無刷直流電機(jī)在核檢修設(shè)備中的應(yīng)用與分析

高厚秀　韓捷　辛露　吳東棟

【摘 要】核電站檢修設(shè)備的某些作業(yè)區(qū)域?qū)儆诟叻派湫詤^(qū)域，存在人員不可達(dá)的工況，因此對設(shè)備的可靠性要求極高。無刷直流電機(jī)由于其固有的特性被越來越多的核檢修設(shè)備所應(yīng)用，其控制方式具有通用性，維護(hù)方便。但其在實(shí)際使用過程中也會發(fā)生飛車等不可控現(xiàn)象，本文對無刷直流電機(jī)在特殊場合下的應(yīng)用與故障處理進(jìn)行分析，對提高核檢修設(shè)備系統(tǒng)的可靠性有極大的意義，能夠有效減少核檢修設(shè)備故障率、降低人員受輻照劑量。

【關(guān)鍵詞】無刷直流電機(jī)；檢修設(shè)備；維護(hù)；電機(jī)飛車

中圖分類號： TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0127-002

Application and analysis of Brushless DC motor in nuclear overhaul devices

GAO Hou-xiu HAN Jie XIN Lu WU Dong-dong

（China Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

【Abstract】The operation area of the nuclear overhaul devices belongs to the place with high nuclear radiation of the nuclear power plant. for humans， these positions are unreachable.So these overhaul devices need to be high reliability. Now brushless DC motors are being used more and more in these devices because of their own inherent advantages， Brushless DC motor control mode is versatile and easy to maintain. But in the process of actual use， there are？problems such as runaway of motors and so on.This paper analyses the application and fault treatment of Brushless DC motor on special occasions.This is of great significance to improving the reliability of the nuclear overhaul devices.it can effectively reduce the failure rate and reduce the dose of nuclear radiation.

【Key words】brushless DC motor， overhaul device， maintenance， runaway speed of motor

1 無刷直流電機(jī)的應(yīng)用

核檢修設(shè)備一般都是在對核島內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)使用，由于輻射環(huán)境的影響，其一旦發(fā)生故障會對核島設(shè)施產(chǎn)生損傷，并會給設(shè)備使用及維護(hù)人員增加額外的輻照劑量。從保護(hù)核島和人員安全的角度出發(fā)，核檢修設(shè)備的可靠性和可維修性一直都是體現(xiàn)核安全的重要特性之一。核檢修設(shè)備的驅(qū)動方式一般分為電機(jī)驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動。其中，電機(jī)驅(qū)動的應(yīng)用最為普遍。因此，選擇核檢修設(shè)備的驅(qū)動電機(jī)就顯得尤為重要。交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，但相對效率和可調(diào)節(jié)性都不高；有刷直流電機(jī)由于電刷換向時(shí)的物理接觸，會產(chǎn)生噪聲和電磁干擾，而核檢修設(shè)備主要利用超聲和渦流兩種無損檢測方法，噪聲和電磁干擾會嚴(yán)重影響超聲和渦流信號。隨著無刷直流電機(jī)性能的提升，其效率高、干擾少、維護(hù)簡單的優(yōu)勢越來越明顯，因此其在核檢修設(shè)備上的應(yīng)用也越來越廣泛。[1]核檢修設(shè)備種類眾多，運(yùn)動方式也是多種多樣，有的需要往復(fù)運(yùn)動，有的需要在檢修對象上按路徑規(guī)劃不斷變換姿態(tài)，這些都需要電機(jī)頻繁的進(jìn)行方向切換，因此轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)比較重要。無刷直流電機(jī)在核檢修設(shè)備的應(yīng)用一般分為恒定負(fù)載應(yīng)用、變化負(fù)載應(yīng)用以及定位應(yīng)用，比如對核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的無損檢測定位機(jī)器人來說，線性運(yùn)動由無刷直流電機(jī)驅(qū)動絲杠實(shí)現(xiàn)。結(jié)合其他一些復(fù)雜的運(yùn)動方式，使其在傳熱管管板上爬行，從而將檢測渦流探頭送至待檢傳熱管內(nèi)，這就屬于典型的定位應(yīng)用。[2]

