劉航宇,馬瑞卿

(1.南京航天航空大學 長空學院,江蘇 南京 211106；2.西北工業(yè)大學 自動化學院,西安 710072)

0 引 言

航空燃油泵是航空飛行器的關鍵部件之一，主要功能是按照飛機需求，將燃油可靠地輸送到發(fā)動機，以獲取飛行器所需的發(fā)動機推力，因此燃油泵性能的好壞將直接影響發(fā)動機的工作性能和航空飛行器的飛行安全，地位特殊，作用重大。為了減輕渦輪燃油泵系統(tǒng)的能量消耗，提高供油效率，電動航空燃油泵大量地應用在燃油泵系統(tǒng)中[1-2]，如圖1所示。

圖1 電動燃油泵實物圖

稀土永磁無刷直流電機(BLDCM)由于其體積小、質量輕、散熱容易、可靠性高等特點，近年來得以在各領域迅速推廣應用[3-8]。通常航空飛行器上用到的燃油泵，均采用了稀土永磁BLDCM作為其驅動電機，為燃油泵提供所需的動力。故稀土永磁BLDCM在燃油系統(tǒng)中扮演著重要的角色，其可靠性、壽命和控制性能將直接影響到整個航空飛行器的安全[9]。

通常情況下，雖然BLDCM處于密閉環(huán)境中，但是在燃油泵工作時，受到自身電機本體設計等內部因素或溫度、發(fā)動機振動等外部環(huán)境的影響，在極端情況下，可能會發(fā)生電機堵轉故障，若不及時處理，可能會使得電機的轉速波動甚至停轉，以至航空燃油泵無法正常工作[10]。

本文重點研究了燃油泵用BLDCM發(fā)生堵轉故障現(xiàn)象，設計了一套BLDCM堵轉故障檢測與應急控制機制；在BLDCM數(shù)學模型基礎上，建立了燃油泵用BLDCM本體的仿真模型。運用實際電機技術指標，驗證了仿真模型的正確性。通過開發(fā)合適的仿真功能模塊，完成了對BLDCM堵轉故障應急控制機制仿真，驗證了BLDCM驅動器的穩(wěn)定性和可靠性。編制了BLDCM堵轉及故障應急控制軟件，注入到已有的泵用BLDCM控制器中，借助燃油泵用BLDCM試驗臺，完成了BLDCM堵轉故障條件下的故障檢測與應急控制機制驗證。

1 航空燃油泵的基本結構及工作原理

航空燃油泵是飛機燃油系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為發(fā)動機輸送燃油以提供動力，燃油泵的性能對飛機的動力性及機動性具有直接影響。隨著航空技術的不斷進步，燃油泵也在逐漸向高轉速、高可靠性和大功率等方向發(fā)展[11-12]。BLDCM驅動燃油泵的工作原理如圖2所示。

圖2 航空燃油泵工作結構示意圖

電動燃油泵內置于燃油箱內，一般浸入燃油中使用。電動燃油泵主要由一個驅動電機直聯(lián)一個離心渦輪泵構成，泵體部分主要由葉輪、外殼和泵蓋組成。

燃油泵工作時，電機驅動渦輪泵葉片旋轉，葉輪帶動燃油旋轉。在離心力的作用下，葉片通過縱向旋渦和徑向旋渦將能量傳遞給燃油，使燃油產生壓力，進而將燃油從進油器吸入，流經電動燃油泵的蝸殼內部，再從出油口壓出，給發(fā)動機提供一定流量和壓力的燃油供給。

2 電機堵轉故障檢測與應急控制技術分析

電機在控制器發(fā)出起動指令后開始運行，正常狀態(tài)下，經過一段時間后反饋轉速達到設定轉速。在一些特殊情況下，電機會發(fā)生堵轉故障，當電機發(fā)生堵轉故障時，母線電流急速增大，大電流會對電機本體和驅動器造成不良影響，嚴重時會燒毀控制器。

2.1 電機堵轉故障分析

BLDCM的靜態(tài)端電壓方程式為

U=I·2Ra+2·ΔU+E

(1)

機械特性表達式為

(2)

