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(dòng)電機(jī)作為先進(jìn)飛行器的一種可靠起動(dòng)設(shè)備，在國際主流飛機(jī)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。起動(dòng)電機(jī)主要功能為將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)從零轉(zhuǎn)速帶動(dòng)到可以穩(wěn)定燃燒的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速狀態(tài)，是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火必不可少的設(shè)備。如何優(yōu)化無刷直流起動(dòng)電機(jī)控制策略，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提升轉(zhuǎn)矩輸出能力，一直是行業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)[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(dòng)，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(dòng)[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(dòng)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(dòng)方法以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[6]將逆變橋中點(diǎn)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(dòng)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(dòng)。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(hào)處理技術(shù)，優(yōu)化了換相控制方案，提升了無位置控制時(shí)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(shí)機(jī)錯(cuò)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(diǎn)，改善了電機(jī)工作性能，此算法計(jì)算量過大，不利于航空起動(dòng)電機(jī)的快速起動(dòng)。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(dòng)機(jī)的無刷起動(dòng)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(yàn)驗(yàn)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(dòng)機(jī)的無刷起動(dòng)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(dòng)電機(jī)一般將電樞電阻和電感設(shè)計(jì)在較低水平，以提升起動(dòng)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(dòng)電機(jī)類型為兩相導(dǎo)通矩形波驅(qū)動(dòng)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(shí)測值

圖1 逆變器功率電路拓?fù)?/p>

在起動(dòng)電機(jī)帶發(fā)動(dòng)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(huì)使得電樞電流達(dá)到千安級(jí)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(hào)占空比間接調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓，實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，同時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)，盡可能提高輸出轉(zhuǎn)矩，保證起動(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，由于將電機(jī)輸入電壓限制在一個(gè)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(shí)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(shí)值將變小，此過程中的A相電流可表示為：

(2)

同時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(yàn)方案及驗(yàn)證

對起動(dòng)電機(jī)樣機(jī)在專用測試臺(tái)上進(jìn)行了不同偏轉(zhuǎn)角控制的負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)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(tái)及上位機(jī)、測溫儀、高溫箱和負(fù)載等，起動(dòng)電機(jī)及一體化控制器樣機(jī)照片如圖10所示，試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖9 試驗(yàn)裝置原理圖

圖10 起動(dòng)電機(jī)及控制器樣機(jī)照片

表2 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)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(shí)計(jì)算值得到的輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了限流控制效果，同時(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)電機(jī)與控制器的匹配設(shè)計(jì)提供了一種新思路。