一种双余度无刷直流电机控制系统可靠度计算方法
阅读说明：本技术 一种双余度无刷直流电机控制系统可靠度计算方法 (Reliability calculation method for control system of dual-redundancy brushless direct current motor ) 是由 付朝阳 刘兴邦 刘铮 孙平 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种双余度无刷直流电机控制系统可靠度计算方法,属于电机技术领域。首先确定双余度无刷直流电机控制系统中在运行过程中容易发生故障的各个零件,并根据各个零件之间的联结方式建立双余度无刷直流电机控制系统可靠度模型。通常双余度无刷直流电机控制系统容易发生的故障的零件分别为：定子绕组、永磁体、霍尔传感器、控制芯片、功率管和轴承。通过分析影响各个零件发生故障的影响因素,单独计算各个零件的故障率和可靠度,最后通过可靠度模型计算双余度无刷直流电机控制系统总的可靠度。本发明实现了对电机控制系统可靠度的精准计算,提升了双余度无刷直流电机控制系统寿命测试的工作效益。(The invention relates to a method for calculating the reliability of a control system of a dual-redundancy brushless direct current motor, and belongs to the technical field of motors. Firstly, determining each part which is easy to have faults in the operation process in the dual-redundancy brushless direct current motor control system, and establishing a reliability model of the dual-redundancy brushless direct current motor control system according to the connection mode among the parts. The parts of the common dual-redundancy brushless direct current motor control system which are easy to malfunction are respectively: stator winding, permanent magnet, hall sensor, control chip, power tube and bearing. And finally, calculating the total reliability of the dual-redundancy brushless direct current motor control system through a reliability model. The invention realizes the accurate calculation of the reliability of the motor control system and improves the working benefit of the service life test of the dual-redundancy brushless direct current motor control system.)
技术领域
本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种计算双余度无刷直流电机控制系统可靠度的方法。
背景技术