式中：Ce為反電動勢系數(shù)；CT為電磁轉矩系數(shù)；Φδ為空間合成磁場的磁通量；Tem為電磁轉矩；U為電機電源電壓；ΔU為開關管的飽和管壓降；Ra為電機一相繞組電阻。

又令：

(3)

式中：n0為電機的額定轉速。

則式(2)可以寫成：

(4)

由式(4)可知，在U恒定時，n與Tem成線性反比關系，其機械特性圖如圖3所示。

圖3 BLDCM的機械特性圖

當電機發(fā)生堵轉故障后，轉速n變?yōu)?，在U不變的條件下，電磁轉矩輸出最大值。又因為Tem∝I，故當電機發(fā)生堵轉故障時，電機母線電流會快速變大，從而使得電機定子電樞繞組發(fā)熱嚴重，嚴重時燒毀電機甚至控制器。

2.2 電機堵轉檢測方法

當電機發(fā)生堵轉故障時，在任意時刻只有固定的兩相繞組在一直導通，電機轉速接近0或降為0。此時反電動勢極小或為0，電機導通的兩相繞組上承受所有母線電壓，因此，此時母線電流會快速增加，迅速達到控制系統(tǒng)設定的電流保護閾值，嚴重時會產生火災。故本控制系統(tǒng)選用電機轉速和母線電流來綜合檢測判斷電機是否發(fā)生堵轉故障。

(1) 起動過程中堵轉故障判斷條件。綜合上面的分析和結論，在電機起動過程中，控制系統(tǒng)實時對電機轉速進行檢測，設置一個固定的采樣周期Δt，通過測量不同時刻的反饋轉速，可算出區(qū)間內其轉速變化量Δn，然后計算出該采樣周期Δt內的轉速平均變化率：

k=Δn/Δt

(5)

其中，k>0，表示該采樣周期內電機轉速上升；k<0，表示該采樣周期內電機轉速下降。

若控制系統(tǒng)在連續(xù)三個采樣周期內滿足以下條件：k<0且Ibus≥|Ibus_max|，則判定電機發(fā)生堵轉故障。

(2) 運行過程中堵轉故障判斷條件。在電機正常運行過程中，電機反饋轉速nf始終穩(wěn)定運行在給定轉速ng左右，母線電流測量值Ibus也小于母線電流保護閾值|Ibus_max|，此時增加轉速變化量Δn來判斷電機是否發(fā)生堵轉故障：

(6)

若控制系統(tǒng)在連續(xù)三個采樣周期內滿足式(5)條件，則判定電機發(fā)生堵轉故障。

2.3 電機堵轉故障的應急控制

通常情況下，航空飛行器的燃油泵系統(tǒng)處于密閉環(huán)境中，當燃油泵采用單余度(或單通道)BLDCM系統(tǒng)時，燃油泵濾網(wǎng)膜破損、燃油中存在細小雜質顆粒、定轉子氣隙之間存在多余物、電機負載轉矩的突然變大、電機主軸被抱死或電機定轉子之間掃膛等情況發(fā)生后，就有可能使得電機發(fā)生過載甚至堵轉等嚴重故障。

在一般應用領域中，當電機發(fā)生堵轉故障時，電機的堵轉故障可以在停機后人為的進行排查予以排除，堵轉故障對系統(tǒng)的整體影響基本上是可控的。

但是在大多數(shù)航空、航天飛行器上，限于故障排除的可操作性，無法及時排除或根本就沒有進行手動排除故障的可能性(例如發(fā)射出去后的飛行器)，在堵轉故障發(fā)生后，伴隨著BLDCM系統(tǒng)的停機，與其相關聯(lián)的燃油泵系統(tǒng)、發(fā)動機乃至整個飛行器系統(tǒng)會受到極大的影響，嚴重時，可能會使得飛行器失去動力墜毀。

因此，在航空飛行器燃油泵用BLDCM發(fā)生堵轉故障時，為了有效避免或防止上述航空飛行器嚴重事故的發(fā)生，本論文在傳統(tǒng)的堵轉故障停機保護基礎上，采用相應的應急控制機制來控制處理電機發(fā)生的堵轉故障，目的在于提高電機堵轉故障發(fā)生后燃油泵系統(tǒng)恢復或復活的幾率。

