襟縫翼PDU無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龐登峰，馮作全，董　峰

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅蘭州730030；2.蘭州萬里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730070）

襟縫翼PDU無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

龐登峰1，馮作全1，董峰2

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅蘭州730030；2.蘭州萬里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730070）

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于飛機(jī)襟縫翼PDU的高壓大功率無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，給出了其接口及硬件原理，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，襟縫翼PDU高壓大功率無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制效果優(yōu)越，具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍寬、控制精度高、平穩(wěn)性良好的特點(diǎn)。該控制系統(tǒng)已于某機(jī)種中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行良好。

無刷直流電機(jī)；PDU；控制系統(tǒng)

0　引言

自19世紀(jì)30年代以來，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好的諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷以及機(jī)械方法進(jìn)行換向，存在機(jī)械摩擦，因此帶來了噪聲大、電磁干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，從而大大限制了其應(yīng)用范圍［1］。

隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)及永磁材料的快速發(fā)展，針對(duì)上述直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在1917年，Boliger就提出用整流管代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本思路。1955年，美國D·Harrison等人首次申請(qǐng)了應(yīng)用晶體管換向代替電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電動(dòng)機(jī)的誕生。但由于該電動(dòng)機(jī)無啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。此后借助于霍爾元件來實(shí)現(xiàn)換向的無刷直流電動(dòng)機(jī)終于在1962年問世，從而開辟了無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元［2］。近年來，無刷直流電動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于航空電傳系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于某飛機(jī)襟縫翼PDU（動(dòng)力傳動(dòng)組件）的無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，并給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1　系統(tǒng)接口關(guān)系

本文中的襟縫翼PDU采用270 V高壓大功率稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。如圖1所示，襟縫翼PDU接收來自襟縫翼控制器的行程差值指令和行程目標(biāo)指令，襟縫翼PDU雙電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)襟縫翼作動(dòng)線系，依靠自身的控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)執(zhí)行部件輸出軸的速度閉環(huán)控制功能。控制單元通過429總線接收襟縫翼控制器指令，控制襟縫翼PDU動(dòng)作，并向襟縫翼控制器上傳襟縫翼PDU工作狀態(tài)；接收超控開關(guān)操縱指令，控制襟縫翼PDU動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)單元通過RS429接收控制單元的速度給定指令，驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)以給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行正反向旋轉(zhuǎn)或制動(dòng)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元實(shí)時(shí)采集電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過429總線上傳給控制單元。

圖1　接口關(guān)系

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制驅(qū)動(dòng)單元原理

在控制方式和控制原理上，采用比較成熟的雙閉環(huán)控制。如圖2所示，速度環(huán)接受控制單元輸入的速度指令和電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和指令之間的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的放大作為電流環(huán)的輸入指令［3］。

圖2　驅(qū)動(dòng)單元原理框圖

電流環(huán)接收電流采樣電路采集的電機(jī)電流值，與速度環(huán)來的電流給定值進(jìn)行比較，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器放大輸出送PWM脈寬調(diào)制電路，獲得離散化處理的功率器件的開通信號(hào)，此信號(hào)送到功率驅(qū)動(dòng)部分控制功率器件IGBT的通斷。

2.2電流保護(hù)電路

如圖3所示，電流的檢測(cè)由電流互感器和I/V轉(zhuǎn)換電路組成［4］。采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，電流互感器采樣到的電流值經(jīng)I/V電路轉(zhuǎn)換為電壓值后，分為兩路輸出，一路輸出直接到由比較器構(gòu)成的硬件電流保護(hù)電路中，與通過電位計(jì)設(shè)定的電流值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)電流的硬件保護(hù)；另一路輸出經(jīng)過MAX187串行A/D轉(zhuǎn)換器后進(jìn)入DSP，通過軟件濾波處理后與軟件設(shè)定電流值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)軟件電流保護(hù)功能。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路主要包括隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、三相橋式功率IGBT逆變等電路；主要用于完成功率電路與控制電路的隔離、功率元件的驅(qū)動(dòng)、功率逆變（放大）等功能。電動(dòng)機(jī)為三相六狀態(tài)無刷工作方式，由于電機(jī)功率較大（額定13 kW），直流母線供電電壓為270 V，額定電流約為75 A，所以，主功率開關(guān)器件采用了雙路集成高壓大電流的IGBT，最大集極電流能到300 A，最大集射極電壓為600 V。采用6片集成IC專用驅(qū)動(dòng)芯片作為六只開關(guān)功率管T1～T6的驅(qū)動(dòng)，前級(jí)控制信號(hào)與后級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過光耦完全進(jìn)行隔離，并且每個(gè)功率管電路采用單一電源，電源選用6片專用電源供電芯片。另外為防止門極過電壓，在G-E間連接齊納二極管等保護(hù)措施。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

圖3　電流采樣及保護(hù)電路

圖4　功率驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

自檢測(cè)電路、位置檢測(cè)及換向電路、D/A轉(zhuǎn)換電路等均為成熟技術(shù)，本文不做詳細(xì)介紹。

3　無刷電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)控制

如圖5所示，無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，因此需要速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器［5］。速度調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)給定速度與反饋速度之差按一定的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，并通過運(yùn)算結(jié)果對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)控制。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，使速度時(shí)間常數(shù)較大，系統(tǒng)的響應(yīng)較慢。所以要用電流調(diào)節(jié)器提高響應(yīng)速度。

