基于PCC控制器的調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)失步問題研究

翟玉杰，赫晉喆，周立成，艾遠(yuǎn)高

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

某巨型水電站安裝有多臺(tái)單機(jī)容量700MW混流式機(jī)組，調(diào)速器采用PCC雙機(jī)智能比例伺服閥和步進(jìn)電機(jī)互為冗余的非對(duì)稱配置。A 套控制器控制比例閥，B 套控制器控制步進(jìn)電機(jī)。兩套控制器的主接反饋和主配反饋信號(hào)各自獨(dú)立采集，形成位移傳感器的冗余設(shè)計(jì)[1]。近期，機(jī)組在B套步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，多次出現(xiàn)調(diào)速器主接隨動(dòng)故障?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行大量試驗(yàn)及軟硬件監(jiān)視措施，最終確認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)失步引起。經(jīng)深入分析，技術(shù)人員提出通過增加步進(jìn)電機(jī)失步檢測(cè)及重啟功能，可減少故障對(duì)機(jī)組的影響，同時(shí)進(jìn)行軟硬件監(jiān)視措施，最終確定失步故障點(diǎn)。經(jīng)研究改進(jìn)后，步進(jìn)電機(jī)失步現(xiàn)象大幅減少，消除了調(diào)速器運(yùn)行隱患。

1 PCC控制器調(diào)速系統(tǒng)組成及特性

電站調(diào)速器采用能事達(dá)公司生產(chǎn)的WBLDT-250-6.3型調(diào)速器，控制器由2套貝加萊（B&R）2005系列PCC組成。調(diào)速器采用并聯(lián)PID結(jié)構(gòu)，比例閥控制采用4～20mA模擬量綜合模塊AM374控制，步進(jìn)電機(jī)采用高頻處理器單元DM455（利用TPU的PWM功能塊）控制，該機(jī)組調(diào)速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of speed control system

調(diào)速器采用了雙通道冗余結(jié)構(gòu)。電氣部分均采用冗余設(shè)計(jì)，包括控制器、開關(guān)量I/O點(diǎn)通道、模擬量I/O通道、主接位移傳感器、輔接位移傳感器等部件。雙機(jī)互為備用，可進(jìn)行無擾動(dòng)切換。雙機(jī)跟蹤原理為：A機(jī)投入運(yùn)行時(shí)，A機(jī)享有對(duì)調(diào)速器的控制權(quán)，此時(shí)B機(jī)也根據(jù)自己的采樣進(jìn)行計(jì)算，但控制信號(hào)不出口，B機(jī)自動(dòng)運(yùn)算并跟蹤A機(jī)的輸出，這樣可實(shí)現(xiàn)A/B機(jī)切換無擾動(dòng)[2]。

2 步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移的機(jī)電執(zhí)行元件[3]。調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)控制采用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式，主CPU完成數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算后，將計(jì)算結(jié)果通過內(nèi)部總線通信至DM455模塊，DM455根據(jù)收到的指令產(chǎn)生PWM調(diào)制波，PWM波形再經(jīng)光耦隔離器送至驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，從而拖動(dòng)引導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)電液轉(zhuǎn)換，再經(jīng)切換閥后，控制主配及接力器開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)葉開度的控制，步進(jìn)電機(jī)控制的硬件邏輯圖如圖2所示。調(diào)速器采用的是日本三洋步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)性能在很大程度上依賴于驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)方式、控制脈沖規(guī)律及電源電壓等[4]。在步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器中為提高工作效率，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的加速、減速特性非常重要，如果設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)引起步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)、失步（運(yùn)行精度差）或升、降速過程慢（工作效率低）等問題[5-10]。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制的硬件邏輯圖Figure 2 Hardware logic diagram of stepper motor control

3 步進(jìn)電機(jī)失步原因分析

3.1 失步現(xiàn)象

2014年10月10日，該電站監(jiān)控系統(tǒng)顯示29F機(jī)組“B套主接跟蹤故障”并提示“B套在線復(fù)歸”“B套自動(dòng)復(fù)歸”，隨后B套控制器切換至機(jī)手動(dòng)模式，調(diào)速器由B機(jī)切至A機(jī)自動(dòng)模式運(yùn)行。

查詢故障發(fā)生時(shí)機(jī)組運(yùn)行曲線（見圖3），分析得出：當(dāng)機(jī)組有功功率偏差較大時(shí)，開度給定逐漸增大，而此時(shí)導(dǎo)葉開度未跟隨動(dòng)作，調(diào)速器下發(fā)的輔接給定值也隨著導(dǎo)葉給定值在增加，但輔接的實(shí)際位置沒有任何變化。B機(jī)輔接位置傳感器是直接安裝在步進(jìn)電機(jī)絲桿上的，因此可以初步得出結(jié)論：故障發(fā)生時(shí)步進(jìn)電機(jī)沒有正常動(dòng)作，即步進(jìn)電機(jī)發(fā)生失步。