在航空航天中对于电机的可靠性要求非常高，采用双余度的电机相比单电机其运行可靠性将会得到大大提高。通常状态下影响双余度无刷直流电机控制系统可靠度的主要元件有：绕组、永磁体、霍尔传感器、控制芯片、功率管、轴承。电机绕组的故障有开路故障和短路故障，双余度电机就是采用两套绕组共用一个电机转子的方式来提高电机的可靠性。双余度电机中霍尔传感器起检测转子位置的作用，霍尔传感器作为一种半导体器件在高低温、强冲击、强振动等复杂恶劣的工作环境中容易发生一路或两路故障，造成三相电流的畸变。功率管的故障包括短路故障和断路故障。电机中任何一个元件的失效将会导致电机不能正常工作，因此对双余度无刷直流电机控制系统各个元件进行可靠度计算，从而能够实现主动的去保证电机各个零件运行可靠水平，达到提高整个电机的工作质量的目的。
目前，双余度无刷直流电机控制系统的可靠度往往通过寿命测试实验的方法得到，这种方法需要繁琐的、长时间的实验验证，不能满足对于可靠度测量的快速性和实时性要求。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术对于双余度无刷直流电机控制系统寿命测试的长时间、高费用等问题，本发明提供了一种双余度无刷直流电机控制系统可靠性计算方法，通过公式计算可以得出双余度无刷直流电机控制系统的可靠度，避免了复杂的、长时间的双余度无刷直流电机控制系统可靠度测量实验。
技术方案
一种双余度无刷直流电机控制系统可靠性计算方法，其特征在于将双余度无刷直流电机控制系统主要故障分为绕组故障、永磁体故障、霍尔传感器故障、控制芯片故障、功率管故障以及轴承故障；依次计算各个元件的失效率λp；根据双余度无刷直流电机控制系统中各个元件的联结方式，以及每种元件在双余度无刷直流电机控制系统中的使用数量，并认为各个元件的寿命服从单参数指数分布，由此可以得到各个元件的可靠度Ri；将各个元件的可靠度Ri相乘得到总的可靠度。
双余度无刷直流电机控制系统与其他电机控制系统的结构有所不同，主要由永磁体、铁心、转轴、轴承、定子绕组、功率管、霍尔传感器和芯片构成。在实际运行中，控制系统最容易发生故障的部件为定子绕组、永磁体、霍尔传感器、功率管、控制芯片以及轴承。当前电机的寿命主要由实验测量得到，即将电机运行至发生故障时，测量其寿命。这种方法是通过实验验证电机整体，没有到考虑各个部件。本发明提出的方法通过对最容易发生故障的各个部件的计算，最后得出双余度无刷直流电机控制系统总的可靠度。
所述的绕组、永磁体、霍尔传感器、控制芯片、功率管以及轴承的失效率计算公式如下：
(1)定子绕组的失效率为：λp11＝λb1πE1πQ1πK1πC1
其中，λb1为绕组线圈的基本失效率，πE1为环境系数，πQ1为质量系数，πK1为种类系数，πC1为结构系数；
(2)永磁体的失效率为：λP2＝λb2πE2πQ2
其中，λb2为永磁体基本失效率，πE2为环境系数，πQ2为质量系数；
(3)单个霍尔传感器的失效率：λP3＝λb3πE3πQ3πA3πK3πC3πr3
其中，λb2为基本失效率，πE2为环境系数，πQ2为质量系数，πK2为种类系数，πC2为结构系数；
(4)控制芯片的失效率为：λP4＝πQ4[C1πT4πV4+(C2+C3.)πE4)]πL4
其中，πE4为环境系数，πQ4为质量系数，πL4为成熟系数，πT4为温度应力系数，πV4电压应力系数，C1及C2为电路复杂失效率，C3.为封装复杂度失效率；
(5)一套控制电路中单只功率管的失效率计算公式为：λP51＝λb5πE5πQ5πA5πS52πr5πC5
其中，πE4为环境系数，πQ4为质量系数，πL4为成熟系数，πT4为温度应力系数，πV4电压应力系数，C1及C2为电路复杂失效率，C3.为封装复杂度失效率；
(6)单个轴承的失效率λz(t)为：
其中，P为滚动轴承承受的当量动载荷，n为轴承转速；fQ为表征基本额定动载荷变化而引入的温度系数，fp为表征工作中的振动或冲击引入的载荷系数；m、ε为形状参数；C为滚动轴承额定动载荷，其值与轴承的温度和参数有关。
不同的轴承其m的取值：球轴承m＝10/9，圆柱滚子轴承m＝3/2，圆锥滚子轴承m＝4/3。
不同的轴承其ε的取值：球轴承ε＝3，滚子轴承ε＝10/3。
各个元件的可靠度Ri计算公式如下：
(1)双余度无刷直流电机控制系统中一共两套绕组采用并联方式，则绕组可靠度为：
(2)双余度无刷直流电机控制系统中永磁体可靠度为：
(3)控制系统中共有三只霍尔传感器串联在系统中，则传感器可靠度为：
