李 穎，藺 韜，邵興齊，趙永華

(中國兵器工業(yè)集團(tuán)第202研究所，陜西咸陽712099)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，戰(zhàn)車、戰(zhàn)機(jī)先進(jìn)裝備用電量的大幅提高對電源的容量和品質(zhì)都提出了高要求。由一臺電機(jī)構(gòu)成的起動/發(fā)電系統(tǒng)省去了專門的起動機(jī)構(gòu)，起動時作為發(fā)動機(jī)使用，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于點(diǎn)火速時，電機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，一機(jī)二用，實(shí)現(xiàn)起動、發(fā)電雙功能。這將是戰(zhàn)機(jī)、戰(zhàn)車等移動電源的發(fā)展趨勢［1－3］。

美國F－16戰(zhàn)機(jī)采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為發(fā)動機(jī)的起動/發(fā)電電機(jī)，豐田公司的混合動力轎車普銳斯利用混聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用了兩個永磁同步電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)電動和發(fā)電功能。美國福特汽車工業(yè)公司采用異步電機(jī)作為起動/發(fā)電機(jī)。與以上電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)(以下簡稱BLDCM)具有功率密度高、效率高、機(jī)械特性硬、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電動場合［4－5］。從本質(zhì)上講，無刷直流電機(jī)具有電動/發(fā)電運(yùn)行的能力，但是在不增加系統(tǒng)的復(fù)雜度并保證主功率電路不變的條件下，在電動模式和發(fā)電運(yùn)行模式下的工作情況還是有較大的不同。本文在主功率電路不變的條件下，針對額定功率2 kW、額定電壓270 V、額定轉(zhuǎn)速12 000 r/min的無刷直流電機(jī)，研究與設(shè)計了直流起動/發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)設(shè)計、控制策略及其仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

1 無刷直流起動/發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計

航空發(fā)動機(jī)無刷直流起動/發(fā)電系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由航空發(fā)動機(jī)、無刷直流電機(jī)、功率變換部分、蓄電池和控制單元五部分組成。航空發(fā)動機(jī)一般是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，不能自行起動工作，必須借助外部動力起動，才能工作。起動時靜摩擦力矩不大，但在點(diǎn)火階段靜阻轉(zhuǎn)矩最大，直到發(fā)動機(jī)達(dá)到最高工作轉(zhuǎn)速的35%才結(jié)束起動過程［6］。在該設(shè)計中，假定航空發(fā)動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，點(diǎn)火階段轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，3 000 r/min時完成起動。96 V蓄電池由4個24 V鉛蓄電池串聯(lián)組成。該系統(tǒng)性能指標(biāo)主要有起動和發(fā)電兩個，起動指標(biāo)要求:96 V的蓄電池供電，起動1 s后，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min以上，負(fù)載轉(zhuǎn)矩10 N·m;發(fā)電指標(biāo)要求:能在3 500～10 000 r/min的1∶2.5轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)提供直流電壓270 V、額定功率2 kW的電能。

在起動階段，BLDCM面臨著蓄電池低電壓供電、高輸出轉(zhuǎn)矩的起動沖擊問題，在不延長起動時間的條件下，如何有效控制起動電流是起動階段的研究重點(diǎn)。在發(fā)電階段，通常采用齒輪差動式液壓恒速傳動裝置將發(fā)動機(jī)變化的速度轉(zhuǎn)變成恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動無刷直流發(fā)電機(jī)［7］，經(jīng)過整流濾波后，產(chǎn)生恒定的直流電壓。但恒速傳動裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換效率低的問題。因此采用發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動無刷直流發(fā)電機(jī)的方法，通過控制單元對功率單元的控制，實(shí)現(xiàn)恒定電壓的輸出則是一種捷徑。

2 無刷直流電機(jī)起動控制策略

與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載不同。航空噴氣發(fā)動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān)［7］，在開始階段較小，后隨著轉(zhuǎn)速的升高轉(zhuǎn)矩成平方級數(shù)增加，當(dāng)達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩最大。同時，還要保證起動時間盡量短。如果采用常規(guī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，僅從外部轉(zhuǎn)速上看，完全能夠滿足系統(tǒng)要求。但是，考慮到常規(guī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制中，短時加速起動過程可能會引起瞬間大電流造成對逆變器的沖擊，降低系統(tǒng)的可靠性。因此，在起動階段，采用對電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制的方法比較好。

