航空電勵磁雙凸極無刷直流起動發(fā)電機系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)綜述*

周興偉, 談 陽, 周 波, 王開淼, 張 犁, 吳 峰, 李占江

(1.河海大學 能源與電氣學院,江蘇 南京 211100；2.南京航空航天大學 自動化學院,江蘇 南京 211100；3.南京越博動力系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

隨著飛機性能的日益提高，機載用電設(shè)備不斷增加，多電飛機技術(shù)成為飛機發(fā)展的重要方向，對航空電源系統(tǒng)提出了更高要求[1-3]。起動發(fā)電機(SG)技術(shù)利用1臺電機實現(xiàn)起動、發(fā)電2個功能，革除了傳統(tǒng)的起動機，簡化了發(fā)動機附件，能夠大幅提高系統(tǒng)的可靠性與功率密度，已成為現(xiàn)代航空電氣系統(tǒng)的核心技術(shù)[4-5]。

高可靠性、高效率、高功率密度、高集成度是航空SG的發(fā)展趨勢[1,6-8]。作為當今航空SG的主選電機之一，三級式無刷交流同步電機結(jié)構(gòu)較復雜，轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)整流器，限制了電機轉(zhuǎn)速，因此難以進一步提升系統(tǒng)功率密度[4]；永磁同步電機具有高功率密度、高效率的優(yōu)勢，但永磁體不適合航空高溫工況，出現(xiàn)故障時難以滅磁，可靠性難以保證，一般認為其不適合作為航空主SG[9-10]。

作為一種新型無刷直流電機，電勵磁雙凸極電機(DSEM)在開關(guān)磁阻電機(SRM)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來[5,11]，不僅具有SRM結(jié)構(gòu)簡單可靠、容錯性能好、適合于高溫高速運行的優(yōu)點，還可以全周期發(fā)電，且控制靈活。因此，DSEM可構(gòu)成一種具有競爭力的新型航空無刷直流SG系統(tǒng)，成為近年來的研究熱點之一，并已得到試飛驗證[12-14]。

本文首先介紹DSEM SG系統(tǒng)構(gòu)成及其基本工作原理；接著圍繞航空SG系統(tǒng)高可靠性、高效率、高功率密度、高集成度的要求，總結(jié)歸納了DSEM SG系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)的當前研究熱點；最后討論了DSEM SG系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)未來可能的發(fā)展方向。

1 電勵磁雙凸極無刷直流SG系統(tǒng)及工作原理

DSEM SG系統(tǒng)如圖1所示。在起動階段，開關(guān)S1閉合，起動電源(蓄電池)通過全橋變換器向DSEM供電，DSEM作為電動機帶動航空發(fā)動機起動運行；在發(fā)動機到達點火轉(zhuǎn)速后，S1斷開，S2閉合，發(fā)動機反過來帶動DSEM，DSEM作為發(fā)電機運行向負載供電，通過調(diào)節(jié)勵磁電流及電樞電流即可進行發(fā)電控制。

圖1 DSEM SG系統(tǒng)

12/8極DSEM結(jié)構(gòu)如圖2所示。該電機定、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子繞組上無永磁體及繞組，適合高溫、高速運行，定子槽中嵌有集中式的電樞繞組及勵磁繞組，其簡單的結(jié)構(gòu)保證了DSEM在惡劣工況下運行時的可靠性，且各相繞組電磁隔離，容錯性能好[14-15]。

圖2 12/8極DSEM結(jié)構(gòu)圖

2 電勵磁雙凸極無刷直流SG系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高可靠性控制技術(shù)

因為應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，SG系統(tǒng)失效會嚴重威脅飛機的安全運行，所以可靠性是航空SG系統(tǒng)的最重要指標[7,16-17]。在DSEM SG系統(tǒng)中，SG本體可靠性高，功率變換器中的電力電子器件、機械式轉(zhuǎn)子位置傳感器是系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)，因此本文主要介紹應(yīng)對這2類故障的高可靠性控制技術(shù)。

2.1.1 功率變換器容錯控制

針對功率器件故障，有學者對DSEM容錯型功率變換器拓撲及其控制策略進行了研究[18-20]。針對三相全橋變換器開路故障，文獻[18]提出通過直流母線分立電容與兩相正常橋臂功率管重構(gòu)獲得容錯型變換器拓撲，如圖3所示。文獻[19]針對功率管開路故障提出一種無需增加額外硬件的容錯運行控制策略。盡管上述方法實現(xiàn)了DSEM SG容錯控制，但系統(tǒng)均處于降額運行狀態(tài)。多相電機技術(shù)是減小系統(tǒng)容錯運行降額的有效途徑，文獻[20]通過增加2個雙向開關(guān)構(gòu)成一種容錯型四相DSEM驅(qū)動拓撲，獲得了與正常運行幾乎相同的平均轉(zhuǎn)矩，但轉(zhuǎn)矩波動有所增加。

