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随着电力电子和数字控制技术的发展，越来越多的控制系统采用数字化的控制方式。在目前广泛应用于数控车床、纺织机械领域的伺服系统中，采用全数字化的控制方式已是大势所趋。数字化控制与模拟控制相比不仅具有控制方便，性能稳定，成本低廉等优点，同时也为伺服系统实现网络化，智能化控制开辟了发展空间。全数字控制的伺服系统不仅可以方便的实现电机控制，同时通过软件的编程可以实现多种附加功能，使得伺服系统更为人性化，智能化，这也正是模拟控制所不能达到的。
伺服控制的全数字化不仅使控制更为简便，同时也提供了一定的容错能力。针对由PWM逆变器产生的故障，文献[1-2]提出了一些软件补救策略，这使得控制系统具备了一定的容错功能。在伺服系统的实际应用中往往会出现电动机连接相序与驱动器输出相序不匹配的情况，从而导致启动故障。这时通过人为判断出故障原因，使两者相序匹配连接是一种常用的方法，但这需要人的参与及改变电机的电缆连接。本文提出了一种相序故障的容错方法，通过软件方法可以方便、快速的判断出故障相，同时软件调整驱动器的输出相序，因此拥有故障的自恢复功能。实验表明，使用该方法可以准确的判断出发生的相序故障，并且在故障排除后可以正常的启动，整个过程不需要人的参与和改变任何接线。该方法可以应用于全数字的电机控制系统。
系统控制原理
本文的电机驱动采用了目前应用广泛的磁场定向控制技术(FOC)，所谓磁场定向控制实质就是通过控制定子合成电流的方向来控制定子磁场，从而获得理想的转矩性能。文献[3-5]中对磁场定向控制技术进行了大量的研究，通过实验证明应用该方法可以使电机获得很好的控制性能。本文针对永磁同步电机的控制系统[6]，简要介绍一下该技术的应用。通过对永磁电机定子电流的解耦控制，在转子的旋转坐标(dq)下， iq代表定子电流的转矩分量， id代表定子电流的励磁分量。在矢量控制中，为使定子电流产生最大的转矩，通常控制定子的励磁电流为零，即控制定子电流矢量位于q轴处，
图1 旋转坐标下的矢量图
图1所示的是电机内各矢量在旋转坐标下的空间位置，此时电机的转矩表达式为:
为使定子合成电流矢量位于q轴处，电机在启动时三相定子电流应控制为:
启动后，转子转动使得定子电流矢量与转子轴 之间的角度减小，此时应改变电机定子三相电流的频率，使定子合成磁动势跟随转子同步旋转，并且保证合成电流矢量的方向始终位于q轴。因此，电机启动后定子三相电流应为:
上述各式中ψm是电机的永磁磁链， p为电机的极对数，Is是电机定子相电流幅值,θe是转子轴与定子α相轴线间的夹角， ωe是电机的电角速度。
由此可以推出电机正常启动的条件为:
I． 启动时，电机转矩方向与给定转向一致;
II．启动后，定子合成电流矢量与转子轴d之间的角度保持不变。
当满足条件II，但不满足条件I时电机将发生反转;当条件II不满足时电机不能转动。
图2是整个伺服系统的控制框图，其中ASR是速度调节器，ACR是电流调节器，都采用PID控制，PWM调制方法采用空间矢量调制法，三相逆变电路采用通用型三相全桥电路。
图2 伺服系统控制框图
启动力矩分析
对于固定的驱动器输出相序，这里考虑驱动器 相输出电流 ，驱动器 相输出电流 ，驱动器 相输出电流 。当电机三相输入电缆接法不同时，会出现表1所示的六种情况，表中所示的是驱动器输出相与相应电机定子绕组的连接关系，表中的1－6列中的a、b、c 分别代表电机的定子绕组。
根据上文对电机矢量控制原理的介绍，电机启动时，对电机启动力矩的分析可以等效为定子合成电流的分析。下面分别对表1中六种情况下定子合成电流进行分析。
为了分析的方便，这里把第一种情况记为abc的连接方式，下面分析中采用同样的命名法，可以计算出此时定子电流合成矢量为:
其中，
，此时电机满足正常启动的条件，能够正常工作。当电机的连接方式为bac时，定子电流合成矢量为:
此时不满足条件II，电机不能启动。当电机的连接方式为acb时，定子电流合成矢量为:
此时不满足条件II，电机不能启动。当电机的连接方式为cba时，定子电流合成矢量为:
此时不满足条件II，电机不能启动。当电机的连接方式为cab时，定子电流合成矢量为:
此时满足条件II，但不满足条件I，故电机反向转动。当电机的连接方式为bca时，定子电流合成矢量为:
此时满足条件II，但不满足条件I，故电机反向转动。
对上述六种情况进行分析，可以看出当电机与启动器的相序全都接错时，如(5)、(6)情况，电机将发生反向转动，这种情况记为第一类故障;当电机与启动器的相序有一相连接正确时，如(2)、(3)、(4)情况，电机不能启动，这种情况记为第二类故障。
故障检测方法
检测原理分析
