高速电机无传感控制器高温故障分析与处理

雷艳华，刘广民

(中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，绵阳 621900)

0 引 言

在20世纪70年代[4]国内掀起的分子泵研究热潮的推动下，大中型复合分子泵技术积累渐渐丰厚,多家企业也推出了自己的上市产品。但是国内在小型复合分子泵领域的涉猎不多,抽气性能、可靠性、寿命等关键指标相对国外著名品牌的产品差距非常大,不能满足多数领域的需要,导致国外产品的长期垄断。2013年国家设立仪器开发重大专项——高速小型复合分子泵的开发和应用,期待用三年时间来打破国外在高速小型复合分子泵的核心技术垄断,实现高速小型复合分子泵的国产化设计生产，本文所涉及的是专项后续改进内容。

某型自研分子泵使用的高速电机，其配置的是无传感式控制器，在环境温度0～40 ℃的情况下，运转良好。但是，在拓宽分子泵工作环境温度范围的实验中，当分子泵的工作环境温度升高至大于50 ℃时，控制器发生了功能失效的现象，电机转速无法到达预定值，且失速降至零速。这种拓宽环境温度的实验对进口分子泵的影响也是存在的，但是进口泵在低温时会出现故障，而高温时正常运行。恰好国产泵与之相反，低温功能正常，高温失效。本文对国产泵高温故障的解决过程进行了描述，期望对同行业有参考作用。

1 故障现象

在拓展工作环境温度范围的实验中，利用高低温试验箱对分子泵进行高温加热。当温度提高到56 ℃时，分子泵的转速失稳，开始下降，在1 min之内迅速降至零速(同时明显听到电机急速刹车的声音)，然后自动重起，但重起后，在转速3 000 r/min左右再次失稳，进入又一次的自动重起，然后3 000 r/min再失败,重起进程周而复始。

通过示波器对转速检测电路的波形进行监测，如图1所示。由图1可见，其中A，B两相的波形上下半周的脉宽明显不同，上半周宽度已达到下半周宽度2倍以上，而C相的检测波形未见异常。

图1 速度检测电路波形(环境温度56 ℃)

2 故障原因分析

2.1 控制原理

该分子泵的电机采用了无传感控制方式，位置反馈信号由检测反电动势过零点来提供。

图2的电路即为核心的反电动势检测电路。通过R4、C4、R5、C5、R6和C6构成的低通滤波器将电机三相反电动势取出来，得到正弦波信号，此时理论上应该无PWM驱动信号掺杂在里面，但是经过实际的测量发现，经过了低通滤波器的反电动势信号包含了大量的PWM驱动脉冲，因此控制器增加了额外的处理电路，并且软件也增加信号处理流程，共同解决PWM信号干扰问题，但是PWM干扰并非本次高温故障的主要原因。

图2 反电动势检测电路

从图2可以看到，反电动势信号与R7、R8和R9构成的虚拟中性点共同接入运放U1、U2和U3进行了过零点检测，运放输出的信号最终通过光耦U4、U5和U6隔离，进入MCU(microcontroller unit,微控制单元)端口。电机反电动势通过硬件检测电路，实现过零(中性点)，为电机控制过程提供转子相位数据。

从故障现象的简要技术分析来看，控制原理仅仅介绍反电动势检测电路是不够的，反电动势过零检测流程无法对应现有的全体故障现象，需要进一步了解控制器详细的电机驱动流程。

无传感控制器的起动过程为经典的三段式，即预定位、外同步升压升频、内同步，详细的功能解释如下。

1) 预定位

电机运动是靠定子旋转磁场带动永磁转子，定子磁场与转子磁场需要N、S方向有固定的对应关系，否则就会失步导致控制混乱。而定子磁场方向由软件控制，在电机开始上电时,需要知道转子的磁极方向，根据控制规则来对定子施加预置方向的磁场。

预定位的作用就是获取转子的初始磁极方向，其主要通过对电机定子选择两相施加固定方向的电流建立固定的磁场，在与转子磁场的共同作用下将转子旋转至固定方向，根据控制原理即可以推断出转子磁极方向。

2) 外同步

对于该分子泵电机的无传感控制方式而言，转子相位是由电机反电动势过零检测来获取的，但是反电动势与转速呈现一定正比例关系，在电机起动阶段，电机转速较低的情况下，反电动势幅值很小，过零检测电路无法正常工作。