圖3 A相故障下重構(gòu)變換器拓撲

除主功率變換器外，DSEM SG系統(tǒng)中還包含有勵磁功率變換器，針對其發(fā)生故障引起的失磁，文獻[21]提出采用四橋臂主功率變換器，并提出了一種新型六拍容錯控制策略，實現(xiàn)了DSEM SG系統(tǒng)失磁故障下的容錯發(fā)電運行。

2.1.2 無位置傳感器控制

作為SG，DSEM起動運行階段電動運行需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息進行換相控制，機械式位置傳感器在航空高溫、振動、強電磁干擾的極端工況中易發(fā)生故障，使系統(tǒng)可靠性降低[22]。無位置傳感器控制技術(shù)可為機械位置傳感器提供冗余容錯能力，提高系統(tǒng)可靠性，一直是電機控制領(lǐng)域的研究熱點之一[23]。

近年來，許多學者對DSEM無位置傳感器控制技術(shù)展開了研究[24-30]。根據(jù)適用轉(zhuǎn)速范圍，DSEM無位置傳感器控制技術(shù)可分為零速、低速、中高速3類。圖4為DSEM繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置變化，注入檢測脈沖辨識電機電感參數(shù)信息是零速、低轉(zhuǎn)速域進行轉(zhuǎn)子位置估計的有效途徑。

圖4 DSEM電感隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線

文獻[24-25]提出在電樞繞組上注入檢測脈沖，通過檢測響應(yīng)電流或端電壓響應(yīng)進行轉(zhuǎn)子位置估計，但相繞組上注入檢測脈沖階段電機出力減小。為了降低上述影響，文獻[26]提出一種僅需要注入一個檢測脈沖的DSEM轉(zhuǎn)子位置估計方法，增大了DSEM低速無位置起動轉(zhuǎn)矩，改善了系統(tǒng)低速起動性能。進一步地，針對轉(zhuǎn)子初始位置估計(零速)，文獻[27]提出一種基于勵磁建壓過程的電樞繞組感應(yīng)電壓測量的轉(zhuǎn)子位置估計方法，無需額外注入檢測脈沖。在中高轉(zhuǎn)速域，基于反電動勢、磁鏈觀測是最為常用的轉(zhuǎn)子位置估計策略[28-30]。

由于DSEM反電動勢過零點與轉(zhuǎn)子位置無明確對應(yīng)關(guān)系，文獻[28]提出通過對端電壓進行旋轉(zhuǎn)坐標變換，檢測其過零點實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置估計?；贒SEM反電動勢隨勵磁電流及轉(zhuǎn)子位置變化特性，文獻[29]通過設(shè)定換相閾值進行換相點檢測，并進一步實現(xiàn)了無位置傳感器運行模式下的提前角度換相以增加電機出力。文獻[30]提出一種基于電機線磁鏈差的轉(zhuǎn)子位置估計策略，能夠同時適用于三相三狀態(tài)、三相六狀態(tài)導通策略。

2.2 高效率、高功率密度控制

作為SG，與其他類型電機相比DSEM在功率密度及效率方面并無優(yōu)勢。對于本體結(jié)構(gòu)確定的DSEM，可通過控制策略優(yōu)化提高系統(tǒng)效率及功率密度，其對拓展DSEM系統(tǒng)的進一步應(yīng)用具有重要意義。

2.2.1 基于損耗的效率提升控制方法

降低電機損耗是提升效率的直接途徑。文獻[31-32]建立了DSEM損耗計算模型，并在不同轉(zhuǎn)速、負載工況下進行了驗證，為降低損耗的控制策略研究奠定了基礎(chǔ)。文獻[33]提出了一種基于損耗計算的電機效率在線優(yōu)化控制方法。DSEM系統(tǒng)中常將勵磁電流控在其設(shè)計額定值，通過調(diào)節(jié)電樞電流實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。由于特殊的本體結(jié)構(gòu)，額定勵磁電流給DSEM系統(tǒng)帶來較大損耗，在未達到額定負載工況尤為明顯。不同工況的DSEM損耗有限元計算結(jié)果如圖5所示。鑒于此，文獻[34]提出一種電樞電流額定、基于勵磁電流調(diào)節(jié)的新型DSEM控制策略，減小了電機損耗，提高了效率，且一定程度上降低了齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。

