劉航宇,馬瑞卿

(1.南京航天航空大學(xué) 長空學(xué)院,江蘇 南京 211106；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,西安 710072)

0 引 言

航空燃油泵是航空飛行器的關(guān)鍵部件之一，主要功能是按照飛機(jī)需求，將燃油可靠地輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)，以獲取飛行器所需的發(fā)動(dòng)機(jī)推力，因此燃油泵性能的好壞將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和航空飛行器的飛行安全，地位特殊，作用重大。為了減輕渦輪燃油泵系統(tǒng)的能量消耗，提高供油效率，電動(dòng)航空燃油泵大量地應(yīng)用在燃油泵系統(tǒng)中[1-2]，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)燃油泵實(shí)物圖

稀土永磁無刷直流電機(jī)(BLDCM)由于其體積小、質(zhì)量輕、散熱容易、可靠性高等特點(diǎn)，近年來得以在各領(lǐng)域迅速推廣應(yīng)用[3-8]。通常航空飛行器上用到的燃油泵，均采用了稀土永磁BLDCM作為其驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為燃油泵提供所需的動(dòng)力。故稀土永磁BLDCM在燃油系統(tǒng)中扮演著重要的角色，其可靠性、壽命和控制性能將直接影響到整個(gè)航空飛行器的安全[9]。

通常情況下，雖然BLDCM處于密閉環(huán)境中，但是在燃油泵工作時(shí)，受到自身電機(jī)本體設(shè)計(jì)等內(nèi)部因素或溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等外部環(huán)境的影響，在極端情況下，可能會(huì)發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障，若不及時(shí)處理，可能會(huì)使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)甚至停轉(zhuǎn)，以至航空燃油泵無法正常工作[10]。

本文重點(diǎn)研究了燃油泵用BLDCM發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一套BLDCM堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制機(jī)制；在BLDCM數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立了燃油泵用BLDCM本體的仿真模型。運(yùn)用實(shí)際電機(jī)技術(shù)指標(biāo)，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。通過開發(fā)合適的仿真功能模塊，完成了對(duì)BLDCM堵轉(zhuǎn)故障應(yīng)急控制機(jī)制仿真，驗(yàn)證了BLDCM驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性和可靠性。編制了BLDCM堵轉(zhuǎn)及故障應(yīng)急控制軟件，注入到已有的泵用BLDCM控制器中，借助燃油泵用BLDCM試驗(yàn)臺(tái)，完成了BLDCM堵轉(zhuǎn)故障條件下的故障檢測(cè)與應(yīng)急控制機(jī)制驗(yàn)證。

1 航空燃油泵的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

航空燃油泵是飛機(jī)燃油系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為發(fā)動(dòng)機(jī)輸送燃油以提供動(dòng)力，燃油泵的性能對(duì)飛機(jī)的動(dòng)力性及機(jī)動(dòng)性具有直接影響。隨著航空技術(shù)的不斷進(jìn)步，燃油泵也在逐漸向高轉(zhuǎn)速、高可靠性和大功率等方向發(fā)展[11-12]。BLDCM驅(qū)動(dòng)燃油泵的工作原理如圖2所示。

圖2 航空燃油泵工作結(jié)構(gòu)示意圖

電動(dòng)燃油泵內(nèi)置于燃油箱內(nèi)，一般浸入燃油中使用。電動(dòng)燃油泵主要由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直聯(lián)一個(gè)離心渦輪泵構(gòu)成，泵體部分主要由葉輪、外殼和泵蓋組成。

燃油泵工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪泵葉片旋轉(zhuǎn)，葉輪帶動(dòng)燃油旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下，葉片通過縱向旋渦和徑向旋渦將能量傳遞給燃油，使燃油產(chǎn)生壓力，進(jìn)而將燃油從進(jìn)油器吸入，流經(jīng)電動(dòng)燃油泵的蝸殼內(nèi)部，再從出油口壓出，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定流量和壓力的燃油供給。

