无刷直流电机在核检修设备中的应用与分析

高厚秀　韩捷　辛露　吴东栋

【摘 要】核电站检修设备的某些作业区域属于高放射性区域，存在人员不可达的工况，因此对设备的可靠性要求极高。无刷直流电机由于其固有的特性被越来越多的核检修设备所应用，其控制方式具有通用性，维护方便。但其在实际使用过程中也会发生飞车等不可控现象，本文对无刷直流电机在特殊场合下的应用与故障处理进行分析，对提高核检修设备系统的可靠性有极大的意义，能够有效减少核检修设备故障率、降低人员受辐照剂量。

【关键词】无刷直流电机；检修设备；维护；电机飞车

中图分类号： TM33 文献标识码： A 文章编号： 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 无刷直流电机的应用

核检修设备一般都是在对核岛内部的关键设备进行检修时使用，由于辐射环境的影响，其一旦发生故障会对核岛設施产生损伤，并会给设备使用及维护人员增加额外的辐照剂量。从保护核岛和人员安全的角度出发，核检修设备的可靠性和可维修性一直都是体现核安全的重要特性之一。核检修设备的驱动方式一般分为电机驱动、气压驱动和液压驱动。其中，电机驱动的应用最为普遍。因此，选择核检修设备的驱动电机就显得尤为重要。交流电机结构简单，易于维护，但相对效率和可调节性都不高；有刷直流电机由于电刷换向时的物理接触，会产生噪声和电磁干扰，而核检修设备主要利用超声和涡流两种无损检测方法，噪声和电磁干扰会严重影响超声和涡流信号。随着无刷直流电机性能的提升，其效率高、干扰少、维护简单的优势越来越明显，因此其在核检修设备上的应用也越来越广泛。[1]核检修设备种类众多，运动方式也是多种多样，有的需要往复运动，有的需要在检修对象上按路径规划不断变换姿态，这些都需要电机频繁的进行方向切换，因此转速和转矩的动态响应比较重要。无刷直流电机在核检修设备的应用一般分为恒定负载应用、变化负载应用以及定位应用，比如对核电站蒸汽发生器传热管的无损检测定位机器人来说，线性运动由无刷直流电机驱动丝杠实现。结合其他一些复杂的运动方式，使其在传热管管板上爬行，从而将检测涡流探头送至待检传热管内，这就属于典型的定位应用。[2]

2 电机传动控制

核检修设备控制系统硬件一般采用分布式总线控制结构，控制系统核心硬件包括控制计算机、总线式I/O输入输出模块以及运动控制模块，这些模块一般均自带微处理器，可按照设定程序独立运行。在各模块独立运行过程中，运行控制计算机内的下位机运动控制软件，通过串口总线形式分别与输入/输出模块以及运动控制驱动模块进行数据通讯，以实现控制命令的传输和设备运行状态的采集。其控制架构组成如图1所示。

无刷直流电机系统按照绕组反电势和电流波形分为两种类型：方波驱动和正弦波驱动。由于运动控制卡所要控制的对象为无刷直流电机，可将控制卡配置成正弦波输出的伺服电机电流输出接口形式和无刷电机轴输出方式。采用直流无刷电机的线性伺服驱动器，驱动器需要和电机的功率匹配，且可产生正弦信号驱动无刷电机运动。相对于传统的梯形波控制模式，正弦模式下电机的运动较为平稳，力矩输出也更稳定，同时可以达到更低的噪声效果。[3]

就无刷直流电动机基本结构而言，可以近似于由开关电路、电动机以及位置传感器组成直流供能的“电机系统”，其原理框图如图2所示。无刷直流电机的换相以电子控制方式实现，要使无刷直流电机转动，则需按一定的顺序给定子绕组通电。核检修设备中常常需要高精度伺服控制系统，可以采用可靠性优、分辨率和精度高的增量式编码器或者霍尔传感器作为位置信号传感器。

无刷直流电机的开关电路是用来控制电机定子上各相绕组通电的时间和顺序，开关电路是控制的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于位置传感器的信号。但位置传感器产生的信号一般不能直接用来控制开关电路，往往要经过一定逻辑处理后才能控制开关电路。

3 电机的飞车故障分析

核检修设备启动时，由于大多采用增量式光电脉冲编码器或者霍尔传感器作为正弦波驱动电机的转子位置传感器，采用这些传感器作为检测位置的器件，就必须在检修设备系统刚上电时就测得电机转子初始的精确位置，如此才能在后续的设备运行过程中实时反馈转子的正确位置。大量的核检修设备调试及核电站现场应用结果表明，正弦波方式驱动的无刷直流电机存在飞车的可能性，发生这种故障一般分为设备启动飞车或运行过程中飞车两种情况[4]，具体分析如下：

