高电平: P A≡0, P B≡1;两相霍尔信号均恒为高电平,如: P A = P B≡1.

  (3)三相霍尔故障三相霍尔信号均恒为低电平,如: P A = P B = P C≡0;二相霍尔信号恒为低电平,另一相霍尔信号恒为高电平: P A = P B≡0, P C≡1;一相霍尔信号恒为低电平,另二相霍尔信号恒为高电平: P A≡0, P B = P C≡1;三相霍尔信号均恒为高电平,如: P A = P B = P C≡1.

  3霍尔信号线及三相线接线故障e a, e b, e c接线正确, P A, P B, P C接线错误,共有5种错误可能性。这里以两种典型情况说明。

  (1)三相霍尔信号线顺序变为P A, P C, P B如所示,一周期内三相霍尔信号的组合顺序变为: 110-100-101-001-011-010,开关管的导通顺序变化为: B+ , C-→A+ , C-→A+ , B-→C+ ,

  A -P C -P B B -→C+ , A-→B+ , A-.给出每个工作区间内电机出力情况分析。< 60°,120°>与< 240°,300°>区间内电机正转时的功率大于其他区间内电机反转时的功率,而反转区间数是正转区间数的两倍,故正负功率抵消,电机在其静止位置处抖动,但并不旋转。所示,一周期内三相霍尔信号的组合顺序变化为: 110-010-011-001-101-100;开关管的导通顺序为: B+ , C-→B+ , A-→C+ , A-→C+ ,B-→A+ , B-→A + , C-.给出每个工作区间内电机出力情况分析。

  各区间内电机均产生负功率,一相出力,出力减半,电机反转。因篇幅所限,文中未对所有错误接线情况进行一一分析,这里只给出分析结论,根据三相霍尔信号为正序或负序进行归类。

  ( 1)三相霍尔信号为正序三相霍尔信号为正序包括: P A -P B -P C, P B -P C - P A和P C -P A -P B。三相反电势共有以下几种工作情况: ( a)当三相反电势为反序时,包括: e a -e c -e b, e b -e a - e c、e c -e b -e a时,电机不旋转。( b)当三相反电势为正序时,电机旋转,但对应两种不同情况:当三相霍尔-P C -P A信号与三相反电势一一对应时,电机正常正转;当三相霍尔信号整体超前或滞后三相反电势120°,电机反转,出力减半。

  (2)三相霍尔信号为反序三相霍尔信号为反序包括: P C -P B -P A, P B -P A - P C, P A -P C -P B。三相反电势共有以下几种工作情况: ( a)当三相反电势为正序时,包括: e a -e b -e c, e b -e c - e a, e c -e a -e b时,电机不旋转。( b)当三相反电势为反序时,电机旋转,但对应两种不同情况:当三相霍尔信号与三相反电势一一对应时,电机正常正转;当三相霍尔信号整体超前或滞后三相反电势120°,电机反转,出力减半。

  归纳起来,在电机调整好霍尔位置后,却把霍尔信号线或/与电机三相线接错后,可能出现5种工作情况:电机正向旋转,出力正常;电机正向旋转,出力减小;电机反向旋转,出力正常;电机反向旋转,出力减小;电机不转。

  4霍尔信号故障对电机运行的影响分析这里以一相霍尔( P A)故障,恒为低电平为例,进行分析。如所示,一周期内三相霍尔信号的组合顺序变化为: 001-000-010-010-011-001,开关管的导通顺序为: C+ , B-→无开关管ON (D 2, D 3续流,直至b, c相绕组电流减小至零)→B+ , A -→B+ , A-→C+ , A-→C+ , B-.给出电机出力情况分析。电机初始状态不同时,其工作情况有所差异:电机静止时,一相霍尔信号已发生故障,恒为低电平( P A≡0)。若电机静止时,停在三相霍尔信号均为零的位置上,则电机无法起动旋转;若电机静止时,停在三相霍尔信号非全为零的位置上,则电机可以起动旋转,之后其工作情况与相同。

  电机在旋转过程中,一相霍尔信号突然发生故障,恒为低电平( P A≡0)。

  三相桥式功率变换器中,功率管A + , C-不再导通了。功率管B+ , A-的导通时间增长为原来的1. 5倍。电机出力明显减小,约为原来出力的一半。一相霍尔信号恒为低电平( P A≡0)P B或P C恒为低电平的情况与P A恒为低电平的情况分析类似,这里不再赘述。其他故障情况下的分析与上类似,类推可得结论。一相霍尔信号恒为低电平( P A≡0)时电机工作情况分析位置区间P A -P B -P C导通功率管总功率P转向出力情况< 60°,120°> 000均OFF P= 0静止2相静止< 180°,240°> 010 B+ , A- P = P a + P b > 0正转1相< 300°,360°> 001 C+ , B- P = P b + P c > 0正转1相< 0°,60°> 001 C+ , B- P = P b + P c > 0正转1相非静止< 120°,180°> 101 B+ , A- P = P a + P b > 0正转1相< 240°,300°> 011 C+ , A- P= P a + P c > 0正转

  5实验模拟及工程验证为验证文中分析,分别进行了接线故障及霍尔信号自身故障的模拟,测试电机工作情况。其故障模拟方法如下。

  5. 1三相线接线故障在保持负载一定的情况下,采用所示的实验接线图,保持电机控制器输入电压V in不变,DSPM电机的负载为直流电机,通过比较三相线在不同的接线方式下,控制器输入电流I in及电机工作状态来判断。给出三相线各种接线情况下电机工作状态分析。给出系统在闭环控制下工作时,不同三相接线下的电机相电流波形图。(a)对应三相线顺序正确,电机正转,三相绕组电流为正序,且正负电流宽度均为120°;(b)对应三相线顺序分别超前或滞后三相霍尔120°,电机反转,三相绕组电流变化为反序,而且因反转,电机霍尔与反电势的相位关系发生变化,使得电流尾巴偏于绕组; (c)对应三相线反序,因电机出力相互抵消,不能旋转。实验结果与以上分析一致,验证了文中关于接线故障机理分析的正确性。

  5. 2霍尔信号故障通过把每相霍尔常接低电平或常接高电平,从而模拟一相霍尔出现故障的工作情况。如(a)给出P B≡0故障后的三相电流波形,功率管B+ , A-不再导通了,功率管A + , B-的导通时间增长为原来的1. 5倍;给出P B≡1的三相电流波形,功率管A+ , B-不再导通了,功率管B+ , A-的导通时间增长为原来的1. 5倍。实验结果与前机理分析一致,验证了霍尔信号故障机理的正确性。

  6结束语本文对DSPM电机常见的故障模式进行了研究,分别对霍尔信号线及三相线接线故障、霍尔信号本身故障进行了详实的机理分析,得出结论,并通过故障模拟验证了分析结论的正确性,在电机参与的地面联试中遇到的文中所述的故障问题时,均能够迅速判断并排故解决,进一步说明其在工程实践中的实用性。

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