永磁同步電機驅動器保護算法專題

概要

本文討論電機驅動軟件設計過程中涉及到的故障處理；梳理出以下關鍵故障。

• 過流
• 過壓
• 過載
• 過溫
• 缺相
• 轉速異常

選擇上述故障討論是因為完成相關故障的處理即可實現：

保證驅動器不會燒壞。

檢測電機異常工況。

如需了解更多故障分類可以參考大廠變頻器用戶手冊。

下文具體分析上述每一種故障產生的原因，保護的方案，以及應起到的保護效果。

1. 過流

過流故障應設計為電機驅動器優先級最高的故障，當過流發生時，可能微秒級的時間內損壞功率器件。過流損壞功率器件的原因為功率器件過熱燒壞。過流一旦發生，要第一時間關斷開關管，終止發波。

1.1 過流保護生效場景

過流只應在異常工況發生，如電機高速運行過程中被外力堵停、電機相線短路等。

對于正常運行時突然加載、快速加減速不應觸發過流故障。

1.2、過流閾值選取

為保證正常運行時不會觸發過流故障，硬件過流閾值應大于最大允許電流。因為實際軟件控制過程中會有電流紋波、超調現象存在，過流閾值建議為軟件限制電流的1.5倍。

1.3、過流檢測硬件電路

過流保護必須硬件模擬電路實現，響應時間應控制在10us以下，即從過流發生到關斷開關管時間控制到10us以下。

典型過流電路由運放和比較器組成，框圖如下。

該框圖取自ti 2805x DSP參考手冊，該電路為DSP內部電路。

因為過流故障優先級高，一旦發生將立即終止發波，所以要求過流電路設計要可靠，避免誤報過流。然而采樣電阻處的電流信號是幅度非常小的信號，有可能疊加高頻干擾，硬件電路上建議增加截至頻率為幾百K到1M的低通濾波。

1.4、過流故障軟件處理

當過流故障發生，硬件給出低電平或高電平到cpu，該信號應連接到cpu的定時器模塊的關斷輸出信號(如ti dsp的tz信號或st芯片的剎車信號)，軟件應使能該信號，并在該信號有效時進入中斷(ti dsp的tz中斷)，中斷處理中置電機狀態為故障狀態。

2、過壓

過壓應為優先級僅次于過流的故障。過壓發生時會更容易導致功率器件Vds過大進而擊穿功率器件。當過壓故障發生時，要立即關斷功率管，不能減速停機。

2.1、過壓發生場景

同步電機q軸等效模型如下圖

過壓一般發生在減速工況，若減速較快或電機及負載慣量較大vq小于反電勢es，此時產生負電流；電機旋轉儲存的動能轉化為電能，向母線灌電流將母線電壓抬高。

2.2、過壓閾值選取

考慮過壓導致電路損壞的原因是開關電源功率管或逆變電橋功率管Vds過大擊穿。故過壓閾值選取和功率器件耐壓及Vds尖峰幅度相關，若PCB布局走線較好，Vds尖峰小，則過壓閾值可以放高，否則過壓閾值設置的保守些。過壓閾值參考值70%逆變電橋功率管Vds耐壓值。

2.3、過壓軟硬件解決方案

對于常規電池供電場景，電池起到儲能池的作用，類似于電容，當電機減速時動能轉化為電能自動給電池充電，起到能量回收的作用，不會有過壓現象產生。但是當電池滿電或電池無法被充電的情況下，減速過程必須妥善處理，否則可能損壞電池。

對于市電供電場景，當電機有快速減速需求時也必須妥善處理，動能轉換的電能可以考慮消耗掉或回饋到電網。

如選擇消耗掉，則在母線加電阻吸收即可；在母線正負之間加制動電阻和開關管，發生過壓時，開關管打開，多余的能量被制動電阻消耗。要注意的是必須控制制動電阻的功率小于額定功率，否則可能燒壞制動電阻。

如選擇將電能回饋到電網，在頻繁加減速的大功率場景可以有效降低電費，但是要增加能量回收單元的成本。

對于沒有快速減速需求的場景，可以通過軟件控制減速速率對負電流進行限制。過壓保護生效值做目標值，當前母線電壓做反饋值，設計pi控制器，輸出為減速速率。此處提到的過壓保護生效值小于過壓閾值。

3、過載

過載分為驅動器過載和電機過載，其邏輯一樣。過載導致的驅動器損壞或電機損壞都是因為過熱，故下文將驅動器過載和電機過載放到一起討論。

3.1、過載發生場景

驅動器或電機電流高于其額定電流運行的工況為過載工況。

注意此處說的是電流大于額定電流，而非功率大于額定功率。

對于驅動器來說，逆變電橋的發熱跟電流相關，跟電壓幾乎無關。

因為這個原因，很多驅動器使用輸出電流標識容量，而非功率。

對于電機來說，發熱主要來自于線圈、鐵損和機械摩擦，機械摩擦主要跟轉速相關，線圈發熱跟電流相關。因為相比較摩擦損耗線圈發熱占比較大，鐵損不便計算，用電流判斷過載較為合理。

3.2、過載閾值選取

過載是一個跟時間相關的故障，過載基于額定電流判斷，電流高于額定電流越多，則允許的過載運行時間越短。

過載故障被觸發后可以減速停機。

3.3、過載軟件算法

嚴謹的過載算法應根據過載表格設計，如1.2倍過載允許工作10分鐘，1.5倍過載允許工作3分鐘，2倍過載允許工作1分鐘。但是這類算法計算量大，需要的前置測試繁多，以下分享一種簡便算法。