圖3 故障發(fā)生時(shí)的機(jī)組運(yùn)行曲線Figure 3 Operation curve of unit in case of fault

3.2 失步原因分析

通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制邏輯分析，失步可能存在以下故障點(diǎn)：

（1）步進(jìn)電機(jī)裝置發(fā)生臨時(shí)性卡阻。

（2）驅(qū)動(dòng)器未收到脈沖或驅(qū)動(dòng)器當(dāng)時(shí)未工作。

（3）光電隔離模塊未正確將PWM信號(hào)輸出。

（4）DM455工作不正常，未輸出PWM信號(hào)。

（5）主CPU未計(jì)算出正確的步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)量wY_Drv。

步進(jìn)電機(jī)控制環(huán)路中，從CPU至自復(fù)中裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)屬于開環(huán)控制，即圖2所示的結(jié)構(gòu)中沒有狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和反饋點(diǎn)。此設(shè)計(jì)雖簡(jiǎn)化了控制過程，但無法實(shí)時(shí)了解控制環(huán)節(jié)的狀態(tài)，從而導(dǎo)致現(xiàn)有手段無法有效判斷故障發(fā)生的部位。為防止步進(jìn)電機(jī)失控影響機(jī)組正常運(yùn)行或?qū)е缕渌蟮氖鹿?，根?jù)故障現(xiàn)象和特點(diǎn)，首先增加步進(jìn)電機(jī)失步重啟的輔助功能，即故障復(fù)歸后自行復(fù)位，其次通過增加軟硬件狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)故障進(jìn)行精確定位。

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 添加失步監(jiān)測(cè)程序

該故障直接原因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)失步，而具體故障報(bào)警為主接跟蹤故障。對(duì)步進(jìn)電機(jī)失步而言主接隨動(dòng)失敗報(bào)警信號(hào)嚴(yán)重滯后，對(duì)失步故障的處理需要更快捷的報(bào)警邏輯及應(yīng)對(duì)方法。選擇將引導(dǎo)閥位移作為故障判斷對(duì)象，通過比較引導(dǎo)閥位置反饋與給定差值，在增加反饋?zhàn)兓俣扰袛啵梢杂行У嘏袛喙收?。設(shè)置差值大于20%，變化速度小于0.1%/s，持續(xù)0.96s報(bào)步進(jìn)電機(jī)失步。相較之前的主接隨動(dòng)失敗報(bào)警20s的故障判定時(shí)間，大大地提高了報(bào)警的時(shí)效性。

4.2 添加失步重啟邏輯

步進(jìn)電機(jī)檢測(cè)到失步報(bào)警后，給驅(qū)動(dòng)器一次200ms的強(qiáng)制重啟Free信號(hào)，并在CPU程序中增加失步后PID積分清零，即檢測(cè)到步進(jìn)電機(jī)失步后，將當(dāng)前實(shí)際導(dǎo)葉開度賦值給開度給定值，等待電機(jī)失步重啟后再將計(jì)算開度給定值賦給開度給定。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)失步報(bào)警次數(shù)加1，報(bào)警次數(shù)一小時(shí)內(nèi)累計(jì)3次及以上，不再進(jìn)行失步重啟，直接輸出B機(jī)輔接跟蹤故障，并進(jìn)行控制器切換。

4.3 失步故障定位

現(xiàn)場(chǎng)將機(jī)組調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊的Phase Out信號(hào)引入B機(jī)PCC輸入模塊，對(duì)驅(qū)動(dòng)器接受到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并對(duì)脈沖計(jì)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，將故障范圍以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為界限，進(jìn)行分離，以進(jìn)一步確定故障點(diǎn)。

通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)失步故障的數(shù)據(jù)分析，監(jiān)視到故障發(fā)生時(shí)，驅(qū)動(dòng)器脈沖計(jì)數(shù)值未增加，PCC控制器程序也未發(fā)現(xiàn)明顯問題，故將故障點(diǎn)精確定位在DM455至驅(qū)動(dòng)器之間，排除了步進(jìn)電機(jī)自身及其自復(fù)中裝置故障的可能，為后續(xù)進(jìn)一步分析減少了工作量。

4.3.1 光隔測(cè)試

在試驗(yàn)臺(tái)對(duì)光隔進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)光隔傳遞脈沖的頻率為5kHz時(shí)，脈沖波形依然是正常的，而實(shí)際的工作環(huán)境中光隔的最高工作頻率為2kHz，且光隔本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度也很高，屬于技術(shù)工藝很成熟的器件，可以暫時(shí)排除光隔故障的因素，基本可以將故障點(diǎn)定位于DM455上。

4.3.2 DM455內(nèi)部程序監(jiān)視

DM455在調(diào)速器中主要用于機(jī)組測(cè)頻及步進(jìn)電機(jī)控制。通過修改程序?qū)M455模塊進(jìn)行監(jiān)視，主要措施包括：