2 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制技術(shù)分析

電機(jī)在控制器發(fā)出起動(dòng)指令后開始運(yùn)行，正常狀態(tài)下，經(jīng)過一段時(shí)間后反饋轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。在一些特殊情況下，電機(jī)會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，母線電流急速增大，大電流會(huì)對(duì)電機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀控制器。

2.1 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障分析

BLDCM的靜態(tài)端電壓方程式為

U=I·2Ra+2·ΔU+E

(1)

機(jī)械特性表達(dá)式為

(2)

式中：Ce為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；CT為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Φδ為空間合成磁場(chǎng)的磁通量；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；U為電機(jī)電源電壓；ΔU為開關(guān)管的飽和管壓降；Ra為電機(jī)一相繞組電阻。

又令：

(3)

式中：n0為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

則式(2)可以寫成：

(4)

由式(4)可知，在U恒定時(shí)，n與Tem成線性反比關(guān)系，其機(jī)械特性圖如圖3所示。

圖3 BLDCM的機(jī)械特性圖

當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障后，轉(zhuǎn)速n變?yōu)?，在U不變的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩輸出最大值。又因?yàn)門em∝I，故當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，電機(jī)母線電流會(huì)快速變大，從而使得電機(jī)定子電樞繞組發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)燒毀電機(jī)甚至控制器。

2.2 電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方法

當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，在任意時(shí)刻只有固定的兩相繞組在一直導(dǎo)通，電機(jī)轉(zhuǎn)速接近0或降為0。此時(shí)反電動(dòng)勢(shì)極小或?yàn)?，電機(jī)導(dǎo)通的兩相繞組上承受所有母線電壓，因此，此時(shí)母線電流會(huì)快速增加，迅速達(dá)到控制系統(tǒng)設(shè)定的電流保護(hù)閾值，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生火災(zāi)。故本控制系統(tǒng)選用電機(jī)轉(zhuǎn)速和母線電流來綜合檢測(cè)判斷電機(jī)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障。

(1) 起動(dòng)過程中堵轉(zhuǎn)故障判斷條件。綜合上面的分析和結(jié)論，在電機(jī)起動(dòng)過程中，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置一個(gè)固定的采樣周期Δt，通過測(cè)量不同時(shí)刻的反饋轉(zhuǎn)速，可算出區(qū)間內(nèi)其轉(zhuǎn)速變化量Δn，然后計(jì)算出該采樣周期Δt內(nèi)的轉(zhuǎn)速平均變化率：

k=Δn/Δt

(5)

其中，k>0，表示該采樣周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升；k<0，表示該采樣周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

若控制系統(tǒng)在連續(xù)三個(gè)采樣周期內(nèi)滿足以下條件：k<0且Ibus≥|Ibus_max|，則判定電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障。

(2) 運(yùn)行過程中堵轉(zhuǎn)故障判斷條件。在電機(jī)正常運(yùn)行過程中，電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速nf始終穩(wěn)定運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)速ng左右，母線電流測(cè)量值Ibus也小于母線電流保護(hù)閾值|Ibus_max|，此時(shí)增加轉(zhuǎn)速變化量Δn來判斷電機(jī)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障：

(6)

若控制系統(tǒng)在連續(xù)三個(gè)采樣周期內(nèi)滿足式(5)條件，則判定電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障。

2.3 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障的應(yīng)急控制

通常情況下，航空飛行器的燃油泵系統(tǒng)處于密閉環(huán)境中，當(dāng)燃油泵采用單余度(或單通道)BLDCM系統(tǒng)時(shí)，燃油泵濾網(wǎng)膜破損、燃油中存在細(xì)小雜質(zhì)顆粒、定轉(zhuǎn)子氣隙之間存在多余物、電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突然變大、電機(jī)主軸被抱死或電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間掃膛等情況發(fā)生后，就有可能使得電機(jī)發(fā)生過載甚至堵轉(zhuǎn)等嚴(yán)重故障。