首先歸納出燃油泵用BLDCM在運行過程中發(fā)生堵轉及堵轉后的3種可能運行變化情況：

(1) 由于外界油壓、溫度或其他因素作用的變化，使得電機所帶的燃油泵負載突然增大，即過載，但是在經過一段時間后，燃油泵負載又恢復正常狀態(tài)。

(2) 由于各種原因使電機發(fā)生堵轉故障，但是在經過一段時間后，故障自動消除。

(3) 由于各種原因使電機發(fā)生堵轉故障，但是在經過一段時間后，故障繼續(xù)存在，即此時發(fā)生永久性堵轉故障。

通過分析歸納以上各種故障情況，結合實際運行情況，本文設計的電機堵轉應急控制機制示意圖如圖4所示。

圖4 電機堵轉應急控制系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，在燃油泵電機正常運行過程中(ng=11 000 r/min)，控制系統(tǒng)周期實時的對電機進行監(jiān)控與關鍵參數(shù)檢測，當檢測到電機轉速、母線電流等關鍵參量發(fā)生變化時，對其進行相應的分析與判斷：

(1) 若電機轉速，母線電流等參數(shù)在正常范圍內，則電機繼續(xù)保持當前運行狀態(tài)。

(2) 若電機轉速5 000 r/min≤n<11 000 r/min，且母線電流大于正常額定值但小于設定閾值，則判斷電機發(fā)生過載。此時電機繼續(xù)運轉，不做停機處理，并通過降低PWM占空比來使電機降額運行。在降額運行期間，若控制系統(tǒng)檢測到故障消失，則立即使電機恢復額定狀態(tài)運行。

(3) 若電機轉速300 r/min≤n<5 000 r/min，且母線電流大于正常額定值但小于設定閾值，則控制系統(tǒng)判斷電機發(fā)生機械性堵轉故障。此時電機繼續(xù)運轉，通過降低PWM占空比來使電機降額運行，在降額運行期間，若故障消失，則立即使電機恢復額定狀態(tài)運行。

(4) 若電機轉速n<300 r/min，且連續(xù)三個周期出現(xiàn)Δn=ng-nf>1 000,k<0且Ibus≥|Ibus_max|，則判定電機發(fā)生堵轉故障。此時，首先將PWM占空比降低一半，使電機繼續(xù)運行；若控制器在降低PWM占空比運行階段中再次檢測到堵轉故障，則立刻切斷六路PWM，使電機停機。待1 s(具體可根據(jù)情況而定)后，對電機進行重啟。在重啟階段，控制器實時對電機溫度進行監(jiān)測，若電機溫度T≤120 ℃(具體可根據(jù)情況而定)，且控制器自檢無故障，控制器堵轉故障應急控制系統(tǒng)就會持續(xù)的進行工作，即持續(xù)間斷的對電機進行重啟；若堵轉故障在某一時刻消失，則電機在下一個重啟過程后恢復正常運行狀態(tài)，即燃油泵系統(tǒng)恢復正常工作狀態(tài)，從而保證了航空飛行器的穩(wěn)定和安全。

3 電機堵轉故障檢測與應急控制仿真

3.1 BLDCM的數(shù)學模型

電機電樞電壓方程：

(7)

式中：uA、uB、uC分別為電樞繞組相電壓；iA、iB、iC分別為電樞繞組相電流；eA、eB、eC分別為電樞繞組的相反電動勢；Ra、Rb、Rc分別為電樞繞組相電阻；L為每相定子繞組自感；M為每相定子繞組互感。

由于BLDCM的定子繞組為Y形連接，三相定子繞組完全對稱，其三相定子電流之和為0，即iA+iB+iC=0,且Mab=Mac=Mbc=Mba=Mcb=Mca,Ra=Rb=Rc，La=Lb=Lc，結合式(7)，代入整理后可得：

(8)

BLDCM的電磁轉矩方程為

Te=(eAiA+eBiB+eCiC)/ω

(9)

3.2 控制系統(tǒng)仿真模型

燃油泵用BLDCM控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示，主要包含電機本體模塊、轉速電流閉環(huán)控制模塊、三相功率逆變器模塊、霍爾信號模塊和故障檢測等模塊。

