CN113435046B - 一种双余度无刷直流电机控制系统可靠度计算方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种双余度无刷直流电机控制系统可靠度计算方法

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λ_p；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R_i；将各个元件的可靠度R_i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：λ_p11＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1

其中，λ_b1为绕组线圈的基本失效率，π_E1为环境系数，π_Q1为质量系数，π_K1为种类系数，π_C1为结构系数；

(2)永磁体的失效率为：λ_P2＝λ_b2π_E2π_Q2

其中，λ_b2为永磁体基本失效率，π_E2为环境系数，π_Q2为质量系数；

(3)单个霍尔传感器的失效率：λ_P3＝λ_b3π_E3π_Q3π_A3π_K3π_C3π_r3

其中，λ_b3为基本失效率，π_E3为环境系数，π_Q3为质量系数，π_A3为应用系数，π_K3为种类系数，π_C3为结构系数，π_r3为额定功率系数；

(4)控制芯片的失效率为：λ_P4＝π_Q4[C₁π_T4π_V4+(C₂+C_3.)π_E4)]π_L4

其中，π_E4为环境系数，π_Q4为质量系数，π_L4为成熟系数，π_T4为温度应力系数，π_V4电压应力系数，C₁及C₂为电路复杂失效率，C_3.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：λ_P51＝λ_b5π_E5π_Q5π_A5π_S52π_r5π_C5

其中，λ_b5为功率管基本失效率，π_E5为环境系数，π_Q5为质量系数，π_A5为应用系数，

为电压应力系数，π_r5为产品性能额定值系数，π_C5为结构系数；

(6)单个轴承的失效率λ_z(t)为：

其中，P为滚动轴承承受的当量动载荷，n为轴承转速；f_Q为表征基本额定动载荷变化而引入的温度系数，f_p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R_i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：λ_p11＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1

第二套绕组的失效率为：λ_p12＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1

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，λ_b1为绕组线圈的基本失效率，π_E1为环境系数，π_Q1为质量系数，π_K1为种类系数，π_C1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：λ_P2＝λ_b2π_E2π_Q2

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，λ_b2为永磁体基本失效率，π_E2为环境系数，π_Q2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。

λ_P3＝λ_b3π_E3π_Q3π_A3π_K3π_C3π_r3

其中，λ_b3为基本失效率，π_E3为环境系数，π_Q3为质量系数，π_A3应用系数,π_K3为种类系数，π_C3为结构系数，π_r3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，λ_b2为转子基本失效率，π_E2为环境系数，π_Q2为质量系数，π_K2为种类系数，π_C2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：λ_P4＝π_Q4[C₁π_T4π_V4+(C₂+C_3.)π_E4)]π_L4

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，π_E4为环境系数，π_Q4为质量系数，π_L4为成熟系数，π_T4为温度应力系数，π_V4电压应力系数，C₁及C₂为电路复杂失效率，C_3.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：

λ_P51’＝6λ_P51＝6λ_b5π_E5π_Q5π_A5π_S52π_r5π_C5

同理，第二套控制电路中六只功率管的失效率为：

λ_P52’＝6λ_P52＝6λ_b5π_E5π_Q5π_A5π_S52π_r5π_C5

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，λ_b5为转子基本失效率，π_E2为环境系数，π_Q2为质量系数，π_A5为应用系数，

为电压应力系数，π_r5产品性能额定值系数，π_C5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：

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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；f_Q为表征基本额定动载荷变化而引入的温度系数，f_p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×R_Z

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：λ_p11＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1

第二套绕组的失效率为：λ_p12＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1

取λ_b1＝0.0205×10^-6，π_E1＝2，π_Q1＝0.6，π_K1＝1，π_C1＝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：λ_P2＝λ_b2π_E2π_Q2

取λ_b2＝0.06×10^-6，π_E2＝1.5，π_Q2＝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。

λ_P3＝λ_b3π_E3π_Q3π_A3π_K3π_C3π_r3

其中，λ_b3＝0.151×10^-6，π_E3＝2，π_Q3＝0.05，π_A3＝0.7，π_K3＝1，π_C3＝1，π_r3＝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：λ_P4＝π_Q4[C₁π_T4π_V4+(C₂+C_3.)π_E4)]π_L4

取π_E4＝1.5，π_Q4＝0.08，π_L4＝1，π_T4＝0.38，π_V4＝1，C₁＝0.0731×10^-6，C₂＝0.0071×10^-6，C_3.＝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：

λ_P51’＝6λ_P51＝6λ_b5π_E5π_Q5π_A5π_S52π_r5π_C5

因此第二套功率管的失效率为：

λ_P52’＝6λ_P52＝6λ_b5π_E5π_Q5π_A5π_S52π_r5π_C5

取λ_b5＝0.071×10^-6，π_E2＝2，π_Q2＝0.03，π_A5＝0.7，

π_r5＝0.8，π_C5＝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；f_Q＝1.1，f_p＝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×R_Z＝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。

Claims (3)

1.一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λ_p；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R_i；将各个元件的可靠度R_i相乘得到总的可靠度；

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：λ_p11＝λ_b1π_E1π_Q1π_K1π_C1

其中，λ_b1为绕组线圈的基本失效率，π_E1为环境系数，π_Q1为质量系数，π_K1为种类系数，π_C1为结构系数；

(2)永磁体的失效率为：λ_P2＝λ_b2π_E2π_Q2

其中，λ_b2为永磁体基本失效率，π_E2为环境系数，π_Q2为质量系数；

(3)单个霍尔传感器的失效率：λ_P3＝λ_b3π_E3π_Q3π_A3π_K3π_C3π_r3

其中，λ_b3为基本失效率，π_E3为环境系数，π_Q3为质量系数，π_A3为应用系数，π_K3为种类系数，π_C3为结构系数，π_r3为额定功率系数；

(4)控制芯片的失效率为：λ_P4＝π_Q4[C₁π_T4π_V4+(C₂+C_3.)π_E4)]π_L4

其中，π_E4为环境系数，π_Q4为质量系数，π_L4为成熟系数，π_T4为温度应力系数，π_V4电压应力系数，C₁及C₂为电路复杂失效率，C_3.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：

其中，λ_b5为功率管基本失效率，π_E5为环境系数，π_Q5为质量系数，π_A5为应用系数，

为电压应力系数，π_r5为产品性能额定值系数，π_C5为结构系数；

(6)单个轴承的失效率λ_z(t)为：

其中，P为滚动轴承承受的当量动载荷，n为轴承转速；f_Q为表征基本额定动载荷变化而引入的温度系数，f_p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；

各个元件的可靠度R_i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：

2.根据权利要求1所述的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。

3.根据权利要求1所述的一种双余度无刷直流电机控制系统可靠性计算方法，其特征在于不同的轴承其ε的取值：球轴承ε＝3，滚子轴承ε＝10/3。

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