在一般應(yīng)用領(lǐng)域中，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障可以在停機(jī)后人為的進(jìn)行排查予以排除，堵轉(zhuǎn)故障對(duì)系統(tǒng)的整體影響基本上是可控的。

但是在大多數(shù)航空、航天飛行器上，限于故障排除的可操作性，無法及時(shí)排除或根本就沒有進(jìn)行手動(dòng)排除故障的可能性(例如發(fā)射出去后的飛行器)，在堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生后，伴隨著BLDCM系統(tǒng)的停機(jī)，與其相關(guān)聯(lián)的燃油泵系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)飛行器系統(tǒng)會(huì)受到極大的影響，嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)使得飛行器失去動(dòng)力墜毀。

因此，在航空飛行器燃油泵用BLDCM發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，為了有效避免或防止上述航空飛行器嚴(yán)重事故的發(fā)生，本論文在傳統(tǒng)的堵轉(zhuǎn)故障停機(jī)保護(hù)基礎(chǔ)上，采用相應(yīng)的應(yīng)急控制機(jī)制來控制處理電機(jī)發(fā)生的堵轉(zhuǎn)故障，目的在于提高電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生后燃油泵系統(tǒng)恢復(fù)或復(fù)活的幾率。

首先歸納出燃油泵用BLDCM在運(yùn)行過程中發(fā)生堵轉(zhuǎn)及堵轉(zhuǎn)后的3種可能運(yùn)行變化情況：

(1) 由于外界油壓、溫度或其他因素作用的變化，使得電機(jī)所帶的燃油泵負(fù)載突然增大，即過載，但是在經(jīng)過一段時(shí)間后，燃油泵負(fù)載又恢復(fù)正常狀態(tài)。

(2) 由于各種原因使電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，但是在經(jīng)過一段時(shí)間后，故障自動(dòng)消除。

(3) 由于各種原因使電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，但是在經(jīng)過一段時(shí)間后，故障繼續(xù)存在，即此時(shí)發(fā)生永久性堵轉(zhuǎn)故障。

通過分析歸納以上各種故障情況，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)堵轉(zhuǎn)應(yīng)急控制機(jī)制示意圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)堵轉(zhuǎn)應(yīng)急控制系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，在燃油泵電機(jī)正常運(yùn)行過程中(ng=11 000 r/min)，控制系統(tǒng)周期實(shí)時(shí)的對(duì)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控與關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)速、母線電流等關(guān)鍵參量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的分析與判斷：

(1) 若電機(jī)轉(zhuǎn)速，母線電流等參數(shù)在正常范圍內(nèi)，則電機(jī)繼續(xù)保持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

(2) 若電機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min≤n<11 000 r/min，且母線電流大于正常額定值但小于設(shè)定閾值，則判斷電機(jī)發(fā)生過載。此時(shí)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不做停機(jī)處理，并通過降低PWM占空比來使電機(jī)降額運(yùn)行。在降額運(yùn)行期間，若控制系統(tǒng)檢測(cè)到故障消失，則立即使電機(jī)恢復(fù)額定狀態(tài)運(yùn)行。

(3) 若電機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min≤n<5 000 r/min，且母線電流大于正常額定值但小于設(shè)定閾值，則控制系統(tǒng)判斷電機(jī)發(fā)生機(jī)械性堵轉(zhuǎn)故障。此時(shí)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過降低PWM占空比來使電機(jī)降額運(yùn)行，在降額運(yùn)行期間，若故障消失，則立即使電機(jī)恢復(fù)額定狀態(tài)運(yùn)行。