圖6為BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型，通過搭建此模型，可以對燃油泵用BLDCM的各種運行及應急控制特性進行分析，主要包括：轉速和轉矩的動態(tài)響應及電機各種故障模式的應急控制仿真分析等。電機轉速控制由電流內環(huán)和轉速外環(huán)雙閉環(huán)完成。轉速環(huán)的輸入為轉速指令n*，轉速環(huán)PI控制器的輸出作為電流環(huán)的輸入，依據(jù)電流環(huán)的輸出生成PWM波，進而控制三相逆變器開關管驅動電機，完成轉速和轉矩的動態(tài)分析。

圖5 BLDCM控制系統(tǒng)框圖

圖6 BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型

3.3 系統(tǒng)仿真參數(shù)

本文研究的燃油泵用電機為一臺10 kW、11 000 r/min、2極的BLDCM，該電機所采用的控制方法為定向磁場控制(FOC)。其控制器輸入電壓為28 V，所用永磁材料為釹鐵硼強磁磁鐵(N35SH)。借助已有的燃油泵用BLDCM試驗平臺，后續(xù)電機堵轉故障和堵轉應急控制的仿真和試驗均基于該電機完成。本文研究的燃油泵用BLDCM的具體參數(shù)，如表1所示。

表1 燃油泵用BLDCM主要參數(shù)

3.4 電機堵轉故障仿真

圖7為BLDCM穩(wěn)態(tài)運行至0.13 s時，突然發(fā)生堵轉時的三相電流、轉速和電磁轉矩波形。

圖7 電機堵轉故障仿真波形圖

由圖7可知，電機在0.05 s之前為起動階段，0.05 s 后到達穩(wěn)定運行狀態(tài)。在0.13 s時，電機發(fā)生堵轉故障(將負載轉矩增大4倍，模擬堵轉故障)，從圖7中可以看出，當電機發(fā)生堵轉時，電機三相相電流逐漸增大到電流保護值，并且電流頻率降低，電磁轉矩急劇增大，電機轉速于0.17 s左右下降至0。當電機轉速變?yōu)?時，電機被完全堵轉，此時，B相電流為0，A相和C相電流為限流幅值200 A，A相和C相繞組長時間有大電流流過，長時間通過大電流會對控制器產生嚴重損壞。

3.5 電機堵轉應急控制仿真

根據(jù)堵轉故障消失的時間，本文按以下兩種情況研究堵轉故障:(1) 堵轉故障在堵轉保護程序進行動作之前消失;(2) 堵轉故障在堵轉保護程序動作之后消失。圖8和圖9分別為針對這兩種情況的仿真圖。

圖8 堵轉保護程序未動作仿真波形圖

圖9 堵轉保護程序動作后仿真波形圖

如圖8所示，0.15 s時刻前，系統(tǒng)在額定狀態(tài)下運行。0.15 s時，系統(tǒng)發(fā)生堵轉故障，經過綜合分析判斷，系統(tǒng)在約0.16 s時判定發(fā)生了堵轉故障。此時立刻降低PWM，由圖8可知，在降低PWM后，電機相電流幅值明顯減小，電磁轉矩突降，電機轉速也快速下降。由于此刻還未達到堵轉保護值，故電機系統(tǒng)繼續(xù)運行，從0.16～0.2 s，電機相電流幅值逐漸增大，頻率減小，轉速繼續(xù)下降，電磁轉矩逐漸增大。在0.2 s，堵轉故障消失，電機系統(tǒng)在0.21 s檢測到堵轉故障消失。此時電機立刻進入恢復起動階段，并在0.24 s恢復額定運行狀態(tài)。

由圖8可知，由于有應急控制機制的存在，電機在檢測到堵轉故障后，并未直接保護停機，而是經過降額運行，使得電機保持了一段時間的低速運轉。當堵轉故障消失在堵轉保護程序動作之前時，電機立刻恢復正常運行條件，并及時恢復到額定狀態(tài)，保證了電機運行的連續(xù)性。