電流調(diào)節(jié)器有兩個(gè)作用。一個(gè)是在啟動(dòng)和大范圍加減速時(shí)起電流調(diào)節(jié)和限幅作用，因?yàn)榇藭r(shí)速度調(diào)節(jié)器呈飽和狀態(tài)，其輸出信號(hào)一般作為極限給定值加到電流調(diào)節(jié)器上，電流調(diào)節(jié)器的作用結(jié)果是使繞組電流迅速達(dá)到并穩(wěn)定在其最大值上，從而實(shí)現(xiàn)快速加減速和電流限流作用。另一個(gè)作用是使系統(tǒng)的抗電源擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)的能力增強(qiáng)。

圖5　電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制框圖

在實(shí)際應(yīng)用中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器都采用PI（比例、積分）調(diào)節(jié)算法，該系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，采用的都是數(shù)字量，所以必須把PI算法離散化才能使用。又由于系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間有限，算法的存儲(chǔ)空間開銷不能太大，所以采用了離散化的增量式PI算法。該算法在運(yùn)算過程中只需要保留最近3次的誤差數(shù)據(jù)，就能夠推導(dǎo)出下一次的輸出量，節(jié)省了大量的數(shù)據(jù)空間，提高了運(yùn)算速度，有很強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。

公式如下：

其中△μ（k）=KP（e（k）-e（k-1）+Kie（k）μ（k）、μ（k-1）分別是k和 k-1時(shí)刻的輸出量，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為D/A的輸出量；e（k）、e（k-1）分別是k、k-1時(shí)刻的偏差值，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為該時(shí)刻實(shí)際值與目標(biāo)值的偏差；KP是PI調(diào)節(jié)公式的比例系數(shù)，Ki積分系數(shù)，不同的數(shù)值代表著PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)的積分、比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)度和效果。

PI調(diào)節(jié)合理的參數(shù)估計(jì)、比較，可以通過MATLAB的傳遞函數(shù)模型仿真來得到，最終結(jié)合實(shí)際負(fù)載通過大量的實(shí)驗(yàn)得到合適的參數(shù)，達(dá)到理想的控制效果。

控制算法的程序流程圖如圖6所示。

圖6　PI調(diào)節(jié)算法流程圖

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的實(shí)際效果，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)體試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為270 V無刷直流電機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)，該雙余度速度伺服電力作動(dòng)系統(tǒng)由兩臺(tái)獨(dú)立的三相稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）、差速傳動(dòng)齒輪減速器和相關(guān)傳感器組成，余度工作方式采用熱備式。

由于無刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組采用“Y”形接法，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型按照電機(jī)在120°導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式下建立，采用速度、電流雙閉環(huán)控制進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速用轉(zhuǎn)速表測(cè)量，電機(jī)輸出數(shù)據(jù)由加載顯示設(shè)備進(jìn)行記錄，輸入數(shù)據(jù)由WT3000功率儀記錄，功率儀接線方式選擇

圖7　測(cè)試數(shù)據(jù)

3 V/3 A方式，其中將Element1電壓測(cè)量線接AC線間，A相接+，C相接-，電流傳感器接A相；Element2電壓測(cè)量線接BC線間，B相接+，C相接-，電流傳感器接B相；Element3電壓測(cè)量線接AB線間，A相接+，B相接-，電流傳感器接C相，電流傳感器測(cè)三相115/200 VAC輸入電流。

由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多，本文只給出一組數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示，其中U1、U2、U3分別為AC、BC、AB間線電壓，I1、I2、I3分別為電機(jī)A、B、C相電流，電流I4為115/200 VAC電源輸入相電流，P∑A為電機(jī)的輸入功率，T=200 N·m，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出功率P1=33.02 kW，電機(jī)輸入功率P1=38.6 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=7 173 r/min，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率η=85%。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款飛機(jī)襟縫翼PDU高壓大功率無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明：在閉環(huán)狀態(tài)下，無刷電機(jī)能夠根據(jù)要求，通過控制器電位計(jì)設(shè)定轉(zhuǎn)速給定值，使電機(jī)轉(zhuǎn)速在要求的范圍內(nèi)連續(xù)變換，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。在給定轉(zhuǎn)速為7 220 r/min和1 380 r/min，負(fù)載從空載到1.2倍額定負(fù)載范圍內(nèi)變化時(shí)，速度仍能保持穩(wěn)定，誤差在20 r/min范圍內(nèi)，穩(wěn)速特性良好，且電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行特性基本相同，具有良好的一致性和對(duì)稱性。目前該系統(tǒng)已在某飛機(jī)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行效果良好，整體性能優(yōu)越。

［1］葉金虎.現(xiàn)代無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的原理和設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］王成元，張琛，夏加寬，等.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］羅樂.DSP技術(shù)在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，9（34）：67-71.

［4］柴鳳.永磁無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［5］趙影，李唐娟.無刷直流電機(jī)的控制策略與仿真研究［J］.電工技術(shù)，2010（3）：23-25.

Design and Realization of the Flap and Slat PDU BLDCM Control System

PANG Deng-feng1，F(xiàn)ENG Zuo-quan1，DONG Feng2
（1.Lanzhou Lanshi Engineering Research Institute of Energy Equipments Co.，Ltd.，Lanzhou730030，China；2. Lanzhou Wanli Aviation Electromechanic INC，Lanzhou730070，China）

This paper designed a kind of high voltage high power BLDCM control system applied to the flap and slat PDU of aircraft，the principle of hardware and interface is introduced，and the entity test is carried out.The results of test show that the control effect of the Flap and Slat PDU high voltage high power BLDCM control system is superior.This control system has the advantages of fast response speed，wide adjusting range，high control precision and good stationeriness.This control system has been applied to control Lapel Slat system with one of aircraft the wing system，and running well.

BLDCM；PDU；control system

TM33

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1009-9492（2015）12-0022-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.006

龐登峰，男，1982年生，吉林永吉人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

（編輯：阮毅）

2015-07-02