在無刷直流電機(jī)非換相的任一時刻，忽略由導(dǎo)通相斬波引起的非換相電流，電機(jī)繞組僅有兩相導(dǎo)通，且理想電動機(jī)的相電流與相應(yīng)的每相反電動勢同相，假設(shè)A、B兩相導(dǎo)通，可以得到無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式:式中:Tem為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;ia、ib、ic為定子繞組三相電流;ea、eb、ec為定子繞組三相電動勢;ω為電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度。但三相反電勢較難直接測量，以A相定子繞組反電勢為例，可以通過計算得到:

式中:N為定子繞組每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù);Bδ為永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密;τ1為極距;p為電機(jī)的極對數(shù);Lef為電樞計算長度。由于無刷直流電機(jī)的磁路飽和，電樞反應(yīng)很小，可以忽略不計。當(dāng)電機(jī)設(shè)計好之后，上述參數(shù)固定不變。轉(zhuǎn)矩可以表示:

因此通過相電流可以計算出轉(zhuǎn)矩。通常認(rèn)為，兩相導(dǎo)通的無刷直流電機(jī)的相電流等于母線電流，但母線電流采樣忽略了相電流在逆變器內(nèi)部的續(xù)流過程，也就無法準(zhǔn)確反饋流經(jīng)電動機(jī)繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的真實(shí)電流。僅用于電流限定值的監(jiān)測使用。文獻(xiàn)［8］提出了用一個電流傳感器采樣相電流的方案，但該方案實(shí)質(zhì)上是公用一個輸出端的兩套隔離采樣繞組，沒有從根本上實(shí)現(xiàn)單電流傳感器采樣相電流。與常規(guī)方案相比，該方案存在線路寄生電感較大的問題，不利于功率單元的可靠性提高。本設(shè)計采用直接采樣三相電流的方法，由于電機(jī)三相繞組采用“星”型連接，三相電流之和為零，采樣兩相電流可以得到第三相電流。

該設(shè)計中，雖然電機(jī)單方向旋轉(zhuǎn)，但電機(jī)既要工作在發(fā)電狀態(tài)，又要工作在電動狀態(tài)，也就意味著，電機(jī)既要輸出發(fā)電狀態(tài)的反向轉(zhuǎn)矩又要輸出電動狀態(tài)的正向轉(zhuǎn)矩。因此，轉(zhuǎn)矩的計算不單單是轉(zhuǎn)矩大小的計算，還包括轉(zhuǎn)矩方向的計算，其計算公式如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)矩計算公式

若轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果為正，說明處于電動狀態(tài)，反之發(fā)電狀態(tài)。在換相階段，由于電感的存在，關(guān)斷相電流不會立即降為零，而該相反電勢也由平底/頂波部分向零點(diǎn)變化，在續(xù)流階段，關(guān)斷相依舊會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直到續(xù)流結(jié)束。因此，在三相換相導(dǎo)通階段，要對計算轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)拇笮∮上嚯娏鞣岛碗姎鈺r間常數(shù)以及極弧系數(shù)決定。

圖2 無刷直流電機(jī)起動過程轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖

無刷直流電機(jī)起動過程轉(zhuǎn)矩控制如圖2所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速與Hall信號頻率成正比，對Hall信號頻率的采樣可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，速度環(huán)采用比例積分控制，以消除轉(zhuǎn)速的凈差，速度環(huán)的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定。由兩相電流和轉(zhuǎn)子位置根據(jù)表1可以計算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩反饋，對轉(zhuǎn)矩給定與轉(zhuǎn)矩反饋之間的差做閉環(huán)計算。為了保證轉(zhuǎn)矩環(huán)的實(shí)時性，轉(zhuǎn)矩環(huán)采用純比例控制，并根據(jù)計算結(jié)果產(chǎn)生PWM信號。當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩小于反饋轉(zhuǎn)矩時，PWM占空比降低，相電流、轉(zhuǎn)矩減小。反之，當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩大于反饋轉(zhuǎn)矩時，PWM占空比增大，相電流、轉(zhuǎn)矩增大。從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。

3 無刷直流電機(jī)發(fā)電控制策略

起動結(jié)束后，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于3 500 r/min，電動機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電狀態(tài)。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速在3 500～10 000 r/min之間，由于發(fā)動機(jī)和電動機(jī)之間沒有恒速傳動裝置，同時無刷直流電機(jī)的勵磁無法調(diào)節(jié)，電動機(jī)的反電勢隨轉(zhuǎn)速波動。經(jīng)折算，通過二極管整流后輸出直流電壓范圍為96～241 V，無法達(dá)到270 V直流電壓的輸出要求。

