驅(qū)動(dòng)用微特電機(jī)及其控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)探討

陳 方

（中山大洋電機(jī)股份有限公司，廣東 中山 528400）

?

驅(qū)動(dòng)用微特電機(jī)及其控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)探討

陳 方

（中山大洋電機(jī)股份有限公司，廣東 中山 528400）

摘 要：在驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中，微特電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可靠性問(wèn)題影響到其能夠得到順利應(yīng)用，為此，加大對(duì)微特電機(jī)的研究，進(jìn)一步提高其可靠性，是避免故障、減少損失的前提。本文主要探討了微特電機(jī)的控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)，主要目的是為微特電機(jī)日后的應(yīng)用提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域；微特電機(jī)；控制系統(tǒng)；可靠性技術(shù)

0. 前言

20世紀(jì)30年代，微特電機(jī)開(kāi)始興起，它是應(yīng)軍事裝備、科學(xué)技術(shù)發(fā)展而快速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)技術(shù)，按照其用途可劃分為驅(qū)動(dòng)用微特電機(jī)和控制用微特電機(jī)兩種類型。對(duì)于驅(qū)動(dòng)用微特電機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換能量是其最主要的任務(wù)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。在微特電機(jī)及其控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電力電子器件不可避免地出現(xiàn)故障現(xiàn)象，影響到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，尤其是在軍事裝備以及航天等重要領(lǐng)域，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性要求更為嚴(yán)格。為此，加強(qiáng)對(duì)驅(qū)動(dòng)用微特電機(jī)系統(tǒng)可靠性技術(shù)的研究，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。在國(guó)際的相關(guān)研究成果中，把可靠性技術(shù)劃分為冗余和容錯(cuò)兩種方法。本文主要是從微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)主要故障進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出提高微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性建議，希望能夠引起國(guó)內(nèi)相關(guān)科研人員的高度重視，加大對(duì)驅(qū)動(dòng)用微特電機(jī)及其控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)研究，推動(dòng)國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

1. 可靠性理論概述

所謂的可靠性主要是指在規(guī)定的時(shí)間以及條件內(nèi)，產(chǎn)品可以順利完成某一規(guī)定功能的一種能力，或者說(shuō)是產(chǎn)品維持功能的時(shí)間。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中都得到了充分應(yīng)用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同的場(chǎng)合完成規(guī)定功能的能力也會(huì)存在差異。例如：對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，雖然它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有一部分發(fā)生了故障，但因?yàn)橄到y(tǒng)具備容錯(cuò)能力，為此可以帶故障繼續(xù)運(yùn)行，及時(shí)電動(dòng)出的轉(zhuǎn)速質(zhì)量在不斷地下降，這些故障不會(huì)影響到它的運(yùn)行。可以及時(shí)把電動(dòng)車送到維修店進(jìn)行維修，在這種情況下，可以說(shuō)電動(dòng)車在存在故障的情況下順利完成了規(guī)定的功能，它的功能并沒(méi)有失效。又例如，對(duì)于高射炮來(lái)說(shuō)，它的3個(gè)主要功能分別為射速、射程和命中精度3個(gè)方面，如果該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生了故障導(dǎo)致僅有兩個(gè)功能符合要求，這種情況下是不能說(shuō)明其順利完成規(guī)定的功能。所以，在判斷一個(gè)產(chǎn)品是否順利完成規(guī)定功能，首先需要把判斷故障的主要依據(jù)明確出來(lái)，接著再于實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)合分析。工況不同，判斷產(chǎn)品功能失效的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有所不同。

2. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要故障

一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障情況可劃分電氣故障和機(jī)械故障兩種。

不同的類型，其表現(xiàn)出來(lái)的故障也會(huì)存在差異。對(duì)于電機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部一般存在勵(lì)磁繞組和電樞繞組兩套繞組。因此，電機(jī)本體內(nèi)的主要故障主要是指勵(lì)磁繞組和電樞繞組兩套繞組發(fā)生短路或者斷路。對(duì)于永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，其電機(jī)體內(nèi)只有電樞繞組沒(méi)有勵(lì)磁繞組。在條件相同的情況之下，繞組發(fā)生故障的幾率往往比較低。但是，永磁電機(jī)自身也存在一定的局限性：因?yàn)橛来朋w主要是在轉(zhuǎn)子的表面進(jìn)行安裝且不容易冷卻，容易導(dǎo)致高溫發(fā)生退磁故障現(xiàn)象。在運(yùn)行環(huán)境一樣的條件之下，和其他一般的電機(jī)對(duì)比，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)生故障的幾率也是比較低，因?yàn)樵趦?nèi)部均不存在永磁體，也不存在繞組。

一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)本體故障主要分為以下幾種情況：

（1）繞組發(fā)生斷路。

（2）繞組匝間、繞組出線端、繞組相間發(fā)生短路。

（3）永磁體勵(lì)磁發(fā)生故障。

此外，驅(qū)動(dòng)電路的功率變換器故障也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障表現(xiàn)，一般可分為以下幾種：

（1）直流母線接地。

（2）輸入電源對(duì)地短路。

（3）開(kāi)關(guān)器件操作過(guò)程中發(fā)生失誤。

（4）功率開(kāi)關(guān)器件操作過(guò)程中，發(fā)生斷路。

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要具備高可靠性應(yīng)滿足以下幾個(gè)基本特征：電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)控制電路相間的電耦合、磁耦合、熱耦合可以達(dá)到最小，當(dāng)發(fā)生以上描述的各種故障的時(shí)候，可以及時(shí)對(duì)一部分故障進(jìn)行物理隔離，在最大程度上降低故障產(chǎn)生的影響，即發(fā)生一個(gè)或者多個(gè)故障的時(shí)候，電機(jī)依然可以在僅符合某一種技術(shù)指標(biāo)的條件下帶著故障繼續(xù)運(yùn)行，具備比較高的可靠性。