圖5 不同工況的DSEM損耗有限元計算結(jié)果

2.2.2 可控整流發(fā)電控制技術(shù)

作為SG，DSEM可采用不控整流發(fā)電向負載供電，通過改變勵磁電流調(diào)節(jié)輸出電壓，控制簡單、可靠性高[35]。但僅采用不控整流發(fā)電存在以下問題：(1)在SG寬轉(zhuǎn)速范圍保持恒定電壓輸出導致勵磁機構(gòu)設(shè)計困難；(2)低速階段勵磁電流過大將引起較大損耗；(3)負載較大時，各相繞組電流上升時間長，繞組利用率低，影響系統(tǒng)效率及功率密度。

針對上述問題，有學者對DSEM可控整流發(fā)電技術(shù)展開了研究。文獻[36-37]采用半控整流發(fā)電拓撲，通過提高電樞電流上升率擴大電機ψ-i曲線包絡(luò)面積，增大了DSEM發(fā)電輸出功率，一定程度上提升了系統(tǒng)功率密度，但其采用的變換器拓撲難以適用于起動運行階段，如圖6所示。針對全橋變換器驅(qū)動的DSEM發(fā)電系統(tǒng)，文獻[38-40]采用角度位置控制、電壓脈寬調(diào)制(PWM)控制降低電機損耗(繞組銅耗、鐵耗)及轉(zhuǎn)矩脈動，并提出了一種基于最小瞬變點跟蹤的改善系統(tǒng)動態(tài)性能控制方法。為了減小整流輸出電壓脈動，文獻[41]采用H橋功率變換器，提出了一種適用于寬轉(zhuǎn)速范圍的角度位置半控DSEM發(fā)電控制策略。

圖6 半控整流發(fā)電拓撲

2.3 轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略

DSEM單相輸出轉(zhuǎn)矩表達式為

(1)

式中：Tpf為勵磁轉(zhuǎn)矩,是主要輸出；Tpr為磁阻轉(zhuǎn)矩。

起動階段，DSEM電動運行時的電流換相過程造成輸出轉(zhuǎn)矩跌落，是轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的主要來源，影響DSEM出力及效率。針對該問題，文獻[42-47]對DSEM轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法進行了研究。

優(yōu)化換相過程是目前最為有效的轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略，主要優(yōu)化方法包括提前角度換相、增加通電模態(tài)等。文獻[43]分析了DSEM三狀態(tài)提前角度換相對電機運行性能的影響，得到了高速運行時適當?shù)奶崆敖嵌葥Q相可以有效提高電機輸出轉(zhuǎn)矩和功率的結(jié)論，其通電策略如圖7(a)所示。在此基礎(chǔ)上，文獻[44]提出一種上下橋臂功率管均提前開通的DSEM三相六拍控制策略，如圖7(b)所示。該方法從減小母線反向電流的角度來抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動。在分析DSEM電感周期變化特性對轉(zhuǎn)矩輸出能力影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，文獻[45]提出一種DSEM三相九狀態(tài)控制方法，如圖7(c)所示。同時，分析得到了不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下提前角參數(shù)選取方法。

圖7 DSEM提前角度換相控制策略

針對最優(yōu)提前換相角度與電機參數(shù)、轉(zhuǎn)速、負載等多個因素相關(guān)，實際系統(tǒng)難以準確計算的問題，文獻[46]提出一種基于母線電流反饋的提前換相角自適應(yīng)控制方法，無需預知電機參數(shù)及系統(tǒng)運行狀態(tài)。文獻[47]通過引入轉(zhuǎn)子位置角閉環(huán)以實現(xiàn)電樞電流過零點與定轉(zhuǎn)子對齊點同步，實現(xiàn)了最優(yōu)換相。

2.4 集成化控制技術(shù)

集成化一直是現(xiàn)代航空的發(fā)展趨勢和要求[1,8]。實際上，SG技術(shù)就實現(xiàn)了航空動力系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的集成，使航空電源系統(tǒng)的體積質(zhì)量得到了大幅縮減。