2 電機(jī)傳動控制

核檢修設(shè)備控制系統(tǒng)硬件一般采用分布式總線控制結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)核心硬件包括控制計(jì)算機(jī)、總線式I/O輸入輸出模塊以及運(yùn)動控制模塊，這些模塊一般均自帶微處理器，可按照設(shè)定程序獨(dú)立運(yùn)行。在各模塊獨(dú)立運(yùn)行過程中，運(yùn)行控制計(jì)算機(jī)內(nèi)的下位機(jī)運(yùn)動控制軟件，通過串口總線形式分別與輸入/輸出模塊以及運(yùn)動控制驅(qū)動模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以實(shí)現(xiàn)控制命令的傳輸和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采集。其控制架構(gòu)組成如圖1所示。

無刷直流電機(jī)系統(tǒng)按照繞組反電勢和電流波形分為兩種類型：方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動。由于運(yùn)動控制卡所要控制的對象為無刷直流電機(jī)，可將控制卡配置成正弦波輸出的伺服電機(jī)電流輸出接口形式和無刷電機(jī)軸輸出方式。采用直流無刷電機(jī)的線性伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器需要和電機(jī)的功率匹配，且可產(chǎn)生正弦信號驅(qū)動無刷電機(jī)運(yùn)動。相對于傳統(tǒng)的梯形波控制模式，正弦模式下電機(jī)的運(yùn)動較為平穩(wěn)，力矩輸出也更穩(wěn)定，同時(shí)可以達(dá)到更低的噪聲效果。[3]

就無刷直流電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)而言，可以近似于由開關(guān)電路、電動機(jī)以及位置傳感器組成直流供能的“電機(jī)系統(tǒng)”，其原理框圖如圖2所示。無刷直流電機(jī)的換相以電子控制方式實(shí)現(xiàn)，要使無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，則需按一定的順序給定子繞組通電。核檢修設(shè)備中常常需要高精度伺服控制系統(tǒng)，可以采用可靠性優(yōu)、分辨率和精度高的增量式編碼器或者霍爾傳感器作為位置信號傳感器。

無刷直流電機(jī)的開關(guān)電路是用來控制電機(jī)定子上各相繞組通電的時(shí)間和順序，開關(guān)電路是控制的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機(jī)定子上各相繞組，以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于位置傳感器的信號。但位置傳感器產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制開關(guān)電路，往往要經(jīng)過一定邏輯處理后才能控制開關(guān)電路。

3 電機(jī)的飛車故障分析

核檢修設(shè)備啟動時(shí)，由于大多采用增量式光電脈沖編碼器或者霍爾傳感器作為正弦波驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，采用這些傳感器作為檢測位置的器件，就必須在檢修設(shè)備系統(tǒng)剛上電時(shí)就測得電機(jī)轉(zhuǎn)子初始的精確位置，如此才能在后續(xù)的設(shè)備運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)子的正確位置。大量的核檢修設(shè)備調(diào)試及核電站現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，正弦波方式驅(qū)動的無刷直流電機(jī)存在飛車的可能性，發(fā)生這種故障一般分為設(shè)備啟動飛車或運(yùn)行過程中飛車兩種情況[4]，具體分析如下：

在核檢修設(shè)備執(zhí)行位置初始化命令時(shí)，控制系統(tǒng)剛剛通電，電機(jī)尚未運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)行測量轉(zhuǎn)子初始位置的工作。這個(gè)過程中，根據(jù)伺服系統(tǒng)的工作要求，在尋找初始位置的過程中，轉(zhuǎn)子只允許有很微小的抖動，這個(gè)抖動的方向是隨機(jī)的，并且能快速回歸原始位置。這個(gè)過程就是電機(jī)啟動時(shí)的尋相，簡單地說，測量轉(zhuǎn)子初始位置的過程就是定子電流矢量漸近地靠近轉(zhuǎn)子，直至與其重合的過程。這個(gè)過程中，在一開始，定子電流矢量的相位角是任意取定的，但最終定子電流矢量將趨向轉(zhuǎn)子的位置。正弦波電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，為了得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩，定子電流矢量與轉(zhuǎn)子是正交的，而在初始定位的過程中，二者要趨于重合。在這個(gè)過程中，一旦編碼器或者霍爾傳感器由于自身質(zhì)量，使用壽命，或者使用不規(guī)范，是有可能無法正確檢測到初始位置的，電機(jī)在檢測失效的情況下不會立刻停下來，反而會失去控制，發(fā)生飛車現(xiàn)象，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的范圍內(nèi)快速運(yùn)動，從而造成危險(xiǎn)情況。