(4)双余度无刷直流电机控制系统中共有一只控制芯片，则芯片可靠度为：
(5)根据双余度电机控制系统单套控制电路中功率管的数量为6只，两套控制电路之间采用并联联结方式，确定所有功率管的可靠度为：
(6)控制系统中轴承数量为2，联结方式为串联；工作t小时后总的轴承可靠度为：
有益效果
本发明提供了一种计算双余度无刷直流电机控制系统可靠度水平的计算方法，通过综合考虑电机各个元件在不同的工作场合、工作时间下的失效率，最后得到准确的电机可靠度。相比电机寿命测试工作，本发明提供的方法能够快速精确地得出电机的可靠度，大大缩短了寿命测试时间，同时减少了寿命测试的成本。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为双余度无刷直流电机控制系统可靠度模型。
图2为双余度无刷直流电机控制系统拓扑结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
双余度无刷直流电机控制系统与其他电机控制系统的结构有所不同，主要由永磁体、铁心、转轴、轴承、定子绕组、功率管、霍尔传感器和芯片构成。在实际运行中，控制系统最容易发生故障的部件为定子绕组、永磁体、霍尔传感器、功率管、控制芯片以及轴承。当前电机的寿命主要由实验测量得到，即将电机运行至发生故障时，测量其寿命。这种方法是通过实验验证电机整体，没有到考虑各个部件。本发明提出的方法通过对最容易发生故障的各个部件的计算，最后得出双余度无刷直流电机控制系统总的可靠度。
本发明提出了一种双余度无刷直流电机控制系统可靠性计算方法，具体实施包括以下步骤：
步骤1：将双余度无刷直流电机控制系统主要故障分为绕组故障、永磁体故障、霍尔传感器故障、控制芯片故障、功率管故障以及轴承故障。
步骤2：计算双余度无刷直流电机控制系统定子绕组的失效率和可靠度。
第一套绕组的失效率为：λp11＝λb1πE1πQ1πK1πC1
第二套绕组的失效率为：λp12＝λb1πE1πQ1πK1πC1
认为双余度无刷直流电机控制系统绕组的寿命服从单参数指数分布，同时两套绕组采用并联结构的方式以提高无刷直流电机的可靠度，则定子绕组工作t小时后的总可靠度为：
其中，λb1为绕组线圈的基本失效率，πE1为环境系数，πQ1为质量系数，πK1为种类系数，πC1为结构系数。
步骤3：计算双余度无刷直流电机控制系统永磁体的失效率和可靠度。
永磁体的失效率为：λP2＝λb2πE2πQ2
认为双余度无刷直流电机控制系统永磁体的寿命服从单参数指数分布，因此得到永磁体工作t小时后的可靠度为：
其中，λb2为永磁体基本失效率，πE2为环境系数，πQ2为质量系数。
步骤4：计算双余度无刷直流电机控制系统霍尔传感器失效率和可靠度。
λP3＝λb3πE3πQ3πA3πK3πC3πr3
其中，λb3为基本失效率，πE3为环境系数，πQ3为质量系数，πA3应用系数,πK3为种类系数，πC3为结构系数，πr3额定功率系数。
认为双余度无刷直流电机控制系统绕组寿命服从单参数指数分布，在双余度无刷直流电机控制系统位置检测中采用三个霍尔位置传感器串联的方式，则工作t小时后霍尔传感器的可靠度为：
其中，λb2为转子基本失效率，πE2为环境系数，πQ2为质量系数，πK2为种类系数，πC2为结构系数。
步骤5：计算双余度无刷直流电机控制系统控制芯片的失效率和可靠度。
控制芯片的失效率为：λP4＝πQ4[C1πT4πV4+(C2+C3.)πE4)]πL4
认为控制芯片的寿命服从单参数指数分布，工作t小时后的芯片的可靠度为：
其中，πE4为环境系数，πQ4为质量系数，πL4为成熟系数，πT4为温度应力系数，πV4电压应力系数，C1及C2为电路复杂失效率，C3.为封装复杂度失效率。
步骤6：计算双余度无刷直流电机控制系统功率管失效率和可靠度。
一套控制电路中含有六只功率管，因此第一套功率管的失效率为：
同理，第二套控制电路中六只功率管的失效率为：
认为功率管的寿命服从指数分布，并且两套控制电路采用并联结构，因此功率管总的可靠度为：
其中，λb5为转子基本失效率，πE2为环境系数，πQ2为质量系数，πA5为应用系数，为电压应力系数，πr5产品性能额定值系数，πC5结构系数。