圖9為堵轉故障在堵轉保護程序動作之后消失的仿真示意圖，在0.2 s之前，動作與圖8所示相同。在0.22 s，電機轉速幾乎降為0，電流達到設定閾值，此時電機堵轉保護程序動作，關斷六路功率管，由于逆變器功率管全部關閉，電機三相電流和電磁轉矩的值快速降至0。之后每隔0.1 s(為便于描述仿真結果，這里將重啟間隔時間由1 s改為0.1 s，且忽略電機溫度判定條件)電機會嘗試一次重啟，若堵轉故障存在，則重啟失敗；若堵轉故障消失，則開始重啟。由圖9可知，由于堵轉故障在0.28 s消失，電機在0.3 s開始重啟，并在0.35 s恢復到額定運行狀態(tài)。

4 電機堵轉故障檢測與應急控制機制驗證試驗

4.1 電機堵轉故障檢測與應急控制程序模塊開發(fā)

電機堵轉故障檢測與應急控制程序流程圖如圖10所示。電機在正常穩(wěn)定運行狀態(tài)下，控制系統(tǒng)實時對電機各項參數(shù)進行檢測與監(jiān)控，若測量的轉速和母線電流符合式(5)，則電機應急控制系統(tǒng)判定此時發(fā)生了電機堵轉故障。應急控制機制立即響應，首先降低PWM，并實時監(jiān)控各參量變化情況，若母線電流、轉速等參量仍然符合堵轉檢測條件，則起動堵轉保護程序，立即封鎖PWM信號。之后控制器實時對電機溫度進行監(jiān)測，若電機溫度T≤120 ℃，且控制器自檢無故障，則電機每隔1 s(具體可根據(jù)情況而定)，進行重啟。若堵轉故障存在，則重啟失?。蝗舳罗D故障消失，則電機開始重啟。

同樣，在電機起動時，控制系統(tǒng)實時對電機各項參數(shù)進行檢測與監(jiān)控，若測量的轉速平均變化率小于0且母線電流出現(xiàn)過流，則電機應急控制系統(tǒng)判定此時發(fā)生了電機堵轉故障。

4.2 電機堵轉故障檢測與應急控制機制驗證過程

在進行電機堵轉故障檢測與應急控制機制驗證試驗時，為防止電機堵轉故障對驅動系統(tǒng)及電機本體造成不可逆的損壞，僅在空載低轉速下進行了一次驗證試驗。先讓BLDCM空載運行一段時間，轉速為5 000 r/min，使用特定工具對電機輸出軸進行作用，使其發(fā)生堵轉，為了保護電機及控制器，當觀測到控制系統(tǒng)檢測到堵轉故障時，應立即對電機輸出軸解除控制，使其恢復正常運行的條件。

圖10 電機堵轉故障檢測與應急控制程序框圖

圖11和圖12分別是電機發(fā)生堵轉故障且堵轉故障在堵轉保護程序動作之后消失的轉速和母線電流測量波形圖。

圖11 轉速測量波形圖

圖12 母線電流波形圖

電機運行至A點時，對電機軸施加力矩，使其發(fā)生堵轉故障。從圖11和圖12中可以看出，A點之后電機反饋轉速不再繼續(xù)跟蹤給定轉速指令，而是快速下降，母線電流急劇增加。經過約0.1 s后，即B點，電機控制器診斷出該故障，立即通過降PWM來減小母線電流。由于堵轉故障繼續(xù)存在，在1.5 s時(C點)，控制器進行堵轉保護，關斷所有功率管，但不斷開供電電源。在D點，將堵轉故障解除，可以看到控制器會在2.5 s時進行重啟，并于3 s左右重啟成功。

5 結 語

本文重點分析了電機發(fā)生堵轉故障機理和關鍵故障特征，設計了一套基于電機轉速和母線電流的堵轉故障檢測與一種降PWM占空比延時重啟的堵轉故障應急控制機制；完成了建模仿真與試驗驗證，驗證了所設計的堵轉檢測方法與應急控制機制的合理性和有效性。0.15 s時，系統(tǒng)發(fā)生堵轉故障，經過綜合分析判斷，系統(tǒng)在約0.16 s時判定發(fā)生了堵轉故障。在0.2 s，堵轉故障消失，電機系統(tǒng)在0.21 s檢測到堵轉故障消失，電機在0.3 s開始重啟，并在0.35 s恢復到額定運行狀態(tài)。本文的研究具有一定的理論和實踐意義。