本伺服系统的位置反馈采用增量式光电编码器，该码盘在转动过程中将产生A、B、Z三个脉冲信号，其中A、B两个脉冲信号的频率相同，分辨率为2500脉冲/转。这两个脉冲信号经DSP内部的QEP电路四倍频后，电机空间位置的分辨率变为10000脉冲/转，即电机转一圈记10000个脉冲。脉冲Z是同步信号，其产生的位置固定，即电机转子转到该位置时发出信号，该信号可以用来消除干扰脉冲或丢失脉冲对位置计数器造成的累计误差，该脉冲每一圈产生一个。因此通过光电码盘的反馈可以准确知道电机转子轴的位置。
图3空间矢量图
根据上文对矢量控制的分析，当输出电流矢量与转子轴不重合时，电机转子会转动到该处并与输出电流矢量方向重合。基于这种思想可以对输出故障相进行判断。当发生相序故障时，只要判断出与驱动器任一相相连的电机定子绕组相，就可推算出此时电机的连接方式。这里取驱动器的相来进行分析，对于图3所示，在正确的连接方式下，当驱动器输出电压矢量为V4(100)时，电机转子会转动到α相轴线处，这里由于输出固定位置的矢量，从而使输出电压矢量和由此产生的电流矢量位置重合，本文针对这种特殊的用法，把输出固定位置的电流矢量等同于输出固定位置的电压矢量。
下面对两类故障分别进行分析。
第一类故障
这类故障的约束条件是电机与驱动器的相序全部接错。控制驱动器输出V4电压矢量，此时电机由于存在相序的错误连接，使得实际获得的并不是V4矢量，如图4中将变成 的电压矢量，此时电机转子会转到相对应的电压矢量处，通过光电码盘的反馈信号，可以判断出相应的电机位置，从而推算出与驱动器α相相连的电机定子绕组。当一相定子绕组判断出来后，根据约束条件，可以相应推出其他两相绕组。对于图4中的cab连接时，当知道与驱动器α相相连的是电机c相绕组后，其他两相一定是按ab连接的，否则将不符合这类故障的条件。图4是当驱动器输出V4电压矢量时，分别在abc、cab连接下实际获得的电压矢量，图中的a、b、c分别代表电机的定子绕组。同样地，可以分析出bca连接方式下的情况。
图4 不同连接方式下实际获得的电压矢量
第二类故障
这类故障的约束条件是电机与启动器的相序有一相连接正确。判断与驱动器 相相连的电机绕组方法同上，并且根据这类故障的约束条件可以知道其他两个电机相，其分析方法同第一类情况类似，这里不加阐述。
图5 各相脉冲生成原理
图6 相序检测的软件控制框图
软件实现方法
定向定子电压的软件控制
本伺服系统采用F240 DSP控制芯片，其内部的三个全比较单元CMPRX， x=1,2,3刚好可以控制一个全桥电路。并且可以输出带有死区的互补PWM信号。在正常情况下，CMPR1控制驱动器a相桥臂，CMPR2控制驱动器b相桥臂，CMPR3控制驱动器c相桥臂。开关周期由定时器T1设定，图5是各相驱动脉冲的生成原理。因此当要控制驱动器产生V4(100)的电压矢量时，只需设置相应的CMPRx寄存器即可。
自恢复功能的实现
通过调整驱动器的输出相序，可以在不改变电机连接的情况下进行相序故障的自恢复，并且其方法简单。通过上文的分析，只要相应的调整CMPRX的控制相序就可以实现驱动器的相序调整。例如当检测到电机的实际连接为CAB时，可以用CMPR3来控制驱动器的a相输出， CMPR1来控制驱动器的b相输出，CMPR2来控制驱动器的c相输出。对于文中提到的其他情况可以采用类似的控制方法。从而实现全伺服控制器相序故障的自恢复功能。图6是伺服系统在进行相序检测及故障恢复时的软件控制框图
图7 不同情况下启动波形比较
实验
整个伺服系统采用TI公司的F240 DSP控制芯片，永磁同步电机功率1kw，定子电阻Ω，定子电感5mH，电机极对数 2极，输入交流电压220V，开关频率15KHz，角度反馈采用2500脉冲/转的光电码盘。图7(a)是当发生cab连接故障时，驱动器b相输出的电流波形，其中波形的前半部分是电机在进行故障诊断，后半部分是自恢复后的启动波形。图7(b)是驱动器b相在正确连接下的启动电流波形，上述波形都是在电机空载情况下获得。从图7可以看出，当电机发生相序连接故障时，只需进行较短的时间检测和自恢复，并且能够快速的完成启动。图8是电机在带载情况下的工作电流波形，此时电机转速为150r/min。
图8 带载时的b相电流波形
结论
本文通过对永磁同步电机启动力矩的计算，对因电机相序接错而造成的启动故障进行了分析，在光电编码盘角度反馈的帮助下，通过控制驱动器输出定向的电压矢量，可以准确的判断出故障下的电机连接方式，并且在不需要人为参与的前提下，通过软件调整的方法实现电机的正常启动。实验结果表明，使用该方法在判断电机的启动故障时，可以准确的判断出发生故障原因，并自动排除故障完成启动。该方法不仅具有软件控制简单的优点，而且具有一定的实用价值。