航空無刷起動電機(jī)優(yōu)化限流換相控制策略研究

楊 都，楊光力，吳 娜，卓 亮，江曉波

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司(國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心)，貴州 貴陽，550008；2.空裝成都局駐貴陽地區(qū)第一軍代表室，貴州 貴陽，550008)

0 引言

航空無刷起動電機(jī)作為先進(jìn)飛行器的一種可靠起動設(shè)備，在國際主流飛機(jī)的渦輪發(fā)動機(jī)起動應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。起動電機(jī)主要功能為將渦輪發(fā)動機(jī)從零轉(zhuǎn)速帶動到可以穩(wěn)定燃燒的點火轉(zhuǎn)速狀態(tài)，是渦輪發(fā)動機(jī)起動點火必不可少的設(shè)備。如何優(yōu)化無刷直流起動電機(jī)控制策略，降低轉(zhuǎn)矩脈動，提升轉(zhuǎn)矩輸出能力，一直是行業(yè)的技術(shù)難點[1-2]。

部分文獻(xiàn)通過優(yōu)化電流調(diào)制策略改善了轉(zhuǎn)矩脈動，馬匯海等人通過在逆變電路前端引入BUCK變換器調(diào)制抑制了換相轉(zhuǎn)矩脈動[3]。文獻(xiàn)[4]提出一種基于輔助升壓前端的無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法。文獻(xiàn)[5]提出一種基于最優(yōu)電流矢量的無刷直流電機(jī)驅(qū)動方法以降低轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[6]將逆變橋中點鉗位型三電平代替?zhèn)鹘y(tǒng)兩電平，通過提高電壓利用效率達(dá)到了降低轉(zhuǎn)矩脈動的目的。文獻(xiàn)[7]提出了一種改進(jìn)的重疊換相法以降低轉(zhuǎn)矩脈動。以上控制策略優(yōu)化方法均以改善換相轉(zhuǎn)矩為目的，沒有提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平均值。因此一些學(xué)者為提高輸出轉(zhuǎn)矩也開展了許多研究，文獻(xiàn)[8]通過改進(jìn)零序電壓信號處理技術(shù)，優(yōu)化了換相控制方案，提升了無位置控制時的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出值。文獻(xiàn)[9]針對傳統(tǒng)換相策略導(dǎo)致的換相時機(jī)錯位問題，通過提高PWM波形占空比的方式補(bǔ)償損失轉(zhuǎn)矩，但不適用于限流控制對占空比有限制的工況。文獻(xiàn)[10]采用比例諧振控制代替電流環(huán)的PI控制，削弱了定子電流高次諧波的干擾，但控制程序復(fù)雜且效果并不明顯。文獻(xiàn)[11]通過磁鏈觀測的MTPA算法(MTPA)校正電機(jī)換相點，改善了電機(jī)工作性能，此算法計算量過大，不利于航空起動電機(jī)的快速起動。文獻(xiàn)[11]提出了一種可變導(dǎo)通周期控制策略，降低轉(zhuǎn)子渦流損耗以提升輸出轉(zhuǎn)矩，但該方法只在高轉(zhuǎn)速階段效果明顯。

本文以某型發(fā)動機(jī)的無刷起動電機(jī)及控制器為研究對象，研究了傳統(tǒng)開環(huán)控制和標(biāo)準(zhǔn)角換相策略的弊端，并分析了相電流限流控制策略下采用傳統(tǒng)換相角模式下對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的損失原理，并提出一種在限流控制下的偏轉(zhuǎn)角換相策略，通過仿真對比和試驗驗證了該優(yōu)化策略，證明了優(yōu)化策略的有效性。

1 限相電流控制策略研究

應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的無刷起動電機(jī)，供電電壓一般為GJB181B—2012《飛機(jī)供電系統(tǒng)》規(guī)定的28 VDC，屬于低壓供電系統(tǒng)。其較低的電壓特征決定了電機(jī)的功率受到限制，主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩受限，因此航空起動電機(jī)一般將電樞電阻和電感設(shè)計在較低水平，以提升起動電機(jī)對大電流的承受能力和高轉(zhuǎn)速特征。

本文研究的航空起動電機(jī)類型為兩相導(dǎo)通矩形波驅(qū)動的無刷直流電機(jī)，其主要參數(shù)特性如表1所示，其功率電路拓?fù)淙鐖D1所示。

表1 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實測值

圖1 逆變器功率電路拓?fù)?/p>

在起動電機(jī)帶發(fā)動機(jī)加速過程中，對于低轉(zhuǎn)速段而言，由于電機(jī)阻抗較小，如圖3所示，直接加載滿電壓將會使得電樞電流達(dá)到千安級別，而逆變器的功率器件和電機(jī)電樞繞組無法承受如此巨大的電流，導(dǎo)致發(fā)熱燒毀，因此在低轉(zhuǎn)速段，一般采用限相電流幅值控制。

圖2 電流開環(huán)控制電路模型

圖3 開環(huán)控制的相電流波形

通過優(yōu)化控制外電路，在原控制電路中的3對上下橋臂分別增加正向和反向電流控制開關(guān)SW-IM模塊，將采集的相電流與參考設(shè)定值比較，通過調(diào)節(jié)逆變器的PWM控制信號占空比間接調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓，實現(xiàn)降壓起動，同時將電機(jī)相電流控制在功率管和繞組發(fā)熱量可以接受的最高水平，以盡量提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

本文研究的起動電機(jī)功率模塊最大可承受500 A電流，因此將參考值設(shè)定為500 A，上下開關(guān)范圍設(shè)置為5 A，即可實現(xiàn)相電流限幅功能。優(yōu)化后的仿真電路模型如圖4所示，該電路控制得到的電流波形如圖5所示。