步骤7：计算双余度无刷直流电机控制系统轴承失效率和可靠度。
轴承失效率为：
双余度无刷直流电机控制系统中轴承数量为2，联结方式为串联。工作t小时后总的可靠度为：
其中，P为滚动轴承承受的当量动载荷，n为轴承转速；fQ为表征基本额定动载荷变化而引入的温度系数，fp为表征工作中的振动或冲击引入的载荷系数；m为形状参数，对于球轴承m＝10/9，圆柱滚子轴承m＝3/2，圆锥滚子轴承m＝4/3；球轴承ε＝3，滚子轴承ε＝10/3；C为滚动轴承额定动载荷，其值与轴承的温度和参数有关。
步骤8：根据图1所示双余度无刷直流电机控制系统可靠性模型，可以得到电机总的可靠度为：
R(t)＝R1×R2×R3×R4×R5×RZ
实施例1：
一台双余度无刷直流电机控制系统，额定电压为270V，额定转速1000r/min，其控制电路拓扑结构如图2所示，计算该型电机在运行18000小时(约2年)后的可靠度。
步骤1：将双余度无刷直流电机控制系统主要故障分为绕组故障、永磁体故障、霍尔传感器故障、控制芯片故障、功率管故障以及轴承故障。
步骤2：计算双余度无刷直流电机控制系统定子绕组的失效率和可靠度。
第一套绕组的失效率为：λp11＝λb1πE1πQ1πK1πC1
第二套绕组的失效率为：λp12＝λb1πE1πQ1πK1πC1
取λb1＝0.0205×10-6，πE1＝2，πQ1＝0.6，πK1＝1，πC1＝1，定子绕组工作18000小时后的总可靠度为：
步骤3：计算双余度无刷直流电机控制系统永磁体的失效率和可靠度。
永磁体的失效率为：λP2＝λb2πE2πQ2
取λb2＝0.06×10-6，πE2＝1.5，πQ2＝0.65，因此得到永磁体工作18000小时后的可靠度为：
步骤4：计算双余度无刷直流电机控制系统霍尔传感器失效率和可靠度。
λP3＝λb3πE3πQ3πA3πK3πC3πr3
其中，λb3＝0.151×10-6，πE3＝2，πQ3＝0.05，πA3＝0.7，πK3＝1，πC3＝1，πr3＝0.8。则工作18000小时后3个霍尔传感器总的可靠度为：
步骤5：计算双余度无刷直流电机控制系统控制芯片的失效率和可靠度。
控制芯片的失效率为：λP4＝πQ4[C1πT4πV4+(C2+C3.)πE4)]πL4
取πE4＝1.5，πQ4＝0.08，πL4＝1，πT4＝0.38，πV4＝1，C1＝0.0731×10-6，C2＝0.0071×10-6，C3.＝4×10-6，工作18000小时后的可靠度为：
步骤6：计算双余度无刷直流电机控制系统功率管失效率和可靠度。
一套功率管含有6只功率管，因此第一套功率管的失效率为：
因此第二套功率管的失效率为：
取λb5＝0.071×10-6，πE2＝2，πQ2＝0.03，πA5＝0.7，πr5＝0.8，πC5＝1，因此功率管工作18000小时后总的可靠度为：
步骤7：计算双余度无刷直流电机控制系统轴承的失效率和可靠度。
轴承失效率为：
取P＝531N，n＝1000r/min；fQ＝1.1，fp＝1.5，m＝10/9，ε＝3，C＝680N。工作18000小时后两个轴承总的可靠度为：
步骤8：根据图1所示双余度无刷直流电机控制系统可靠性模型，六种元件采用串联的方式，因此可以得到电机工作18000小时的总可靠度为：
R(18000)＝R1×R2×R3×R4×R5×RZ＝0.983816
因此得到双余度无刷直流电机控制系统工作18000小时的可靠度为98.3816％。
本发明首先确定双余度无刷直流电机控制系统中在运行过程中容易发生故障的各个零件，并根据各个零件之间的联结方式建立双余度无刷直流电机控制系统可靠度模型。通常双余度无刷直流电机控制系统容易发生的故障的零件分别为：定子绕组、永磁体、霍尔传感器、控制芯片、功率管和轴承。通过分析影响各个零件发生故障的影响因素，单独计算各个零件的故障率和可靠度，最后通过可靠度模型计算双余度无刷直流电机控制系统总的可靠度。本发明实现了对电机控制系统可靠度的精准计算，提升了双余度无刷直流电机控制系统寿命测试的工作效益。同时，通过可靠度计算能够在实际生产运行中主动的去提高双余度无刷直流电机控制系统的可靠性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。