外置驱动电机相间短路识别技术研究

外置驱动电机相间短路识别技术研究

王桥

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519000

摘要：目前在空调领域，外置驱动电机使用还是非常广泛的，尤其是在外风机上，但由于外机常年暴露在室外环境中，像有些室外环境常年恶劣，比如沙尘暴、潮湿等，可能会引起一些沙尘短路现象，造成主板或负载损坏，更甚至引起部件烧毁，所以对短路的识别尤其重要，而且在短路时及时阻止器件损坏，所以本文主要研究是的准确识别电机相间短路，并进行及时保护和提醒。

关键词：外置驱动电机；短路识别；矢量控制；

Abstract: at present, in the field of air conditioning, external drive motors are still widely used, especially on external fans. However, due to the fact that the external fans are exposed to the outdoor environment all the year round, such as some outdoor environments are bad all the year round, such as sandstorm and humidity, it may cause some sand and dust short circuit phenomena, resulting in damage to the main board or load, and even burning of components. Therefore, it is particularly important to identify the short circuit, and timely prevent device damage in case of short circuit. Therefore, the main research of this paper is to accurately identify the inter phase short circuit of motors, and timely protect and remind them.

Key words: external drive motor; Short circuit identification; Vector control;

0 引言

目前空调领域中，用于检测电机相间短路的技术还是非常少见的，一般都不做额外处理，而且短路时自带的过流保护都是无法及时保护住，不能保护的就直接坏板，然后通过坏板不启动再通知售后现场维修，这种情况下的维修如果没有找到失效点，而是简单的通过换新控制器板去维修的话，电机间的相间短路将会导致二次坏板。本文提出一种外置驱动电机相间短路识别技术，可以在不损坏器件的基础上精准识别出电机相间短路，及时进行保护和提醒，提高产品运行可靠性。

1 技术方案

在介绍电机相间短路识别技术之前，需要先大概介绍下外置驱动电机的控制方法，本文主要以无感FOC（磁场定向控制，有时候也称为矢量控制）控制技术及硬件方案使用双电阻采样方式为例作为介绍。

1.1 矢量控制原理

矢量控制的核心是解耦复杂的定子电流关系，使三相交流电机的控制像直流电机一样简单有效，且保证矢量变换前后系统所产生的旋转磁动势等效。矢量控制的过程如下：

1）测量三相定子电流；首先用采样硬件电路得到 ia和 ib的值，再依据基尔霍夫电流定律，通过公式计算出 ic：ia + ib + ic = 0；

2）将三相电流通过Clarke等幅值变换为正交两相静止坐标系；该变换将得到变量iα和iβ，它们是由测得的ia和ib以及计算出的ic值变换而来。从定子角度来看，iα和 iβ是相互正交的时变电流值；

3）经过Clarke变换为正交两相静止坐标系后，电流依然由时间和速度决定，因此还需要进一步变换，将α-β轴决定的两相静止坐标系经过Park变换为随磁场旋转的d-q坐标系。 iα和 iβ变量经过该变换可得到 id和 iq， id和 iq为变换到旋转坐标系下的正交电流，在稳态条件下，id和iq是常量；

4）通过给定的Id和Iq以及实际的id、iq值进行比较计算得出误差信号，给定到的Id参考值控制转子磁通，给定的Iq参考值控制电机的转矩输出，计算出的误差信号再输入到 PI 控制器，输出为Vd和 Vq，即要施加到电机上的电压矢量；

5）再将 vα、 vβ、 iα和 iβ作为观测器的输入参数，估算出新的变换角，新的角度可告知 FOC 算法下一个电压矢量在何处；

6）通过使用新的角度，可将 PI 控制器的 Vd和 Vq输出值Park反变换逆变到静止参考坐标系，计算出下一个正交电压值

vα和 vβ；

7）再将vα 和 vβ 值经过Clarke逆变换得到三相值 va、vb和 vc，该三相电压值经过SVPWM计算新的PWM占空比值，控制逆变器输出，以生成所期望的电压矢量。

整个矢量控制过程就是如上所述，那么电机相间短路识别是在SVPWM阶段，SVPWM全称是空间矢量脉宽调制，它通过三相逆变器的6个功率管输出随时间变化的PWM波，模拟三相对称正弦电流形成的电压矢量圆，产生接近圆形的磁链轨迹。SVPWM利用平均值等效原理，在一个开关周期内，对基础矢量加以组合，产生与期望电压矢量相同的效果。根据电压矢量的不同判断其所在的扇区区间，并利用响应扇区的基础矢量不断合成需要的电压矢量。这样，电压矢量转动一圈，即在空间上形成一个旋转的近似圆形的磁场。如图所示为典型的三相逆变器驱动电路图：

Q1~Q6为三相逆变器的6个功率管，同一时刻，同一桥臂上下两个功率管不能同时开通，否则会造成电源短路。因此，一般要在互补PWM波中加入死区，防止短路造成危害。由于上下两个功率管必须互补操作，因此可以使用上桥臂功率管的状态表示该桥臂对应的那一相的状态。只有当上桥臂开通后，对应的那一相与电源的正极连通，该相才有正向电流流过。如果下桥臂开通，则该相直接与电源的负极连接，电流从电机的端线流出，通过下桥臂的功率管进入电源的负极。比如，Q1开通、Q2关断，电流会从DC+经Q1流入电机某相；Q1关断，Q2开通，电流会从电机的某相流出，经Q2流入电源的DC-。所以三相逆变器的每相输出都可为两种状态之一，即逆变器输出可连接到DC+母线端或DC-母线端，这使得三相逆变器输出共存在8种可能的状态，其中三相输出全部连接到DC+母线端或DC-母线端的两种状态被视为无效状态，因为此时任意两相之间都不存在线电压，这两种状态在矢量星型图中被绘制为原点，其余六种状态表示为每两个相邻状态间旋转间隔为 60 度的矢量，SVPWM 的过程就是通过两个相邻矢量各分量的和来表示任何空间电压矢量。