圖4 電流限幅控制外電路

圖5 限流控制的相電流波形

由上述電流波形可知，通過增加電流控制開關(guān)，實現(xiàn)了電流幅值控制在500 A上下，其中“凹陷”為換相電勢產(chǎn)生的換相沖擊電流。通過將電流控制在功率管最大承受電流，可以在保證工作安全性和可靠性的同時，盡可能提高輸出轉(zhuǎn)矩，保證起動電機(jī)的帶載能力。

2 換相策略分析及優(yōu)化

由于開關(guān)頻率和繞組感性的影響，電機(jī)相電流波形并非標(biāo)準(zhǔn)矩形波，存在上升和下降過程。以圖6為例，在50°后A相橋臂功率管關(guān)斷后，到θ1角度時，采用限流控制的相電流幅值相比于開環(huán)控制大幅減小，而此時由于PWM占空比將電壓限制在較低水平，另外兩相的電流上升速度緩慢，導(dǎo)致?lián)Q向過程中的轉(zhuǎn)矩波形出現(xiàn)大幅下跌，整體輸出轉(zhuǎn)矩平均值下降。

圖6 開環(huán)電流控制和限流控制對比

在傳統(tǒng)控制方式中，以d軸對齊A相繞組中線為零位，采用三相六狀態(tài)換相策略，需要將換相角度控制在均分的60°電角度理想周期位置，對應(yīng)于本文研究的6極電機(jī)應(yīng)為20°機(jī)械角度。此時，無刷直流電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

(1)

式中：TEM為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，p為電機(jī)極對數(shù)，Ψm為電機(jī)每相磁鏈，Irms為每周期相電流有效值。

采用PWM限相電流幅值控制策略時，由于將電機(jī)輸入電壓限制在一個較低水平，在開通功率管后，相電流上升速度受到限制，與開環(huán)控制相比到達(dá)限流峰值水平的時間將延遲，如果采用相同的開通角度控制，在相同轉(zhuǎn)子位置輸出的轉(zhuǎn)矩瞬時值將變小，此過程中的A相電流可表示為：

(2)

同時在換相關(guān)斷過程中初始電流減小，與開環(huán)控制相比將更快下降到較低水平，從而導(dǎo)致輸出力矩波形后半段產(chǎn)生衰減。此過程中的A相電流可表示為：

(3)

式中：iLa(t)為電機(jī)A相電流瞬時值，K為PWM波形的占空比，U為輸入直流電壓，Ra為電機(jī)A相電阻，La為電機(jī)A相電感，t為時間，Ilim為限流值大小。

針對上述限流控制產(chǎn)生的弊端，本文提出偏轉(zhuǎn)換相角控制策略，在每相開通和關(guān)斷角度的基礎(chǔ)上進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，充分提高單位周期內(nèi)的相電流有效值，減小電流迅速下降導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩?fù)p失。如圖7和圖8所示，將零位對齊后，利用參數(shù)化模塊將偏轉(zhuǎn)角設(shè)置為變量，分別計算-6°至+8°的換相偏轉(zhuǎn)角度下的轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)。

圖7 不同關(guān)斷角度調(diào)整下的相電流對比

圖8 不同關(guān)斷角度調(diào)整下的輸出轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)

3 試驗方案及驗證

對起動電機(jī)樣機(jī)在專用測試臺上進(jìn)行了不同偏轉(zhuǎn)角控制的負(fù)載試驗，試驗裝置原理如圖9所示，主要包括環(huán)境模擬箱、測功機(jī)、測功變頻器、操作臺及上位機(jī)、測溫儀、高溫箱和負(fù)載等，起動電機(jī)及一體化控制器樣機(jī)照片如圖10所示，試驗測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖9 試驗裝置原理圖

圖10 起動電機(jī)及控制器樣機(jī)照片

表2 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實測值

從表2可知，在相同的電流限幅值下，(20+4)°調(diào)整后的換相效果最佳，輸出轉(zhuǎn)矩最大達(dá)5.53 N·m，與不做調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)換相角(20+0)°相比，轉(zhuǎn)矩提升0.24 N·m，占比4.53%，說明采用調(diào)整換相角控制可以改善輸出轉(zhuǎn)矩波形，提高平均輸出轉(zhuǎn)矩大小，同時計算值得到的輸出轉(zhuǎn)矩與實測值基本符合，也證明了該優(yōu)化策略的有效性。

4 結(jié)語

本文通過對某型航空無刷起動電機(jī)本體電磁特征和傳統(tǒng)控制策略的工作機(jī)理進(jìn)行分析，指出了傳統(tǒng)控制方式的不足，并優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了限流控制效果，同時針對原換相角控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，通過對理想換相角度增加偏轉(zhuǎn)角的方式補(bǔ)償了限流控制帶來的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，提高了限流控制下的轉(zhuǎn)矩輸出平均值，最后利用參數(shù)化仿真對比了不同方向和大小的偏轉(zhuǎn)角下電機(jī)輸出力矩大小，通過研究發(fā)現(xiàn)電機(jī)輸出力與偏轉(zhuǎn)角度并非正比例關(guān)系，而是存在一個最佳偏轉(zhuǎn)角來提高輸出力矩大小。

本文的研究結(jié)果適用于采用限流控制的無刷直流永磁電機(jī)，通過采取新的控制策略，優(yōu)化成本較低，能夠在原有電流限制基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升帶載能力的同時又保證電流全程限制在功率器件可承受范圍內(nèi)，可以為行業(yè)內(nèi)航空無刷起動電機(jī)與控制器的匹配設(shè)計提供了一種新思路。