（1）建立CPU與DM455內(nèi)部進(jìn)程之間另外獨(dú)立的問答機(jī)制，以考察DM455內(nèi)部進(jìn)程執(zhí)行是否有跑飛的情況。

（2）將DM455收到的頻率指令反送回CPU，以確認(rèn)DM455是否正確收到來自CPU的指令。

（3）將DM455輸出脈沖計(jì)數(shù)值送回CPU，監(jiān)視LTXdpwm功能函數(shù)輸出脈沖工作情況。

4.3.3 增加DM455模塊50ms錄波功能

在調(diào)速器觸摸屏中增加錄波程序，將DM455模塊運(yùn)行狀態(tài)信息及PWM計(jì)數(shù)、失步報(bào)警等信息保存在存儲(chǔ)介質(zhì)中，以便事后查看分析。程序運(yùn)行后，當(dāng)檢測(cè)到步進(jìn)電機(jī)失步觸發(fā)啟動(dòng)錄波，將采集的數(shù)據(jù)以50ms采樣率保存在存儲(chǔ)介質(zhì)中。自動(dòng)故障錄波方式下，觸摸屏錄波程序保持對(duì)數(shù)據(jù)持續(xù)采樣，一旦錄波條件觸發(fā)，觸摸屏錄波程序便將條件觸發(fā)時(shí)刻前2min以及后8min共10min的數(shù)據(jù)以CSV格式存入存儲(chǔ)介質(zhì)。

4.4 改進(jìn)效果

機(jī)組程序進(jìn)行上述改進(jìn)后，對(duì)失步故障進(jìn)行追蹤試驗(yàn)。圖4為步進(jìn)電機(jī)失步重啟故障錄波，其中：Y-mid-fbk輔接位置；Y-mid-give輔接給定；Y-mid-difference輔接偏差；Stepout失步報(bào)警；檢測(cè)到失敗故障報(bào)警后，執(zhí)行了失步重啟功能，先導(dǎo)閥強(qiáng)制回中，反饋信號(hào)回零，重啟后驅(qū)動(dòng)器繼續(xù)執(zhí)行調(diào)節(jié)命令，先導(dǎo)閥隨動(dòng)恢復(fù)正常，調(diào)速器恢復(fù)正常。

圖4 輔接給定與反饋錄波（單位：時(shí)間/ms）Figure 4 Auxiliary setting and feedback recording

圖5為PWM給定與反饋錄波。其中：PWM-Give脈沖給定計(jì)數(shù)；PWM-FBK脈沖反饋計(jì)數(shù)；Y-mid-fbk輔接位置；Y-mid-give輔接給定；故障前PWM信號(hào)的給定與回傳指令變化趨勢(shì)具有嚴(yán)格的一致性，在55～59ms區(qū)間，兩者趨勢(shì)出現(xiàn)明顯差異，DM455收到調(diào)節(jié)指令，但DM455未能產(chǎn)生PWM脈沖。通過對(duì)失步現(xiàn)象的分析得出，引起失步的主要原因是DM455未能根據(jù)指令產(chǎn)生PWM脈沖。

圖5 PWM給定與反饋錄波（單位：時(shí)間/ms）Figure 5 PWM setting and feedback recording

機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制器經(jīng)過上述改進(jìn)后，在實(shí)際工作中能快速準(zhǔn)確的判定步進(jìn)電機(jī)失步，判斷時(shí)間為0.96s，并成功完成步進(jìn)電機(jī)重啟，相較之前的主接隨動(dòng)失敗報(bào)警20s的故障判定時(shí)間，大大地提高了報(bào)警的時(shí)效性，降低了故障的危害，同時(shí)與貝加萊工程師交流后，判定為PWM功能函數(shù)在一個(gè)程序周期內(nèi)多次被調(diào)用是導(dǎo)致PWM功能塊出現(xiàn)異常的原因。因此，與貝加萊工程師對(duì)DM455代碼進(jìn)行了優(yōu)化處理措施，并在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，已期滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

5 結(jié)論

針對(duì)某巨型水電站機(jī)組多次出現(xiàn)機(jī)組步進(jìn)電機(jī)失控的現(xiàn)象，本文詳述了研究人員基于此故障現(xiàn)象，通過進(jìn)行大量試驗(yàn)、程序改進(jìn)及監(jiān)視措施，并最終闡明了問題產(chǎn)生的原因，提出此類故障的應(yīng)對(duì)措施及改進(jìn)方法。通過這些措施，規(guī)避了步進(jìn)電機(jī)失步導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷異常波動(dòng)，同時(shí)減少了調(diào)速器切機(jī)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，將步進(jìn)電機(jī)失步對(duì)機(jī)組影響降到最低，也為其他同類電站在處理類似問題提供參考依據(jù)。