3. 如何進(jìn)一步提高微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性

一般來(lái)說(shuō)，可通過(guò)以下幾個(gè)有效途徑來(lái)進(jìn)一步提高微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性：

3.1 從驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)著手

不斷開(kāi)發(fā)高容錯(cuò)性的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是提高微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。在一般情況下，并聯(lián)冗余相和提高缺相容錯(cuò)能力的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高可靠性的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路需要具備一定的獨(dú)立性是兩者的前提要求。當(dāng)發(fā)生故障現(xiàn)象的時(shí)候，其他相會(huì)承擔(dān)這一部分的工作，不會(huì)給其他相的工作造成任何的影響。冗余技術(shù)可以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，并進(jìn)一步增強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。并對(duì)控制線路和相數(shù)進(jìn)行備份。雖然采用冗余結(jié)構(gòu)可在很大程度上提高驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，但是由于用相的驅(qū)動(dòng)電路增加了，也進(jìn)一步增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本，在一定程度上造成累贅以及浪費(fèi)。

3.2 從電機(jī)本體結(jié)構(gòu)著手

電機(jī)本體自身具有良好的容錯(cuò)性，對(duì)于SR電機(jī)來(lái)說(shuō)，雙凸極是其主要的結(jié)構(gòu)，磁體、繞組、電刷等都沒(méi)有在轉(zhuǎn)子上安裝，由于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，當(dāng)其處在高速度運(yùn)行狀態(tài)系的時(shí)候可以降低故障發(fā)生幾率。集中繞組是R電機(jī)定子主要采用的方式，從空間上來(lái)分析，相對(duì)的定子極串聯(lián)形成一相，所以它們之間是相對(duì)獨(dú)立的，這種獨(dú)立又可以分為電路的獨(dú)立和磁路的獨(dú)立。當(dāng)發(fā)生短路或者斷路等故障的時(shí)候，不會(huì)給其他相關(guān)的工作造成影響，利用檢測(cè)裝置，對(duì)故障及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并及時(shí)在該系統(tǒng)把該相進(jìn)行切除，防止電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)故障。當(dāng)電流一定的時(shí)候會(huì)不但會(huì)促使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不斷變大，還會(huì)促使平均轉(zhuǎn)矩不斷下降，為了提高電機(jī)在斷路故障下的運(yùn)行特性，把驅(qū)動(dòng)電路分別于每一個(gè)極下的繞組互相進(jìn)行連接。如果在運(yùn)行的過(guò)程中，某一極繞組發(fā)生了故障，且該極下繞組電壓為零，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要是由該相的另外一極的繞組來(lái)產(chǎn)生。但是，當(dāng)SR電處在這種結(jié)構(gòu)下發(fā)生故障的時(shí)候，不但會(huì)產(chǎn)生比較大的徑向力，還會(huì)導(dǎo)致電磁力產(chǎn)生不平衡感。針對(duì)這些存在的問(wèn)題，使用雙繞組結(jié)構(gòu)的SR電機(jī)進(jìn)行布局可以進(jìn)行彌補(bǔ)。

3.3 從傳感集成技術(shù)著手

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，傳感器是重要的組成部分，發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。與此同時(shí)，它也其中一個(gè)安全隱患之一，長(zhǎng)時(shí)間使用之后，受到各種因素的影響，傳感器會(huì)出現(xiàn)不同程度地?fù)p壞，加之灰塵會(huì)給光電信號(hào)造成阻擋，容易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，給整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。為此，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳感器集成技術(shù)方面還需要進(jìn)一步深入研究，才能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

在無(wú)位置傳感器技術(shù)方面，很多國(guó)外相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，并或缺了很多成果，總結(jié)出很多方法。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法主要是通過(guò)構(gòu)造一個(gè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)電路，而不是在定子上直接安裝位置傳感器。采用較為先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，主要從硬件、軟件兩個(gè)方面來(lái)著手，電機(jī)本身具備一定的電壓、電流參數(shù)，可以充分借助這些參數(shù)達(dá)到獲取轉(zhuǎn)子的位置信息的目的。續(xù)流二極管法、查表計(jì)算法、反電勢(shì)法以及查表計(jì)算法等等都是經(jīng)常被使用到的方法，且都比較成熟。此外，在國(guó)外有很多類型的研究成果，研究者主要借助相關(guān)的軟件和硬件對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度傳感器以及電流傳感器進(jìn)行研究，并取得了較為理想的研究成果，這些成果為日后微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展以及應(yīng)用提供了有效的借鑒和參考。

結(jié)語(yǔ)

綜上可知，對(duì)高可靠性的微特電機(jī)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文分析了可靠性工程的基本原理，并探討了提高微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的有效途徑，雖然對(duì)于微特電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性技術(shù)的研究取得了一定的成果，但由于起步較晚，技術(shù)還未完善，理論和技術(shù)還需要加以完善。

參考文獻(xiàn)

［1］牒正文.微特電機(jī)發(fā)展概況及建議［J］.電工技術(shù)雜志，2015，23（6）：445-447.

［2］陸剛.我國(guó)微特電機(jī)行業(yè)發(fā)展分析［J］.電器工業(yè)，2015，16（10）：90-93.

［3］微特電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)及產(chǎn)品出口與企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)——第14屆微特電機(jī)及控制學(xué)術(shù)年會(huì)［J］.微電機(jī)，2015，17（4）：224-226.

中圖分類號(hào)：TM351

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A