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.蘭州萬里航空機電有限責任公司，甘肅蘭州730070）

襟縫翼PDU無刷電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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.蘭州萬里航空機電有限責任公司，甘肅蘭州730070）

設(shè)計了一種應用于飛機襟縫翼PDU的高壓大功率無刷直流電機控制系統(tǒng)，給出了其接口及硬件原理，并對其進行了試驗驗證，試驗結(jié)果表明，襟縫翼PDU高壓大功率無刷直流電機控制系統(tǒng)的控制效果優(yōu)越，具有響應速度快、調(diào)節(jié)范圍寬、控制精度高、平穩(wěn)性良好的特點。該控制系統(tǒng)已于某機種中進行了實際應用，運行良好。

無刷直流電機；PDU；控制系統(tǒng)

0　引言

自19世紀30年代以來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應用范圍已經(jīng)遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。眾所周知，直流電動機具有運行效率高和調(diào)速性能好的諸多優(yōu)點，但傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷以及機械方法進行換向，存在機械摩擦，因此帶來了噪聲大、電磁干擾以及壽命短等致命弱點，從而大大限制了其應用范圍［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，針對上述直流電動機的弊病，早在1917年，Boliger就提出用整流管代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電動機的基本思路。1955年，美國D·Harrison等人首次申請了應用晶體管換向代替電動機機械換向的專利，標志著現(xiàn)代無刷電動機的誕生。但由于該電動機無啟動轉(zhuǎn)矩而不能產(chǎn)品化。此后借助于霍爾元件來實現(xiàn)換向的無刷直流電動機終于在1962年問世，從而開辟了無刷直流電動機產(chǎn)品化的新紀元［2］。近年來，無刷直流電動機已廣泛應用于航空電傳系統(tǒng)。

本文設(shè)計了一款應用于某飛機襟縫翼PDU（動力傳動組件）的無刷直流電動機的控制系統(tǒng)，并給出了相關(guān)實驗數(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機。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指令，襟縫翼PDU雙電機工作，驅(qū)動襟縫翼作動線系，依靠自身的控制程序?qū)崿F(xiàn)對執(zhí)行部件輸出軸的速度閉環(huán)控制功能?？刂茊卧ㄟ^429總線接收襟縫翼控制器指令，控制襟縫翼PDU動作，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動作。驅(qū)動單元通過RS429接收控制單元的速度給定指令，驅(qū)動無刷電機以給定轉(zhuǎn)速進行正反向旋轉(zhuǎn)或制動。同時，驅(qū)動單元實時采集電機電流、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

2.1控制驅(qū)動單元原理

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的轉(zhuǎn)速反饋信號，電機實際轉(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)動單元原理框圖

電流環(huán)接收電流采樣電路采集的電機電流值，與速度環(huán)來的電流給定值進行比較，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，此信號送到功率驅(qū)動部分控制功率器件IGBT的通斷。

2.2電流保護電路

如圖3所示，電流的檢測由電流互感器和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)成的硬件電流保護電路中，與通過電位計設(shè)定的電流值進行比較，實現(xiàn)電流的硬件保護；另一路輸出經(jīng)過MAX187串行A/D轉(zhuǎn)換器后進入DSP，通過軟件濾波處理后與軟件設(shè)定電流值進行比較，實現(xiàn)軟件電流保護功能。

2.3電機驅(qū)動電路設(shè)計

電機的功率驅(qū)動電路主要包括隔離電路、驅(qū)動電路、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、功率逆變（放大）等功能。電動機為三相六狀態(tài)無刷工作方式，由于電機功率較大（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)動芯片作為六只開關(guān)功率管T1～T6的驅(qū)動，前級控制信號與后級驅(qū)動信號通過光耦完全進行隔離，并且每個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措施。驅(qū)動電路原理圖如圖4所示。