本設(shè)計的主功率電路如圖3所示，該方法采用240°電角度導(dǎo)通方式。圖4給出了發(fā)電運(yùn)行功率管的導(dǎo)通邏輯，當(dāng)反電勢處于正最大或者負(fù)最大時，在一個斬波周期導(dǎo)通階段中反轉(zhuǎn)邏輯功率管導(dǎo)通，在關(guān)斷階段中正轉(zhuǎn)邏輯功率管導(dǎo)通。為了防止上下管直通，在正反轉(zhuǎn)邏輯切換的時候要有“死區(qū)”。

圖3 無刷直流電機(jī)主功率電路和電機(jī)等效模型

圖4 發(fā)電運(yùn)行功率管導(dǎo)通邏輯

假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，以0°～60°區(qū)間為例，分析發(fā)電運(yùn)行時主功率電路狀態(tài)。此時，A相反電勢正最大，B相反電勢負(fù)最大，在一個斬波周期中，如圖5所示。T是斬波周期，Ton是導(dǎo)通時間，反轉(zhuǎn)邏輯V3V4導(dǎo)通，Toff是關(guān)斷時間，正轉(zhuǎn)邏輯V1V6導(dǎo)通，Td是死區(qū)時間。

假設(shè)電機(jī)三相繞組對稱，磁路工作在線性部分。

當(dāng)V3V4導(dǎo)通，電流路徑:電源正—V3—B相繞組—A相繞組—V4—電源負(fù)。電流方程:

圖5 0～60°區(qū)間V1V6和V3V4導(dǎo)通示意圖

式中:Uo為系統(tǒng)輸出電壓;R為電機(jī)相繞組電阻;i為電機(jī)B相電流;L為電機(jī)繞組自感;M為電機(jī)繞組互感。此時，電機(jī)轉(zhuǎn)動的機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)化為耦合場中的磁能存儲起來。

當(dāng)V3V4關(guān)斷，并且由B到A的換相電流沒有斷續(xù)，電流路徑:電源負(fù)—D6—B相繞組—A相繞組—D1—電源正。電流方程:

在此階段，電機(jī)轉(zhuǎn)動的機(jī)械能和耦合場中的磁能轉(zhuǎn)化為電能輸出。

當(dāng)V3V4關(guān)斷，相電流逐漸減小并出現(xiàn)斷續(xù)，V1V6導(dǎo)通，相電流方向變?yōu)橛葾到B，電流路徑:電源正—V1—A相繞組—B相繞組—V6—電源負(fù)。電流方程:

在此階段，電能轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)動的機(jī)械能和耦合場中的磁能。

根據(jù)式(4)、式(5)和式(6)，電機(jī)的反電勢和相電流是決定輸出電壓Uo的關(guān)鍵參數(shù)。在換相時刻，發(fā)電機(jī)也存在開通相電流的上升速度小于關(guān)斷相電流的下降速度，從而引起非換相相電流脈動，這必然會導(dǎo)致Uo隨電機(jī)換相在波動。為了減少Uo波動，需要對相電流進(jìn)行控制。同時，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出的穩(wěn)態(tài)電能大于負(fù)載的消耗，必然會導(dǎo)致Uo的升高，反之降低。如不考慮損耗，在穩(wěn)態(tài)情況下，有:

式中:Pem為電機(jī)電磁功率;Po為系統(tǒng)發(fā)電輸出功率;io為系統(tǒng)輸出電流。

傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)勵磁電流進(jìn)行調(diào)壓控制，本文通過控制電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)。發(fā)電運(yùn)行控制策略結(jié)構(gòu)如圖6所示。

當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)檢測到的電壓與給定電壓的偏差，輸出發(fā)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩，電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)。與起動過程類似，轉(zhuǎn)矩的計算可參考表1，轉(zhuǎn)矩環(huán)采用純比例控制。并根據(jù)計算結(jié)果產(chǎn)生PWM信號。當(dāng)反饋電壓大于270 V時，經(jīng)過環(huán)路計算，給定轉(zhuǎn)矩減小，從而引起PWM的占空比減小，反轉(zhuǎn)邏輯功率管的導(dǎo)通時間隨之降低，電機(jī)反向轉(zhuǎn)矩減小，反饋電壓降低。反之，反饋電壓小于270 V時，PWM的占空比增大，反轉(zhuǎn)邏輯功率管的導(dǎo)通時間隨之增長，電機(jī)反向轉(zhuǎn)矩增大，反饋電壓升高。通過轉(zhuǎn)矩的控制實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