在航空SG系統(tǒng)中，集成化包括設(shè)備集成與控制集成。其中，設(shè)備集成將SG系統(tǒng)多個電力設(shè)備的各個環(huán)節(jié)或多個電力設(shè)備作為一個整體進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化、小型化，提高系統(tǒng)的功率密度[48]。例如，內(nèi)裝式SG需將電機本體、功率變換器、控制器等多個部件進行結(jié)構(gòu)化集成設(shè)計，并將其集成于多電發(fā)動機高壓軸上，簡化了多電發(fā)動機機匣等結(jié)構(gòu)附件，其苛刻的工作環(huán)境對電機本體及控制器的結(jié)構(gòu)、耐高溫、抗電磁干擾性能提出了高要求[15]。

控制集成主要實現(xiàn)系統(tǒng)多種功能的復合，在電機系統(tǒng)常規(guī)功能基礎(chǔ)上，通過傳感、傳輸、分析、執(zhí)行等步驟將系統(tǒng)的感知和執(zhí)行合二為一，使得系統(tǒng)更加智能化、信息化[6]。例如，航空SG系統(tǒng)中，需要對機械轉(zhuǎn)子位置傳感器運行狀態(tài)進行監(jiān)測，在其發(fā)生故障時切換至無位置傳感器運行模式，即系統(tǒng)集成了位置傳感器故障的冗余容錯功能。實際上，控制集成常需與系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、信息處理、故障診斷等技術(shù)相融合[49-51]。另外，實際系統(tǒng)還需將多個關(guān)鍵控制技術(shù)集成，但不同控制技術(shù)應(yīng)用前后系統(tǒng)運行特性會發(fā)生改變，不同控制關(guān)鍵技術(shù)存在相互耦合影響，同時應(yīng)用時需要綜合考慮，已有學者對此展開研究，例如：文獻[29]研究了DSEM無位置傳感器運行模式下的提前角度換相控制；文獻[52]實現(xiàn)了電機缺相故障容錯運行時的無位置傳感器運行。

3 結(jié) 語

DSEM具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、適合高溫高速運行、容錯性能好等優(yōu)點，可構(gòu)成一種具有競爭力的新型航空無刷直流SG系統(tǒng)。針對航空SG系統(tǒng)高可靠性、高效率、高功率密度、集成化的發(fā)展趨勢和要求，本文對DSEM SG系統(tǒng)的高可靠性控制、高效率、高功率密度控制、集成化控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了歸納和分析，對未來的研究方向作如下展望：

(1)目前研究的DSEM SG系統(tǒng)容錯型功率變換器及其控制策略僅針對電動或發(fā)電單個運行模式，未來需要進一步研究適用于起動、發(fā)電2種模式的雙向容錯功率變換器及其控制策略。

(2)現(xiàn)有研究的絕大多數(shù)DSEM無位置傳感器控制策略針對電動運行模態(tài)，且轉(zhuǎn)速適用范圍窄，應(yīng)用于寬轉(zhuǎn)速域不同控制策略間的切換時可能會引發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。未來需要研究寬轉(zhuǎn)速、寬負載范圍的DSEM無位置傳感器控制方法，以及不同無位置傳感器控制方法的平滑切換策略。另外，在SG系統(tǒng)中DSEM長時間運行于發(fā)電狀態(tài)，DSEM多種發(fā)電運行模式下的電機轉(zhuǎn)子位置估計方法亟待研究突破。

(3)由于DSEM本體結(jié)構(gòu)的特殊性，額定勵磁電流帶來較大損耗(包括銅耗、鐵耗)，未來需要研究自適應(yīng)轉(zhuǎn)速、負載等工況條件的勵磁電流與電樞電流協(xié)調(diào)控制的DSEM效率在線優(yōu)化方法。

(4)轉(zhuǎn)矩脈動限制了DSEM進一步推廣應(yīng)用，換相過程優(yōu)化是抑制轉(zhuǎn)矩脈動的常用策略，但多個換相角度(導通模態(tài)增多)與電機參數(shù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)相關(guān)，難以直接準確計算獲取。未來需要研究系統(tǒng)參數(shù)不敏感的最優(yōu)提前換相角度智能化選取策略。

(5)實際SG系統(tǒng)常需綜合應(yīng)用多種高性能控制技術(shù)，未來需研究不同控制策略應(yīng)用前后的系統(tǒng)運行特性差異，以及不同控制策略間的相互耦合影響規(guī)律，獲得兼顧多個性能指標的控制技術(shù)協(xié)調(diào)方法。另外，DSEM SG控制集成化的發(fā)展還需與狀態(tài)監(jiān)測、信號處理、故障診斷等技術(shù)相融合，多功能復合是航空DSEM SG集成化的發(fā)展趨勢。