過載電流 = 當前電流 - 額定電流;過載程度 += 過載電流 * 過載電流 * 過載判斷運行周期;如果 過載程度 < 0 則 過載程度 = 0;如果 過載程度 > 過載閾值 則 減速停機;

4、過溫

過溫導致的驅動器損壞或電機損壞也是因為過熱。

過溫分驅動器過溫和電機過溫，過溫檢測依賴溫度傳感器，在電機驅動器及電機溫度檢測場景使用低成本的ntc熱敏電阻進行溫度檢測即可滿足需求。

過溫保護和過載保護有一定重合，且過溫保護可靠性高于過載保護；當系統能夠有效進行溫度檢測時，可以使用過溫保護替代過載保護。

用于驅動器過溫檢測的溫度傳感器應放置在靠近功率器件處，用于電機過溫檢測的溫度傳感器應放置在電機定子線圈處。

4.1、過溫發生場景

系統過載運行或環境溫度過高散熱環境較差時容易觸發過溫。

為避免過溫故障發生，應建議用戶在過載使用驅動器及電機時加強散熱，并避免長時間過載工作。

4.2、過溫閾值選取

驅動器過溫保護要起到避免功率器件結溫過高的作用，因為功率器件結溫無法直接測量，實際過溫閾值應根據溫度傳感器距離功率器件距離，以及熱傳導能力選擇，如溫度傳感器測量功率器件塑封溫度，過溫閾值應低于100度。

電機過溫保護要起到避免漆包線燒壞、避免永磁體高溫退磁的作用，實際過溫閾值應根據漆包線耐溫、永磁體退磁溫度及溫度傳感器距離線圈距離選取。

4.3、過溫軟件算法

過溫故障發生應報出故障并停止電機工作，停機方式采用減速停機，自由停機均可。

5、缺相

缺相分為輸入缺相和輸入缺相。

其中輸入缺相僅限于三相交流供電的驅動器，輸入缺相值三相交流輸入線僅接了兩相，該工況下工作可能導致整流器過載工作，有可能損壞整流器；同時會引起母線電壓波動較大。

輸出缺相指驅動器三相輸出其中一相沒有與永磁同步電機連接。

5.1、輸入缺相檢測

輸入缺相故障可以實時檢測。

對于有輸入電壓檢測電路的驅動器，輸入缺相發生后輸入線電壓異常，通過判斷輸入線電壓可以實現檢測。

對于沒有輸入電壓檢測電路的驅動器，需要通過檢測母線電壓波動判斷輸入缺相，需要較為復雜的軟件算法才能實現可靠檢測，在負載有較大波動或空載場景，可靠檢測較難實現。

輸入缺相檢測有效可以減速停機或自由停機。

5.2、輸出缺相檢測

輸出缺相故障可以實時檢測。

輸出缺相通過檢測相電流進行判斷，如有缺相故障，相關相線持續無相電流，通過電流采樣電路可以實現檢測。

輸出缺相檢測有效后應自由停機。

6、轉速異常

轉速異常包括負載阻尼過大或無傳感器速度角度估算異常導致的反饋轉速無法達到給定轉速工況、無傳感器控制失步導致實際轉速跟反饋轉速不一致工況。其中反饋轉速無法達到給定轉速工況稱轉速偏差過大；實際轉速和反饋轉速不一致稱失步。

6.1、轉速偏差過大檢測

轉速偏差過大檢測比較簡單，正常工況下反饋轉速和給定轉速誤差非常小，常規電機驅動器可以把該誤差控制在1%額定轉速以內。當該誤差持續大于5%時，可以判斷為轉速偏差過大。該閾值根據驅動器速度控制精度選擇。

6.2、失步檢測

失步檢測可以通過運動學模型實現，也可以通過電機數學模型實現。通過運動學模型可以實現較高可靠性的檢測，但是缺點是需要準確知道負載轉矩、負載慣量、摩擦系數等多個參數，應用場景上有較大的局限性。通過數學模型進行失步檢測主要依賴反電勢，在中高速可以實現可靠檢測，低速檢測可靠性較低；該方案的優點是適應范圍廣，以下分享該方案的具體原理。

根據q軸電壓方程：

$$v_q=R_s{i}_q+L_q\frac{d{i}_q}{dt}+{\omega }_e{L}_d{i}_d+{\omega }_e{?}_f$$

當失步發生時，實際轉速為0，反饋轉速趨近給定轉速。

電壓方程近似為：

$$v_q=R_s{i}_q+L_q\frac{d{i}_q}{dt}$$

考慮中高速時$v_q$中反電勢分量${\omega }_e{?}_f$部分占據較大比例，失步發生后pi調節器得到的$v_q$必然小于正常工作時的$v_q$；

由此，可以認為當下式成立

$${\omega }_e{?}_f>v_q$$

失步故障有效，需要注意的是，低速工況下反電勢成分較小，判斷可靠性下降。當失步發生后軟件報出故障，并自由停機。

7、小結

本文對電機控制中需要處理的常見故障進行了說明，正確處理上述異常，能夠做到保護電機異常運行燒壞驅動器。需要注意的是，本文并未包含所有故障，如需了解更詳細的驅動器故障分類及定義，可以查閱變頻器故障說明。

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總結

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