在核检修设备执行位置初始化命令时，控制系統刚刚通电，电机尚未运行时，系统首先进行测量转子初始位置的工作。这个过程中，根据伺服系统的工作要求，在寻找初始位置的过程中，转子只允许有很微小的抖动，这个抖动的方向是随机的，并且能快速回归原始位置。这个过程就是电机启动时的寻相，简单地说，测量转子初始位置的过程就是定子电流矢量渐近地靠近转子，直至与其重合的过程。这个过程中，在一开始，定子电流矢量的相位角是任意取定的，但最终定子电流矢量将趋向转子的位置。正弦波电机在连续运行时，为了得到最大的电磁转矩，定子电流矢量与转子是正交的，而在初始定位的过程中，二者要趋于重合。在这个过程中，一旦编码器或者霍尔传感器由于自身质量，使用寿命，或者使用不规范，是有可能无法正确检测到初始位置的，电机在检测失效的情况下不会立刻停下来，反而会失去控制，发生飞车现象，在执行机构允许的范围内快速运动，从而造成危险情况。

核检修设备运行过程中，需要配置电机、控制卡和驱动器的各项模式或者参数，如图3所示，在电机、驱动器与控制器连接之前，如果没有按照要求设定位置环误差限制或者转矩限制，在设备运行过程中，一旦发生碰撞，拉扯等突发情况。位置传感器有可能会丢失现有位置，从而导致反馈的位置信号出错，电机得不到正确的位置反馈，也会发生飞车故障。

此外，运动控制卡在实际使用中只需要设置一次，在以后的运行过程不需要修改的运动控制参数，如无刷电机控制设置参数、机构间隙补偿设置参数等，可以在控制卡调试完成后直接下载到卡的EEPROM中存储，由控制卡上电自动装载。

4 飞车故障后的处理

在核检修设备作业时出现电机故障的情况下，一般可以先利用操作功能面板对电机进行初始化、力矩释放、移动步进调节、移动使能、以及转动使能控制等，从而修复核检修设备位置偏差、旋转偏差、移动力矩过大等问题。[5]

在执行电机初始化动作时，系统首先会根据检修设备当前状态判断是否可以执行该动作。当判断不通过时，控制系统弹出消息提示框，并在提示框中说明不可执行的错误代码以及不可执行的原因。力矩释放可以在电机伺服力持续偏大时使用，系统可以通过电机上下伺服的方法释放伺服力矩。其中，力过大会导致系统在检修设备移动过程中被认为发生碰撞，从而返回原位置。需要注意的是电机伺服力持续过大可能会导致烧毁电机或电机驱动器的情形发生。核检修设备使用的无刷直流电机一般都设定位置环误差限制值和转矩限制值以确保安全，此时，如果电机飞车，位置环误差超过设定的计数单位，就会立即关断使能信号。也可以限制输出到驱动器的最大电压信号，一般控制器有转矩限制命令。此命令设定控制器的最大电压输出，且在初始设置伺服系统时能够用来避免转矩或速度过大。当驱动器以转矩方式工作时，控制器输出电压将直接与电机的转矩输出相关。

5 总结

无刷直流电机由于其固有的特性被越来越多的核检修设备所应用，其控制方式通用性好、电机调节性和维护性俱优。但其在实际使用过程中也会发生飞车等不可控现象，通过对无刷直流电机的在特殊场合下的应用与故障处理进行分析，提出了合理的故障处理办法，这对提高系统的可靠性具有较大的意义，能够有效减少核检修设备故障率，降低人员受照剂量。

【参考文献】

[1]贡俊，陆国林.无刷直流电机在工业上的应用和发展[J].微特电机，2000，（05）：15-19.

[2]杨秀清，骆敏舟等.核环境下的机器人研究现状与发展趋势[J].机器人技术与应用，2008，（01）：31-39.

[3]夏长亮，方红伟. 永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报，2012，（03）：25-34.

[4]莫育杰，史涔溦等. 无刷直流电动机故障分析与实验[J].微电机，2008，（04）：20-24，35.

[5]黄洪剑，林瑞光.无刷直流电机可靠性及其故障模式分析[J]. 电机与控制学报，2000，（05）：198-201.