核檢修設(shè)備運(yùn)行過程中，需要配置電機(jī)、控制卡和驅(qū)動器的各項(xiàng)模式或者參數(shù)，如圖3所示，在電機(jī)、驅(qū)動器與控制器連接之前，如果沒有按照要求設(shè)定位置環(huán)誤差限制或者轉(zhuǎn)矩限制，在設(shè)備運(yùn)行過程中，一旦發(fā)生碰撞，拉扯等突發(fā)情況。位置傳感器有可能會丟失現(xiàn)有位置，從而導(dǎo)致反饋的位置信號出錯，電機(jī)得不到正確的位置反饋，也會發(fā)生飛車故障。

此外，運(yùn)動控制卡在實(shí)際使用中只需要設(shè)置一次，在以后的運(yùn)行過程不需要修改的運(yùn)動控制參數(shù)，如無刷電機(jī)控制設(shè)置參數(shù)、機(jī)構(gòu)間隙補(bǔ)償設(shè)置參數(shù)等，可以在控制卡調(diào)試完成后直接下載到卡的EEPROM中存儲，由控制卡上電自動裝載。

4 飛車故障后的處理

在核檢修設(shè)備作業(yè)時(shí)出現(xiàn)電機(jī)故障的情況下，一般可以先利用操作功能面板對電機(jī)進(jìn)行初始化、力矩釋放、移動步進(jìn)調(diào)節(jié)、移動使能、以及轉(zhuǎn)動使能控制等，從而修復(fù)核檢修設(shè)備位置偏差、旋轉(zhuǎn)偏差、移動力矩過大等問題。[5]

在執(zhí)行電機(jī)初始化動作時(shí)，系統(tǒng)首先會根據(jù)檢修設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)判斷是否可以執(zhí)行該動作。當(dāng)判斷不通過時(shí)，控制系統(tǒng)彈出消息提示框，并在提示框中說明不可執(zhí)行的錯誤代碼以及不可執(zhí)行的原因。力矩釋放可以在電機(jī)伺服力持續(xù)偏大時(shí)使用，系統(tǒng)可以通過電機(jī)上下伺服的方法釋放伺服力矩。其中，力過大會導(dǎo)致系統(tǒng)在檢修設(shè)備移動過程中被認(rèn)為發(fā)生碰撞，從而返回原位置。需要注意的是電機(jī)伺服力持續(xù)過大可能會導(dǎo)致燒毀電機(jī)或電機(jī)驅(qū)動器的情形發(fā)生。核檢修設(shè)備使用的無刷直流電機(jī)一般都設(shè)定位置環(huán)誤差限制值和轉(zhuǎn)矩限制值以確保安全，此時(shí)，如果電機(jī)飛車，位置環(huán)誤差超過設(shè)定的計(jì)數(shù)單位，就會立即關(guān)斷使能信號。也可以限制輸出到驅(qū)動器的最大電壓信號，一般控制器有轉(zhuǎn)矩限制命令。此命令設(shè)定控制器的最大電壓輸出，且在初始設(shè)置伺服系統(tǒng)時(shí)能夠用來避免轉(zhuǎn)矩或速度過大。當(dāng)驅(qū)動器以轉(zhuǎn)矩方式工作時(shí)，控制器輸出電壓將直接與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出相關(guān)。

5 總結(jié)

無刷直流電機(jī)由于其固有的特性被越來越多的核檢修設(shè)備所應(yīng)用，其控制方式通用性好、電機(jī)調(diào)節(jié)性和維護(hù)性俱優(yōu)。但其在實(shí)際使用過程中也會發(fā)生飛車等不可控現(xiàn)象，通過對無刷直流電機(jī)的在特殊場合下的應(yīng)用與故障處理進(jìn)行分析，提出了合理的故障處理辦法，這對提高系統(tǒng)的可靠性具有較大的意義，能夠有效減少核檢修設(shè)備故障率，降低人員受照劑量。

【參考文獻(xiàn)】

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