(4) 若電機(jī)轉(zhuǎn)速n<300 r/min，且連續(xù)三個(gè)周期出現(xiàn)Δn=ng-nf>1 000,k<0且Ibus≥|Ibus_max|，則判定電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障。此時(shí)，首先將PWM占空比降低一半，使電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行；若控制器在降低PWM占空比運(yùn)行階段中再次檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)故障，則立刻切斷六路PWM，使電機(jī)停機(jī)。待1 s(具體可根據(jù)情況而定)后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行重啟。在重啟階段，控制器實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若電機(jī)溫度T≤120 ℃(具體可根據(jù)情況而定)，且控制器自檢無故障，控制器堵轉(zhuǎn)故障應(yīng)急控制系統(tǒng)就會(huì)持續(xù)的進(jìn)行工作，即持續(xù)間斷的對(duì)電機(jī)進(jìn)行重啟；若堵轉(zhuǎn)故障在某一時(shí)刻消失，則電機(jī)在下一個(gè)重啟過程后恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，即燃油泵系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，從而保證了航空飛行器的穩(wěn)定和安全。

3 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制仿真

3.1 BLDCM的數(shù)學(xué)模型

電機(jī)電樞電壓方程：

(7)

式中：uA、uB、uC分別為電樞繞組相電壓；iA、iB、iC分別為電樞繞組相電流；eA、eB、eC分別為電樞繞組的相反電動(dòng)勢(shì)；Ra、Rb、Rc分別為電樞繞組相電阻；L為每相定子繞組自感；M為每相定子繞組互感。

由于BLDCM的定子繞組為Y形連接，三相定子繞組完全對(duì)稱，其三相定子電流之和為0，即iA+iB+iC=0,且Mab=Mac=Mbc=Mba=Mcb=Mca,Ra=Rb=Rc，La=Lb=Lc，結(jié)合式(7)，代入整理后可得：

(8)

BLDCM的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Te=(eAiA+eBiB+eCiC)/ω

(9)

3.2 控制系統(tǒng)仿真模型

燃油泵用BLDCM控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示，主要包含電機(jī)本體模塊、轉(zhuǎn)速電流閉環(huán)控制模塊、三相功率逆變器模塊、霍爾信號(hào)模塊和故障檢測(cè)等模塊。

圖6為BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型，通過搭建此模型，可以對(duì)燃油泵用BLDCM的各種運(yùn)行及應(yīng)急控制特性進(jìn)行分析，主要包括：轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及電機(jī)各種故障模式的應(yīng)急控制仿真分析等。電機(jī)轉(zhuǎn)速控制由電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)雙閉環(huán)完成。轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入為轉(zhuǎn)速指令n*，轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器的輸出作為電流環(huán)的輸入，依據(jù)電流環(huán)的輸出生成PWM波，進(jìn)而控制三相逆變器開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)分析。

圖5 BLDCM控制系統(tǒng)框圖

圖6 BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型

3.3 系統(tǒng)仿真參數(shù)

本文研究的燃油泵用電機(jī)為一臺(tái)10 kW、11 000 r/min、2極的BLDCM，該電機(jī)所采用的控制方法為定向磁場(chǎng)控制(FOC)。其控制器輸入電壓為28 V，所用永磁材料為釹鐵硼強(qiáng)磁磁鐵(N35SH)。借助已有的燃油泵用BLDCM試驗(yàn)平臺(tái)，后續(xù)電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障和堵轉(zhuǎn)應(yīng)急控制的仿真和試驗(yàn)均基于該電機(jī)完成。本文研究的燃油泵用BLDCM的具體參數(shù)，如表1所示。

表1 燃油泵用BLDCM主要參數(shù)

3.4 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障仿真

圖7為BLDCM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至0.13 s時(shí)，突然發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)的三相電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形。