圖6 無刷直流電機(jī)發(fā)電過程轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖

4 仿真與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

在MATLAB環(huán)境下，搭建了數(shù)學(xué)模型，對2 kW無刷直流電機(jī)起動/發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，2 kW電機(jī)的參數(shù):額定電壓270 V(DC);額定功率2 kW;額定轉(zhuǎn)速12 000 r/min;相電阻 0.53 Ω;相電感 0.24 mH;額定負(fù)載1.6 N·m;電勢系數(shù) 0.009 5 V/(r/min);轉(zhuǎn)矩系數(shù)0.090 725(N·m)/A。

在起動階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 300 r/min時，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，在1 300 r/min的時候發(fā)動機(jī)點(diǎn)火，出現(xiàn)電動機(jī)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩10 N·m，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 300 r/min時，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而下降，到達(dá)3 500 r/min時，發(fā)動機(jī)順利點(diǎn)火，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降為0，起動過程完成。圖7為起動過程的仿真波形，為了防止起動沖擊過大，轉(zhuǎn)速給定是一條隨時間而線性升高的曲線。最大相電流80 A，起動時間0.35 s。

圖7 起動過程三相電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形

圖8為發(fā)電過程中的仿真波形。在1.05 s，負(fù)載電流由7.4 A降低到4.5 A，由于系統(tǒng)的電壓、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，相電流也隨之降低，達(dá)到了輸出電壓穩(wěn)定的結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)過程中，受實(shí)驗(yàn)條件限制，利用兩臺電機(jī)對拖的辦法來模擬發(fā)動機(jī)運(yùn)行，該模擬拖動電機(jī)與2 kW發(fā)電機(jī)參數(shù)一致。

圖8 發(fā)電過程三相電流、母線電流和母線電壓仿真波形

在起動階段，2 kW電機(jī)帶動拖動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過對拖動電機(jī)加載，以模擬實(shí)際起動過程中，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化。拖動電機(jī)三相繞組接三相“星”形負(fù)載，在負(fù)載電阻不變條件下，轉(zhuǎn)速越高，電動機(jī)負(fù)載力矩就越大，負(fù)載電阻確定后，在短時間內(nèi)較難改變。因此，在起動過程中，轉(zhuǎn)矩是一條隨著轉(zhuǎn)速而變化的曲線，最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在3 500 r/min處。圖9是2 kW電機(jī)起動過程A相電流實(shí)驗(yàn)波形，100 mV對應(yīng)10 A?？梢钥闯?，A相電流幅值隨換相頻率而變化，即電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速而變化，轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min時起動結(jié)束，A相電流最大幅值達(dá)到70 A。即從而驗(yàn)證了起動轉(zhuǎn)矩控制策略。

圖9 2 kW電機(jī)起動實(shí)驗(yàn)波形

在發(fā)電階段，拖動電機(jī)由270 V驅(qū)動器驅(qū)動并帶動2 kW發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，2 kW發(fā)電機(jī)功率單元的直流端輸出接電阻負(fù)載。圖10是發(fā)電實(shí)驗(yàn)波形，100 mV對應(yīng)10 A。圖10中，直流端輸出電流(電壓)較平滑，沒有明顯的換相脈動;當(dāng)負(fù)載忽然增大，直流端輸出電流由4 A增加到7 A，A相電流幅值也由7 A增大到15 A，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，從而驗(yàn)證了發(fā)電控制策略。

圖10 發(fā)電實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié) 語

針對2 kW高壓直流無刷電機(jī)起動/發(fā)電系統(tǒng)存在的低電壓起動、高輸出轉(zhuǎn)矩和變速輸入、恒電壓輸出的矛盾，重點(diǎn)研究了無刷直流電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供恒定輸出電壓的發(fā)電技術(shù)。分析了控制原理，給出了控制框圖。仿真和實(shí)驗(yàn)證明，采用轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)電電路具有兼容性強(qiáng)、輸出電壓平穩(wěn)的特點(diǎn)。該起動/發(fā)電系統(tǒng)不僅降低了體積和重量，還簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了起動性能和發(fā)電的動靜態(tài)品質(zhì)。

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