在不能获得磁极方向的情况下，需要在起动阶段对转子进行外同步控制，就是在预定位完成后，根据预定(调试确定)频率和电压变化规律(此型控制器采用了升压升频方式)，建立定子的旋转磁场，由此产生的力矩驱动转子进行旋转，而此时转子相位变化恰好不会发生过快或过慢导致与定子磁场旋转失步。

3) 内同步

内同步就是正常工作过程，当反电动势随着转速增大，大到检测电路可以给出正确的过零信号脉冲，得到正确的转子磁极方向，软件根据已知的转子相位，按照规则旋转定子磁场，驱动电机工作。

从三段式的功能分析可以得到，其控制方法涉及了电机起动和工作运行的全部过程，那么在整个控制过程中，三部分功能的转换条件对分析故障具有重要的意义，图3为无传感控制流程图。

图3 控制流程图

从图3可以看出，预定位、外同步以及内同步的功能转换存在不止一种条件，因此在做故障分析时应充分联系上下文，通篇考虑控制结构来分析高温环境带来的失效问题。

2.2 故障分析

首先，按照由大到小确定故障范围的原则，对故障进行部件级定位。该分子泵按照主要功能部件来划分,可分为泵体、电机以及控制器三部分，将这三个部件分别放入环境温度试验箱进行高温加热。经过第一轮测试，结果显示泵体及电机在高温下工作未发生故障，因此判定导致故障产生的原因在控制器。

现有故障现象为转速下降，在1 min之内迅速降至零速(明显听到电机急速刹车的声音)，然后进行重新起动，且重起后，在转速3 000 r/min左右再次失效，重起进程周而复始。联系图3给出的控制流程图，对标刹车以及3 000字样，进行故障源的初步推理。当软件检测到速度小于3 000 r/min，即进行刹车，零速后再预定位、外同步，重起后速度依然检测小于3 000 r/min，重起过程失败，继而不停地自动重起。

按照初步故障推理方向，对反电动势过零检测电路进行波形监测。MCU的输入信号(图2里面的SA，SB和SC)，也就是光耦的输出信号波形如图1所示，可以看出，在高温环境下，两路反电动势过零信号占空比错误，理论占空比应为50%，判断反电动势过零检测出现问题,则作信号来源跟踪，对反电动势检测电路信号向前测试，发现运算放大器(图2里面的U1，U2，U3)输出信号波形正常，未发生占空比错误的情况。因此，速度检测错误故障准确定位在与光耦相关(图2里面的U4，U5，U6)的电路上。

经过器件测试分析，光耦的电流传输比λ值在高温下会发生非线性变化，导致输出电压发生变化，如图4所示。此次故障的原因出自电路设计时，最高工作温度仅为40 ℃，而当调整到56 ℃(环境温度56 ℃，则控制器内部温度会高出10 ℃左右)时，光耦的λ温度特性导致输出电压的变化，最终使反电动势过零信号波形占空比发生错误。

(a) λ与输入电流关系曲线

(b) λ与环境温度关系曲线图4 电流传输比λ与温度及输入电流之间关系曲线[2]

图2中光耦器件(U4,U5,U6)型号为sPC817D，驱动电阻R13、R14、R15为200 Ω，进行驱动电流测试，结果如表1所示。

表1 驱动电流与电流传输比λ测试表

可见，在高温下，驱动能力明显减弱，而低温下驱动能力增强，这也解释了低温下未发生故障的原因。

图2中高温时未出现错误的C相原因是电路中的光耦器件与A、B相的光耦器件生产批次不同，出厂的电流传输比λ值不同，恰好在56 ℃时未发生故障。

3 解决措施及结论

根据图4，电流传输比与输入电流的非线性[3]，并考量工作温度范围以及电流传输比的变化量，调整光耦类型及输入电阻(图2中R13、R14、R15)阻值，对光耦的输入电流进行了选择。即保证在工作温度范围内，电流传输比随温度的变化不会导致输出电流变化过大，以影响信号波形。

经过改进后测试，反电动势过零检测信号在56 ℃高温下输出正确，分子泵运行正常，电路改进措施有效，达到了预期的效果。

本次故障的根本原因在于控制器的工作温度变化，原本设计为0～40 ℃，但为了扩展工作温度，导致了高温，降低了光耦的输出电流，电路波形发生故障。

本次故障的解决过程充分表明，控制器的工作温度范围，不但影响元件选型，还致使对温度特性敏感的元件工作状态发生变化，因此设计人员应根据工作温度合理计算电路元件温度极限相关的参数。