圖7 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障仿真波形圖

由圖7可知，電機(jī)在0.05 s之前為起動(dòng)階段，0.05 s 后到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在0.13 s時(shí)，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障(將負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大4倍，模擬堵轉(zhuǎn)故障)，從圖7中可以看出，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)三相相電流逐漸增大到電流保護(hù)值，并且電流頻率降低，電磁轉(zhuǎn)矩急劇增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速于0.17 s左右下降至0。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)?時(shí)，電機(jī)被完全堵轉(zhuǎn)，此時(shí)，B相電流為0，A相和C相電流為限流幅值200 A，A相和C相繞組長時(shí)間有大電流流過，長時(shí)間通過大電流會(huì)對(duì)控制器產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞。

3.5 電機(jī)堵轉(zhuǎn)應(yīng)急控制仿真

根據(jù)堵轉(zhuǎn)故障消失的時(shí)間，本文按以下兩種情況研究堵轉(zhuǎn)故障:(1) 堵轉(zhuǎn)故障在堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序進(jìn)行動(dòng)作之前消失;(2) 堵轉(zhuǎn)故障在堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序動(dòng)作之后消失。圖8和圖9分別為針對(duì)這兩種情況的仿真圖。

圖8 堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序未動(dòng)作仿真波形圖

圖9 堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序動(dòng)作后仿真波形圖

如圖8所示，0.15 s時(shí)刻前，系統(tǒng)在額定狀態(tài)下運(yùn)行。0.15 s時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，經(jīng)過綜合分析判斷，系統(tǒng)在約0.16 s時(shí)判定發(fā)生了堵轉(zhuǎn)故障。此時(shí)立刻降低PWM，由圖8可知，在降低PWM后，電機(jī)相電流幅值明顯減小，電磁轉(zhuǎn)矩突降，電機(jī)轉(zhuǎn)速也快速下降。由于此刻還未達(dá)到堵轉(zhuǎn)保護(hù)值，故電機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，從0.16～0.2 s，電機(jī)相電流幅值逐漸增大，頻率減小，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大。在0.2 s，堵轉(zhuǎn)故障消失，電機(jī)系統(tǒng)在0.21 s檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)故障消失。此時(shí)電機(jī)立刻進(jìn)入恢復(fù)起動(dòng)階段，并在0.24 s恢復(fù)額定運(yùn)行狀態(tài)。

由圖8可知，由于有應(yīng)急控制機(jī)制的存在，電機(jī)在檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)故障后，并未直接保護(hù)停機(jī)，而是經(jīng)過降額運(yùn)行，使得電機(jī)保持了一段時(shí)間的低速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)堵轉(zhuǎn)故障消失在堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序動(dòng)作之前時(shí)，電機(jī)立刻恢復(fù)正常運(yùn)行條件，并及時(shí)恢復(fù)到額定狀態(tài)，保證了電機(jī)運(yùn)行的連續(xù)性。

圖9為堵轉(zhuǎn)故障在堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序動(dòng)作之后消失的仿真示意圖，在0.2 s之前，動(dòng)作與圖8所示相同。在0.22 s，電機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎降為0，電流達(dá)到設(shè)定閾值，此時(shí)電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序動(dòng)作，關(guān)斷六路功率管，由于逆變器功率管全部關(guān)閉，電機(jī)三相電流和電磁轉(zhuǎn)矩的值快速降至0。之后每隔0.1 s(為便于描述仿真結(jié)果，這里將重啟間隔時(shí)間由1 s改為0.1 s，且忽略電機(jī)溫度判定條件)電機(jī)會(huì)嘗試一次重啟，若堵轉(zhuǎn)故障存在，則重啟失??；若堵轉(zhuǎn)故障消失，則開始重啟。由圖9可知，由于堵轉(zhuǎn)故障在0.28 s消失，電機(jī)在0.3 s開始重啟，并在0.35 s恢復(fù)到額定運(yùn)行狀態(tài)。

4 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制機(jī)制驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制程序模塊開發(fā)