1.2 电机相间短路分析

根据SVPWM的控制过程可知，如果电机相间短路，那么在一个FOC控制周期内，必定会导致电源DC+和DC-短路，产生大电流，而一般IPM模块都是有过流保护，通过检测到大于一定时间（比如2us）的过流保护后停止输出，可以避免IPM模块损坏；但是对于空调的外风机而言,受安装环境影响，在外风机启动前都是要做逆风检测，这样可以在外界风力影响出现反转下也能正常可靠启动。那么在逆风启动前，如果存在电机相间短路，将会产生非常大的影响，会导致IPM模组烧坏；原因是风机的逆风启动技术是包含如下阶段：逆风状态辨识、逆风转速估算、逆风制动及启动，在逆风状态辨识和逆风转速估算阶段中，为了使对逆风转速估算影响降到最低，给定的Id和Iq值为0，这样最终经过PI控制器、坐标系反变换、SVPWM控制后，输出的基础矢量作用时间非常短，这种情况下，如果电机相间短路，那么每个FOC周期下造成的过流时间也是非常短，一般小于2us，会低于IPM模块触发过流保护的最短时间，这样IPM模块就无法及时触发过流保护及FO信号，如果是电机任意两相短路，每个FOC周期就会触发两次短路大电流，如果是电机三相均短路，那么每个FOC周期就会触发四次短路大电流，而且每次的短路大电路作用时间非常短，IPM无法进行自身保护，在大电流短时冲击30~50次，IPM基本都会扛不住，所以最终导致在风机启动前直接炸毁IPM模块。

1.3 电机相间短路识别技术

在这种背景下，加入电机相间短路识别技术是非常有必要的，识别原理是通过触发一定时间的大电流，从而满足IPM模块自身过流保护时间范围，触发模块自身保护，最终停止输出，并显示对应的故障代码进行提醒用户，利于售后上门维修。具体实施的方法有很多，这里介绍其中一种，可在逆风启动阶段前进行检测，假设上述电路图的电机三相从上向下依次为U、V、W相，检测方式为开通Q1、Q4、Q6功率管，关断Q2、Q3、Q5功率管，开通时间为5us，此时实时检测IPM模块的FO信号脚是否有触发保护信号，如果有触发保护信号，则电机UV相或者UW相存在短路，直接停止输出，并报故障代码提示用户；如果没有触发保护信号，则继续开通Q2、Q3、Q6功率管，关断Q1、Q4、Q5功率管，开通时间为5us，此时实时检测IPM模块的FO信号脚是否有触发保护信号，如果有触发保护信号，则电机VW相存在短路，直接停止输出，并报故障代码提示用户；如果也没有触发保护信号，那么电机三相之间未存在短路现象，可以正常进行风机启动。此检测方式时间非常短，10us即可完成识别，无额外叠加检测成本，而且对IPM模块的损伤可以降到最低，同时也可以起到对电路板的保护作用，对售后维修也指明了方向。上文的开通时间5us，是基于IPM模块触发过流保护最短时间为2us制定的，这个可以灵活处理，这个开通时间只要大于

IPM模块触发过流保护最短时间即可，且也需要尽可能的短，这样利于保护好各功率器件。

2 测试数据

在实验室中，未加入电机相间短路技术时，模拟电机相间任意两相短路和三相短路，实测数据：电机逆风启动阶段开始后2.3ms（这个时间受控制频率影响）出现IPM模块损坏，观测波形发现，实测每次过流时间1.6us,小于2us，大电流冲击次数为46次。

加入电机相间短路技术后，模拟电机UV、UW相间短路，实测数据：启动2.3us后IPM模块停止输出，控制器显示故障代码，板上其他元器件也未损坏，控制器一切正常。模拟电机VW相间短路，实测数据：启动7.3us后IPM模块停止输出，控制器显示故障代码，板上其他元器件也未损坏，控制器一切正常。模拟电机相间不短路，实测数据：检测时间10us后进入正常启动。

结合实验数据，电机相间短路技术可以起到对元器件的及时保护，提高产品运行可靠性。

3 总结

本文提出的电机相间短路识别技术，在无需增加额外的检测成本及不损坏器件的基础上可以精准识别出电机相间短路，并及时对元器件进行保护和故障代码提醒，进一步降低产品因电机相间短路造成的额外控制器故障率，可及时止损，降低售后维修成本，提高产品质量稳定性。

参考文献：

[1] 王成元，夏加宽，杨俊友，等. 电机现代控制技术 [M]. 北京：机械工业出版社，2006: 5-28.

[2] 张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 曾允文.变频调速SVPWM技术的原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] 宋海龙.无刷直流电动机空调控制系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003.

[5] 宋建国，等.基于标幺化模型的PMSM矢量控制系统设计[J].电子电力技术，2016，6:58-60.

[6] Levine W S.Sliding Mode Control and Observation[M].New York:Springer，2010.