圖3　電流采樣及保護電路

圖4　功率驅(qū)動部分設(shè)計

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

3　無刷電機速度、電流雙閉環(huán)控制

如圖5所示，無刷電機調(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)器的作用是對給定速度與反饋速度之差按一定的規(guī)律進行運算，并通過運算結(jié)果對電機進行速度調(diào)節(jié)控制。由于電機的轉(zhuǎn)動慣量和負載轉(zhuǎn)動慣量的存在，使速度時間常數(shù)較大，系統(tǒng)的響應較慢。所以要用電流調(diào)節(jié)器提高響應速度。

電流調(diào)節(jié)器有兩個作用。一個是在啟動和大范圍加減速時起電流調(diào)節(jié)和限幅作用，因為此時速度調(diào)節(jié)器呈飽和狀態(tài)，其輸出信號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到并穩(wěn)定在其最大值上，從而實現(xiàn)快速加減速和電流限流作用。另一個作用是使系統(tǒng)的抗電源擾動和負載擾動的能力增強。

圖5　電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制框圖

在實際應用中速度調(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)的存儲空間有限，算法的存儲空間開銷不能太大，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，提高了運算速度，有很強實用價值。

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時刻的偏差值，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為該時刻實際值與目標值的偏差；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)作用的強度和效果。

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

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　試驗驗證

為了驗證控制系統(tǒng)的實際效果，對本系統(tǒng)進行了實體試驗，試驗對象為270 V無刷直流電機作動系統(tǒng)，該雙余度速度伺服電力作動系統(tǒng)由兩臺獨立的三相稀土永磁無刷直流電動機（BLDCM）、差速傳動齒輪減速器和相關(guān)傳感器組成，余度工作方式采用熱備式。

由于無刷直流電動機三相繞組采用“Y”形接法，系統(tǒng)數(shù)學模型按照電機在120°導通三相六狀態(tài)方式下建立，采用速度、電流雙閉環(huán)控制進行試驗，轉(zhuǎn)速用轉(zhuǎn)速表測量，電機輸出數(shù)據(jù)由加載顯示設(shè)備進行記錄，輸入數(shù)據(jù)由WT3000功率儀記錄，功率儀接線方式選擇

圖7　測試數(shù)據(jù)

3 V/3 A方式，其中將Element1電壓測量線接AC線間，A相接+，C相接-，電流傳感器接A相；Element2電壓測量線接BC線間，B相接+，C相接-，電流傳感器接B相；Element3電壓測量線接AB線間，A相接+，B相接-，電流傳感器接C相，電流傳感器測三相115/200 VAC輸入電流。

由于測試數(shù)據(jù)較多，本文只給出一組數(shù)據(jù)，測試數(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為電機的輸入功率，T=200 N·m，傳動機構(gòu)輸出功率P1=33.02 kW，電機輸入功率P1=38.6 kW，電機轉(zhuǎn)速n=7 173 r/min，機構(gòu)傳動效率η=85%。

5　結(jié)論

本文設(shè)計了一款飛機襟縫翼PDU高壓大功率無刷直流電機控制系統(tǒng)，并進行了試驗驗證，驗證結(jié)果表明：在閉環(huán)狀態(tài)下，無刷電機能夠根據(jù)要求，通過控制器電位計設(shè)定轉(zhuǎn)速給定值，使電機轉(zhuǎn)速在要求的范圍內(nèi)連續(xù)變換，實現(xiàn)無極調(diào)速。在給定轉(zhuǎn)速為7 220 r/min和1 380 r/min，負載從空載到1.2倍額定負載范圍內(nèi)變化時，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，且電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運行特性基本相同，具有良好的一致性和對稱性。目前該系統(tǒng)已在某飛機進行了實際應用，運行效果良好，整體性能優(yōu)越。

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

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

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

［4］柴鳳.永磁無刷電機及其驅(qū)動技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［5］趙影，李唐娟.無刷直流電機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文獻標識碼：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：機電一體化設(shè)計。

（編輯：阮毅）

2015-07-02