電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制程序流程圖如圖10所示。電機(jī)在正常穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控，若測(cè)量的轉(zhuǎn)速和母線電流符合式(5)，則電機(jī)應(yīng)急控制系統(tǒng)判定此時(shí)發(fā)生了電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障。應(yīng)急控制機(jī)制立即響應(yīng)，首先降低PWM，并實(shí)時(shí)監(jiān)控各參量變化情況，若母線電流、轉(zhuǎn)速等參量仍然符合堵轉(zhuǎn)檢測(cè)條件，則起動(dòng)堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序，立即封鎖PWM信號(hào)。之后控制器實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若電機(jī)溫度T≤120 ℃，且控制器自檢無故障，則電機(jī)每隔1 s(具體可根據(jù)情況而定)，進(jìn)行重啟。若堵轉(zhuǎn)故障存在，則重啟失?。蝗舳罗D(zhuǎn)故障消失，則電機(jī)開始重啟。

同樣，在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控，若測(cè)量的轉(zhuǎn)速平均變化率小于0且母線電流出現(xiàn)過流，則電機(jī)應(yīng)急控制系統(tǒng)判定此時(shí)發(fā)生了電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障。

4.2 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制機(jī)制驗(yàn)證過程

在進(jìn)行電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制機(jī)制驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，為防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電機(jī)本體造成不可逆的損壞，僅在空載低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了一次驗(yàn)證試驗(yàn)。先讓BLDCM空載運(yùn)行一段時(shí)間，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，使用特定工具對(duì)電機(jī)輸出軸進(jìn)行作用，使其發(fā)生堵轉(zhuǎn)，為了保護(hù)電機(jī)及控制器，當(dāng)觀測(cè)到控制系統(tǒng)檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)故障時(shí)，應(yīng)立即對(duì)電機(jī)輸出軸解除控制，使其恢復(fù)正常運(yùn)行的條件。

圖10 電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與應(yīng)急控制程序框圖

圖11和圖12分別是電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障且堵轉(zhuǎn)故障在堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序動(dòng)作之后消失的轉(zhuǎn)速和母線電流測(cè)量波形圖。

圖11 轉(zhuǎn)速測(cè)量波形圖

圖12 母線電流波形圖

電機(jī)運(yùn)行至A點(diǎn)時(shí)，對(duì)電機(jī)軸施加力矩，使其發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障。從圖11和圖12中可以看出，A點(diǎn)之后電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速不再繼續(xù)跟蹤給定轉(zhuǎn)速指令，而是快速下降，母線電流急劇增加。經(jīng)過約0.1 s后，即B點(diǎn)，電機(jī)控制器診斷出該故障，立即通過降PWM來減小母線電流。由于堵轉(zhuǎn)故障繼續(xù)存在，在1.5 s時(shí)(C點(diǎn))，控制器進(jìn)行堵轉(zhuǎn)保護(hù)，關(guān)斷所有功率管，但不斷開供電電源。在D點(diǎn)，將堵轉(zhuǎn)故障解除，可以看到控制器會(huì)在2.5 s時(shí)進(jìn)行重啟，并于3 s左右重啟成功。

5 結(jié) 語

本文重點(diǎn)分析了電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障機(jī)理和關(guān)鍵故障特征，設(shè)計(jì)了一套基于電機(jī)轉(zhuǎn)速和母線電流的堵轉(zhuǎn)故障檢測(cè)與一種降PWM占空比延時(shí)重啟的堵轉(zhuǎn)故障應(yīng)急控制機(jī)制；完成了建模仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方法與應(yīng)急控制機(jī)制的合理性和有效性。0.15 s時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，經(jīng)過綜合分析判斷，系統(tǒng)在約0.16 s時(shí)判定發(fā)生了堵轉(zhuǎn)故障。在0.2 s，堵轉(zhuǎn)故障消失，電機(jī)系統(tǒng)在0.21 s檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)故障消失，電機(jī)在0.3 s開始重啟，并在0.35 s恢復(fù)到額定運(yùn)行狀態(tài)。本文的研究具有一定的理論和實(shí)踐意義。